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1 引言 隨著無線通信、汽車電子及各種消費電子產品的高速發展，對產品的便捷性、高性能、低功耗、高可靠性和多功能提出了更高的要求。而集成電路技術的進步和新型封裝技術的發展為電子產品性能的提高、功能的豐富與完善、成本的降低創造了條件。微電子封裝經歷了雙列直插(DIP)封裝、小外廓(SOP)封裝、四邊引線扁平(QPF)封裝、球形陣列封裝(BGA)和芯片尺寸(CSP)封裝等，尺寸越來越小，電子器件也由分立器件、集成電路、片上系統 (SOC)，發展到更為復雜的系統級封裝電路(SIP)。SIP使用微組裝和互連技術，能夠把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源元件如電阻、電容、電感、濾波器、耦合器等集成到一個封裝體內，因而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。 LTCC技術是近年來興起的一種令人矚目的整合組件技術，由于LTCC材料優異的電子、機械、熱力特性，廣泛用于基板、封裝及微波器件等領域，是實現系統級封裝的重要途徑。現在已經研制出了把不同功能整合在一個器件里的產品，成功地應用在無線局域網、地面數字廣播、全球定位系統接收機、微波系統等，及其他電源子功能模塊、數字電路基板等方面。 本文主要討論基于LTCC技術實現SIP的優勢和特點，并結合開發的射頻前端SIP給出了應用實例。 2 LTCC技術實現SIP的優勢特點 LTCC技術是將低溫燒結陶瓷粉末制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用沖孔或激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制作出所需要的電路圖形，并可將無源元件和功能電路埋人多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，在850～900℃下燒結，制成三維空間的高密度電路。基于LTCC的SIP相比傳統的SIP具有顯著的優勢，最大優點就是具有良好的高速、微波性能和極高的集成度。具體表現在以下幾方面： (1)IXCC技術采用多層互連技術，可以提高集成度，IBM實現的產品已經達到一百多層。NTT未來網絡研究所以LTCC模塊的形式制作出用于發送毫米波段60GHz頻帶的SIP產品，尺寸為12 mm×12 mm×1.2 mm，18層布線層由0.1 mm×6層和0.05 mm×12層組成，集成了帶反射鏡的天線、功率放大器、帶通濾波器和電壓控制振蕩器等元件。LTCC材料厚度目前已經系列化，一般單層厚度為10～100 μm。 (2)LTCC可以制作多種結構的空腔，并且內埋置元器件、無源功能元件，通過減少連接芯片導體的長度與接點數，能集成的元件種類多，易于實現多功能化和提高組裝密度。提高布線密度和元件集成度，減少了SIP外圍電路元器件數目，簡化了與SIP連接的外圍電路設計和降低了電路組裝難度和成本。 (3)根據配料的不同，LTCC材料的介電常數可以在很大的范圍內變動，可根據應用要求靈活配置不同材料特性的基板，提高了設計的靈活性。比如一個高性能的SIP可能包含微波線路、高速數字電路、低頻的模擬信號等，可以采用相對介電常數為3.8的基板來設計高速數字電路；相對介電常數為6～80的基板完成高頻微波線路的設計；介電常數更高的基板設計各種無源元件，最后把它們層疊在一起燒結完成整個SIP的設計。另外，由于共燒溫度低，可以采用Au、Ag、cu等高電導率的材料作為互連材料，具有更小的互連導體損耗，特別適合高頻、高速電路的應用。 (4)基于LTCC技術的SIP具有良好的散熱性。現在的電子產品功能越來越多，在有限的空間內集成大量的電子元器件，散熱性能是影響系統性能和可靠性的重要因素。LTCC材料具有良好的熱導率，據研究其熱導率是有機材料的20倍，并且由于LTCC的連接孔采用是填孔方式，能夠實現較好的導熱特性。 (5)基于LTCC技術的SIP同半導體器件有良好的熱匹配性能。LTCC的TCE(熱膨脹系數)與Si、GaAs、InP接近，可以直接在基板上進行芯片的組裝，這對于采用不同芯片材料的SIP有著非同一般的意義。 高頻、高速、高性能、高可靠性是數字3C產品發展必然的趨勢。預計到2010年SIP的布線密度可達6 000 cm／cm2，熱密度達到100 W／cm2，元件密度達5 000／cm2，I／O密度達3 000／cm2。基于LTCC技術的SIP在這些高集成度、大功率應用中，在材料，工藝等方面必將進入一個全新的發展階段，在未來的應用中占據著越來越重要的地位。 3 應用實例 基于LTCC技術，本文研制了一個射頻接收前端SIP，并由十三所的IXCC工藝完成。文中采用的工藝最小線寬、線間距均為50 μm；孔直徑170 μm；同一通孔處最大可以通孔15層；電容值范圍為1.0～100 pF；電感值范圍為1.0～40 nH；電阻槳料方阻為10 Ω／□、100Ω／□和1 kΩ／□，寬度最小0.2 mm，長度最小0.3 mm，電阻控制精度為內部±20％，表面為±5％。 該射頻接收前端SIP為12層LTCC基板，基板尺寸為39 mm×20 mm×1.2 mm。內部貼裝GaAs MMIC、CMOS控制電路12個和貼片電阻、電容、電感元件三十幾個，包括LNA、衰減器、微波開關、集成電感、電容、電阻等，含4個射頻端口以及控制端和電源端若干。采用多通道方案，通過兩個PIN單刀多擲開關來實現通道濾波器組之間的切換。對連接PIN開關的微帶線與帶狀線濾波器之間的過渡用金屬填孔孔徑大小進行了優化，以實現最小的過渡損耗。濾波器全部集成在LTCC基板之中，為了保證濾波器間的相互隔離，采用了帶狀線形式的濾波器進行不同層間濾波器的隔離，最大限度減小對其他電路的影響。為了減小后級噪聲影響前級放大器采用高增益的LNA，該電路采用二次變頻技術，將二中頻下變頻為100 MHz，與傳統的采用混合電路技術制作的同類產品相比其體積縮小到原來的1／50。 該SIP系統的設計框如圖1，其封裝后實物照片如圖2所示。 實測結果增益(Ga)大于60 dB，噪聲系數NF小于3 dB，如圖3所示。 4 結論 采用LTCC可以實現高密度的多層布線和無源元件的基片集成，并能夠將多種集成電路和元器件以芯片的形式集成在一個封裝里，特別適合高速、射頻、微波等系統的高性能集成。本文開發的高度集成的X波段射頻接收前端表明，LTCC技術在微波SIP方面具有明顯的優勢。隨著小型化、高性能電子產品快速發展以及LTCC技術的不斷進步和成熟，LTCC技術在SIP領域的應用必將具有廣泛的應用前景。 |
