毫米波電路與天線的3D集成和封裝：新機遇與挑戰(zhàn)

2016-11-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

三維集成是為滿足高性能、小型封裝電子設(shè)備的需求而生的。今天,隨著數(shù)字、模擬 /混合信號(AMS)和射頻電子三個世界的融合,對具有更多功能的異構(gòu)集成方案的需求變得更加明顯。高性能計算、軍事、航空航天和醫(yī)療設(shè)備正是三維集成技術(shù)的市場驅(qū)動力。雖然這些特殊應(yīng)用可以負(fù)擔(dān)得起相對高成本的少量定制,但現(xiàn)在的努力都集中在為便攜式設(shè)備、娛樂和汽車等主流和高市場容量的應(yīng)用帶來垂直堆疊和封裝方案。

直到 70 年代后期,尚未開發(fā)的毫米波(mmWave)(頻率范圍 30 至 300 GHz)被限制于特殊應(yīng)用,比如光譜學(xué)和軍事雷達(dá)。前端的復(fù)雜性和非標(biāo)制造技術(shù)使得毫米波模塊成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高容量市場和消費市場能接受的程度。自 80 年代初以來,研發(fā)機構(gòu)在毫米波技術(shù)領(lǐng)域已取得重大進(jìn)展,并在半導(dǎo)體行業(yè)得以實現(xiàn),為其廣泛應(yīng)用開辟了新的視野 :高速數(shù)據(jù)通信、汽車?yán)走_(dá)、機載導(dǎo)彈跟蹤系統(tǒng)、空間光譜檢測和成像。毫米波元件市場的全球收入 2013 年估計為 1.16 億美元,到2018 年預(yù)計達(dá)到 11 億美元,復(fù)合年度增長率(CAGR)約為 59%。雖然這可以被行業(yè)視為一個巨大的經(jīng)濟機會,新興的應(yīng)用正帶來特殊的挑戰(zhàn),如電氣性能、緊湊結(jié)構(gòu)、集成可能性和系統(tǒng)可靠性等方面。本文聚焦于短到中距離的通訊設(shè)備,說明與無線收發(fā)器的集成以及它們與其他元件共存相關(guān)的一些技術(shù)挑戰(zhàn)。無源器件的典型尺寸開始與標(biāo)準(zhǔn)電子封裝兼容,毫米波的短波長正可視作將其集成的一個機會。對于某些應(yīng)用,大型器件如波導(dǎo)、連接器、非面濾波器和大型天線陣列,向完全集成和小型化系統(tǒng)的進(jìn)展仍然緩慢。對于短距離的 60 GHz 通信,便攜式設(shè)備是未來十年主要的市場驅(qū)動力——因此需要完全集成、緊湊和高性能的收發(fā)器。對于天線,小型化過程受到輻射源面積與可達(dá)增益之間的基本關(guān)系所限 ;這往往被視為無線收發(fā)器完全集成的瓶頸。

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集成收發(fā)器與天線

片上天線(AoC)的方法包括將輻射元件直接集成到射頻芯片棧的后端,無論它是采用 CMOS、BiCMOS 還是 III-V 族技術(shù)制造的(見圖 1a)。該解決方案的主要優(yōu)點在于,在一個大小僅為幾平方毫米的單一模塊上,沒有任何射頻互連和所有射頻與基帶功能的相互集成。然而,硅基的 AoC、基板的高介電常數(shù)(εr=11.7 至 11.9)和低電阻率(ρ ≈ 10Ω · cm)嚴(yán)重降低了匹配帶寬和輻射效率。不過,AoC 的性能可以通過局部修改基板的性能得到提高。例如,可以通過在輻射元件下蝕刻氣腔或采用一個懸浮的隔膜來完成。在這兩種情況下空氣層的存在會減少介電損耗和降低有效介電常數(shù)。其他創(chuàng)新的解決方案包括硅襯底電阻率的局部修改,采用離子注入法或上述芯片集成耦合輻射元件。

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在封裝天線(AiP)的集成方法中,天線是在一個單獨基板上實現(xiàn)的,獨立于 RFIC 芯片(參見圖 1b)。該基板可以專門用于輻射元件及其饋送線,也可以起到包裝收發(fā)器零件和異構(gòu)集成的作用。出于這個原因,AiP設(shè)計在毫米波收發(fā)器的三維集成場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,同時提供一個額外的自由度,用來選擇低介電常數(shù)和/ 或高電阻率的襯底。此外,天線平臺的允許面積可能比 AoC 的大。因此,集成天線性能的一個有效比較基準(zhǔn)應(yīng)該考慮所分配的面積,則我們可以定義一個新的品質(zhì)因數(shù)歸一化單位面積實現(xiàn)的增益(線性尺度)。圖 2

繪出了 60 GHz 集成天線的文獻(xiàn)調(diào)查數(shù)據(jù),表明 AiP 的增益高于 AoC 的兩到四倍,這是由于使用低損耗襯底代替了 CMOS 級硅。

主流的毫米波封裝

對于無線收發(fā)器集成的一個給定技術(shù)選擇,取決于幾個約束條件的權(quán)衡 :電氣性能、熱機械可靠性、體積緊湊性、可制造性和成本。傳承于已有良好建樹和成熟的 PCB 技術(shù),當(dāng)今的高密度互連(HDI)設(shè)計規(guī)則可實現(xiàn)小于 40μm 的布線與空隙以及直徑不足 100μm 的微過孔,這是滿足毫米波集成所要求的。此外,新一代的多層有機(MLO)封裝采用薄厚薄膜配置的高質(zhì)量電介質(zhì)。這樣的一個結(jié)果是,標(biāo)準(zhǔn) FR-4 和再分配層壓板逐步由低損耗介電材料,如 RO族和液晶聚合物(LCP),所取代。作為一個例子,STMicroelectronics 開發(fā)了 60 GHz 的 HDI 有機封裝,采用的是一種基于 RO4003C 的對稱層疊的技術(shù)。

在相同的情況下,大約 20 年前引入了陶瓷封裝以滿足關(guān)鍵系統(tǒng)的需求,得益于其化學(xué)穩(wěn)定、機械可靠性和密封組件等性能。陶瓷加工可以制作各種過孔和型腔結(jié)構(gòu),并可裝配外部電容和電感。標(biāo)準(zhǔn)多層陶瓷封裝的垂直分辨率大約是 50μm。目前采用的兩種主要的多層陶瓷工藝是低溫共燒陶瓷(LTCC)和高溫共燒陶瓷(HTCC),其各自的最大共燒溫度分別是約 900℃和 1600℃。而 HTCC 工藝可為封裝提供很好的物理穩(wěn)定性,只有高熔點金屬如鎢(Tf=3422℃)和鉬(Tf= 2623℃)才可用于內(nèi)層的布線。不幸的是,這些金屬表現(xiàn)出相對低的電導(dǎo)率(分別為 8.9 × 106 和18.7 × 106 S/m),而用于 LTCC 的銅、鈦 / 金合金或銀,在高頻時具有較低的導(dǎo)電損耗。在文獻(xiàn)中可以找到一些來自工業(yè)界的令人信服的貢獻(xiàn),如IBM 的 60 GHz 的 LTCC 模塊,它具有一個MLO封裝(RO4000和LCP)。

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其中增長最快的封裝技術(shù)之一,嵌入式晶圓級球柵陣列(eWLB)是一種晶圓級封裝方法,它結(jié)合了先進(jìn)的再分配層處理與基片成型轉(zhuǎn)移技術(shù)。成型聚合物起到了保護(hù)集成電路和支持風(fēng)扇布線的雙重作用。eWLB工藝(包括凸塊下金屬化)是從硅微加工線繼承來的。由于使用了低應(yīng)力成型聚合物,eWLB 封裝可適用于大型封裝的天線陣列,同時保證走線 /空間的臨界尺寸約 15μm。毫米波集成天線封裝的一些示范可以在文獻(xiàn)中找到,重點放在 Linz 大學(xué)和 DICEGmbH 所描述的雷達(dá)應(yīng)用中 (文獻(xiàn)6,7)。由于采用穿透封裝互連實現(xiàn)了封裝上封裝(POP),這種最新的技術(shù)為三維集成提供了光明的前景。

今天的硅后道生產(chǎn)線提供了大量的微加工技術(shù)來實現(xiàn)封裝內(nèi)系統(tǒng)(SiP), 如微加工、光刻、離子和激光刻蝕以及大量的沉積和層壓技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)硅工藝可以輕松達(dá)到微米分辨率,滿足毫米波甚至亞太赫茲系統(tǒng)的要求。在過去五年中,有機的和硅材料的中介層封裝已在 ASIC 和存儲器應(yīng)用中普遍推廣,但異構(gòu)集成的最近趨勢表明,更多的射頻功能示范和引入玻璃可作為高頻應(yīng)用的潛在候選。

中介層:硅與玻璃的對比

如前所述,由于無與倫比的分辨率及成熟、標(biāo)準(zhǔn)的后道工藝,硅微加工特別適合于毫米波應(yīng)用。相對于陶瓷材料(σ< 20 W · m-1 · K-1)和PCB 材料(σ< 1 W · m-1 · K-1), 硅封裝提供了優(yōu)良的導(dǎo)熱性能(25℃時σ ≈ 150 W · m-1 · K-1 )。對于外部功率放大器與收發(fā)器芯片組裝在一起的典型場景 , 這是很重要的。

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對 2.5D 和 3D 玻璃中介層以及它們提供的新的整合機會,近年來被越來越多地關(guān)注。眾所周知,玻璃基板的介電性能優(yōu)良、介電常數(shù)低(εr ≈4 到 6,取決于組成和工藝)、損耗也低,這使其成為射頻封裝和無源集成的良好候選材料。表 1 對玻璃和硅中介層進(jìn)行了比較。采用大面板置換晶片有利于大規(guī)模生產(chǎn),而且已在玻璃過孔(TGV)的鉆孔和填充以及重分布層(RDL)處理方面有了重大進(jìn)展。當(dāng)今的玻璃中介層特別工作組由制造商和供應(yīng)商如 Asahi、CorningGlass 和 3D Glass Solutions 以及學(xué)術(shù)研究機構(gòu)如 Georgia Tech 發(fā)起,形成國際中介層聯(lián)盟。然而,玻璃平板及加工設(shè)備的供應(yīng)鏈不像硅、有機、陶瓷和 eWLB 技術(shù)那樣得到很好的定義。2.5D/3D 玻璃中介層技術(shù)更有可能隨著下一代三維集成器件達(dá)到完全成熟 ;目前,它足以滿足小眾應(yīng)用,比如高性能計算和數(shù)據(jù)中心,那里較少關(guān)注成本(文獻(xiàn)8)。

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CEA-Leti 開發(fā)的第一個全功能的中介層封裝基于高電阻率(ρ>1kΩ · cm)、120μm 厚的硅襯底,有兩個正面和一個背面銅的再分配層。中介層的每一側(cè)都有一個金屬化內(nèi)凸點,分別用于 RFIC 倒裝芯片(使用銅支柱或微凸點)和主 PCB 板上采用球柵陣列(BGA)焊料球的封裝零件(文獻(xiàn)9)。中介層芯片的兩側(cè)采用銅填充的直徑 60μm(寬高比為 2:1)的硅通孔(TSV)內(nèi)插接口進(jìn)行互連。中介層的總面積是 6.5 mm × 6.5 mm,是迄今報道的最緊湊的帶集成天線的60 GHz 收發(fā)器。圖 3a 所示為帶中介層、射頻芯片和成型的聚合物的模塊的非比例截面,用于確保裝配的完整性。60 GHz RFIC 收發(fā)器采用 65 nmCMOS 技術(shù)。兩個折疊偶極天線(發(fā)送和接收)安裝在上部前側(cè) RDL 層。一個由銅條制成的保護(hù)環(huán)和 TSV 陣列用來減輕兩背腔天線之間的表面波耦合(參見圖 3b)。

這個模塊是一個 2.5D 集成方案的典型示范,其中 RFIC 安裝在中介層的頂部并與天線保持一定距離。垂直互連使用 Leti 的自定義 TSV ViaLast工藝來實現(xiàn)。圖 4 給出了 TSV的一個橫截面和 SEM 圖像。在收發(fā)器中 TSV 互連的主要功能是驅(qū)動低頻和基帶信號,測試車輛包括了額外的測試特征,探討它們對毫米波穿過封裝布線和背部天線饋電的適應(yīng)性。TSV 的電氣性能已得到研究,通過采用 RF 探針測量和適當(dāng)?shù)娜デ度爰夹g(shù)來提取單個 GSG 通道(transition)跨越 DC 到 67GHz 的寬帶響應(yīng) 11。通道(transitions) 在 60 GHz 的插入損耗約 0.6 dB,50Ω端的阻抗失配是一個主要因素,即0.46dB(見圖 5)。除了寬帶特性,采用頻域響應(yīng)的逆傅立葉變換研究了基帶信號的完整性。一個 5 Gbps 偽隨機二進(jìn)制序列(PRBS)的瞬態(tài)眼圖分析表明眼圖開啟度為 96%。

當(dāng)前進(jìn)展

Leti 正在進(jìn)行的研究旨在創(chuàng)建一個新一代毫米波中介層封裝,相比其他競爭技術(shù)具有增強的電氣和機械性能以及合理的成本和可制造性。新的模塊,目前正在進(jìn)行規(guī)劃和預(yù)制分析,保持與第一個示范相同的整體厚度 ;然而,由于綜合高阻抗表面(HIS)反射器設(shè)計,總面積減少了大約 33%(從 6.5 mm × 6.5 mm 到 5.3 mm × 5.3 mm)(見圖 6a)12。如圖 6b 所示,有兩個用于提高天線性能的改進(jìn)正被評估。第一個是在中介層頂部層壓成型聚合物和處理金屬寄生貼片來增強帶寬。第二是采用外部介質(zhì)透鏡來提供中距離通信功能(約 10 米)。在這種情況下,在 60 GHz 的目標(biāo)增益為15 dBi。所提鏡頭的設(shè)計基于半球形和拋物線幾何結(jié)構(gòu),并采用 PA6 級加工塑料(εr= 4.3)。四個設(shè)計中的兩個,直徑為 6 毫米和 1 厘米的半球形透鏡,已得到實驗驗證。首次測量使用了開放 WR15 波導(dǎo)饋電,增益在 57 至 66GHz 時為 12 至 16 dBi。根據(jù)系統(tǒng)級驗證工作流程,這些鏡頭都集成了 60GHz QFN 收發(fā)器模塊 13,結(jié)果顯示提高了通信距離,發(fā)射透鏡為 4 倍,發(fā)送和接收透鏡為 7.5 倍。

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《微波雜志》

作者 :Ossama El Bouayadi、YannLamy、Laurent Dussopt、Gilles Simon,CEA-Leti 公司 ;譯者 :車延博

參考文獻(xiàn) 1. L. Dussopt, Y. Lamy, J. Lantéri, H. Sibuet, B. Reig, C.Dehos, P. Vincent, S. Joblot, P. Bar and J.F. Carpentier,“Silicon Interposer with Integrated Antenna Array formmW Short Range Communications,” IEEE InternationalMicrowave Symposium, Montreal, Canada, 2012. 2. Research and Markets, “Millimeter Wave Market— ByTechnology, Components, Products and Applications,”www.researchandmarkets. com. 3. R. Pilard, D. Titz, F. Gianesello, P. Calascibetta, J. Riviere,J. Lopez, R. Coffy, E. Saugier, A. Poulain, F. Ferrero,C. Luxey, P. Brachat, G. Jacquemod and D. Gloria,“HDI Organic Technology Integrating Built-In AntennasDedicated to 60 GHz SiP Solution,” IEEE Antennas andPropagation Society International Symposium (APSURSI),Chicago, Ill., 2012. 4. D.G. Kam, D. Liu, A. Natarajan, S.K. Reynolds andB.A. Floyd, “Organic Packages with Embedded PhasedArrayAntennas for 60 GHz Wireless Chipsets,”IEEE Transactions on Components, Packaging andManufacturing Technology, Vol. 1, No. 11, p. 1806, 2011. 5. D.G. Kam, D. Liu, A. Natarajan, S. Reynolds and B.Floyd, “Low-Cost Antennain-Package Solutions for 60GHz Phased-Array Systems,” IEEE 19th Conferenceon Electrical Performance of Electronic Packaging andSystems (EPEPS), Austin, Texas, 2010. 6. A. Fischer, Z. Tong, A. Hamidipour, L. Maurer and A.Stelzer, “A 77 GHz Antenna in Package,” 41st EuropeanMicrowave Conference (EuMC), 2011. 7. M. Wojnowski, C. Wagner, R. Lachner, J. B?ck, G.Sommer and K. Pressel, “A 77 GHz SiGe Single-ChipFour-Channel Transceiver Module with Integrated Antennas in Embedded Wafer-Level BGA Package,” 62ndECTC, San Diego, Calif., 2012. 8. 3DInCites, “Glass vs. Silicon Interposers for 2.5D and 3DIC Applications,” www.3dincites.com. 9. C. Ferrandon, A. Jouve, S. Joblot, Y. Lamy, A. Schreiner,P. Montmeat, M. Pellat, M. Argoud, F. Fournel, G. Simonand S. Cheramy, “Innovative Wafer-Level Encapsulation& Underfill Material for Silicon Interposer Application,” IEEE Electronic Components and Technology Conference(ECTC), Las Vegas, Nev., 2013. 10. A. Siligaris et al., “A 65-nm CMOS Fully IntegratedTransceiver Module for 60 GHz Wireless HDApplications,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 46, No. 12, pp. 3005–3017, 2011. 11. T. Lacrevaz, C. Bermond, O. El Bouayadi, G. Houzet, P.Artillan, Y. Lamy, K. Dieng and B. Flechet, “ElectricalBroadband Characterization Method of DielectricMolding in 3-D IC and Results,” IEEE Transactions onComponents, Packaging and Manufacturing Technology,Vol. 4, No. 9, pp. 1515–1522, 2014. 12. O. El Bouayadi, Y. Lamy and D. Laurent, “A HighImpedanceSurface Antenna On Silicon Interposer for 3DIntegrated mmW Transceivers,” European MicrowaveWeek, Rome, Italy, 2014. 13. J. Zevallos Luna, L. Dussopt and A. Siligaris, “PackagedTransceiver with On-Chip Integrated Antenna andPlanar Discrete Lens for UWB Millimeter-Wave Communications,” IEEE International Conference onUltra-Wideband, Paris, France, 2014.

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