射频电路封装设计与工艺实现方法研究

0 引 言

现代通信技术起源于19世纪,到20世纪无线通信技 术得到快速发展,一系列的理论和技术如雨后春笋般出 现。进入21世纪,数据传输的质量和速率获得极大地提 升,无线通信技术也成为我们生活当中不可或缺的技术手 段之一。在现代通信中,射频(RF)电路用于处理高频信 号,应用领域包括卫星通信、移动通信、蜂窝网络和医疗诊 断等。

无线通信系统常用的是射频电路微 系 统,由 基 频 芯 片、收发器、放大器和其他被动组件构成,具有频率高、频 带宽和损耗大的特点。在当前研究中,射频电路微系统常 见的四大挑战包括信号干扰、偏高功耗、较低效率和体积 庞大。相应的射频电路设计和封装面临诸多挑战,对噪声、传输效率、损耗、体积、线性度、成本和重量均等提出了 更高的要求。此外,宇航领域还需考虑空间抗辐射 的 要 求。封装结构的作用是提供机械支撑、环境隔离、电气连接、外场屏蔽、尺寸过渡和热传输通道。与数字电路相比,射频电路封装的特点是受传输线和电抗性元件控制,封装互连的主要目的是降低损耗和高频保真^[1-3]。对于射频电 路而言,不恰当的结构会带来阻抗失配、介电损耗和信号 失调等问题。随着频段的持续升高,射频电路的阻抗和品 质因数(Q)值增大,而带宽降低,引起更大的损耗,从而影 响电路的性能。在高频工作时,封装结构会引入寄生的电 阻、电感和电容。金属接触点封装会引入寄生电感,可以 等效为集总电感,影响射频电路工作。 

本文从射频电路基本原理、封装设计方法和工艺实现 三个方面展开,介绍射频电路封装设计和工艺实现方法。

1 射频电路工作原理

射频通信常用的频段为3 MHz~300GHz,该频段也 被称为无线电频率,各频段、波长和应用关系见表1。典 型的射频电路结构如图1所示,主要包括射频开关、滤波 器、功率放大器、移相器、衰减器、功率分配等。

在本研究中,射频电路频段为0~18GHz,并非适用 于所有射频电路。此外,实验数据均为抽样测试,并不能 完整地呈现样本的所有水平。

2 封装设计方法

在封装设计阶段,有效的结构设计往往能够提高射频 电路的性能,常见的技术手段包括多级滤波器、电感电容 (LC)串联谐振和短路线等结构设计。

2.1 多级滤波器结构

高频互连最常用的封装结构是多级滤波器,其结构如 图2所示。窄微带线的阻抗高,可以等效为电感;宽微带 线的阻抗低,可以等效为电容。将等效电感、等效电容和 集总电感联合考虑,设计成“L C L或 L C L C”多 级滤波器用于消除寄生效应,实现射频芯片与天线间的阻 抗匹配。滤波器的级数越大,射频电路的带宽越高。

张欣欣等人^[3]在贴片振荡器内部设计了一系列的内插 反馈线,应用于带通滤波器,其结构如图3所示。内插线缝 隙比作电容,在通带两端形成椭圆响应,并对带宽可调。反 馈线插入的长度和间距主要控制输入/输出相匹配。

2.2 LC串联谐振结构

LC串联谐振结构由集总电感和平板电容构成,该互连方式结构简单,但是带宽小。平板电容由载板上、下两 层重叠金属构成,高频信号通过耦合方式传递。图4为等 效的 LC串联谐振电路,Lg和 C2分别代表键合线等效电 感和微带线等效电容。电感感抗和电容容抗的绝对值相 等,通过在键合线后增加等效电容实现阻抗匹配。

一种做法是采用嵌入式电容,常见的包括平行板电容 和垂直交叉电容(VIC)多层结构电容,如图5所示,该结 构的作用是退耦。平行板电容通过多层基板或高介电常 数方法来提高容值,VIC 多层结构电容的体积更小、容值 更高。需要注意的是,嵌入式电容的应用频段应小于自振 荡频率,以免引起互易现象。

2.3 短路线结构

短路线结构通过共面波导(CPW)传输和短路短接线 的原理实现阻抗匹配,其特点是设计难度低、带宽窄、损耗 高,适用于相控阵高频封装。

多层有机基板可以根据需求电感值和基板内的空间 要求来设计。它可以实现目标频率内的 CPW 电感,从而 能够得到更高的 Q 值。这种设计不仅能够解决过孔损耗 引起的 CPW 螺旋电感问题,而且有效降低了介质损耗, 实现了更高自谐频率(SRF)。此外,采用厚铜镀金处理还 可以提升品质因数质量,降低并联寄生电容,削减负互感 作用的接地平面涡流,得到有效电 感 值。Meander、平 面 式螺旋和立体式螺旋结构电感图如图6所示。

3 高频互连封装类型

3.1 基板选型

基板是封装的基础,射频电路也不例外。对于基板来说,两个重要的参数分别是玻璃相转化温度(Tg)和热膨 胀系数(CTE)。塑料基板和陶瓷基板的直接区别在于重 量,塑封器件重量约为陶瓷的二分之一。其次,塑料基板 不能采用气密性封装,且在中频段(2~3GHz)应用广泛。

基板材料的选择是由应用背景决定的。FR-4材料 向氰酸脂和酚醛树脂的转变是为了得到更小的 Tg,FR-4 向低温共烧陶瓷的转变是在考虑高频损耗,Al₂O₃ 向 AIN 陶瓷的转变主要为了应用于性能和可靠性要求极高的场 合。FR-4 基 板 的 损 耗 与 频 段 间 存 在 线 性 关 系 (见 图7(a)),具体关系如下式:

损耗(dB)=0.11×频段(GHz)-0.07 (1)

从图7(b)中可以看到,低温共烧陶瓷(LTCC)基板的 损耗明显低 于 FR-4 基 板 的 损 耗。随 着 频 段 的 不 断 增 加,LTCC/FR-4损耗比呈现先增大后减小的趋势:当频 段为10GHz时,LTCC/FR-4损耗比最高,为47%;当频 段为14GHz时,LTCC/FR-4损耗比最低,为34.5%。

3.2 键合工艺

引线键合是目前应用最普遍、最可靠的封装互连方法。键合线的准确性对封装互连的设计影响较大。为了 提高仿真模型的准确性,有时甚至需要将键合线的长度、 弧度、路径和键合点尺寸均做标注。本文在射频电路封装 过程中,键 合 线 参 数 是 固 定 且 唯 一 的,设 备 误 差 控 制 在 5%以内。图8为频段和S₁₁、S₂₁ 的关系。频段变化对 S₂₁ 的影响可忽略不计,随频段的增加,S₁₁ 参数也增加明显。

由图9(a)可 知,键 合 线 寄 生 电 感 取 决 于 长 度,线 越 长,寄生电感越大;当键合长度为900μm 时,S₁₁ 达到最大 值,为-4.29dB。由图9(b)可知,键合高度对 S₁₁ 的影响 较小,随着高度的增加,S₁1 也呈现变大趋势;当键合高度 为200μm 时,S₁₁ 达到最大值,为-5.95dB。由图9(c)可 知,键合直径变大,S₁₁ 呈现降低的趋势;当键合直径为20μm 时,S11 达到最大值,为-7.86dB。由图9(d)可知,键合线 间距越大,S₁₁ 呈现降低趋势;当间距为250μm 时,S₁₁ 达到最大值,为-7.14dB。

3.3 贴装方法

贴装技术包括粘接和焊接两部分。粘接常用的材料为导电银浆和环氧树脂。近年来,苯并环丁烯(BCB)被认 为是 一 种 新 型 的 射 频 电 路 粘 接 材 料 ,在90GHz范 围 内 ,BCB的 CPW 插入损耗变化量小于0.01dB ^[5-6]。焊接常 用的材料为Sn Pb和 Au Sn。粘/焊接空洞率和贴装精 度均会对射频电路产生一定的影响。根据实验数据,针对 20~30 GHz频 段 的 射 频 电 路 损 耗:焊 接 空 洞 率 贡 献 0.3dB,绝缘子焊接空洞贡献0.2dB,芯片粘接/焊接空洞 贡献0.4dB,基板间隙贡献0.7~3dB,芯片贴装精度贡献0.2dB。详细参数见表2。

倒装焊技术(FC)是较为新型的技术之一,出现于20 世纪80年代,将互连点放置在芯片背面,极大地缩短互连 距离。FC的封装可靠性高,在寄生电感、串扰、信号传输 方面具有明显优势。2010年,IBM 公司将发射或接收裸 芯片采用 FC方式与天线互连,应用于60GHz相控阵系 统,整体尺寸 只 有 28 mm×28 mm×1.47 mm,如 图 10 所示。

3.4 晶圆级制造

金-硅 共 晶 焊 在 晶 圆 级 封 装 中 较 为 常 见,熔 点 只 有 363 ℃,该方法一致性好、速度快、位置精确,能形成良好 的欧姆接触。紫外(UV)固化剂由于其低粘度、防潮、低处 理温度,已广泛应用于晶圆级封装粘接。2015年,德国英 飞凌(Infineon)公司通过嵌入式晶圆级封装技术(eWLB), 将收发裸芯片和微带天线集成在14mm×14mm×0.8mm 的封装内^[8]。与传统技术相比,该封装技术体积缩小至原 来的八分之一,在智能手表、手机领域应用广泛。

3.5 密封手段

密封在高可靠电子元器件封装中应用广泛,常见的方 法有平行缝焊、钎焊、激光焊和胶粘等[9-12]。密封金属盖 板的主要材料为 W(10/90)、可伐(Ni Fe合金)、Cu/Mo (15/85)和 Cu/W(15/85)等。密封盖板的腔体可以提供 更开阔的工作空间,也可以消除密封盖板与射频传输线的 邻近效应,进而增加电路的高频特性。在零级封装的低频 应用中,在顶盖刻蚀凹槽可以提高电路性能。实验证明, 凹槽深度为30时,Zc变化为-2.8%,εeff 变化为2.2%, 射频电路的失谐程度满足要求。

4 结 论

射频电路工作的频段为3 MHz~300GHz,为了提高 射频电路的性能,常在封装基板上做多级滤波器、LC串联 谐振和短路线等结构设计,用于降低射频电路的信号干扰 和过程损耗。在工艺实现阶段,基板选型、键合工艺、贴装 方法、密封手段等工作能够进一步降低电路损耗,而晶圆 级制造手段能够为射频电路小型化提供有力支撑。未来, 将继续基于晶圆级封装技术逐渐细化至各工艺的温度、时 间、压力等参数,保障射频电路制造的高标准、稳定性和一 致性,不断提高射频电路的高频信号传输性能。

参考文献

[1]夏海洋.60GHz芯片与天线的封装研究[D].南京:东南大 学,2016. 

[2]吴含琴.RF MEMS封装的研究[D].南京:东南大学,2007. 

[3]张欣欣,王鲁豫.SOP技术的优势及在射频领域的应用[J]. 试验科学与技术,2007(5):140 144. 

[4]JEREMYB,MULDAVIN,GABRIEL M,etal.High isolationCPW MEMSshuntswitches part1:Modeling[J]. IEEE Transactionson MicrowaveTheoryand Techniques, 2000:1045 1052.

[5]SEOKS,ROLLANDN,ROLLANDP A.PackagingmethodologyforRFdevicesusingaBCBmembranetransfertechnique[J].Journalofmicromechanicsand microengineering, 2006(16):2384 2388.

[6]TOMPSON DC,TENTZERIS M M,PAPAPOLYMEROU J.Packagingof MMICsin MultilayerLCPSubstrates[J]. IEEEmicrowaveandwirelesscomponentsletters,2006(16): 410 412.

[7]DONGGK,LIUD,NATARAJANA,etal.Lowcostantenna in packagesolutionsfor60GHzphasedarraysystems [C]//ElectricalPerformanceof Electronic Packaging and Systems.USA:IEEE,2010:93 96.

[8]NASRI,JUNGMAIER R,BAHETIA,etal.Ahighlyintegrated60GHz6 channeltransceiverwithantennainpack ageforsmartsensingandshort rangecommunications[J]. IEEEJournalofSolid StateCircuits,2016,51(9):2066 2076.

[9]赵成.分布式 RF MEMS移相器热致封装效应研究 [D].南 京:东南大学,2015. 

[10]张跃平.封装天线技术发展历程回顾[J].中兴 通讯技 术, 2017,23(6):41 49. .

[11]葛雨屏,顾晓清.高速芯片定制化单元仿真与后端整体互连 仿真研究[J].信息系统工程,2021(1):137 139. 

[12]于文才.毫米波 MEMS开关封装电磁波损耗的研究 [D]. 南京:东南大学,2010.

2025年第1期第6篇