射频系统封装的发展现状和影响

龙 乐

（龙泉天生路205号1栋208室，成都 610100）

1 引言

在射频与微波工程中，广义地讲，RF（射频）就是无线电收/发所使用的频率，涵盖了从长波波段低频端（30kHz）以上到远红外波段低频端（400GHz）以下的宽阔的电磁波谱。RF系统主要包括接收/发射转换开关、低噪声放大器LNA、混频器、锁相环PLL（一般由鉴相器PD、滤波器和压控振荡器VCO组成）、功率放大器PA、滤波器和频率合成器等电路，负责完成信号的处理和传输功能，其优劣是直接影响整机性能优异的关键。而且，射频与微波常互跨疆界，用作无线电系统设计和实现的频率，因其应用和发展充满活力而倍受关注。

随着通信、雷达、微波测量及各种便携式电子产品的高速发展，对产品微小型、高性能、低成本、高可靠和多功能提出了更高的要求，而随着工作频率的不断走高，对射频、微波信号的处理变得越来越重要和紧迫，原来基于单层电路板和器件的设计和工艺已不能满足发展的需要，系统芯片（SoC）目前在这一领域的局限性也逐步显现出来。微波单片电路（MMIC）和混合电路以及新型封装技术的发展和进步，为提高RF系统性能和可靠性、降低成本创造了条件。当前RF SiP（系统封装）技术发展的驱动力是结构、性能、市场、成本，运用微组装和混合IC以及高密度三维互连，能够把不同工艺芯片以及各类无源元件等集成到一个封装体内，可以有效而又最便宜地使用各种工艺组合，实现整机系统的功能集成。

2 RF SiP发展历程

在典型的RF设计中，大量采用各类电感、电容及电阻，60%～70%的系统面积都被无源元件（如电阻电容电感RCL、滤波器、平衡－非平衡混频器）所占据。同时，在RF系统中，通常包含多个集成电路IC（如基带ASIC，即BBIC以及RFIC收发机等），各类元器件采用不同的工艺技术制作而成，例如BBIC采用CMOS技术、收发机采用SiGe和BiCMOS技术、RF开关采用GaAs技术等。SoC的优势是把所有功能整合在同一块芯片上，目前一些低成本应用通信系统中，将RF模拟电路和基带电路实现单片集成，但却受到各种IC技术的限制，不能充分有效地利用多项技术优势。

基于多重输入多重输出技术开发的新宽带无线标准，要求通信机的前端电路越来越复杂。未来的前端将具有多达10个功率放大器和相关的低通RF滤波器、耦合器和匹配电路，其所占用的电路板面积将超过数字电路和存储器的电路板面积，而且RF前端仍由各种RF电路芯片和分立无源元件组成。SiP可以对各种不同技术的不同电、热和机械性能要求进行权衡，获得最佳的性能，大多数SiP都不会在电路板中占据过多的面积，因此，系统级集成封装技术成为主流方向，可采用RF SiP技术实现下一代无线产品。

美国率先开展SiP研究，在上世纪九十年代将SiP确定为重点发展的十大军民两用高新技术之一。紧随其后，欧盟、日本、韩国及其他地区的微电子巨头也制定出SiP发展规划，从3D逻辑SiP、2D SiP、3D SiP向RF SiP、WLP-RF SiP、3D-RF SiP等推进，探索封装产业研发方向。从发展趋势上看，SiP是混合集成电路和多芯片微组件工艺之优势于一体的新型封装技术，有很多相类似的地方，对整机系统进行功能划分，分别选择优化的芯片及元件来实现这些功能，采用封装工艺技术，它尽可能将一个完整的电子系统或子系统高密度地封装集成在一个封装尺寸的壳体或外壳内，在封装中构成系统集成。在ITRS（国际半导体技术路线图组织）2005版本中对SiP的定义是：SiP是采用任何组合，将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择的无源元件，以及诸如MEMS（微机电系统）或者光器件等其他器件，组装成为可提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统。在芯片封装技术中，SiP是高级别的封装，也可以是多芯片堆叠PoP或三维的3D封装内系统；而在芯片设计领域，SoC则是最高级别的芯片，研发成本高，设计周期长，验证及生产工艺复杂。从总体上来看，这两者又有很多相似之处，分别提供实现不同级别电子系统的方法，SiP涵盖SoC，其差异分析如表1所示，SiP提高性能的同时降低成本，在封装效率、性能和可靠性方面提高了10倍，尺寸和成本则有大幅度下降，设计和工艺灵活性较大，内嵌入性好，不同类型元器件集成相对容易，性价比高，技术上互为补充发展。

表1 电子微系统、SiP、SoC的差异分析

在SiP研发上推动学术和产业界积极投入巨资开发SiP的动力是小型化（37%）、高性能（51%）和低价格（12%），经过数年来的研发，SiP技术在很多领域已有重要突破，如多芯片模块MCM、芯片堆叠封装PoP、芯片减薄、硅通孔TVS、金属化、薄膜导线、嵌入工艺、超薄晶圆、积层线路板、无源元件集成等。据报道，目前SiP的布线密度可达6000cm/cm2，热密度达到100W/cm2，元件密度达5000/cm2，I/O密度3000/cm2，代表着新型封装技术发展趋势。SiP开拓了一种低成本集成的系统思路与可行方法，能较好地解决SoC中诸如工艺兼容、信号混合、电磁干扰、开发成本、芯片封装体积等挑战性问题，市场突破100亿美元，RF SiP将系统前端射频电路二次集成为多个模块，然后嵌入SiP中，确保电路的完整性和隔离度，构成系统或子系统，其应用从手机、通信、便携式电子产品扩展到高可靠的其他领域。

RF SiP发展历程源于SiP，将以往在板级间解决的问题，探索在SiP内以创新应用方式进行内部解决，同时也是SiP的延伸和拓展，整合应用领域横向需求和封装测试技术纵向扩展，打造新的价值链和竞争力，其主要特点是可使用成本相对较低的基础工艺来进行无源元件的高质量集成以及微磁电集成元器件，布线密度高，互连线短，电学、机械、热学性能优异，功能多样，可靠性高，此外也可以将采用不同工艺技术（CMOS、Bi-CMOS、GaAs、GeSi）制作的有源器件与采用小节距的内部互连线进行互连，从而使器件的性能达到最佳化。为了能获得更大电容密度（＞400nF/mm2）、更多功能并通过RF SiP将器件进一步小型化，可采用高介电常数的介质（如AL2O3，HfO2等）和TiN之类的导体来制作MIS（金属-绝缘体-半导体）和MIM（金属-绝缘体-金属）沟槽，TSV刻蚀和铜填充将可达到直径10μm ～100μm以及深度30μm ～300μm的典型值。这些技术将使3D芯片和晶圆堆叠、具有小外形尺寸的RF SiP成为现实。

RF SiP比板级方法的互连长度更短，互连线的缩短可以使电路性能得到改善（降低互连损耗、减少延迟和寄生效应），缩短了芯片－芯片和芯片－无源元件（RCL、滤波器、平衡－非平衡混频器）之间的互连长度，可实现良好的电特性。

3 RF SiP的发展现状

RF技术发展趋势是减少体积和重量，降低功耗，提高可靠性和多功能化。另外，需要采用频率选择性好的滤波器件和极为稳定的本机振荡器，并保证电路在有限的电源供电下长时间稳定工作。为此，RF电路需要进一步集成化，电容、电感和振荡器等应该保持高Q值（品质因数），传输线、开关和天线等在阻抗匹配、插入损耗和隔离度方面也应该满足较高的要求。RF技术与SiP技术相融合，以系统开发为导向，提供了新的解决途径，其优势日益凸显，推进了RF SiP的研发进展。

3.1 硅基RF SiP

下一代蜂窝射频器件将具有更高的集成度，并倾向于使用3D（三维）封装。3D技术能提高封装密度和封装效率，增强产品功能，提高速度，降低功耗，降低噪声，实现整机的小型化和多功能化。以硅技术为基础的集成无源器件（IPD）成为一种RF SiP的解决方案，由于可实现电容和电感的高密度排列，基带电路和射频电路保持良好的隔离，进行高度集成的蜂窝射频RF器件模块的生产，基本上可以提供与较小SMD元件相似的外形，通过量产流程验证，而且价格颇具竞争力。

硅基RF SiP采用成本相对较低的芯片后端TVS工艺将无源元件集成到硅衬底上，采用原子层沉积工艺淀积多重高介电常数介质（AL2O3）和导体层（TiN），由此制作金属/绝缘体/金属MIM叠层，电容密度达到400nF/mm2，击穿电压大于6V，与有源器件芯片或MEMS芯片一起形成一个高质量三维堆叠混合集成的器件平台。例如，一个无线电收发集成电路可以倒装在这种含有无源元件的硅衬底上，以减少互连寄生现象和所占面积，最后倒扣组装到标准尺寸的引线框架封装中。另外，也可以运用不同的工艺技术（CMOS、BiCMOS、GaAs）来制作有源器件，并采用小节距的内部互连线进行，从而使器件的性能达到最佳化。下一阶段的目标是获得更大的电容密度、更多的功能，器件进一步小型化，TSV刻蚀和铜填充的直径可达10μm～100μm、深度30μm～300μm的高深宽比值。

3.2 LTCC（低温共烧陶瓷）RF SiP

LTCC技术为高集成度的RF SiP提供了一个很好的途径，其材料介电常数低（一般ε≤10以下），布线密度高，布线导体方阻小，传输损耗小，热传导性能优良，热膨胀系数与硅器件匹配，信号传输线采用了Au、Ag等良导体，信号传输速度快，具有很好的微波性能。LTCC不但可以集成R、L、C无源元件，还可以将微波传输线、逻辑控制和电源线、混合信号传输线等集成在同一个多层LTCC三维微波传输结构中，LTCC基板上、下表面分别布置射频电路和低频电路，其间埋置无源元件，将多芯片和元器件集成在一个封装体内，最大限度地减少了系统的体积、重量和元器件数量，提高了性能和可靠性，降低了成本，是实现小型化、集成化、高可靠性和低成本发展的重要途径。同时，基于LTCC的RF SiP可以采用密封的金属封装，满足苛刻环境条件下的使用，特别适合高速、射频、微波等电子整机的高性能系统集成。

研制成功基于LTCC技术的Ku波段多通道射频前端电路，在很小的空间内集成了多个GaAs MMIC（砷化镓微波单片集成电路）芯片和CMOS控制电路芯片及采用LTCC技术的微波带状线滤波器组，电路主要由限幅器、前置低噪声放大器、单刀多掷开关、两个双平衡混频器、第一中频放大器、第二中频放大器、串行信号转并行信号驱动器等芯片及多个不同频段的滤波器组成，由二次变频实现多通道、多功能电路的应用。一个由移相器、功率放大器、低噪声放大器、电调衰减器和T/R开关等多个单芯片所构成的相控阵雷达收发组件在LTCC上实现，将射频、数字、供电电路分别布置于不同的层次之中。

目前，对于RF SiP产品的研发和生产来讲，高频低损耗的LTCC多层基板已经成为众多制造厂商的首选，特别是在高端电子设备中发挥越来越重要的作用，典型的商品化高频低损耗、高密度多层互连LTCC基板可做到14～20层（层间厚度公差2.5%以内），制成的无源元件公差可控制在3%～5%的范围，烧结后陶瓷密度气密性好。采用LTCC技术，将双工器、低通滤波器、SAM滤波器和切换开关等无源元件埋置在LTCC多层基板内部，制作出高密度集成的手机前端RF SiP。

研究微磁电集成元器件的SiP，将产生新原理、新概念器件，突破常规元器件的性能极限，实现电子装备的微小型化、高功能密度化。微磁电集成元器件也是微波/RF技术的重要组成部分，以LTCC为主要制造方式，以电磁场理论和传输线理论为基础，结合微电子器件，构成微磁电集成模块、微磁电集成执行器及组成微波/毫米波集成电子整机系统，满足频率高端电子整机的数字化、集成化、小型化和高可靠性要求，比常规微波/毫米波元件的可靠性提高1～3个量级，功耗减少1～2个量级。

随着通信、雷达、微波测量及各种消费电子产品的高速发展，工作频率的不断升高，对高频微波信号的处理变得越来越重要和紧迫，国内对LTCC微波器件的设计、制造和应用研究等方面与国外存在一定差距，RF SiP运用微组装和互连技术，能够把各种集成电路以及各类无源元件等集成到一个封装体内，可以有效而又最便宜地使用各种工艺组合，器件设计与工程实用性研究有效结合是今后LTCC发展的重点。

3.3 多层有机基板封装

利用LTCC还很难全面集成RF、数字和混合信号技术用元器件。采用一种薄膜多层工艺，将液晶聚合体LCP和陶瓷填充聚四氟乙烯PTFE化合物结合在一起，构成的先进RF电路材料新工艺与电路布局技术研制成功RF SiP基板的多层有机MLO（Multi-layer Organic）基板封装，在射频芯片的MLO叠层基板嵌入关键射频无源元件，构成先进RF电路材料的新型工艺与电路布局技术。同时保持其低插损和高度隔离，介电常数稳定，易于激光打孔，不易吸水并且热稳定性良好。6层MLO就能实现12～20层LTCC的功能，与其他RF多芯片封装方案相比，具有相当或更好的性能，并能够对传统的多层陶瓷封装技术构成挑战。

LCP基板在射频/毫米波（高至110GHz）微系统封装中展现出可与PTEE材料相比拟的优异介电性能，且兼具优异的热稳定性、高模量、可裁剪热膨胀系数以及低吸湿率等特性。LCP的性能契合了射频/毫米波系统向更轻更小、更高性能以及更低成本方向发展的需求，基于LCP基板的射频/毫米波系统的研发得到了重点关注，一些应用研究相继见诸报道。

MLO基板拥有一个或多个RF介质层，嵌入在其他层压板之间，为表面贴装和RF芯片布置提供线路、保护和焊接区域。其典型产品为叠层结构，外层薄膜采用填有二氧化硅的碳氢化合物导热双层胶和层压材料，具有刚性、较低的吸水性和低z轴CTE（热膨胀系数），确保其可靠性。内部介质层在工作频率下须做到低插损，厚度较薄以获得较高的电容密度，并使封装高度尽可能低。研发成功层压板厚度仅为25μm的LCP和25μm厚的PTFE化合物，可标准地多层和/或连续层压加工，在这些低插损介质层上下采用屏蔽层制作的MLO基板具备优异的RF性能，用于制作完整的封装结构。该技术已被用于开发多种RF产品，包括分立被动元器件、高集成RF前端模块（FEM）以及包含整个无线芯片组及前端的嵌入式模块。利用MLO，现已获得标准引线键合技术组装的、含有GaAs和SiGe芯片的前端模块，并通过了电子器件联合工程协会JEDEC可靠性压力测试，未出现失效或性能退化。

为完全利用MLO的嵌入式器件功能，可制造性设计是其研发中的关键因素，要求设计人员具备可快速实现RF系统中使用的常规元器件的能力，如匹配网络、滤波器、不平衡变压器、耦合器和双工器，最终转化成集总参数结构，包括嵌入式电感器、电容器和传输线，被刻蚀到覆铜介质层中。

4 RF SiP带来的影响

SiP综合了现有的芯核资源和生产工艺的优势，有助于超越SoC设计极限，包括使用者的IP集成、IP重用、混合模拟/数字设计等，具有低设计风险、工艺复杂性低、低开发成本和更短的上市时间等特点，成为一种理想的RF和混合信号系统解决方案。RF SiP的目标是实现各类微波/毫米波电子器件与整机的模块化、固态化、小型化、高性能化，为RF前端提供更好的灵敏度、选择性、稳定性、动态范围和抗干扰性。

RF SiP将推进3G/4G手机RF前端的集成，为3G和4G射频方案提供全面解决办法，包括放大器、开关和滤波器，提高功率放大器集成度，提升其技术含量。一部手机需要支持3G/4G的不同制式，同一制式还需要多颗不同频段、不同制式的功率放大器PA、滤波器与双工器等，集成的趋势有两种：一种是沿信号线的集成，比如PA＋滤波器＋双工器；另一种是频段相近的PA集成，都需要先进的工艺和封装技术来支撑。开发能够实现多模、多频段工作的PA，旨在未来采用1～2个功放，就可以完成以前6个功放同样的功能。手机制造商愿意采用经过验证和测试的集成无线电模块，以实现超小尺寸和更快上市时间。

RF是个非常特殊的领域，涉及通信设备、网络、航天、航空和国防等领域，市场的增长主要来自移动设备的内容扩展和网络数据传输的视频传输量增长这两个方面的推动，进而促进了对射频器件的需求。据市场调查公司预测，RF市场正处于黄金时期，未来3年其年复合增长率将在20%左右，市场需求巨大，RF器件主要包括放大器、开关和滤波器、双工器、模块，这些产品的电压在不断升高，不太容易集成在单一芯片上，因此在这一领域，主要是不同功能的集成，满足RF行业的大功率、多功能、低电流、小尺寸的要求，而器件价值至少翻番，甚至高达4～6倍，其发展潜力不可忽视。

RF SiP在RF MEMS（射频微机电系统）和光学MEMS封装中有很好的应用前景，除通常的MEMS封装问题外，还需要考虑RF系统自身的复杂性，涉及到对RF系统进行互连，封装结构和插入组件以及芯片之间的相互作用，包括微电子封装、光电子封装、射频封装、MEMS封装、多功能系统集成封装等，按照RF系统最优化的原则设计、组合、集成构建为微系统产品，基于这些技术的突破正改变着其应用现状。

毫米波市场迅速增长，其应用急剧增加，包括LMDS（28GHz)、WLAN（60GHz）和汽车防撞雷达（77GHz）等。在目前情况下，限制这些元器件使用频率的原因，往往不在IC芯片本身，而在于其封装的寄生参数，包括物理的、分布的和电磁场等方面，严重损害了器件的频率响应，破坏了信号的完整性。封装成为限制传输速度发挥的真正原因，工作频率越高，封装的这种影响就越大，急需发展低成本、小型化的RF SiP。

综上所述，RF SiP促进了电子封装与组装技术的结合与进步，带动了相关制造装备的研究开发，促成了新型封装材料与电子系统共性技术的发展，推动封装产业以前所未有的速度向着更长远的目标迈进。RF SiP发展之势锐不可挡，不仅面临着更大的机遇和挑战，也必将迅速带动封装技术的更新和变革，孕育着更为广阔的发展空间。

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