集成兩路射頻SiP發(fā)射器的設(shè)計和研究

2016-11-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

Nozad Karim,周嶸,Ozgur Misman,Mike DeVita,鄒毅達

摘要:隨著移動,通信和其它電子應(yīng)用領(lǐng)域的不斷進步,系統(tǒng)集成需求日益緊迫。除了可以應(yīng)對系統(tǒng)性能,功能,成本和小型化的更高要求,系統(tǒng)級封裝(SiP)在降低開發(fā)成本,實施靈活設(shè)計,縮短開發(fā)周期,和集成異質(zhì)芯片上也有突出優(yōu)勢。這篇文章介紹了一個可用于手機基站系統(tǒng)的雙通路發(fā)射系統(tǒng)SiP模塊開發(fā)。我們用計算模擬方法輔助優(yōu)化設(shè)計,并成功制造和驗證了SiP模塊。SiP為內(nèi)嵌電磁干擾屏蔽罩的12mmx12mmx1.9mm的LGA。各種射頻信號性能均通過測試,包括嚴(yán)格的隔離度要求。電磁屏蔽測試和計算模擬結(jié)果高度吻合。最后,文章介紹了一種高效的計算模擬方法,極大地縮短了計算模擬的時間,并對未來射頻SiP開發(fā)將提供有力幫助。

關(guān)鍵詞:系統(tǒng)級封裝; 射頻; 電磁干擾隔離;發(fā)射器;HFSS

1 引言

隨著人們對移動,計算,通信等各類電子系統(tǒng)性能,功能,成本和外觀尺寸要求的不斷提高,系統(tǒng)級芯片(SoC)和系統(tǒng)級封裝(SiP)在電子產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用快速增長。與用單顆芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能的SoC相比,SiP雖然在小型化和單位成本上的優(yōu)勢不及SoC,但在很多方面優(yōu)勢明顯,如較低的開發(fā)成本,較短的市場進入時間,更靈活的系統(tǒng)設(shè)計,異質(zhì)功能芯片集成,和對系統(tǒng)整體成本的降低等。

SiP通常包括一顆或幾顆芯片,芯片可以是預(yù)封裝好的芯片,或是裸片。在SiP中應(yīng)用裸片可以發(fā)揮SiP在小型化和功能提高方面的最大潛力,但只有應(yīng)用已知合格裸片(KGD),才能保證SiP的最終良率,從而控制合理的SiP生產(chǎn)成本。多個不同功能的芯片可以由不同的半導(dǎo)體制程技術(shù)制造,如Si CMOS,或GaAs HBT等。靈活地組合這些異質(zhì)芯片以完成一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)的功能,是系統(tǒng)級封裝的重要功效。SiP通常也會包括一些無源元件,如電阻,電容和電感,用以幫助成功實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)公司組織電子產(chǎn)品的設(shè)計和制造,在SiP模塊的開發(fā),制造和應(yīng)用上起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的模式是,系統(tǒng)公司根據(jù)各家芯片公司所提供的芯片的性能設(shè)計搭建電子系統(tǒng)。這些芯片都已經(jīng)過封裝測試。由于小型化,低成本,和高性能等需求,系統(tǒng)公司需要開發(fā)SiP模塊來進行系統(tǒng)集成。系統(tǒng)公司首先要考慮如何分割系統(tǒng)使其中的一個部分或幾個部分可以用SiP模塊來代替。例如在圖1的手機收發(fā)基站系統(tǒng)中,可以開發(fā)四種類型的SiP 模塊:各種帶寬的信號發(fā)送及反饋SiP 模塊;各種帶寬的信號接收SiP 模塊;供電管理SiP 模塊;數(shù)字和存儲SiP 模塊等。

圖1 手機基站的收發(fā)系統(tǒng)

然后,系統(tǒng)公司在平衡SiP功能,性能,開發(fā)生產(chǎn)成本等因素之后,決定是否采用和采用什么樣的SiP解決方案。本文所研究的SiP就是集成了手機基站發(fā)射系統(tǒng)中的兩路射頻發(fā)射線路。

眾多文獻已經(jīng)對SiP的典型設(shè)計流程和在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的應(yīng)用作了廣泛闡述,但如何用計算機模擬方法指導(dǎo)SiP模塊設(shè)計和系統(tǒng)驗證,還少有介紹。本文將介紹兩路發(fā)射SiP模塊的設(shè)計,制造和實驗,并介紹如何用合適的電模擬方法來輔助SiP模塊的基板設(shè)計和電磁干擾(EMI)屏蔽設(shè)計。特別是,針對SiP模塊在系統(tǒng)測試板上的性能模擬提出了優(yōu)化方法,這為將來的SiP模塊開發(fā)提供了有效的設(shè)計和驗證手段。文章描述了三種三維HFSS模擬模型,分別是,SiP模塊模型,系統(tǒng)測試板模型和SiP組裝到系統(tǒng)測試板的模型。通過對實驗和模擬結(jié)果的比較,3D模型的精確性得到驗證。事實表明,用合適的模擬方法輔助SiP模塊設(shè)計,可以優(yōu)化封裝性能,提高設(shè)計效率,降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。

2 雙路發(fā)射系統(tǒng)SiP模塊設(shè)計

研究所用的雙路發(fā)射SiP模塊包括了兩路完整的射頻發(fā)射線路,為4層有基板的12mmx12mmx1.9mm的柵格陣列封裝(LGA)。因為SiP的設(shè)計功耗是3.6W,基板通孔使用實心銅孔,以提高傳熱性能。每路射頻發(fā)射線路包括5顆有源芯片和9顆無源元件,所以SiP模塊總共有10顆有源芯片和18顆無源元件。帶有隔腔的金屬屏蔽罩被用于阻斷兩路發(fā)射線路之間的電磁耦合和SiP與外界信號之間的電磁干擾。

從兩路發(fā)射信號的功能角度看,發(fā)射線路輸入信號的頻率在0到300MHz之間,輸出信號的頻率大約為2GHz。兩路發(fā)射信號都包括了完整的信號發(fā)射所需的模擬/射頻功能,如預(yù)放大器,上變頻混頻器,增益控制等,從而將低頻低功率的信號轉(zhuǎn)變成2GHz的高頻信號,并將其控制在一定的輸出功率范圍內(nèi)。圖2是雙路發(fā)射SiP的功能示意圖。圖3是SiP模塊的設(shè)計和布局示意圖,圖4是SiP模塊LGA互聯(lián)點的設(shè)計。

圖2 雙路發(fā)射SiP的功能示意圖

圖3 SiP模塊的設(shè)計和布局示意圖

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圖4 SiP模塊的LGA互聯(lián)點的設(shè)計

傳統(tǒng)的系統(tǒng)級別的金屬屏蔽罩方法也可以有效地用于封裝級別上的EMI屏蔽設(shè)計。圖5是所設(shè)計的帶有隔腔的嵌入式金屬屏蔽罩。因為整個SiP需要進行塑封流程,金屬屏蔽罩上需要合理打孔來保證環(huán)氧樹脂(epoxy)的正常流動,以獲得合格的塑封SiP。同時,打孔的尺寸也不能太大,以免影響EMI屏蔽性能。此外,受制造工藝限制,這種帶隔腔的金屬屏蔽罩的高度必須保證1.3mm,雖然0.55mm高度的屏蔽罩已經(jīng)可以滿足SiP的封裝要求。屏蔽罩的高度對屏蔽性能有一定影響,所以將來需要選擇更合適的屏蔽罩制造工藝,以降低屏蔽罩的高度。在SiP的設(shè)計階段,我們在電子,機械,和傳熱方面都進行了大量的模擬計算,保證了產(chǎn)品開發(fā)在功能和制造上的有效性。

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圖5 帶有隔腔的嵌入式金屬屏蔽罩

3 模擬及測試驗證裝置

如前所述,在SiP的設(shè)計階段,我們就采用了計算機模擬手段對發(fā)射信號間的屏蔽性能進行了大量的模擬計算。在這些模擬計算中,我們采用了詳細的三維HFSS仿真模型,針對SiP模塊在理想系統(tǒng)板上和獨立探針測試等工作狀態(tài),對多種屏蔽罩和接地設(shè)計假設(shè)進行了分析計算。其結(jié)果被用于指導(dǎo)SiP模塊的基板和金屬屏蔽罩設(shè)計。圖6是整個屏蔽的SiP模塊的三維HFSS模型。

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圖6 雙路發(fā)射系統(tǒng)SiP模塊的三維HFSS模型

基于最優(yōu)化的設(shè)計,我們生產(chǎn)加工了雙路發(fā)射系統(tǒng)SiP模塊和系統(tǒng)測試線路板。SiP模塊被組裝到系統(tǒng)測試板上進行各式射頻信號性能測試。所測試的射頻性能,如功率,增益,增益控制,和頻寬等均符合設(shè)計指標(biāo)。圖7是基于SiP模塊在系統(tǒng)板上測試的HFSS仿真模型。

在驗證SiP模塊隔離度的測試上,三種測試方案分別為:應(yīng)用探針對SiP模塊的測試;單獨系統(tǒng)測試板的測試;和SiP模塊組裝在系統(tǒng)板上的測試。我們將這些測試結(jié)果與HFSS/ADS的模擬計算結(jié)果做了仔細對比,對比結(jié)果高度吻合。因此,通過合理的計算機模擬,我們可以優(yōu)化SiP的基板和EMI屏蔽罩設(shè)計,而在較小的封裝體內(nèi)獲得較高隔離度的射頻性能。圖8是SiP模塊在系統(tǒng)測試板上隔離度測試設(shè)置示意圖。

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圖 7 SiP模塊組裝在系統(tǒng)測試板上的HFSS 計算模型

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圖8 SiP模塊在系統(tǒng)測試板上隔離度

測試設(shè)置示意圖

4 測試與模擬計算結(jié)果對比

本章將分別描述三種SiP模塊的隔離度測試設(shè)置,以及測試與模擬計算結(jié)果的對比。同時,對三維全波HFSS (3D full wave HFSS)模擬計算的精確性和利用這種方法進行射頻SiP設(shè)計的有效性也做了闡述。

4.1 SiP模塊的探針測試與計算

SiP模塊的探針測試設(shè)置如圖9所示。在這種情況下,SiP模塊沒有通電,也沒有貼到系統(tǒng)測試板上。將探針加到兩路發(fā)射線路的輸出端口,再用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試兩個輸出端口間的隔離度。圖10是測試結(jié)果。在大約2GHz的頻率上,兩個輸出端口的隔離度的測試結(jié)果約為75.34dB。圖11是SiP模塊輸出端口隔離的仿真模型,圖12是計算結(jié)果。在大約2GHz的頻率上,兩個輸出端口的隔離度的計算結(jié)果約為75.53dB。測試與模擬結(jié)果幾乎吻合。

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圖9 SiP模塊隔離度的探針測試設(shè)置

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圖10 SiP模塊隔離度探針測試結(jié)果

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圖11 SiP模塊輸出端口隔離度的HFSS模型

圖12 兩個輸出端口的隔離度的計算結(jié)果

4.2 系統(tǒng)測試板的測試和計算

類似地,單獨系統(tǒng)測試板的端口隔離度也需要測試和模擬,以保證在SiP組裝到系統(tǒng)測試板時不會因為隔離度不合格的系統(tǒng)測試板而造成測試結(jié)果失效。圖13是系統(tǒng)測試板輸出端口隔離度的測試結(jié)果。在2GHz的頻率上,測試結(jié)果約為86dB。圖14和圖15分別是系統(tǒng)測試板輸出端口隔離度的HFSS模型和模擬計算結(jié)果。在2GHz頻率上,計算結(jié)果約為86.3dB。同樣,測試與模擬結(jié)果幾乎吻合。

圖13 系統(tǒng)測試板輸出端口隔離度的測試結(jié)果

圖14 系統(tǒng)測試板輸出端口隔離度的HFSS模型

圖15 系統(tǒng)測試板輸出端口隔離度模擬計算結(jié)果

4.3 SiP模塊貼到測試板的測試和計算

為了驗證雙路發(fā)射SiP模塊的性能,SiP模塊被表面貼裝(SMT)在系統(tǒng)測試板上,如圖7所示。測試設(shè)置如圖8所示。我們對各種端口間的隔離度進行了測試,特別是,對兩路輸出端口的隔離度做了重點測試和研究。圖16是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀直接接在兩輸出端口所測得的結(jié)果,此時SiP模塊處于通電狀態(tài)。在2GHz頻率下,隔離度參數(shù)S12約為70dB。另一種通道隔離度的測試方法,是使兩個通道同時發(fā)出不同頻率的GSM單載波或單音信號, 并在輸出端口測得信號間的隔離度。圖17是測試結(jié)果。在2GHz頻率時,隔離度約為70.17dB。

圖 16 五個樣品S12參數(shù)的測試結(jié)果 – SiP模塊

組裝到測試板上

圖 17 通道隔離度測試結(jié)果–SiP模塊

組裝到測試板上

SiP模塊組裝到系統(tǒng)測試板上的模擬計算量非常大。按照常規(guī)的建模方式,計算模型同時包括SiP模塊和系統(tǒng)測試板。為了滿足一定的計算精度,計算單元的網(wǎng)格劃分需要比較精細,造成極長的運算時間,有時高達幾天。特別是,巨量的計算對計算機存儲的要求極高,在某些情況下,因為存儲不夠,不得不中斷運行。

針對這個問題,我們所采用的解決方案是:分別對SiP模塊和系統(tǒng)測試板用HFSS模型網(wǎng)格劃分計算得到各自的S參數(shù),并將兩者的標(biāo)準(zhǔn)Touchstone 文件在安捷倫(Agilent) ADS計算環(huán)境中整合,如圖18所示。使用這種網(wǎng)格劃分和計算方法,我們可以采用更細小的網(wǎng)格,同時節(jié)約了大量的運算時間。SiP模塊和系統(tǒng)測試板S參數(shù)的獲取分別為幾個小時,Agilent ADS計算時間不到一個小時。相比傳統(tǒng)的計算方法,計算效率大幅提高。計算結(jié)果如圖19所示。結(jié)果表明,在2GHz頻率時,SiP模塊輸出端口的隔離度S12參數(shù)為69.84dB。計算結(jié)果和測試結(jié)果高度吻合。

圖 18 ADS 模擬計算設(shè)置 – SiP + 測試板

圖 19 使用HFSS/ADS方法,S12參數(shù)計算結(jié)果-

SiP + 測試板

5 總結(jié)

隨著電子產(chǎn)品對性能,功能,成本,和尺寸要求的不斷提高,電子系統(tǒng)也趨于高度集成。特別是,更多的板級系統(tǒng)集成向封裝級系統(tǒng)集成過渡,促使各類SiP模塊的開發(fā)和應(yīng)用增長迅速。本文描述了手機基站中兩路射頻發(fā)射系統(tǒng)集成到一個SiP模塊的開發(fā)研究,介紹了模塊的設(shè)計,制造和測試,并對比研究了測試結(jié)果和計算模擬結(jié)果。在驗證SiP模塊隔離度的測試上,三種測試方案分別為:應(yīng)用探針對SiP模塊的測試;單獨系統(tǒng)測試板的測試;和SiP模塊組裝在系統(tǒng)板上的測試。我們將這些測試結(jié)果與HFSS/ADS的模擬計算結(jié)果做了仔細對比,對比結(jié)果高度吻合。

特別值得強調(diào)的是,在模擬計算SiP模塊組裝到系統(tǒng)板上的案例時,我們采用了更高效的建模和網(wǎng)格劃分方法, 既保證了計算精度也大幅度減少了運算時間。這種模擬計算方法將對射頻SiP模塊開發(fā)提供更有力的支持。

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