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设计和实现mmWave应用程序的可扩展,高性能,自定义SMT封装的实用方法

2021/3/11 15:38:05
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  抽象的


  经过多年的研究和开发,电气工程师,物理学家,数学家和科学家已经意识到以更高的频率运行通信系统的好处。这项研究产生的一些最显着的进步包括:相同功能的较小电路实现;对于给定的天线尺寸,提高了天线增益;数据承载能力急剧增加。然而,在现实世界的限制下实施高频电路仍然面临许多挑战。在非平凡的问题中,包装脱颖而出。


  至关重要的是,用于RF组件的封装允许集成多种电路技术,同时在给定应用中实现性能和成本的最佳平衡。然而,由于嵌入的寄生物和其他固有的技术限制,传统的封装技术已被证明无法将X波段以下通常看到的相同性能转换为毫米波范围。这些局限性导致设计社区利用新的封装技术,新颖的设计方法和先进的CAD工具为高频市场和应用开发具有成本效益的,可扩展的封装解决方案。这些新的封装技术现在正在远离性能下降的实现方式,例如模塑料和长引线键合结构,以在55 GHz以上的频率上实现出色的性能。鉴于这些发展,本文探讨了开发用于毫米波组件的商业上可行的包装解决方案的基础的一些关键概念(正在申请专利)。


  索引词


  低温共烧陶瓷,LTCC,MMIC,mmWave,多物理场,模拟,SMT封装,包装


  一,引言


  预计全球移动数据使用量将从2017年的11.2 PB /月增长到2021年的48.3 PB /月。5G已成为一项强有力的建议,旨在实现移动数据容量1000倍的增长,并支持70亿人和90亿人的预期数据消耗。 7万亿台设备,同时保持高能效并保持几乎零停机时间[1]。5G的到来带来了越来越多的集成电路(IC)开发以满足高频应用的需求以及相关的需求,即开发不仅具有保护作用而且具有成本效益的封装


  这些IC,但也能够在较宽的工作频段上保持良好的电气性能。当前的表面贴装QFN封装不适用于毫米波频率的封装设备。信号路径中遇到的寄生元件,例如从PCB到QFN顶面的垂直过渡的不连续性以及到IC的引线键合的不连续性,在较低的频率下可以忽略不计,但是一旦这些元件的物理尺寸变为波长的分数。QFN封装的另一个缺点是它们依赖于包覆成型,这不仅增加了较高频率下的电损耗,而且使得无法封装具有空气桥的芯片。此外,由于QFN封装的标准化特性,因此无法容纳倒装芯片器件。为了解决这些挑战,已经开发了许多解决方案:气腔QFN封装允许IC具有空气桥,但在高频下仍缺乏匹配良好的过渡。MicroCoax结构[2]允许高频操作,但需要专门的组装过程。定制包装解决方案可以补偿寄生效应[3]并允许实施气腔。完全定制的解决方案结合到快速,低风险的设计策略以及高度自动化的组装过程中才是最可行的。定制包装解决方案可以补偿寄生效应[3]并允许实施气腔。完全定制的解决方案结合到快速,低风险的设计策略以及高度自动化的组装过程中才是最可行的。定制包装解决方案可以补偿寄生效应[3]并允许实施气腔。完全定制的解决方案结合到快速,低风险的设计策略以及高度自动化的组装过程中才是最可行的。

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  图1.陶瓷封装的横截面示意图。


  现代射频应用对超出电气规格的组件有严格的要求。密集的组件,高的工作功率以及对坚固,可靠的系统的需求,对MMIC封装设计人员提出了很高的要求,以在电气性能与所需的热和机械特性之间取得平衡。由于有利于性能一方面的设计功能可能会损害其他方面的要求,因此通常需要权衡取舍。例如,由于温度上升对导体和半导体的影响,旨在以牺牲散热为代价来改善电性能的折衷方案可能会产生很小的益处。因此,对于设计师而言,了解设计选择对设备性能不同方面的同时影响至关重要。

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  图2.有机包装的横截面示意图。

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  图3.封装焊盘(C PK),金线(L WB)和IC焊盘(C IC)之间的金线互连的块状表示


  在本文中,我们介绍了定制的表面贴装封装的开发,该封装具有良好的直流至50 GHz电气性能,并考虑了PCB,表面贴装封装和IC(正在申请专利)。第二部分介绍了包装的组件和设计。第三部分讨论了在性能和成本目标的背景下,设计功能的定制和标准化之间的权衡。显示了在定制有机封装和LTCC封装中宽带MMIC衰减器裸片的测量性能。此外,还讨论了在这些程序包的设计中采用的多物理场仿真工作流的好处。


  二。设计


  A.结构


  陶瓷和有机封装以及PCB的横截面示意图分别如图1和图2所示。以下描述是两者共同的。使用导电环氧树脂将IC附着到基板内部的口袋中。该实施方式使金线键合的长度最小化。金线将IC的RF焊盘和封装的RF焊盘互连,形成图3所示的低通网络,其中引线键合表示为集总串联电感LWB,焊盘则表示为C PK和C IC。正确调整此匹配网络对于准确的阻抗匹配和良好的宽带电性能至关重要。封装的RF焊盘后面是一条具有50Ω特征阻抗的微带线,并向下匹配了垂直过渡到底部焊盘。封装的底部焊盘在接地共面波导(CPWG)配置中具有50Ω的特性阻抗。封装焊接到PCB上,PCB的GCPW具有50Ω的特性阻抗。用不导电的B级环氧树脂将塑料或陶瓷盖连接到包装上。


  材料


  材料和技术的选择在包装的性能中起着重要的作用。正确材料的选择将取决于应用要求,例如密封性,最大工作频率,封装尺寸,封装重量,第一级和第二级互连,热管理约束以及互连的可容许插入损耗[4]。在LTCC和有机基板封装中,基板材料的选择都必须考虑实现所需RF性能所需的介电常数和损耗角正切。基材还决定了封装的拓扑结构以及与其他材料的兼容性。此处探讨的两种基质是LTCC和有机基质。图1的LTCC封装由一个陶瓷整体结构组成,该结构在基板的顶部胶带层上形成了一个空腔。口袋的裸露上表面具有连续的金属化层,该金属化层通过多个通孔连接到底部接地垫。作为一种较硬的材料,更容易进行引线键合。对于图2所示的有机封装,通过移除一部分基板并露出底部金属层来形成凹穴,从而实现更好的RF接地和热阻。


  在这两种封装中,都选择了导体材料和表面处理,以实现良好的RF性能并适应行业标准的组装工艺。LTCC封装上的金属导体通常是具有化学镀镍金(ENIG)表面光洁度的银。镀层可保护下面的银免于氧化,并且还必须具有与焊接和引线键合工艺兼容的性能。有机封装采用铜导体,并且可能具有多种不同的表面光洁度。在高频应用中,表面光洁度的选择可能是至关重要的,因为表面粗糙度和电导率都对插入损耗有重大影响[5] [6]。


  用于安装MMIC芯片的导电环氧树脂的选择对封装的总热阻具有重大影响。作为管芯与封装之间的主要接触点,环氧树脂促进了管芯的大部分散热。


  C.模拟工作流程


  在该项目的设计阶段,使用多物理场仿真工作流分析了LTCC和有机封装的电,热和机械性能。仿真工作流程使用了多个依次运行的仿真器,每个仿真器的结果都用作下一个仿真器设置的一部分。


  具体的仿真工作流程如下:


  对设计几何图形的简化版本执行完整的3D有限元电磁仿真。仿真产生了S参数数据以及设计中功耗的空间分布。


  在电磁仿真的模型上运行完整的3D有限元热仿真,并将其扩展为包括与热和机械(而不是电)性能相关的几何形状。如图5所示,已努力精确地模拟仿真几何形状的关键区域,例如空心PTH和填充焊料的PTH。该模拟采用从电磁模拟中计算出的功耗,并得出模型几何形状内的温度分布。


  完整的3D有限元力学模拟是在完整的模型几何体上运行的,其中将空间温度分布作为其设置的一部分。仿真产生模型几何形状内的机械应变和应力。


  如果需要,可以重复上述过程,直到满足收敛标准为止,然后将温度升高信息和模型几何变形输入到电模拟器中,以进行下一次遍历。在实践中,单次通过通常足以在仿真结果和物理测量之间达成出色的一致性。

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  图4. LTCC封装的电磁仿真模型,仅包括与电气性能有关的设计元素。

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  图5:在LTCC封装的热和机械模拟中使用的几何形状和网格的特写,隐藏了封装盖。请注意,该模型包括焊料,管芯连接环氧树脂以及中空和填充焊料的PTH。


  真正的多物理场仿真工作流程比包含单独的电气,热和机械仿真任务的工作流程更为复杂,但它为设计工程师提供了设计性能的整体视图。例如,微带导体的传统热模拟可能涉及均匀分布的热源,该热源应用于导体的体积或表面。由于毫米波频率下的电流密度不均匀,因此这种方法会丢弃有关局部发热的有价值的信息。多物理场仿真方法无需设计人员的注意即可隐式捕获此效果和其他效果。


  多物理场仿真自动解决过于复杂而无法手动设置的条件的能力,对于LTCC设计而言尤其有价值。由于LTCC设计由具有复杂内部导体几何形状的整体陶瓷结构组成,因此此类设备外部的热图像可能无法完全显示其内部热行为


  由于设计性能的电气,热学和机械方面通常是相互关联的(由于与温度相关的电阻率,热膨胀等),因此这种模拟工作流程可以最好地理解设计决策对产品相关方面的影响。表现。该工作流程已通过涉及多个技术的多个项目进行了资格鉴定,并获得与性能测量非常一致的模拟结果。与MiniCircuits已建立的LTCC流程的其他部分一样,它会不断进行评估和改进。


  三,定制VS. 标准化


  尽管QFN封装一直是有源和无源电子元件(高达V波段)的工业主力[7],但其高度标准化的特性使其成为某些应用的次佳解决方案。随着应用向毫米波频率发展,包装技术必须适应广泛变化的行业需求。


  虽然“一刀切”的解决方案在所有应用程序上的适应性均很差,但完全定制的解决方案却会产生出色的结果,这可能在成本和时间上都令人望而却步。为了开发一种快速,经济高效的包装解决方案,该解决方案仍提供出色的应用灵活性,因此需要将行业标准的流程和可调节的设计功能结合到一个可定制的包装模板中。这种“模板化”的包装设计方法允许重复使用经过验证的设计元素,从而减少了从零开始解决方案所产生的工作量和风险。提供了适应应用程序特定的电气,热,机械和环境需求的设施,同时最大限度地减少或消除了对新设计的广泛认证的需求。


  QFN封装通常以标准化尺寸(3mm x 3 mm,4mm x 4 mm等)的粒度范围提供,而MMIC裸片可以是任何尺寸和纵横比。如果管芯的尺寸过大而无法适合一种标准QFN封装尺寸,则必须改用另一种尺寸的管芯,这需要较长的引线键合以及相应较大的寄生电感。封装本身提供的设施很少,无法弥补这些寄生效应,而将任务转移到了PCB和裸片上的导体几何形状上。此外,QFN封装采用塑料封装剂,该封装剂封装了引线框架,管芯和引线键合。MMIC芯片上的微妙结构(例如气桥)与这种封装工艺不兼容;即使没有不兼容的MMIC功能,密封剂也可能仅由于接近而使敏感电子器件失谐或降低其性能。最后,QFN封装的端子已高度标准化,焊盘尺寸和几何形状几乎没有灵活性。对于某些应用,与固定过渡几何形状相关的电气寄生可能是不可接受的。


  Mini-Circuits的定制LTCC和有机基板封装解决了上述限制,为解决方案提供了足够的灵活性,可以满足多种应用的需求。在这些封装中,如图1和图2所示,管芯在基??板上占据了一个凹穴。凹穴的尺寸根据客户的模具来指定,以便可以使引线键合焊盘尽可能靠近模具,从而最大程度地减少了键合线长度和电感。因此,即使目前以与标准QFN封装相同的尺寸(3mm x 3 mm,4mm x 4 mm和5mm x 5 mm)提供LTCC和有机基板封装,它们在MMIC芯片尺寸方面也具有更大的灵活性。塑料盖固定在管芯上,并用B级环氧化合物进行引线键合,保持模具和引线键合上方的气隙,并实现半气密密封。气隙而不是密封剂的使用允许封装精密的MMIC结构,并使电气性能的下降最小化。


  与QFN封装不同,LTCC和有机基板封装提供了最适合各种应用所需的灵活性。封装结构包含可调谐元件,这些元件可对与从PCB到封装以及从封装到MMIC芯片的过渡相关的寄生现象进行电补偿。此外,由于该封装具有印刷导体而不是坚固的引线框架,因此可以以最小的工具成本定制LTCC和有机基板封装的占位面积。


  IV。例子


  为了验证设计并测量有机和LTCC封装的性能,设计,制造和测试了多个封装。封装已组装并焊接在具有50ΩCPWG走线的5百万Taconic TLY-5评估PCB上。使用2.4毫米西南微波边缘发射连接器将PCB与矢量网络分析仪(VNA)连接。标准短开负载直通(SOLT)校准在高达55 GHz的频率下进行,直至连接器的参考平面。每个封装的插入损耗测量值通过减去PCB直通线的损耗进行归一化。

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  图6.评估板上有机封装的IC。(a)评估板上带盖的包装。(b)没有盖的封装的特写,显示了封装基板顶部的倒装芯片管芯。

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  图7.有机封装上2 dB衰减器的测量结果。


  A.有机封装的MMIC 2 dB衰减器


  将2 dB MMIC衰减器安装并引线键合在有机封装的顶部。图6显示了安装在PCB顶部的封装,以及不带盖的封装的特写图,显示了管芯和引线键合。图7显示了该设备的测量数据。S21迹线显示,在48 GHz时,响应非常平坦,为-2 dB。在整个频率带宽上也观察到良好的回波损耗。


  B.陶瓷封装上的MMIC 2 dB衰减器


  将2 dB MMIC衰减器安装并引线键合在陶瓷封装的顶部。图8显示了安装在PCB顶部的封装,以及不带盖的封装的特写视图,显示了管芯和引线键合。图9显示了该设备的测量数据。S21迹线显示高达55 GHz的非常平坦的-2 dB响应。在整个频率带宽上也观察到良好的回波损耗。


  C.陶瓷封装上的倒装芯片SPDT开关


  倒装芯片SPDT开关安装在有机封装的顶部。图10显示了安装在PCB顶部的封装,以及封装与裸露的倒装芯片裸片的特写。图11显示了RF2通道处于活动状态时设备的测量数据。在整个带宽上观察到良好的回波损耗。

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  图8.评估板上LTCC封装的IC。(a)评估板上无盖的包装。(b)不带盖的封装特写,显示芯片和引线键合。

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  图9. LTCC封装上2 dB衰减器的测量结果。

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  图10.评估板上的封装IC。(a)评估板上带盖的包装。(b)不带盖的封装特写,显示芯片和引线键合。

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  图11.测量结果激活RF2通道的SPDT倒装芯片开关。


  五,结论


  已经开发了同时使用LTCC和有机基板材料的封装(正在申请专利)。两种封装技术在高达55 GHz的频率下均具有出色的电气性能。两种封装方法都可满足各种特定的应用需求,包括阻抗匹配,可变芯片尺寸以及各种IO焊盘数量,信号类型(DC或RF)和PCB几何形状。通过将标准化和可调整的功能组合到可调包装模板中,Mini-Circuits的包装方法可实现理想的电气性能和广泛的适用性,同时将周转时间,成本和风险降至最低。


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