射頻系統封裝的發展現狀和影響

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系統主要包括接收/發射轉換開關、低噪聲放大器LNA、混頻器、鎖相環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，其優劣是直接影響整機性能優異的關鍵。而且，射頻與微波常互跨疆界，用作無線電系統設計和實現的頻率，因其應用和發展充滿活力而倍受關注。

隨著通信、雷達、微波測量及各種便攜式電子產品的高速發展，對產品微小型、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計和工藝已不能滿足發展的需要，系統芯片（SoC）目前在這一領域的局限性也逐步顯現出來。微波單片電路（MMIC）和混合電路以及新型封裝技術的發展和進步，為提高RF系統性能和可靠性、降低成本創造了條件。當前RF SiP（系統封裝）技術發展的驅動力是結構、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，可以有效而又最便宜地使用各種工藝組合，實現整機系統的功能集成。

2 RF SiP發展歷程

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

基于多重輸入多重輸出技術開發的新寬帶無線標準，要求通信機的前端電路越來越復雜。未來的前端將具有多達10個功率放大器和相關的低通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的不同電、熱和機械性能要求進行權衡，獲得最佳的性能，大多數SiP都不會在電路板中占據過多的面積，因此，系統級集成封裝技術成為主流方向，可采用RF SiP技術實現下一代無線產品。

美國率先開展SiP研究，在上世紀九十年代將SiP確定為重點發展的十大軍民兩用高新技術之一。緊隨其后，歐盟、日本、韓國及其他地區的微電子巨頭也制定出SiP發展規劃，從3D邏輯SiP、2D SiP、3D SiP向RF SiP、WLP-RF SiP、3D-RF SiP等推進，探索封裝產業研發方向。從發展趨勢上看，SiP是混合集成電路和多芯片微組件工藝之優勢于一體的新型封裝技術，有很多相類似的地方，對整機系統進行功能劃分，分別選擇優化的芯片及元件來實現這些功能，采用封裝工藝技術，它盡可能將一個完整的電子系統或子系統高密度地封裝集成在一個封裝尺寸的殼體或外殼內，在封裝中構成系統集成。在ITRS（國際半導體技術路線圖組織）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）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，形成一個系統或者子系統。在芯片封裝技術中，SiP是高級別的封裝，也可以是多芯片堆疊PoP或三維的3D封裝內系統；而在芯片設計領域，SoC則是最高級別的芯片，研發成本高，設計周期長，驗證及生產工藝復雜。從總體上來看，這兩者又有很多相似之處，分別提供實現不同級別電子系統的方法，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，設計和工藝靈活性較大，內嵌入性好，不同類型元器件集成相對容易，性價比高，技術上互為補充發展。

表1 電子微系統、SiP、SoC的差異分析

在SiP研發上推動學術和產業界積極投入巨資開發SiP的動力是小型化（37%）、高性能（51%）和低價格（12%），經過數年來的研發，SiP技術在很多領域已有重要突破，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、薄膜導線、嵌入工藝、超薄晶圓、積層線路板、無源元件集成等。據報道，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發展趨勢。SiP開拓了一種低成本集成的系統思路與可行方法，能較好地解決SoC中諸如工藝兼容、信號混合、電磁干擾、開發成本、芯片封裝體積等挑戰性問題，市場突破100億美元，RF SiP將系統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，構成系統或子系統，其應用從手機、通信、便攜式電子產品擴展到高可靠的其他領域。

RF SiP發展歷程源于SiP，將以往在板級間解決的問題，探索在SiP內以創新應用方式進行內部解決，同時也是SiP的延伸和拓展，整合應用領域橫向需求和封裝測試技術縱向擴展，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工藝來進行無源元件的高質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、熱學性能優異，功能多樣，可靠性高，此外也可以將采用不同工藝技術（CMOS、Bi-CMOS、GaAs、GeSi）制作的有源器件與采用小節距的內部互連線進行互連，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，可采用高介電常數的介質（如AL2O3，HfO2等）和TiN之類的導體來制作MIS（金屬-絕緣體-半導體）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。這些技術將使3D芯片和晶圓堆疊、具有小外形尺寸的RF SiP成為現實。

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），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，可實現良好的電特性。

3 RF SiP的發展現狀

RF技術發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、電感和振蕩器等應該保持高Q值（品質因數），傳輸線、開關和天線等在阻抗匹配、插入損耗和隔離度方面也應該滿足較高的要求。RF技術與SiP技術相融合，以系統開發為導向，提供了新的解決途徑，其優勢日益凸顯，推進了RF SiP的研發進展。

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技術能提高封裝密度和封裝效率，增強產品功能，提高速度，降低功耗，降低噪聲，實現整機的小型化和多功能化。以硅技術為基礎的集成無源器件（IPD）成為一種RF SiP的解決方案，由于可實現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，基本上可以提供與較小SMD元件相似的外形，通過量產流程驗證，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介質（AL2O3）和導體層（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量三維堆疊混合集成的器件平臺。例如，一個無線電收發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（CMOS、BiCMOS、GaAs）來制作有源器件，并采用小節距的內部互連線進行，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，其材料介電常數低（一般ε≤10以下），布線密度高，布線導體方阻小，傳輸損耗小，熱傳導性能優良，熱膨脹系數與硅器件匹配，信號傳輸線采用了Au、Ag等良導體，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三維微波傳輸結構中，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，最大限度地減少了系統的體積、重量和元器件數量，提高了性能和可靠性，降低了成本，是實現小型化、集成化、高可靠性和低成本發展的重要途徑。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集成。

研制成功基于LTCC技術的Ku波段多通道射頻前端電路，在很小的空間內集成了多個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、兩個雙平衡混頻器、第一中頻放大器、第二中頻放大器、串行信號轉并行信號驅動器等芯片及多個不同頻段的濾波器組成，由二次變頻實現多通道、多功能電路的應用。一個由移相器、功率放大器、低噪聲放大器、電調衰減器和T/R開關等多個單芯片所構成的相控陣雷達收發組件在LTCC上實現，將射頻、數字、供電電路分別布置于不同的層次之中。

目前，對于RF SiP產品的研發和生產來講，高頻低損耗的LTCC多層基板已經成為眾多制造廠商的首選，特別是在高端電子設備中發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），制成的無源元件公差可控制在3%～5%的范圍，燒結后陶瓷密度氣密性好。采用LTCC技術，將雙工器、低通濾波器、SAM濾波器和切換開關等無源元件埋置在LTCC多層基板內部，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，將產生新原理、新概念器件，突破常規元器件的性能極限，實現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，結合微電子器件，構成微磁電集成模塊、微磁電集成執行器及組成微波/毫米波集成電子整機系統，滿足頻率高端電子整機的數字化、集成化、小型化和高可靠性要求，比常規微波/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品的高速發展，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，國內對LTCC微波器件的設計、制造和應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，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，可以有效而又最便宜地使用各種工藝組合，器件設計與工程實用性研究有效結合是今后LTCC發展的重點。

3.3 多層有機基板封裝

利用LTCC還很難全面集成RF、數字和混合信號技術用元器件。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化合物結合在一起，構成的先進RF電路材料新工藝與電路布局技術研制成功RF SiP基板的多層有機MLO（Multi-layer Organic）基板封裝，在射頻芯片的MLO疊層基板嵌入關鍵射頻無源元件，構成先進RF電路材料的新型工藝與電路布局技術。同時保持其低插損和高度隔離，介電常數穩定，易于激光打孔，不易吸水并且熱穩定性良好。6層MLO就能實現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，并能夠對傳統的多層陶瓷封裝技術構成挑戰。

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

MLO基板擁有一個或多個RF介質層，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、保護和焊接區域。其典型產品為疊層結構，外層薄膜采用填有二氧化硅的碳氫化合物導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），確保其可靠性。內部介質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/或連續層壓加工，在這些低插損介質層上下采用屏蔽層制作的MLO基板具備優異的RF性能，用于制作完整的封裝結構。該技術已被用于開發多種RF產品，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，現已獲得標準引線鍵合技術組裝的、含有GaAs和SiGe芯片的前端模塊，并通過了電子器件聯合工程協會JEDEC可靠性壓力測試，未出現失效或性能退化。

為完全利用MLO的嵌入式器件功能，可制造性設計是其研發中的關鍵因素，要求設計人員具備可快速實現RF系統中使用的常規元器件的能力，如匹配網絡、濾波器、不平衡變壓器、耦合器和雙工器，最終轉化成集總參數結構，包括嵌入式電感器、電容器和傳輸線，被刻蝕到覆銅介質層中。

4 RF SiP帶來的影響

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

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、開關和濾波器，提高功率放大器集成度，提升其技術含量。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來支撐。開發能夠實現多模、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過驗證和測試的集成無線電模塊，以實現超小尺寸和更快上市時間。

RF是個非常特殊的領域，涉及通信設備、網絡、航天、航空和國防等領域，市場的增長主要來自移動設備的內容擴展和網絡數據傳輸的視頻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。據市場調查公司預測，RF市場正處于黃金時期，未來3年其年復合增長率將在20%左右，市場需求巨大，RF器件主要包括放大器、開關和濾波器、雙工器、模塊，這些產品的電壓在不斷升高，不太容易集成在單一芯片上，因此在這一領域，主要是不同功能的集成，滿足RF行業的大功率、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，其發展潛力不可忽視。

RF SiP在RF MEMS（射頻微機電系統）和光學MEMS封裝中有很好的應用前景，除通常的MEMS封裝問題外，還需要考慮RF系統自身的復雜性，涉及到對RF系統進行互連，封裝結構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、多功能系統集成封裝等，按照RF系統最優化的原則設計、組合、集成構建為微系統產品，基于這些技術的突破正改變著其應用現狀。

毫米波市場迅速增長，其應用急劇增加，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，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，破壞了信號的完整性。封裝成為限制傳輸速度發揮的真正原因，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的結合與進步，帶動了相關制造裝備的研究開發，促成了新型封裝材料與電子系統共性技術的發展，推動封裝產業以前所未有的速度向著更長遠的目標邁進。RF SiP發展之勢銳不可擋，不僅面臨著更大的機遇和挑戰，也必將迅速帶動封裝技術的更新和變革，孕育著更為廣闊的發展空間。

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