射頻系統(tǒng)封裝的發(fā)展現(xiàn)狀和影響

龍 樂

（龍泉天生路205號1棟208室，成都 610100）

1 引言

在射頻與微波工程中，廣義地講，RF（射頻）就是無線電收/發(fā)所使用的頻率，涵蓋了從長波波段低頻端（30kHz）以上到遠紅外波段低頻端（400GHz）以下的寬闊的電磁波譜。RF系統(tǒng)主要包括接收/發(fā)射轉(zhuǎn)換開關(guān)、低噪聲放大器LNA、混頻器、鎖相環(huán)PLL（一般由鑒相器PD、濾波器和壓控振蕩器VCO組成）、功率放大器PA、濾波器和頻率合成器等電路，負責完成信號的處理和傳輸功能，其優(yōu)劣是直接影響整機性能優(yōu)異的關(guān)鍵。而且，射頻與微波常互跨疆界，用作無線電系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的頻率，因其應(yīng)用和發(fā)展充滿活力而倍受關(guān)注。

隨著通信、雷達、微波測量及各種便攜式電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，對產(chǎn)品微小型、高性能、低成本、高可靠和多功能提出了更高的要求，而隨著工作頻率的不斷走高，對射頻、微波信號的處理變得越來越重要和緊迫，原來基于單層電路板和器件的設(shè)計和工藝已不能滿足發(fā)展的需要，系統(tǒng)芯片（SoC）目前在這一領(lǐng)域的局限性也逐步顯現(xiàn)出來。微波單片電路（MMIC）和混合電路以及新型封裝技術(shù)的發(fā)展和進步，為提高RF系統(tǒng)性能和可靠性、降低成本創(chuàng)造了條件。當前RF SiP（系統(tǒng)封裝）技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動力是結(jié)構(gòu)、性能、市場、成本，運用微組裝和混合IC以及高密度三維互連，能夠把不同工藝芯片以及各類無源元件等集成到一個封裝體內(nèi)，可以有效而又最便宜地使用各種工藝組合，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能集成。

2 RF SiP發(fā)展歷程

在典型的RF設(shè)計中，大量采用各類電感、電容及電阻，60%～70%的系統(tǒng)面積都被無源元件（如電阻電容電感RCL、濾波器、平衡－非平衡混頻器）所占據(jù)。同時，在RF系統(tǒng)中，通常包含多個集成電路IC（如基帶ASIC，即BBIC以及RFIC收發(fā)機等），各類元器件采用不同的工藝技術(shù)制作而成，例如BBIC采用CMOS技術(shù)、收發(fā)機采用SiGe和BiCMOS技術(shù)、RF開關(guān)采用GaAs技術(shù)等。SoC的優(yōu)勢是把所有功能整合在同一塊芯片上，目前一些低成本應(yīng)用通信系統(tǒng)中，將RF模擬電路和基帶電路實現(xiàn)單片集成，但卻受到各種IC技術(shù)的限制，不能充分有效地利用多項技術(shù)優(yōu)勢。

基于多重輸入多重輸出技術(shù)開發(fā)的新寬帶無線標準，要求通信機的前端電路越來越復(fù)雜。未來的前端將具有多達10個功率放大器和相關(guān)的低通RF濾波器、耦合器和匹配電路，其所占用的電路板面積將超過數(shù)字電路和存儲器的電路板面積，而且RF前端仍由各種RF電路芯片和分立無源元件組成。SiP可以對各種不同技術(shù)的不同電、熱和機械性能要求進行權(quán)衡，獲得最佳的性能，大多數(shù)SiP都不會在電路板中占據(jù)過多的面積，因此，系統(tǒng)級集成封裝技術(shù)成為主流方向，可采用RF SiP技術(shù)實現(xiàn)下一代無線產(chǎn)品。

美國率先開展SiP研究，在上世紀九十年代將SiP確定為重點發(fā)展的十大軍民兩用高新技術(shù)之一。緊隨其后，歐盟、日本、韓國及其他地區(qū)的微電子巨頭也制定出SiP發(fā)展規(guī)劃，從3D邏輯SiP、2D SiP、3D SiP向RF SiP、WLP-RF SiP、3D-RF SiP等推進，探索封裝產(chǎn)業(yè)研發(fā)方向。從發(fā)展趨勢上看，SiP是混合集成電路和多芯片微組件工藝之優(yōu)勢于一體的新型封裝技術(shù)，有很多相類似的地方，對整機系統(tǒng)進行功能劃分，分別選擇優(yōu)化的芯片及元件來實現(xiàn)這些功能，采用封裝工藝技術(shù)，它盡可能將一個完整的電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)高密度地封裝集成在一個封裝尺寸的殼體或外殼內(nèi)，在封裝中構(gòu)成系統(tǒng)集成。在ITRS（國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖組織）2005版本中對SiP的定義是：SiP是采用任何組合，將多個具有不同功能的有源電子器件與可選擇的無源元件，以及諸如MEMS（微機電系統(tǒng)）或者光器件等其他器件，組裝成為可提供多種功能的單個標準封裝件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。在芯片封裝技術(shù)中，SiP是高級別的封裝，也可以是多芯片堆疊PoP或三維的3D封裝內(nèi)系統(tǒng)；而在芯片設(shè)計領(lǐng)域，SoC則是最高級別的芯片，研發(fā)成本高，設(shè)計周期長，驗證及生產(chǎn)工藝復(fù)雜。從總體上來看，這兩者又有很多相似之處，分別提供實現(xiàn)不同級別電子系統(tǒng)的方法，SiP涵蓋SoC，其差異分析如表1所示，SiP提高性能的同時降低成本，在封裝效率、性能和可靠性方面提高了10倍，尺寸和成本則有大幅度下降，設(shè)計和工藝靈活性較大，內(nèi)嵌入性好，不同類型元器件集成相對容易，性價比高，技術(shù)上互為補充發(fā)展。

表1 電子微系統(tǒng)、SiP、SoC的差異分析

在SiP研發(fā)上推動學術(shù)和產(chǎn)業(yè)界積極投入巨資開發(fā)SiP的動力是小型化（37%）、高性能（51%）和低價格（12%），經(jīng)過數(shù)年來的研發(fā)，SiP技術(shù)在很多領(lǐng)域已有重要突破，如多芯片模塊MCM、芯片堆疊封裝PoP、芯片減薄、硅通孔TVS、金屬化、薄膜導(dǎo)線、嵌入工藝、超薄晶圓、積層線路板、無源元件集成等。據(jù)報道，目前SiP的布線密度可達6000cm/cm2，熱密度達到100W/cm2，元件密度達5000/cm2，I/O密度3000/cm2，代表著新型封裝技術(shù)發(fā)展趨勢。SiP開拓了一種低成本集成的系統(tǒng)思路與可行方法，能較好地解決SoC中諸如工藝兼容、信號混合、電磁干擾、開發(fā)成本、芯片封裝體積等挑戰(zhàn)性問題，市場突破100億美元，RF SiP將系統(tǒng)前端射頻電路二次集成為多個模塊，然后嵌入SiP中，確保電路的完整性和隔離度，構(gòu)成系統(tǒng)或子系統(tǒng)，其應(yīng)用從手機、通信、便攜式電子產(chǎn)品擴展到高可靠的其他領(lǐng)域。

RF SiP發(fā)展歷程源于SiP，將以往在板級間解決的問題，探索在SiP內(nèi)以創(chuàng)新應(yīng)用方式進行內(nèi)部解決，同時也是SiP的延伸和拓展，整合應(yīng)用領(lǐng)域橫向需求和封裝測試技術(shù)縱向擴展，打造新的價值鏈和競爭力，其主要特點是可使用成本相對較低的基礎(chǔ)工藝來進行無源元件的高質(zhì)量集成以及微磁電集成元器件，布線密度高，互連線短，電學、機械、熱學性能優(yōu)異，功能多樣，可靠性高，此外也可以將采用不同工藝技術(shù)（CMOS、Bi-CMOS、GaAs、GeSi）制作的有源器件與采用小節(jié)距的內(nèi)部互連線進行互連，從而使器件的性能達到最佳化。為了能獲得更大電容密度（＞400nF/mm2）、更多功能并通過RF SiP將器件進一步小型化，可采用高介電常數(shù)的介質(zhì)（如AL2O3，HfO2等）和TiN之類的導(dǎo)體來制作MIS（金屬-絕緣體-半導(dǎo)體）和MIM（金屬-絕緣體-金屬）溝槽，TSV刻蝕和銅填充將可達到直徑10μm ～100μm以及深度30μm ～300μm的典型值。這些技術(shù)將使3D芯片和晶圓堆疊、具有小外形尺寸的RF SiP成為現(xiàn)實。

RF SiP比板級方法的互連長度更短，互連線的縮短可以使電路性能得到改善（降低互連損耗、減少延遲和寄生效應(yīng)），縮短了芯片－芯片和芯片－無源元件（RCL、濾波器、平衡－非平衡混頻器）之間的互連長度，可實現(xiàn)良好的電特性。

3 RF SiP的發(fā)展現(xiàn)狀

RF技術(shù)發(fā)展趨勢是減少體積和重量，降低功耗，提高可靠性和多功能化。另外，需要采用頻率選擇性好的濾波器件和極為穩(wěn)定的本機振蕩器，并保證電路在有限的電源供電下長時間穩(wěn)定工作。為此，RF電路需要進一步集成化，電容、電感和振蕩器等應(yīng)該保持高Q值（品質(zhì)因數(shù)），傳輸線、開關(guān)和天線等在阻抗匹配、插入損耗和隔離度方面也應(yīng)該滿足較高的要求。RF技術(shù)與SiP技術(shù)相融合，以系統(tǒng)開發(fā)為導(dǎo)向，提供了新的解決途徑，其優(yōu)勢日益凸顯，推進了RF SiP的研發(fā)進展。

3.1 硅基RF SiP

下一代蜂窩射頻器件將具有更高的集成度，并傾向于使用3D（三維）封裝。3D技術(shù)能提高封裝密度和封裝效率，增強產(chǎn)品功能，提高速度，降低功耗，降低噪聲，實現(xiàn)整機的小型化和多功能化。以硅技術(shù)為基礎(chǔ)的集成無源器件（IPD）成為一種RF SiP的解決方案，由于可實現(xiàn)電容和電感的高密度排列，基帶電路和射頻電路保持良好的隔離，進行高度集成的蜂窩射頻RF器件模塊的生產(chǎn)，基本上可以提供與較小SMD元件相似的外形，通過量產(chǎn)流程驗證，而且價格頗具競爭力。

硅基RF SiP采用成本相對較低的芯片后端TVS工藝將無源元件集成到硅襯底上，采用原子層沉積工藝淀積多重高介電常數(shù)介質(zhì)（AL2O3）和導(dǎo)體層（TiN），由此制作金屬/絕緣體/金屬MIM疊層，電容密度達到400nF/mm2，擊穿電壓大于6V，與有源器件芯片或MEMS芯片一起形成一個高質(zhì)量三維堆疊混合集成的器件平臺。例如，一個無線電收發(fā)集成電路可以倒裝在這種含有無源元件的硅襯底上，以減少互連寄生現(xiàn)象和所占面積，最后倒扣組裝到標準尺寸的引線框架封裝中。另外，也可以運用不同的工藝技術(shù)（CMOS、BiCMOS、GaAs）來制作有源器件，并采用小節(jié)距的內(nèi)部互連線進行，從而使器件的性能達到最佳化。下一階段的目標是獲得更大的電容密度、更多的功能，器件進一步小型化，TSV刻蝕和銅填充的直徑可達10μm～100μm、深度30μm～300μm的高深寬比值。

3.2 LTCC（低溫共燒陶瓷）RF SiP

LTCC技術(shù)為高集成度的RF SiP提供了一個很好的途徑，其材料介電常數(shù)低（一般ε≤10以下），布線密度高，布線導(dǎo)體方阻小，傳輸損耗小，熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)與硅器件匹配，信號傳輸線采用了Au、Ag等良導(dǎo)體，信號傳輸速度快，具有很好的微波性能。LTCC不但可以集成R、L、C無源元件，還可以將微波傳輸線、邏輯控制和電源線、混合信號傳輸線等集成在同一個多層LTCC三維微波傳輸結(jié)構(gòu)中，LTCC基板上、下表面分別布置射頻電路和低頻電路，其間埋置無源元件，將多芯片和元器件集成在一個封裝體內(nèi)，最大限度地減少了系統(tǒng)的體積、重量和元器件數(shù)量，提高了性能和可靠性，降低了成本，是實現(xiàn)小型化、集成化、高可靠性和低成本發(fā)展的重要途徑。同時，基于LTCC的RF SiP可以采用密封的金屬封裝，滿足苛刻環(huán)境條件下的使用，特別適合高速、射頻、微波等電子整機的高性能系統(tǒng)集成。

研制成功基于LTCC技術(shù)的Ku波段多通道射頻前端電路，在很小的空間內(nèi)集成了多個GaAs MMIC（砷化鎵微波單片集成電路）芯片和CMOS控制電路芯片及采用LTCC技術(shù)的微波帶狀線濾波器組，電路主要由限幅器、前置低噪聲放大器、單刀多擲開關(guān)、兩個雙平衡混頻器、第一中頻放大器、第二中頻放大器、串行信號轉(zhuǎn)并行信號驅(qū)動器等芯片及多個不同頻段的濾波器組成，由二次變頻實現(xiàn)多通道、多功能電路的應(yīng)用。一個由移相器、功率放大器、低噪聲放大器、電調(diào)衰減器和T/R開關(guān)等多個單芯片所構(gòu)成的相控陣雷達收發(fā)組件在LTCC上實現(xiàn)，將射頻、數(shù)字、供電電路分別布置于不同的層次之中。

目前，對于RF SiP產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)來講，高頻低損耗的LTCC多層基板已經(jīng)成為眾多制造廠商的首選，特別是在高端電子設(shè)備中發(fā)揮越來越重要的作用，典型的商品化高頻低損耗、高密度多層互連LTCC基板可做到14～20層（層間厚度公差2.5%以內(nèi)），制成的無源元件公差可控制在3%～5%的范圍，燒結(jié)后陶瓷密度氣密性好。采用LTCC技術(shù)，將雙工器、低通濾波器、SAM濾波器和切換開關(guān)等無源元件埋置在LTCC多層基板內(nèi)部，制作出高密度集成的手機前端RF SiP。

研究微磁電集成元器件的SiP，將產(chǎn)生新原理、新概念器件，突破常規(guī)元器件的性能極限，實現(xiàn)電子裝備的微小型化、高功能密度化。微磁電集成元器件也是微波/RF技術(shù)的重要組成部分，以LTCC為主要制造方式，以電磁場理論和傳輸線理論為基礎(chǔ)，結(jié)合微電子器件，構(gòu)成微磁電集成模塊、微磁電集成執(zhí)行器及組成微波/毫米波集成電子整機系統(tǒng)，滿足頻率高端電子整機的數(shù)字化、集成化、小型化和高可靠性要求，比常規(guī)微波/毫米波元件的可靠性提高1～3個量級，功耗減少1～2個量級。

隨著通信、雷達、微波測量及各種消費電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，工作頻率的不斷升高，對高頻微波信號的處理變得越來越重要和緊迫，國內(nèi)對LTCC微波器件的設(shè)計、制造和應(yīng)用研究等方面與國外存在一定差距，RF SiP運用微組裝和互連技術(shù)，能夠把各種集成電路以及各類無源元件等集成到一個封裝體內(nèi)，可以有效而又最便宜地使用各種工藝組合，器件設(shè)計與工程實用性研究有效結(jié)合是今后LTCC發(fā)展的重點。

3.3 多層有機基板封裝

利用LTCC還很難全面集成RF、數(shù)字和混合信號技術(shù)用元器件。采用一種薄膜多層工藝，將液晶聚合體LCP和陶瓷填充聚四氟乙烯PTFE化合物結(jié)合在一起，構(gòu)成的先進RF電路材料新工藝與電路布局技術(shù)研制成功RF SiP基板的多層有機MLO（Multi-layer Organic）基板封裝，在射頻芯片的MLO疊層基板嵌入關(guān)鍵射頻無源元件，構(gòu)成先進RF電路材料的新型工藝與電路布局技術(shù)。同時保持其低插損和高度隔離，介電常數(shù)穩(wěn)定，易于激光打孔，不易吸水并且熱穩(wěn)定性良好。6層MLO就能實現(xiàn)12～20層LTCC的功能，與其他RF多芯片封裝方案相比，具有相當或更好的性能，并能夠?qū)鹘y(tǒng)的多層陶瓷封裝技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)。

LCP基板在射頻/毫米波（高至110GHz）微系統(tǒng)封裝中展現(xiàn)出可與PTEE材料相比擬的優(yōu)異介電性能，且兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高模量、可裁剪熱膨脹系數(shù)以及低吸濕率等特性。LCP的性能契合了射頻/毫米波系統(tǒng)向更輕更小、更高性能以及更低成本方向發(fā)展的需求，基于LCP基板的射頻/毫米波系統(tǒng)的研發(fā)得到了重點關(guān)注，一些應(yīng)用研究相繼見諸報道。

MLO基板擁有一個或多個RF介質(zhì)層，嵌入在其他層壓板之間，為表面貼裝和RF芯片布置提供線路、保護和焊接區(qū)域。其典型產(chǎn)品為疊層結(jié)構(gòu)，外層薄膜采用填有二氧化硅的碳氫化合物導(dǎo)熱雙層膠和層壓材料，具有剛性、較低的吸水性和低z軸CTE（熱膨脹系數(shù)），確保其可靠性。內(nèi)部介質(zhì)層在工作頻率下須做到低插損，厚度較薄以獲得較高的電容密度，并使封裝高度盡可能低。研發(fā)成功層壓板厚度僅為25μm的LCP和25μm厚的PTFE化合物，可標準地多層和/或連續(xù)層壓加工，在這些低插損介質(zhì)層上下采用屏蔽層制作的MLO基板具備優(yōu)異的RF性能，用于制作完整的封裝結(jié)構(gòu)。該技術(shù)已被用于開發(fā)多種RF產(chǎn)品，包括分立被動元器件、高集成RF前端模塊（FEM）以及包含整個無線芯片組及前端的嵌入式模塊。利用MLO，現(xiàn)已獲得標準引線鍵合技術(shù)組裝的、含有GaAs和SiGe芯片的前端模塊，并通過了電子器件聯(lián)合工程協(xié)會JEDEC可靠性壓力測試，未出現(xiàn)失效或性能退化。

為完全利用MLO的嵌入式器件功能，可制造性設(shè)計是其研發(fā)中的關(guān)鍵因素，要求設(shè)計人員具備可快速實現(xiàn)RF系統(tǒng)中使用的常規(guī)元器件的能力，如匹配網(wǎng)絡(luò)、濾波器、不平衡變壓器、耦合器和雙工器，最終轉(zhuǎn)化成集總參數(shù)結(jié)構(gòu)，包括嵌入式電感器、電容器和傳輸線，被刻蝕到覆銅介質(zhì)層中。

4 RF SiP帶來的影響

SiP綜合了現(xiàn)有的芯核資源和生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢，有助于超越SoC設(shè)計極限，包括使用者的IP集成、IP重用、混合模擬/數(shù)字設(shè)計等，具有低設(shè)計風險、工藝復(fù)雜性低、低開發(fā)成本和更短的上市時間等特點，成為一種理想的RF和混合信號系統(tǒng)解決方案。RF SiP的目標是實現(xiàn)各類微波/毫米波電子器件與整機的模塊化、固態(tài)化、小型化、高性能化，為RF前端提供更好的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性、動態(tài)范圍和抗干擾性。

RF SiP將推進3G/4G手機RF前端的集成，為3G和4G射頻方案提供全面解決辦法，包括放大器、開關(guān)和濾波器，提高功率放大器集成度，提升其技術(shù)含量。一部手機需要支持3G/4G的不同制式，同一制式還需要多顆不同頻段、不同制式的功率放大器PA、濾波器與雙工器等，集成的趨勢有兩種：一種是沿信號線的集成，比如PA＋濾波器＋雙工器；另一種是頻段相近的PA集成，都需要先進的工藝和封裝技術(shù)來支撐。開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)多模、多頻段工作的PA，旨在未來采用1～2個功放，就可以完成以前6個功放同樣的功能。手機制造商愿意采用經(jīng)過驗證和測試的集成無線電模塊，以實現(xiàn)超小尺寸和更快上市時間。

RF是個非常特殊的領(lǐng)域，涉及通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、航天、航空和國防等領(lǐng)域，市場的增長主要來自移動設(shè)備的內(nèi)容擴展和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊曨l傳輸量增長這兩個方面的推動，進而促進了對射頻器件的需求。據(jù)市場調(diào)查公司預(yù)測，RF市場正處于黃金時期，未來3年其年復(fù)合增長率將在20%左右，市場需求巨大，RF器件主要包括放大器、開關(guān)和濾波器、雙工器、模塊，這些產(chǎn)品的電壓在不斷升高，不太容易集成在單一芯片上，因此在這一領(lǐng)域，主要是不同功能的集成，滿足RF行業(yè)的大功率、多功能、低電流、小尺寸的要求，而器件價值至少翻番，甚至高達4～6倍，其發(fā)展?jié)摿Σ豢珊鲆暋?/p>

RF SiP在RF MEMS（射頻微機電系統(tǒng)）和光學MEMS封裝中有很好的應(yīng)用前景，除通常的MEMS封裝問題外，還需要考慮RF系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，涉及到對RF系統(tǒng)進行互連，封裝結(jié)構(gòu)和插入組件以及芯片之間的相互作用，包括微電子封裝、光電子封裝、射頻封裝、MEMS封裝、多功能系統(tǒng)集成封裝等，按照RF系統(tǒng)最優(yōu)化的原則設(shè)計、組合、集成構(gòu)建為微系統(tǒng)產(chǎn)品，基于這些技術(shù)的突破正改變著其應(yīng)用現(xiàn)狀。

毫米波市場迅速增長，其應(yīng)用急劇增加，包括LMDS（28GHz)、WLAN（60GHz）和汽車防撞雷達（77GHz）等。在目前情況下，限制這些元器件使用頻率的原因，往往不在IC芯片本身，而在于其封裝的寄生參數(shù)，包括物理的、分布的和電磁場等方面，嚴重損害了器件的頻率響應(yīng)，破壞了信號的完整性。封裝成為限制傳輸速度發(fā)揮的真正原因，工作頻率越高，封裝的這種影響就越大，急需發(fā)展低成本、小型化的RF SiP。

綜上所述，RF SiP促進了電子封裝與組裝技術(shù)的結(jié)合與進步，帶動了相關(guān)制造裝備的研究開發(fā)，促成了新型封裝材料與電子系統(tǒng)共性技術(shù)的發(fā)展，推動封裝產(chǎn)業(yè)以前所未有的速度向著更長遠的目標邁進。RF SiP發(fā)展之勢銳不可擋，不僅面臨著更大的機遇和挑戰(zhàn)，也必將迅速帶動封裝技術(shù)的更新和變革，孕育著更為廣闊的發(fā)展空間。

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