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mini-circuits扩展QFN封装技术的性能和频率范围

2021/3/8 11:39:03
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高性能,毫米波(mmW)的单片微波集成电路(MMIC)产品和具有成本效益的基于表面安装引线框架的封装通常不会出现在同一场合,这是有充分理由的。仅在两到三年前,如果不考虑使用昂贵的开放腔,高温共烧陶瓷(HTCC)封装或采用更多定制的芯片和导线组件,很难设想在20 GHz以上的频率下工作。


为什么需要这些昂贵的解决方案?答案很简单。在毫米波频率下,每分贝的信号强度都是很难获得的。传统的低频材料,例如用于印刷电路板的FR-4或用于模制封装的环氧树脂,在毫米波频率下会产生过多的损耗。例如,相比于Taconic的TLY-5Z在10 GHz时的Df为0.0015,甚至更新的材料(如Hemeixin's Megtron 6)在高达20 GHz的频率下也能很好地工作,其耗散因数(Df)在12 GHz时为0.04。尽管这些材料具有成本效益,但它们在20 GHz以上的较低性能以及对额外增益级的潜在需求,随附的支持电路和更复杂的信号处理,对于低成本材料而言是无效的折衷方案。因此,需要更多的稀有材料和更昂贵的材料来减轻寄生损失。


气孔包装还减少了损失。但是,这些类型的组件通常需要手动制造方法。由此产生的材料成本和制造方法构成了解决方案材料清单(BOM)成本的很大一部分,因此自然是优化的目标。同时,毫米波频段的吸引力和需求不断增长,这进一步增加了成本压力。


作为回应,Mini-Circuits开发了创新的封装技术,以将包覆成型封装(例如紧凑的“四方扁平无铅”或QFN芯片)的频率范围推高至50 GHz。这些技术已成功用于设计无源元件,包括固定衰减器,均衡器,分离器和无反射滤波器,以及用于高频有源混频器,乘法器和放大器。本文将探讨用于实现有源和无源组件高频过模压封装解决方案的方法,包括通过多物理场[1]仿真方法和制造技术进行高频封装合成。


历史背景


只要已经开发和部署了RF,微波和毫米波系统,电路设计人员就面临着开发可承受其预期应用苛刻要求的高性能电路的需求。早期的离散实现演变为越来越集成的解决方案,以减小尺寸和成本,并改善零件之间的一致性。在锁定步骤中发展出了维持最佳工作条件并保护电路免受环境危害的方法。电气和机械要求从未相互排斥,尽管由于分析软件和足够精确的仿真模型的局限,满足分段相关规范的工程方法通常是分段完成的。随着工作频率的增加,

在毫米波频段工作并不是一个新概念。JC Bose于1897年将其对毫米波的研究成果提交给了伦敦的皇家学会[2] [3] [4],在那儿,他展示了高达60 GHz的工作和测量性能(图1.和2.)。Lebedew在莫斯科也展示了类似的独立工作,频率也高达60 GHz [5]。


mini-circuits扩展QFN封装技术的性能和频率范围

图1:JC Bose爵士的无线毫米波(微波)设备[1]

mini-circuits扩展QFN封装技术的性能和频率范围

图2:JC Bose爵士于1897年1月在伦敦皇家研究所展示了他的无线毫米波(微波)实验[2]


毫米波的应用和频率分配已经存在了一段时间,其用途包括导航,无线电定位,工业,科学和医学研究,空间探索,点对点通信和商业电信回程。在这些应用程序的早期,系统和支持组件的包装通常侧重于物理保护,因为它们通常包含在固定的,受环境控制的外壳中。保护各个有源组件的重要性较小。这并不是说包装并不重要。通常,这些系统内置在金属外壳中,有效地完成了热管理,模式抑制和屏蔽的处理,但是凭经验进行,并且对成本的关注最小。一切都与使系统正常工作有关。

宽带和毫米波系统的研究和低水平生产对这种动手方法的容忍度更高,而且供需之间的平衡已得到充分满足。快进电信商业化时代,情况就大不相同了。毫米波频段曾经是研究和利基应用领域,已成为主流。5G和大规模MIMO [1]承诺将加速对mmW系统的需求,其中5G网络将提供高达24GB的个人每月预期数据消费量的45%[6]。因此,2019年11月,世界无线电通信大会(WRC-19)得出结论,应在全球范围内分配5G接入这些mmW频段的某些部分[7]。物联网生态系统中的应用程序还将推动mmW频率的大量利用。


宽带和毫米波的好处将使许多行业受益。但是,商业化和强劲的需求绝不会减少性能要求或满足这些要求的挑战。相反,前者完全取决于后者。大气衰减,散射(例如城市峡谷)和渗透力差等挑战都需要高密度的点对点部署,以减少上述影响。这些系统的核心是高性能纳米硅,GaAs和GaN电子产品,它们需要以具有成本效益的价格来提供领先的功能,“具有成本效益的”是可操作的词。如果支持的解决方案不能满足所需的成本结构,则对高性能宽带mmW系统的需求将无法维修/扩展。


寻找成本-性能二分法的解决方案


两年前,Mini-Circuits预测了需求曲线以及对高性能和具有成本竞争力的mmW解决方案的同时需求,并开展了内部研发工作来应对这一挑战。两年的努力是对时间,资源和机会成本的重大投资,并且有人可能会说,可以走的路便宜得多。从历史上看,mmW组件供应商的惯例是仅以裸片形式提供其解决方案,而完全取消了封装。尽管某些传统应用程序可以负担得起这种手动密集型方法,但是在这些较高频率范围内工作的大多数客户既没有能力也没有处理裸芯片,芯片和导线组件的愿望。由于缩短了产品上市时间,缩小了工程团队,并增加了成本压力,

另一种经常使用的方法是上述的开腔包装的外形尺寸。HTCC解决方案已经存在了数十年,并且在业界得到了广泛的接受。然而,更昂贵的组装过程导致更高的部件成本,这再次使困难,即使不是不可能,也无法满足当今大批量毫米波应用的成本目标。


在载体(陶瓷,氧化铝或其他高端基板)上的裸片是裸片裸片与气腔封装之间的一种混合方法,但是这种方法几乎不能为有源组件提供物理保护。这些载体通常需要组装到昂贵的密封外壳中或通过保形涂层进行保护,该保形涂层具有较高的初始和/或返工成本(例如,涂覆,去除和重新涂覆保形涂层)。


在评估了许多这些选择之后,Mini-Circuits决定从内部进行研究,并利用内部功能来交付我们所需的高性能封装。Mini-Circuits与我们在马来西亚的集成电路(IC)设计师和封装开发团队合作,研究了将封装功能应用于毫米波性能问题的新方法。初步分析确定了电路设计本身之外的三个领域,这些领域可以为扩展QFN封装组件的频率范围做出有意义的改进。这些包括仿真增强,封装组件和制造技术。


仿真增强


传统上,MMIC产品的设计主要侧重于IC级的电气仿真,其简单模型代表了传统塑料过模压封装的封装互连和接地。在低于10 GHz的频率下,这种方法达到了实际性能的标杆,并以最小的仿真旋转来说明封装。在10 GHz以上时,纯电气仿真方法变得不准确,而在50 GHz左右时,该方法甚至无法产生与现实世界行为非常接近的近似值。


为了准确地预测毫米波频率下的IC操作,必须进行2.5D或3D电磁(EM)仿真。这些工具套件现已广泛可用,可以大大提高建模精度。但是,它们确实具有交易建模的准确性,可以延长开发时间,因此必须明智地应用它们。


如果通过蛮力应用,则完整封装解决方案的IC仿真和EM仿真的过程缓慢且效率低下。在Mini-Circuits中,我们研究了整个设计过程,并优化了这些工具在最适合它们的任务中的应用。我们独特的多物理场仿真方法可加快整个设计过程,同时确保建模的预测与测量结果之间保持紧密的一致性。


包装组件


即使拥有内部IC包装生产线的奢华,也可以很容易地采用现状。但是现状并不能提供所需的毫米波性能。分析包装材料发现了一些基本假设,这些假设限制了高频下的性能。将详细的材料分析与目标3D EM仿真相结合,产生了新的选项,可优化mmW范围内的性能。


制造技术


与包装组件一样,组装技术对整体产品性能有相当大的影响。特别是,引线键合互连,其连接方法和物理布局对封装的频率响应影响最大。对MMIC组件这些功能的详细分析导致了创新的键合技术,这些技术已显示出IC性能超出了芯片本身的固有性能。


创新QFN生产流程


前述研究的结果为标准QFN生产流程所施加的限制提供了宝贵的见解,更重要的是,发现了解决这些限制的多种选择。我们利用这些见解以一种整体的方式来完成包覆成型毫米波组件封装的任务,重点是三个主要的,相互关联的因素:

模具改进

引线框优化

非RF互连

以下将依次讨论这些因素中的每一个因素,并结合最近的QFN组件的示例进行展示,这些组件在50 GHz以下都具有出色的性能。


模具改进


IC电路设计对整体解决方案性能的贡献不可低估,但IC与封装之间的接口至关重要。焊盘的几何形状和过渡都是优化性能的重要因素。RF键合线的数量和随附的键合焊盘尺寸之间始终存在折衷。仅仅增加更多的键合线并不能降低串联电感,因为互感会减少附加线的好处。同样,较大的焊盘可容纳多余的导线,会增加不必要的电容。我们的解决方案是开发键合技术,以减少有效的键合线电感并同时减小对地的寄生电容,从而形成一种更接近50Ω传输线的互连结构。


KAT系列精密衰减器是Mini-Circuits正在申请专利的粘接技术的一个例子。基于YAT系列的26 GHz衰减器,我们能够将所需的频率响应扩展到43.5 GHz(于2019年底以KAT-x +的形式发布)。经过进一步完善,新的衰减器系列将于2020年发布,其工作频率最高可达50 GHz(图3)。在50 GHz频带边缘,插入损耗和回波损耗均得到了可测量的改善。

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图3:KAT-0 +衰减器-优化的键合(RED)与原始键合(BLACK)


在即将发布的DC至50 GHz斜率均衡器EQY-x-503系列中使用了相同的方法(图4.)。在这些新的均衡器产品中,优化的键合在整个频带上提供了更一致的回波损耗,并提高了响应的单调性。


引线框优化


键合线连接的封装锚固点对管芯本身上的键合焊盘设计同样重要。在这里,内部包装功能将大有裨益。我们基于3D仿真优化了引线框架RF焊盘的尺寸和位置(相对于其他封装连接),并快速创建了原型以验证仿真,从而缩短了学习周期。

另一个改进是引线框架本身的总体设计。具体地说,EM仿真显示,即使内部未连接或外部接地,引脚之间也存在不必要的耦合。这种耦合大大降低了高频响应。EP2KA +两路MMIC分离器(10至43.5 GHz)是这种引脚优化方法的完美示例。我们从与MGVA-82 +相同的封装开始(DC至5.2 GHz双匹配放大器),并通过有选择地从引线框架上移除引脚(图5),能够显着提高输入至输出的隔离度,以及幅度和相位不平衡。引线框焊盘的优化还可以在整个频段上将输入/输出VSWR改善至优于2:1(图6.)。

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图5:MGVA-62 +匹配放大器的引脚配置与EP2KA +分离器引脚的配置

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图6:EP2KA + VSWR


非RF互连


如上所述,在毫米波频率下,限制RF信号并减少不必要的耦合是一个挑战。尽管射频连接通常是设计的重点,但如果忽略非射频连接,也会导致较高频率下的性能下降。有时候无法消除这些封装触点,因此Mini-Circuits开发了一项正在申请专利的技术,该技术利用这些额外的连接来隔离IC的各个部分,从而改善了输入至输出频率响应。我们的无反射高通滤波器产品线使用这种方法在高达30 GHz的频率下可实现低至0.7 dB的插入损耗,同时保持出色的低频阻带性能(图7)。

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图7:XHF-1832 +无反射高通滤波器


结论

在本文中,我们提出了多种创新方法来扩展传统上低成本,过模压塑料包装技术的有用工作频率范围。经过两年的研究,并通过共同开发,多物理场共同仿真和完善已建立的方法和技术,我们开发和生产了多种用于mmW应用的产品,包括:衰减器,均衡器,分离器和无反射滤波器。这些创新使我们能够使用具有成本效益的行业标准QFN封装技术来满足电信,航空航天,国防,测试和测量市场对毫米波性能的要求。


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