基于LTCC技术的SIP研究

1 引言

随着无线通信、汽车电子及各种消费电子产品的高速发展，对产品的便捷性、高性能、低功耗、高可靠性和多功能提出了更高的要求。而集成电路技术的进步和新型封装技术的发展为电子产品性能的提高、功能的丰富与完善、成本的降低创造了条件。微电子封装经历了双列直插(DIP)封装、小外廓(SOP)封装、四边引线扁平(QPF)封装、球形阵列封装(BGA)和芯片尺寸(CSP)封装等，尺寸越来越小，电子器件也由分立器件、集成电路、片上系统 (SOC)，发展到更为复杂的系统级封装电路(SIP)。SIP使用微组装和互连技术，能够把各种集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电阻、电容、电感、滤波器、耦合器等集成到一个封装体内，因而可以有效而又最便宜地使用各种工艺组合，实现整机系统的功能。

LTCC技术是近年来兴起的一种令人瞩目的整合组件技术，由于LTCC材料优异的电子、机械、热力特性，广泛用于基板、封装及微波器件等领域，是实现系统级封装的重要途径。现在已经研制出了把不同功能整合在一个器件里的产品，成功地应用在无线局域网、地面数字广播、全球定位系统接收机、微波系统等，及其他电源子功能模块、数字电路基板等方面。

本文主要讨论基于LTCC技术实现SIP的优势和特点，并结合开发的射频前端SIP给出了应用实例。

2 LTCC技术实现SIP的优势特点

LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉末制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用冲孔或激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制作出所需要的电路图形，并可将无源元件和功能电路埋人多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在850～900℃下烧结，制成三维空间的高密度电路。基于LTCC的SIP相比传统的SIP具有显著的优势，最大优点就是具有良好的高速、微波性能和极高的集成度。具体表现在以下几方面：

(1)IXCC技术采用多层互连技术，可以提高集成度，IBM实现的产品已经达到一百多层。NTT未来网络研究所以LTCC模块的形式制作出用于发送毫米波段60GHz频带的SIP产品，尺寸为12 mm×12 mm×1.2 mm，18层布线层由0.1 mm×6层和0.05 mm×12层组成，集成了带反射镜的天线、功率放大器、带通滤波器和电压控制振荡器等元件。LTCC材料厚度目前已经系列化，一般单层厚度为10～100 μm。

(2)LTCC可以制作多种结构的空腔，并且内埋置元器件、无源功能元件，通过减少连接芯片导体的长度与接点数，能集成的元件种类多，易于实现多功能化和提高组装密度。提高布线密度和元件集成度，减少了SIP外围电路元器件数目，简化了与SIP连接的外围电路设计和降低了电路组装难度和成本。

(3)根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大的范围内变动，可根据应用要求灵活配置不同材料特性的基板，提高了设计的灵活性。比如一个高性能的SIP可能包含微波线路、高速数字电路、低频的模拟信号等，可以采用相对介电常数为3.8的基板来设计高速数字电路；相对介电常数为6～80的基板完成高频微波线路的设计；介电常数更高的基板设计各种无源元件，最后把它们层叠在一起烧结完成整个SIP的设计。另外，由于共烧温度低，可以采用Au、Ag、cu等高电导率的材料作为互连材料，具有更小的互连导体损耗，特别适合高频、高速电路的应用。

(4)基于LTCC技术的SIP具有良好的散热性。现在的电子产品功能越来越多，在有限的空间内集成大量的电子元器件，散热性能是影响系统性能和可靠性的重要因素。LTCC材料具有良好的热导率，据研究其热导率是有机材料的20倍，并且由于LTCC的连接孔采用是填孔方式，能够实现较好的导热特性。

(5)基于LTCC技术的SIP同半导体器件有良好的热匹配性能。LTCC的TCE(热膨胀系数)与Si、GaAs、InP接近，可以直接在基板上进行芯片的组装，这对于采用不同芯片材料的SIP有着非同一般的意义。

高频、高速、高性能、高可靠性是数字3C产品发展必然的趋势。预计到2010年SIP的布线密度可达6 000 cm／cm2，热密度达到100 W／cm2，元件密度达5 000／cm2，I／O密度达3 000／cm2。基于LTCC技术的SIP在这些高集成度、大功率应用中，在材料，工艺等方面必将进入一个全新的发展阶段，在未来的应用中占据着越来越重要的地位。

3 应用实例

基于LTCC技术，本文研制了一个射频接收前端SIP，并由十三所的IXCC工艺完成。文中采用的工艺最小线宽、线间距均为50 μm；孔直径170 μm；同一通孔处最大可以通孔15层；电容值范围为1.0～100 pF；电感值范围为1.0～40 nH；电阻桨料方阻为10 Ω／□、100Ω／□和1 kΩ／□，宽度最小0.2 mm，长度最小0.3 mm，电阻控制精度为内部±20％，表面为±5％。  

该射频接收前端SIP为12层LTCC基板，基板尺寸为39 mm×20 mm×1.2 mm。内部贴装GaAs MMIC、CMOS控制电路12个和贴片电阻、电容、电感元件三十几个，包括LNA、衰减器、微波开关、集成电感、电容、电阻等，含4个射频端口以及控制端和电源端若干。采用多通道方案，通过两个PIN单刀多掷开关来实现通道滤波器组之间的切换。对连接PIN开关的微带线与带状线滤波器之间的过渡用金属填孔孔径大小进行了优化，以实现最小的过渡损耗。滤波器全部集成在LTCC基板之中，为了保证滤波器间的相互隔离，采用了带状线形式的滤波器进行不同层间滤波器的隔离，最大限度减小对其他电路的影响。为了减小后级噪声影响前级放大器采用高增益的LNA，该电路采用二次变频技术，将二中频下变频为100 MHz，与传统的采用混合电路技术制作的同类产品相比其体积缩小到原来的1／50。

该SIP系统的设计框如图1，其封装后实物照片如图2所示。

实测结果增益(Ga)大于60 dB，噪声系数NF小于3 dB，如图3所示。

4 结论

采用LTCC可以实现高密度的多层布线和无源元件的基片集成，并能够将多种集成电路和元器件以芯片的形式集成在一个封装里，特别适合高速、射频、微波等系统的高性能集成。本文开发的高度集成的X波段射频接收前端表明，LTCC技术在微波SIP方面具有明显的优势。随着小型化、高性能电子产品快速发展以及LTCC技术的不断进步和成熟，LTCC技术在SIP领域的应用必将具有广泛的应用前景。