射频封装技术：层压基板和无源器件集成
射频和无线产品领域可以使用非常广泛的封装载体技术，它们包括引线框架、层压基板、低温共烧陶瓷（ltcc）和硅底板载体（si backplane）。由于不断增加的功能对集成度有了更高要求，市场对系统级封装方法（sip）也提出了更多需求。
引线框架基板封装技术在过去的几年中得到了巨大的发展，包括刻蚀电感、引脚上无源器件、芯片堆叠技术等等。框架基板是成本最低的选择，但是更高的功能性要求更多的布线和更多的垂直空间利用，因而，框架封装很少用在rf集成解决方案中。
ltcc因其具有多层结构、高介电常数和高品质因子电感，已经被证明是一种能提供高集成度的高性能基板材料。ltcc方案中实现了无源器件的嵌入，如独立rcl或包含rcl的功能块，使smt器件所需平面空间最小，同时提高电性能。集成度是ltcc的优点，然而翘曲、裂纹、基板的二级可靠性、以及整个供应链结构（基板在封装过程中的传送）等等对ltcc的局限，使之无法成为流行的载体基板选择。
硅底板载体，如stats chippac的芯片级模块封装（csmp：chip scale module package），已经广泛地使用于需要高集成度、卓越电性能和小外形系数的无线解决方案中。csmp是一种全集成解决方案的理想封装形式，可以包括rfic和基带ic。然而，这样的集成度并不是成本最低的，而且也不是所有的射频和无线设备都需要的。
这些原因将我们引向层压基板，一种在射频模块封装中应用最广泛的载体。该方法结合了传统的层压基板技术与无源器件集成技术（ipd：integrated passive device），成为一种在成本、尺寸、性能与灵活性诸方面能达到最佳平衡的双赢解决方案。本文对带ipd器件的层压基板的应用进行讨论，同时通过两个例子来进一步阐述研究。
ipd与smd 和ltcc分立器件电路的对比
射频模块需要用到独立的rcl或组合的rcl，来实现诸如滤波器、天线分离滤波器（diplexer）、不平衡变压器（balun）等的功能块，这些rcl通常为smd（surface mount devices表面贴装器件）形式或ipd形式。
传统的层压基板不能很好地适用于嵌入式无源器件，而高介电材料层压又受到很大成本限制。螺旋电感可以设计在层压基板的内部，但是电感值却有限。因此，在使用层压基板时，更倾向于结合smt器件和ipd，这样具有成本、外形尺寸和性能等等方面的优势。
对于何时使用表面贴装器件、何时将特定的无源器件设计成ipd更合理，需要进行权衡。例如，当需要大于100.0pf的电容器设计时，使用smt器件就具有尺寸与成本的优势。
另外，当设计中需要比较少量的解耦电容器或独立电感和电阻时，通常推荐使用smt无源器件方式。表面贴装器件可以充分利用所占空间的z方向，而ipd则主要利用xy方向，后者对z高度方向的空间利用很有限，因此，当ipd器件表面面积超出可利用的空间，使用表面贴装元件就比较明智。为了找到在ipd和smt器件之间最佳平衡，我们研究出可以描述器件值与ipd需要的面积关系的曲线（图1）供设计参考。
图1 在硅基板上制作的ipd的电感和电容
使用硅基ipd技术，一个0201 smd器件的面积（0.15mm2）内可以产生25.0nh的电感，或者50.0pf的电容。换言之，对于容量小于25.0nh的电感或小于50.0pf的电容，ipd器件/电路方案的外形尺寸比0201器件更小。
当涉及到射频功能块时，ipd方案常常会胜出，其中有多种原因。首先，尽管硅基ipd制成的电感也必须使用螺旋形式，但它可以使用更小的线宽和隔离空间。另外，高电阻的硅基片上允许制成具有更高品质因子的电感。因而，一个ipd电感的质量和外形系数可以与smd器件媲美；第二，电容尤其是小容量电容（rf应用中）更容易建在ipd中；最后，与pcb上连接smd器件，或者ltcc内部连接相比较，硅基板上的互连路径更短。
这里有一个例子，对于一个超宽频（uwb）应用滤波器，现有的ltcc滤波器尺寸是3.2mm×2.5mm×0.8mm，如果在ipd中使用相同的布局来实现，尺寸将会是1.6mm×1.0mm×0.5mm（图2）。ipd滤波器除了具有更薄的外形以外，尺寸缩小了5倍。
图2 ltcc滤波器(a)和ipd滤波器(b)尺寸比较
我们也对其它情况进行了比较，总而言之，对于滤波器（比如lpf 或 bpf）， ipd可以获得小五倍的外形，对于不平衡变压器，使用ipd的外形可小两倍。
另外还有一种方法，通过使用嵌入式电感（层压板内部）和smt电容来制作滤波器这类功能块。这样做的结果是，除了占用面积超过ltcc或ipd以外，在性能方面也有局限。此外，由于组装一个整体的集成功能块的过程被拆分成两部分（pcb电感和smt电容），封装要获得好的良率就必须对组装工艺提出更严格的要求。
smt器件具有大小不同的尺寸。在射频模块应用中，当前最常用的是0201。更小尺寸的01005器件刚刚出现，但是它们通常比较昂贵而且器件值也有限。这些smt器件的贴放通常使用高速贴片机，然后通过回流焊接在层压板上。
图3 一个rf模块中，ipd键合在层压基板上(a)，或ipd倒装在基板上
ipd可以是裸芯片形式或凸点器件，然后通过引线键合或倒装焊接到基板上（图3）。凸点ipd芯片可以和smt器件一起使用高速贴片机进行贴放，贴装完成后，其它芯片可以通过引线键合直接放到基板上。
示例研究＃1—— gsm匹配电路
在一个rf接收器中，需要使用一些匹配电路，来提高pa和lna这些有源电路的性能。这些匹配电路包括rcl器件。由于考虑成本和性能，这些rcl器件可以从芯片中去除，并通过smd或ipd形式实现。
我们对一个客户的gsm传送模块使用片外匹配器，并进行了对比研究。在该模块中，有73个用于匹配电路和dc解耦的无源器件，如果只使用smd元件（假设所有器件可选用0201），封装尺寸将是11mm×11mm。然而，如果某些器件用ipd形式实现，模块的尺寸可以得到明显的缩小（表1）。
表1 smd和ipd方案封装尺寸的比较
对于这些gsm的低频（860mhz）和高频（1800mhz）匹配器，ipd方法非常适合。除了一些大容量的解耦电容，55个rcl可以制作在一个尺寸更小的ipd网络中，封装大小可以达到7mm×7mm。为了简化，布线的复杂度在所有的示例中没有考虑。
应当注意到，ipd网络是被当作一个集成芯片来对待的，因为它的外形系数和厚度都与一个集成电路相近。ipd网络与传送芯片堆叠，虽然增加了模块的厚度，但由于ipd仅仅0.25mm厚，对厚度的增加没有明显的影响。因此，ipd封装堆叠节省了空间，并可以通过引线键合或者倒装焊的形式，堆叠在另外一个芯片的上方或下方。 示例研究#2 —— gsm不平衡变压电路（balun circuits） 为了抑制噪声和提高pa性能，常常对pa采用微分输出设置，因而，需要一个变压器，来将单步端转换到微分端。然而，业界能提供的变压器具有固定的阻抗变压比，例如50.0～100.0ω变压器或50.0～200.0ω变压器。大多数的pa具有低的输出阻抗，以传送高功率。这就需要在变压器和pa之间设置一个匹配电路，如图5（b）所示。在该例中，功率放大器（pa）输出匹配电路和变压器功能块，被用来展示使用ipd技术的功效。
图4 两种方案的封装比较
应用中有gsm低频（860mhz）和gsm高频（1800mhz）电路。对每个频带，有一个匹配电路和一个变压器，将一个微分功放输出转换到单步端输出（50.0ω）。该产品现有形式中，客户使用了标准芯片多层ltcc变压器，尺寸分别为2.0mm×1.25mm×0.95mm和1.6mm×0.8mm×0.6mm。由于标准的变压器有50.0～200.0ω阻抗转换，和特定的功放输出阻抗不匹配，该模块需要一个独立的匹配电路（4 rcl器件）在功放和变压器之间。现有的ltcc+smd的解决方案如表2所示。
表2 使用ipd和分离器件的面积比较
由于可以设计一个ipd变压器来匹配任何的功放输出阻抗，因此没有必要使用独立的匹配电路（每个频带4个rcl）。换言之，匹配功能可以嵌入到balun变压器中。ipd方案的整体尺寸为2.5mm2，大约比现有的ltcc+smd方案的尺寸小四倍。除此之外，ipd匹配器和变压器电路只有大约0.25mm高，这也比离散的ltcc器件薄。
图5 （a）gsm高低频段中的ipd balun。尺寸为1.5mmx1.0mm和1.0mmx1.0mm。匹配的功能已经嵌入在balun变压器中；（b）输出匹配电路和变压器功能块解决方案示意
该ipd解决方案完全去除了在匹配器和变压器模块中使用smd器件，它不仅使面积缩小了四倍，而且大大降低了封装过程的成本。由于其集成在一个ipd模块中，而非使用一个ltcc分离器件balun变压器和四个rcl，良率和工艺变化的影响都得到改善。
结论
关于射频封装的理想解决方案近年来有许多研究，最重要的是要在成本、体积和性能需求之间谋求平衡。尽管引线框架技术中已取得显著的进展，而ltcc基板性能也已经得到提升，但是，在绝大多数的应用中，使用ipd集成和层压基板的技术还是最好的整体解决方案。
层压基板低成本、灵活性高、具有成熟的供应链和快速的制造周期。ipd可以制作出卓越的射频功能块，并能够象芯片或smt器件一样方便地贴装在层压基板上。将层压基板和ipd结合在一起，为射频解决方案提供了一个非常广阔的范围。本文中所研究的两个gsm应用实例，仅仅在于说明典型的尺寸缩减，该技术同样可以应用在移动电视、gps、wlan和wimax等设备的射频电路应用中。
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另外，当设计中需要比较少量的解耦电容器或独立电感和电阻时，通常推荐使用smt无源器件方式。表面贴装器件可以充分利用所占空间的z方向，而ipd则主要利用xy方向，后者对z高度方向的空间利用很有限，因此，当ipd器件表面面积超出可利用的空间，使用表面贴装元件就比较明智。为了找到在ipd和smt器件之间最佳平衡，我们研究出可以描述器件值与ipd需要的面积关系的曲线（图1）供设计参考。
图1 在硅基板上制作的ipd的电感和电容
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