RF系统(如蜂窝电话)中通常包含多个集成电路(如基带ASIC,即BBIC以及RFIC收发机等),同时还包括大量电感、电容及电阻。以前单个IC是以单芯片的形式进行封装的,而RCL(电阻电容电感)元件都是分立的,采用表面安装器件(SMD)的形式进行封装,然后把所有这些部件组装在PCB或小型电路板上。
如果所要求的投放市场的时间较短,这种方法会有一定的优势。此外,由于组装前可以对各单个部件(IC或SMD元件)进行测试,我们对板级组装产品能够实现正常功能具有足够的信心。另外,在RF系统中,各类元件采用不同的技术制作而成,例如BBIC采用CMOS技术、收发机采用SiGe和BiCMOS技术、RF开关采用GaAs技术等。系统芯片(SOC)的优势是把所有功能整合在同一块芯片上,但却受到各种IC技术的限制,因此不能有效利用上述各项技术的优势。系统级封装(SiP)可以对各种不同技术的不同电、热和机械性能要求进行权衡,最终获得最佳的性能。
由于成本和性能方面的原因,在管芯中使用大量电感和电容是不实际的。使用片外SMD电感通常能够获得更好的Q因数,并且片外SMD电感覆盖了较宽的电感范围,与典型要求相匹配。由于大去耦电容所占面积过大,把它制作在管芯里将增加成本压力。我们制作出一种有效的RF系统/子系统,并证实把一定量的无源元件按照SMD形式进行封装的方法在未来几年中仍是最具吸引力的方法。
板级封装方法已在业界广泛应用,还有一种发展趋势是把整体RF系统制作在很小的外形尺寸中。IC尺寸的缩小在技术方面严格遵守摩尔定律(每18个月尺寸缩小一半)的发展规律,但在经济方面,为使IC尺寸不断减小,却把大量资金投入到新型IC产品的设计和制作中。此外,芯片尺寸的下降对系统面积来说并不十分重要,因为通常情况下,大多数SiP产品中的有源器件(IC封装)都不会在电路板中占据过多的面积。
在典型的RF设计中,60%-70%的系统面积都被无源元件(如RCL、滤波器、平衡-非平衡混频器)所占据。为了降低产品的整体尺寸,迫切需要缩小这些无源元件的尺寸。在过去的几年中,SMD电感和电容的密度得到了明显改进。目前市场上购买的大都是01005(250μm×125μm本征区域)SMD电感和电容元件,这种产品对于RF应用来说已经足够了。
那么对于板级设计方法来说,下一阶段的发展方向是什么?可不可以使用这种方法制作出更小外形因数的SiP产品?使用更小尺寸的SMD无源元件无疑是降低系统整体尺寸的好方法,但是必须以保证成本效益为前提。此时的问题是,01005SMD的组装成本仍然居高不下(4倍于0201部件),而01005部件所使用的元件价格也相当高(4倍于0201部件)。
以硅技术为基础的集成无源器件(IPD)成为另一种可能的解决方案。由于可实现电容和电感的高密度排列,IPD基本上可以提供与较小SMD元件相同的外形因数,并且价格颇具吸引力。然而,如果只集成几个SMD,使用IPD技术就不具备什么优势了。但是如果集成到IPD系统中的SMD元件数超过10个,或者如果RFSiP产品中还要使用其它无源功能电路(滤波器/平衡-非平衡混频器),IPD解决方案就显得颇具优势了。总之,对于滤波器件来说,采用硅IPD方案可使产品缩小2-3倍,而对于平衡-非平衡转换器件来说,采用硅IPD方案可使器件缩小3-4倍,且具有相同的功能特性。
为了寻求01005元件的低成本解决方案,人们把先前板级解决方案中使用的所有部件都集成到单个封装中(如图1所示)。这种方法通过把芯片直接连接到衬底上,减少了单个封装的冗余面积。这种方法的重要作用是缩短了芯片-芯片和芯片-无源元件(RCL/滤波器/平衡-非平衡转换器)之间的互连长度,从而实现了良好的电特性。
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