IPD与SMD和LTCC分立器件电路的对比.doc
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1、IPD与SMD和LTCC分立器件电路的对比射频和无线产品领域可以使用非常广泛的封装载体技术,它们包括引线框架、层压基板、低温共烧陶瓷(LTCC)和硅底板载体(Si Backplane)。由于不断增加的功能对集成度有了更高要求,市场对系统级封装方法(SiP)也提出了更多需求。引线框架基板封装技术在过去的几年中得到了巨大的发展,包括刻蚀电感、引脚上无源器件、芯片堆叠技术等等。框架基板是成本最低的选择,但是更高的功能性要求更多的布线和更多的垂直空间利用,因而,框架封装很少用在RF集成解决方案中。LTCC因其具有多层结构、高介电常数和高品质因子电感,已经被证明是一种能提供高集成度的高性能基板材料。LT
2、CC方案中实现了无源器件的嵌入,如独立RCL或包含RCL的功能块,使SMT器件所需平面空间最小,同时提高电性能。集成度是LTCC的优点,然而翘曲、裂纹、基板的二级可靠性、以及整个供应链结构(基板在封装过程中的传送)等等对LTCC的局限,使之无法成为流行的载体基板选择。硅底板载体,如STATS ChipPAC的芯片级模块封装(CSMP:Chip Scale Module Package),已经广泛地使用于需要高集成度、卓越电性能和小外形系数的无线解决方案中。CSMP是一种全集成解决方案的理想封装形式,可以包括RFIC和基带IC。然而,这样的集成度并不是成本最低的,而且也不是所有的射频和无线设备都
3、需要的。这些原因将我们引向层压基板,一种在射频模块封装中应用最广泛的载体。该方法结合了传统的层压基板技术与无源器件集成技术(IPD:Integrated Passive Device),成为一种在成本、尺寸、性能与灵活性诸方面能达到最佳平衡的双赢解决方案。本文对带IPD器件的层压基板的应用进行讨论,同时通过两个例子来进一步阐述研究。IPD与SMD 和LTCC分立器件电路的对比射频模块需要用到独立的RCL或组合的RCL,来实现诸如滤波器、天线分离滤波器(diplexer)、不平衡变压器(balun)等的功能块,这些RCL通常为SMD(Surface Mount Devices表面贴装器件)形式或
4、IPD形式。传统的层压基板不能很好地适用于嵌入式无源器件,而高介电材料层压又受到很大成本限制。螺旋电感可以设计在层压基板的内部,但是电感值却有限。因此,在使用层压基板时,更倾向于结合SMT器件和IPD,这样具有成本、外形尺寸和性能等等方面的优势。对于何时使用表面贴装器件、何时将特定的无源器件设计成IPD更合理,需要进行权衡。例如,当需要大于100.0pF的电容器设计时,使用SMT器件就具有尺寸与成本的优势。另外,当设计中需要比较少量的解耦电容器或独立电感和电阻时,通常推荐使用SMT无源器件方式。表面贴装器件可以充分利用所占空间的Z方向,而IPD则主要利用XY方向,后者对Z高度方向的空间利用很有
5、限,因此,当IPD器件表面面积超出可利用的空间,使用表面贴装元件就比较明智。为了找到在IPD和SMT器件之间最佳平衡,我们研究出可以描述器件值与IPD需要的面积关系的曲线(图1)供设计参考。图1在硅基板上制作的IPD的电感和电容使用硅基IPD技术,一个0201 SMD器件的面积(0.15mm2)内可以产生25.0nH的电感,或者50.0pF的电容。换言之,对于容量小于25.0nH的电感或小于50.0pF的电容,IPD器件/电路方案的外形尺寸比0201器件更小。当涉及到射频功能块时,IPD方案常常会胜出,其中有多种原因。首先,尽管硅基IPD制成的电感也必须使用螺旋形式,但它可以使用更小的线宽和隔
6、离空间。另外,高电阻的硅基片上允许制成具有更高品质因子的电感。因而,一个IPD电感的质量和外形系数可以与SMD器件媲美;第二,电容尤其是小容量电容(RF应用中)更容易建在IPD中;最后,与PCB上连接SMD器件,或者LTCC内部连接相比较,硅基板上的互连路径更短。这里有一个例子,对于一个超宽频(UWB)应用滤波器,现有的LTCC滤波器尺寸是3.2mm2.5mm0.8mm,如果在IPD中使用相同的布局来实现,尺寸将会是1.6mm1.0mm0.5mm(图2)。IPD滤波器除了具有更薄的外形以外,尺寸缩小了5倍。图2LTCC滤波器(a)和IPD滤波器(b)尺寸比较我们也对其它情况进行了比较,总而言之
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