技术文章—定制mmWave芯片封装设计方法

经过多年的研究和开发，电气工程师，物理学家和数学家们已经意识到在更高频率下操作通信系统的好处。该研究产生的一些最值得关注的进展包括：相同功能的较小电路实现，给定天线尺寸的改进天线增益，以及数据承载能力的显着增加。然而，在实际约束下实施高频电路仍存在许多挑战，其中，封装是一个突出的问题。

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，由于嵌入式寄生效应和其他固有的技术限制，传统的封装技术已被证明无法将通常在X波段下的性能转换为毫米波（mmWave）范围的。这些限制促使设计界利用最新的封装技术、新颖的设计方法和先进的CAD工具，为高频应用开发具有成本效益、可扩展的封装解决方案。

这些新的封装技术有着优良的性能体现，例如模塑化合物和长引线键合结构，以实现超过55 GHz的出色性能。本文探讨了为mmWave组件开发商业上可行的封装解决方案及其关键概念（正在申请专利）。

封装挑战

全球移动数据使用量预计将从2017年的11.2PB /月增长到2021年的48.3PB /月，5G已成为将移动数据容量提高1000倍并支持70亿人数据消费的强有力技术，预计它将催生7万亿台设备的市场需求。所有这一切都需要相应的能效及接近于零时延的性能保障。

5G的出现加快了集成电路（IC）的发展，以满足高频应用的要求。还需要开发具有成本效益的封装技术，其不仅可以保护IC，还能在宽工作频段内保持良好的电气性能。

目前的表面贴装四方扁平无引线（QFN）封装不适用于mmWave频段的器件。在信号路径中遇到的寄生元素 - 例如，从印刷电路板（PCB）到QFN顶侧的垂直过渡中的不连续性，以及从引线键合到IC的不连续性在较低频率下可忽略不计。然而，一旦元件的物理尺寸与波长相近，这种不连续性就具有了很强相关性，不可忽略。

QFN封装的另一个缺点是它们依赖于包覆成型（over-molding）。这不仅增加了较高频率下的电损耗，而且无法封装具有空气桥的die。此外，由于其标准化特性，QFN封装不允许倒装芯片器件。

目前，出现了许多解决这些挑战的解决方案。气腔QFN封装允许带有空气桥的IC，但它们在高频下匹配良好的转换水平仍难以令人满意。微同轴结构允许高频操作，但需要专门的装配过程。

定制封装解决方案可以补偿寄生效应并允许气腔实现。当完全定制的解决方案融入快速、低风险的设计策略以及高度自动化的装配过程时，它是最可行的。

现代RF应用对超出电气规范的元件有严格要求。密集组件，高操作功率以及对稳健可靠系统的需求对单片微波集成电路（MMIC）封装设计者提出了平衡电气性能与所需热性能和机械特性的要求。

由于有益于性能的一个方面的设计特征可能会降低其他方面的要求，因此通常需要权衡。例如，旨在以牺牲散热为代价来改善电性能的折衷可能由于导体和半导体上的温度升高而产生很少的收益。因此，设计人员必须了解设计选择对设备性能不同方面的综合影响。

在本文中，我们介绍了定制表面贴装封装的开发，该封装具有从直流到50 GHz的良好电气性能。本文深入探讨了在性能和成本目标背景下，定制和设计特征标准化之间的权衡。显示了定制有机和低温共烧陶瓷（LTCC）封装中宽带MMIC衰减器芯片的测量性能。还讨论了在设计这些封装时采用的多物理场仿真工作流程的好处。

设计元素

结构

具有PCB的陶瓷和有机封装的示意性横截面图分别示于图1 和2中，以下描述对两者都是相同的，使用导电环氧树脂将IC连接到基板内的Pocket中，该方案可使金线键合的长度最小化。金线将IC的RF焊盘连接到封装的RF焊盘，形成低通网络，其中引线键合表示为集总串联电感：LWB，焊盘表示为CPK和CIC （见图3）。

图3：这是封装焊盘（CPK），金线（LWB）和IC焊盘（CIC）之间金线互连的集总元件示意图。

正确调整此匹配网络对于精确的阻抗匹配和良好的宽带电气性能至关重要。封装的RF焊盘后面是一条具有50Ω特征阻抗的微带线，以及一个匹配的垂直过渡到底部焊盘。封装的底部焊盘在接地共面波导（GCPW）配置中具有50Ω的特性阻抗。封装焊接到PCB上，PCB采用具有50Ω特性阻抗的GCPW。使用非导电B级环氧树脂将塑料或陶瓷盖连接到封装上。

物料

材料和技术选择对封装性能起着重要作用。材料选择取决于应用要求，例如气密性，最大工作频率，封装尺寸，封装重量，一级和二级互连，热管理限制以及互连的可容忍插入损耗等。

在LTCC和有机衬底封装中，衬底材料的选择必须考虑实现所需RF性能的介电常数和损耗角正切。衬底还决定着封装拓扑和与其他材料的兼容性。

这里探讨的两种基底是LTCC和有机衬底。LTCC封装包括陶瓷单片结构，其中在衬底的顶部带层中形成空腔（见图1）。pocket的裸露顶面具有连续的金属化，通过多个过孔连接到底部接地垫。作为一种更硬的材料，它更容易接线。

在有机封装的情况下，通过去除衬底的一部分并暴露底部金属化来产生pocket（见图2）。这会形成更好的RF接地和热阻。

在两种封装中，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装配工艺。LTCC封装上的金属导体通常为银，具有化学镀镍浸金（ENIG）表面光洁度。电镀可保护下面的银免受氧化，并且必须具有与焊接和引线键合工艺兼容的特性。

有机封装采用铜导体，可以采用几种不同的表面处理方法。表面光洁度的选择可能是高频应用中的关键问题，因为表面粗糙度和电导率都会对插入损耗产生显著影响。

选择用于安装MMIC管芯的导电环氧树脂对封装的总热阻具有显著影响。作为芯片和封装之间的主要接触点，环氧树脂有利于芯片散热。

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程分析了LTCC和有机封装的电气、热学和机械性能。模拟工作流程采用了多个顺序操作的模拟器，每个模拟器的结果都用作下一个模拟器设置的一部分。

图4：LTCC封装的电磁仿真模型仅包括与电气性能相关的设计元素。

具体的仿真工作流程如下：

1.在设计几何尺寸的简化版本上执行完整的3D有限元电磁（EM）仿真（见图4），仿真产生S参数数据和设计中的功耗空间分布。

2.在EM仿真模型上运行完整的3D有限元热模拟，增加了包括与热和机械（但不是电气）性能相关的几何尺寸。如图5所示，精确地模拟几何尺寸的关键区域，例如空心和焊料填充的镀通孔（PTH）。仿真采用EM仿真计算的功耗，并在模型的几何尺寸结构内产生温度分布。

3.完整的3D有限元力学模拟在完整的模型几何尺寸上运行，采用空间温度分布作为其设置的一部分。模拟产生模型几何尺寸内的机械应变和应力。

4.如果需要，可以重复上述过程，直到满足收敛标准，将温度上升信息和模型几何变形馈送到电模拟器中。在实践中，单次操作通常足以在仿真结果和物理测量之间达成出色的一致性。

图5：这是LTCC封装的热和机械仿真中使用的几何尺寸和网格特写，其中隐藏了封装盖。请注意，该型号包括焊料、芯片粘接环氧树脂，以及中空和焊料填充的镀通孔。

虽然比涉及单独的电气、热和机械仿真任务的工作流程更复杂，但真正的多物理场仿真工作流程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以包括施加到导体的一个或多个面的均匀分布的热源。这种方法丢弃了关于局部发热的有价值的信息，因为mmWave频率下的电流密度是不均匀的。多物理场仿真方法隐含地捕获了这种效果，而不需要设计师特别注意。

多物理场仿真能够自动解决手动设置过于复杂的情况，这对LTCC设计尤为重要。由于LTCC设计由具有复杂内部导体几何形状的单片陶瓷结构组成，因此，这种器件外部的热图像可能无法完全显现出其内部的热状态。

由于设计性能的电气、热学和机械方面通常是相关的（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相关方面的影响。该工作流程已通过了涉及多种技术的多个项目的认证，并在与性能测量非常接近的情况下实现了模拟结果。当然，与Mini-Circuits建立的LTCC流程的其他部分一样，它还需要不断进行评估和改进。

定制与标准化的权衡之道

虽然QFN已经成为V波段频率的有源和无源电子元件的行业主力封装形式，但其高度标准化的特性使其难以完全满足某些特定应用需求。随着应用向mmWave频率发展，封装技术必须适应各种不同的需求。

一刀切的解决方案可能同样适用于所有应用程序，而能产生出色效果的完全定制解决方案的成本过高。为了开发一种仍然具有出色应用灵活性的快速、经济高效的封装方案，需要将行业标准流程和可调设计功能组合到可定制的封装模板中。

采用“模板化”方法进行封装设计，可以重复使用经过验证的设计元素，从而减少需要从头开始的解决方案所带来的工作量和风险，并提供适应特定应用的电气、热、机械和环境需求的设施，同时最小化或消除对新设计的广泛认证的需要。

QFN封装通常以标准尺寸（3×3mm，4×4mm等）的粒度范围提供，而MMIC的die可以是任何尺寸和纵横比。对于一个标准QFN封装尺寸而言，稍微大一点儿的die就必须使用下一个尺寸了，这需要长线键合，还会产生大寄生电感。封装本身几乎无法补偿这些寄生效应。此外，QFN采用塑料封装，用于包封引线框架、die和引线键合。

MMIC芯片上的精巧结构，如空气桥，与以上封装工艺不相容。即便在没有不兼容的MMIC特征的情况下，密封剂也可能仅通过接近就能使敏感电子器件的性能失谐或降低。再有，QFN封装的端子是高度标准化的，焊盘尺寸和几何形状的灵活性很小。对于一些应用，与固定过渡几何形状相关的电寄生效应可能是不可接受的。

Mini-Circuits的定制LTCC和有机基板封装解决了上述问题和限制，提供了足够灵活的解决方案，以满足各种应用需求。在这些封装中，芯片位于基板顶部的pocket中（参见图1和图2），pocket的尺寸根据客户的芯片而定，使得引线键合焊盘可以尽可能靠近芯片，最大限度地减少键合线的长度和电感。

因此，LTCC和有机基板封装给MMIC芯片尺寸提供了更大的灵活性，即使它们目前的尺寸与标准QFN封装（3×3 mm，4×4 mm和5×5 mm）相同。将塑料盖固定在die上并用B阶段环氧化合物进行引线键合，在die和引线键合之上保持气隙并实现半气密密封。使用气隙而不是密封剂可以实现封装精密的MMIC结构，并最大限度地减少电气性能的下降。

与QFN封装不同，LTCC和有机衬底封装提供了适合各种应用的灵活性。封装结构包含可调元素，用于电补偿与PCB到封装以及封装到MMIC芯片的转换相关的寄生效应。此外，由于封装采用印刷导体而非实心引线框架，LTCC和有机基板封装可以最小的工具成本进行定制。

例子

为了验证设计并测量有机和LTCC封装的性能，我们设计、制造并测试了多个封装。将其组装并焊接在具有50Ω的GCPW迹线的5密耳Taconic TLY-5评估PCB上。西南微波 2.4毫米边缘发射连接器用于将PCB与矢量网络分析仪（VNA）连接。标准的短开路负载（SOLT）校准在高达55 GHz的频率下进行，直至连接器的参考平面。通过减去PCB直通线的损耗来标准化每个封装的插入损耗测量值。

MMIC 2-dB有机封装衰减器

安装了一个2 dB MMIC衰减器，并将其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，以及没有盖子的封装的特写，描绘了die和引线键合。图7显示了设备的测量数据。S21迹线显示出非常平坦的响应，在48 GHz时为-2 dB。在整个频率带宽内可观察到良好的回波损耗。

图6：有机封装（带盖）中的IC显示在评估板（a）上。没有盖子的封装的特写显示了封装衬底（b）顶上的倒装芯片。

图7：这些是有机封装上2 dB衰减器的测量结果。

陶瓷封装的MMIC 2-dB衰减器

安装了一个2 dB MMIC衰减器，并将其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，以及没有盖子的封装的特写，说明了die和引线键合。图9显示了设备的测量数据。S 21迹线显示出非常平坦的响应，在高达55 GHz时为-2 dB。在整个频率带宽内可观察到良好的回波损耗。

图8：此处，IC在评估板（a）上采用LTCC封装。没有盖子的封装的特写显示了die和引线键合（b）。

图9：图表显示了LTCC封装上2 dB衰减器的测量结果。

倒装芯片SPDT开关陶瓷封装

倒装芯片单刀双掷（SPDT）开关安装在陶瓷封装的顶部。图10显示了安装在PCB顶部的封装，以及封装与裸露倒装芯片的特写。图11显示了RF2通道激活的器件的测量数据。在整个带宽上观察到良好的回波损耗。

图10：显示评估板上的封装IC（a）。可以在没有盖子的情况下观察封装的特写，还显示出die和引线键合（b）。

图11：测量结果表明，SPDT倒装芯片开关具有良好的回波损耗。

结论

我们已开发出采用LTCC和有机基板材料的封装（正在申请专利）。 两种封装技术的出色电气性能均 高达55 GHz。这两种封装方法都能 满足各种特定应用的需求， 包括阻抗匹配、可变die尺寸，以及各种 I / O焊盘数，信号类型（直流或射频）和PCB 几何尺寸。通过将标准化和可调节功能组合 到可调谐封装模板中，Mini-Circuits的 封装方法实现了理想的电气性能和广泛的 适用性，同时最大限度地缩短了周转时间、成本和风险。