基于SiP技術(shù)的超小型射頻收發(fā)系統(tǒng)

陳 贊，方詩峰， 王思超

(上海航天技術(shù)研究院804所 微波專業(yè)部，上海 201109)

基于SiP技術(shù)的超小型射頻收發(fā)系統(tǒng)

陳 贊，方詩峰， 王思超

(上海航天技術(shù)研究院804所 微波專業(yè)部，上海 201109)

基于SiP技術(shù)的射頻收發(fā)系統(tǒng)能顯著減小傳統(tǒng)射頻系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于系統(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)可以將具有不同功能的子系統(tǒng)集成起來，在一個(gè)封裝體內(nèi)形成較完整的系統(tǒng)，是一種高密度集成封裝形式?；谙到y(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)具有兩個(gè)核心特征，一是可以將模擬、微波和數(shù)字等不同工藝的芯片集成在一個(gè)封裝中，各種不同功能的芯片可以采用各自不同的最佳工藝技術(shù)來設(shè)計(jì)制造，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的、多種類的系統(tǒng)功能；二是可以將過去系統(tǒng)母板上的分立元件集成在多層封裝基底中，使系統(tǒng)小型化。面向系統(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)是未來發(fā)展的必然趨勢。

SiP；射頻；收發(fā)系統(tǒng)

0 引言

傳統(tǒng)的射頻收發(fā)系統(tǒng)以板級電路為主，采用分立元器件搭建，這樣必然造成體積較大，同時(shí)由于線路較長、元器件焊接工藝等因素，造成整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。隨著各類應(yīng)用系統(tǒng)對體積、穩(wěn)定性等要求的不斷提高，傳統(tǒng)射頻收發(fā)系統(tǒng)由于其固有特性使其越來越難以滿足小型化高穩(wěn)定性的要求，因此迫切需要采用新技術(shù)來改進(jìn)基于板級的射頻系統(tǒng)。SiP技術(shù)能很好地解決當(dāng)前的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)系統(tǒng)的小型化，同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是未來發(fā)展的必然趨勢[1]。

圖1 發(fā)射通道

1 SiP技術(shù)

系統(tǒng)級封裝(System in Package, SiP)指在一個(gè)封裝體中集成一個(gè)系統(tǒng)。通常，這個(gè)系統(tǒng)需要封裝多個(gè)芯片并能獨(dú)立完成特定任務(wù)。SiP封裝具體表現(xiàn)為大規(guī)模、多芯片、3D立體化封裝，其3D立體化主要表現(xiàn)在芯片堆疊和基板腔體兩個(gè)方面[2]。

2 傳統(tǒng)射頻收發(fā)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的射頻收發(fā)系統(tǒng)以板級電路為主，采用分立元器件搭建系統(tǒng)，其中發(fā)射通道用于將中頻信號上變頻至射頻信號，接收通道用于將接收的射頻信號下變頻至中頻信號。

設(shè)計(jì)前根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求完成設(shè)計(jì)報(bào)告，做好頻率規(guī)劃，頻率規(guī)劃要考慮系統(tǒng)對雜散、諧波抑制的要求、濾波器選擇的可實(shí)現(xiàn)性以及本振信號源實(shí)現(xiàn)的簡單性。

這里給出的發(fā)射通道和接收通道采用的都是典型的兩次變頻方案，發(fā)射和接收通道的具體信號流程圖分別如圖1和圖2所示。

圖2 接收通道

然后根據(jù)頻率規(guī)劃及方案信號流程圖，選用元器件，再繪制原理圖及PCB，最終制板、電裝以及調(diào)試，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

以上就是傳統(tǒng)的射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程。

3 基于SIP技術(shù)的射頻收發(fā)系統(tǒng)

基于SiP技術(shù)的射頻收發(fā)系統(tǒng)是指采用系統(tǒng)級封裝技術(shù)來設(shè)計(jì)射頻收發(fā)系統(tǒng)，其與傳統(tǒng)射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程的主要區(qū)別在于工藝技術(shù)及物理實(shí)現(xiàn)過程，而信號原理流程基本相同。

在電子系統(tǒng)向多功能化、小型化與低成本方向發(fā)展的進(jìn)程中，GaAs單片集成電路技術(shù)在無線射頻收、發(fā)功能中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但要將GaAs單片集成電路與其他不同功能的芯片集成,實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的電子系統(tǒng)還面臨不少挑戰(zhàn)，因?yàn)镚aAs基芯片工藝兼容性差、靈活性較低，而不同功能的芯片采用不同的工藝，限制了整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)一步集成。基于系統(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)可以將具有不同功能的子系統(tǒng)(包括射頻收發(fā)芯片與數(shù)字芯片等)集成起來，在一個(gè)封裝體內(nèi)形成較完整系統(tǒng)的一種高密度集成封裝形式,如圖3所示。

圖3 基于系統(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)

基于系統(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)具有兩個(gè)核心特征，一是可以將模擬、微波和數(shù)字等不同工藝的芯片集成在一個(gè)封裝中，各種不同功能的芯片可以采用各自不同的最佳工藝技術(shù)來設(shè)計(jì)制造，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的、多種類的系統(tǒng)功能；二是可以將過去系統(tǒng)母板上的分立元件集成在多層封裝基底中，使系統(tǒng)小型化。因此，研發(fā)面向系統(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)是未來發(fā)展的必然趨勢。

3.1 基于SiP技術(shù)射頻收發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

采用BCB薄膜工藝的高性能、低功耗小型化射頻收發(fā)組件實(shí)現(xiàn)方案是一種新型的面向系統(tǒng)級封裝的射頻收發(fā)系統(tǒng)方案，該方案能顯著減小射頻收發(fā)系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該方案關(guān)鍵技術(shù)[3]如下。

(1)合理分解技術(shù)指標(biāo)，確立射頻收發(fā)系統(tǒng)芯片內(nèi)、芯片間和BCB薄膜工藝封裝間多層次體系結(jié)構(gòu)，尋求減少系統(tǒng)復(fù)雜度、額外耗費(fèi)、功耗和片外器件的組成框架和設(shè)計(jì)方案。

(2)基于系統(tǒng)級封裝的射頻收發(fā)組件核心器件低功耗小型化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中注重從系統(tǒng)級的角度分解各元器件的性能指標(biāo)，并利用電磁、熱一體化的混合場分析方法，獲得對基于系統(tǒng)級封裝的射頻收發(fā)系統(tǒng)元器件結(jié)構(gòu)性能的全面認(rèn)識和理解；將無源器件的不同新型結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合(如采用加脊、加隔板、折疊、半模、左手、半模折疊、消逝模等緊縮型結(jié)構(gòu))，最大限度地提高元器件結(jié)構(gòu)的綜合性能，并使之小型化；將場、路分析方法有機(jī)地結(jié)合，顯著地提高系統(tǒng)級封裝中新型元器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，快速獲得低功耗的實(shí)現(xiàn)方法。利用與系統(tǒng)級封裝兼容的先進(jìn)集成工藝，確保高性價(jià)比小型化元器件結(jié)構(gòu)的順利實(shí)現(xiàn)。

(3)基于系統(tǒng)級封裝的射頻收發(fā)系統(tǒng)的信號完整性分析與電熱一體化協(xié)同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮BCB薄膜工藝封裝的熱特性，建立電、熱相關(guān)模型，對射頻收發(fā)系統(tǒng)的信號完整性進(jìn)行分析。

(4)基于系統(tǒng)級封裝的射頻收發(fā)系統(tǒng)測試。搭建射頻收發(fā)系統(tǒng)測試平臺，提出測試方法，評估測試方案。

3.2 基于SiP技術(shù)射頻收發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)路線

基于SiP技術(shù)的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的總體技術(shù)路線是從構(gòu)架設(shè)計(jì)，經(jīng)指標(biāo)分解，再到核心器件設(shè)計(jì)和封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終完成射頻收發(fā)系統(tǒng)。

3.2.1射頻收發(fā)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，須做好系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)，可采用以下設(shè)計(jì)方法：(1)對具有相同同步時(shí)鐘的收發(fā)模塊采用同一個(gè)射頻時(shí)鐘收發(fā)器，以降低系統(tǒng)復(fù)雜度、成本和系統(tǒng)功耗；(2)借鑒現(xiàn)代計(jì)算機(jī)及通信系統(tǒng)中參考時(shí)鐘的方式，減小所需晶振電路等片外器件的數(shù)量；(3)通過結(jié)合導(dǎo)波媒質(zhì)中互連系統(tǒng)的實(shí)際要求，適當(dāng)放寬對射頻范圍內(nèi)帶通濾波器品質(zhì)因素的約束，減小濾波器階數(shù)，采用多模諧振器實(shí)現(xiàn)帶通濾波器；(4)研究更為合理的指標(biāo)分解模式，使得包括濾波單元、片上低噪聲放大器等在內(nèi)的各芯片模塊性能都容易滿足性能指標(biāo)，保證射頻組件與其他模塊具有一體化的接口和優(yōu)秀的整體工作性能；(5)深入研究無線射頻收發(fā)組件本身特點(diǎn)，確立面向系統(tǒng)級封裝的片內(nèi)、片間、封裝間多層次的互芯片架設(shè)體系。圖4所示是收發(fā)組件封裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 基于系統(tǒng)級封裝的射頻收發(fā)系統(tǒng)

在封裝工藝中采用光敏復(fù)合薄膜多層(BCB)工藝(如圖5所示)，將部分射頻芯片(如VCO等)集成在底部，將調(diào)制解調(diào)芯片、低噪聲放大器和功率放大器集成在表面，以最大限度地減小收發(fā)系統(tǒng)尺寸。

圖5 BCB光敏復(fù)合薄膜多層工藝流程圖

3.2.2射頻收發(fā)系統(tǒng)的信號完整性和電磁兼容性

隨著集成密度和工作頻率不斷升高，射頻系統(tǒng)級封裝中的信號完整性問題成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一?？刹捎每臻g映射和模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立相關(guān)有源器件的精確模型；利用矢量匹配、維度分析等技術(shù)建立無源元件的精確宏模型并保證其無源性和因果性；采用區(qū)域分解、廣義傳輸矩陣算法實(shí)現(xiàn)射頻與無線互連系統(tǒng)的快速高效電磁仿真；綜合利用時(shí)-頻混合方法研究互連系統(tǒng)的傳輸特性，并采用場-路結(jié)合技術(shù)分析三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的信號完整性/電磁兼容性問題；在互連布線、微波高速電路EDA、電磁-熱-力混合物理場仿真軟件的基礎(chǔ)上融入上述方法，形成基于系統(tǒng)級封裝的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境。

根據(jù)信號完整性分析要求，可將無線射頻收發(fā)系統(tǒng)分為射頻/數(shù)模信號完整性和射頻通道內(nèi)部信號完整性兩個(gè)層面進(jìn)行處理，如圖6所示。

對于射頻通道內(nèi)的信號完整性問題，將綜合利用隔離、屏蔽、濾波、差分和保護(hù)等方法。振蕩器(VCO)可以利用BCB工藝將其埋置于襯底內(nèi)部，也可以利用接地網(wǎng)絡(luò)來提高與其他射頻器件的隔離度，針對接地平面諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，充分利用接地平面本身的區(qū)域特性，采用結(jié)合矩形和三角形的分塊劃分方法，將解析模型和集總元件模型相結(jié)合。這種方法能夠在保持計(jì)算精度的同時(shí)大幅度減小存儲空間及仿真時(shí)間，并且可以分析任意不規(guī)則結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)。

圖6 射頻收發(fā)系統(tǒng)信號完整性問題的解決方法

對于射頻/數(shù)模信號完整性問題，首先借助金屬過孔陣列抑制封裝環(huán)境中相鄰器件或模塊間的高頻串?dāng)_,對過孔陣列幾何參數(shù)(埋入深度、高度和周期)和排布方式進(jìn)行優(yōu)化以取得最佳的隔離度。利用接地金屬柵網(wǎng)和電磁帶隙結(jié)構(gòu)抑制射頻/數(shù)模信號間的耦合噪聲。為了阻隔射頻/數(shù)模芯片間的傳導(dǎo)耦合噪聲,可在射頻/數(shù)模芯片間加濾波器。另外，應(yīng)用單個(gè)和多個(gè)去耦電容,切斷經(jīng)接地回路引入的傳導(dǎo)耦合噪聲，通過優(yōu)化分配去耦電容在結(jié)構(gòu)中的布局(包括位置、電容量和去耦電容個(gè)數(shù))來達(dá)到最佳效果。

3.2.3射頻收發(fā)系統(tǒng)中核心器件的低功耗和小型化

針對組件中的無源器件可充分利用系統(tǒng)級封裝中多層結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，將無源器件和部分有源器件集成于BCB薄膜工藝中，例如可以采用電磁帶隙、接地缺陷結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)濾波器、雙工器，并且利用其寬阻帶和慢波特性；利用基片集成波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計(jì)耦合器、功分器、電橋等結(jié)構(gòu)，利用其高品質(zhì)因素、高功率容量、低損耗、低互擾等特點(diǎn)，提高元器件結(jié)構(gòu)的物理(電磁、熱)性能和可靠性,提高元器件的電性能并減小其幾何尺寸。

針對系統(tǒng)中的有源器件，根據(jù)其指標(biāo)分配情況，合理選擇或設(shè)計(jì)GaAs MMIC裸片，主要包括發(fā)射支路(壓控振蕩器、放大器等)和接收支路(低噪聲放大器等)。

4 結(jié)論

綜前所述，基于SiP技術(shù)的射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有很大的不同，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要是基于板級的設(shè)計(jì)，采用分立元件的解決方案，而基于SiP技術(shù)的設(shè)計(jì)方法主要是從系統(tǒng)的小型化出發(fā)，采用先進(jìn)的工藝和封裝技術(shù)，先仔細(xì)完成總體構(gòu)架設(shè)計(jì)，充分考慮到系統(tǒng)的信號完整性和電磁兼容性，還要完成元器件的低功耗和小型化，更多地采用管芯設(shè)計(jì)?？傮w上，基于SiP的設(shè)計(jì)方法復(fù)雜度高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，但它能滿足系統(tǒng)小型化和高可靠性的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 蔡堅(jiān)，王水弟，賈松良.系統(tǒng)級封裝(SiP)集成技術(shù)與挑戰(zhàn)[J].中國集成電路，2006,15(9):60-63.

[2] 李揚(yáng)，劉楊.SiP系統(tǒng)級封裝設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3] 李浪平，王正義.系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J].混合微電子技術(shù)，2011，19(1)：2-10.

Ultra small RF transceiver system based on SiP technology

Chen Zan, Fang Shifeng, Wang Sichao

(No.804 Research Institute of Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

RF transceiver system based on SiP technology can significantly reduce the size of the traditional RF system and improve the stability of the system. The RF transceiver system based on system level packaging can integrate the subsystems with different functions and form a complete system in a package. The wireless RF transceiver system based on the package has two core features. Firstly, it has the capacity to integrate many chips in a single chip, these chips may be analog, microwave and digital chips, and they can be designed and manufactured using their own appropriate technics, so the SiP can realize the multifunctional system. Secondly, the SiP can make the system minimize, because it can integrate components in the multilayer substractes, which are placed on the motherboard past. System oriented wireless RF transceiver system is the inevitable trend of future development.

SiP; RF; transceiver system

TP925+.91

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.020

陳贊，方詩峰， 王思超.基于SiP技術(shù)的超小型射頻收發(fā)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(20)：67-70.

2017-03-27)

方濤峰(1987-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：接收機(jī)設(shè)計(jì)與信號處理。