mmWave设备的封装应该如何处理

翻译自——rfglobalnet，Liam Devlin

技术名词——mmWave，表面贴装，键合线寄生，超模压塑料封装，SMT封装，塑料空气腔封装

为什么要在表面贴装技术(SMT)中使用半导体器件而不是作为裸芯片?毕竟，一个未封装的芯片会更小，寄生率更低，性能更好。

答案是封装的设备更容易处理，并且与大批量生产和组装技术兼容。未封装的模具需要在洁净室环境中进行专业处理，并且很难将其他组件焊接到包括裸模在内的电路板上。因此，任何打算大量生产的商业产品中所包含的芯片可能都需要装在合适的封装中。

由于5G对毫米波(mmWave)频率的集成电路产生了体积需求，这就带来了额外的封装挑战。封装的物理尺寸成为波长的重要组成部分，这可能会引起共振问题。[1]需要考虑作为电路的一个组成部分。

几种封装类型可以在mmWave频率下使用，各有优缺点，因此要根据应用类型选择。然而，一些通用的设计规则适用于所有形式的封装。

首先，有必要考虑封装将如何与模具和PCB相互作用。成功封装的关键是集成电路和封装的协同设计，是优化封装器件的性能而不是芯片本身的性能。首先要将模具尺寸与封装尺寸相匹配，这是很重要的，这将使键合线尽可能短，并降低它们的电感。

键合线寄生也可以通过并联使用两根甚至三根键合线来降低，这就要求集成电路上有一个更大的键合板。这个更大的键合板电容的增加，通过结合键合线电感形成低通滤波器，可以提高封装跃迁的RF性能。优化PCB的电容也是有用的，因为这形成了滤波器的另一端。

超模压塑料封装是低成本、大批量生产的“主力”。它是基于一个引线框架:一个薄金属片上蚀刻着许多设备的引脚。模具通常采用导电环氧树脂连接，然后将连接线加到垫片上，整个装置封装在塑料成型化合物中。模塑料的添加还引入了损耗和介质负载，这些必须在设计过程中考虑进去。

集成电路过程的芯片钝化有助于降低成型化合物的影响。在mmWave集成电路中，电磁(EM)仿真作为设计过程的一部分，而这种优化应该包括成型化合物。

封装好的设备需要安装在PCB上，进行精心设计。PCB衬底不应该太厚，因为这使得它在更高的频率上分散——它的传播特性随频率而变化。薄衬底的使用有助于降低接地电感，提高热性能。大多数mmWave塑料封装集成电路都有一个裸露的模片（die-attach paddle），必须连接到PCB上。使用通孔阵列来实现这一点，薄衬底可以帮助保持有效的较低接地电感。如果接地电感过高，可能会在集成电路周围产生反馈，从而降低性能并最终导致稳定性问题。

这种电感随频率和增益的增加而增加，这种效应在毫米波频率下变得越来越明显，这使得低电感接地连接必不可少。大多数厂商用SMT封装的mmWave放大器的增益约为20 - 25分贝;当封装在SMT中时，增益水平高于此值的mmWave放大器就可能会遇到问题。

对于某些应用程序，可以使用自定义的引线框，它提供的特性使其更容易在较高频率下使用。通过将一些未使用的引脚直接接地到模接片上，可以增强接地连接的完整性，从而降低接地电感，并改善从RF端口到集成电路的转换。通常使用过模封装的频率高达30 - 35GHz，但根据集成电路的功能，它们可以很好地达到更高的频率。

塑料空气腔封装看起来类似于过度模压的封装，但它们在芯片上方包含一个空气腔，从而降低了模压化合物对器件性能的影响。虽然这类封装会产生加工费用，但它在较高的mmWave频率下有可能提供更好的RF性能，Plextek RFI已经成功地用于实现频率高达43 GHz的功率放大器。图1显示了一个过模塑料封装和一个塑料空气腔封装的比较，两者都在一个5mmx 5mm方形扁平无引脚封装(QFN)配置。

市面上也有一系列开放工具的陶瓷封装，这些封装已经被证明可以很好地工作在40GHz频率下。该集成电路具有坚实的金属基体和空气腔，可根据封装尺寸设计，从而为封装部件提供最佳的射频性能。虽然它们比塑料封装要贵得多，特别是体积很小，但随着数量的增加，成本会大大降低。

陶瓷封装的一个优点是自由度和密封性。可以设计自定义版本，但是一个具有经过验证的RF性能的标准的封装是很流行的。许多开放工具的陶瓷封装采用QFN形式，这是mmWave最常用的方法。

层压板封装也可以是QFN形式。这种封装类型的一个潜在优势是，它可以在内部定制，以适应现有模具设计的大小。模具位于一个内部的井中，其顶部表面的高度几乎与将要连接的高度相同，这使得连接线保持较短。它也特别适用于在同一封装中安装多个模具(图2)，因为它允许芯片之间的路由，甚至集成滤波，并且是在没有额外成本的情况下。SMT层压封装已用于商用产品的频率高达45 GHz。

晶圆级芯片封装(WL/CSP)在硅集成电路中比在砷化镓中更为常见。在处理的最后阶段，添加了一个“再分配级别”，它在芯片的顶部和芯片级封装本身的基础上提供了一些路由。然后将集成电路翻转形成封装，从而降低RF键电感，并允许从集成电路顶部到地面的低电感连接。与砷化镓芯片不同，硅集成电路对衬底接地的电感本质上并不低，因此倒装几乎是普遍使用的一种方式，将硅射频集成电路连接到一个低寄生的封装中。

最后，采用封装天线(Antenna-in-Package,AiP)是一个有很有用的技术，因为这消除了对PCB的射频端口的需要，导致一个非常紧凑的设计。这可以包含一个天线阵列，该天线阵列可以组合成相控阵方式。它的优势在于在一个紧凑的引脚中提供许多功能，它可能是一个有吸引力的mmWave 5G。它的缺点是它是根据特定应用程序而设计，并且没有在封装之外添加额外过滤的功能，所以所有过滤需求都需要含在封装内部。

mmWave IC生产测试的重要性和面临的挑战不容小觑。所有这些封装类型都需要一个特殊的夹具来进行测试，将它所增加的寄生最小化，并允许测量值被校准到封装参考平面。还必须开发合适的负载板，以提供测试的实际操作条件。

总之，mmWave封装对MMIC设计人员提出了一些独特的挑战。相关的寄生可能导致这些频率的严重退化，但通过精心设计可以缓解这种情况，并且有可能生产出性能优异的SMT封装设备，满足5G应用所需的容量。

[1] 半导体封装用的核心材料，是连接引脚和硅片、传达电信号的零件，半导体生产中不可或缺的核心材料。只有1/4忽米直径的超丝线，生产键合线需要高强度超精密和耐高温的技术能力。