多层陶瓷器件提升RF设计的性能

无线通讯的发展促进了微波技术的广泛应用，尽管大多数无线设备仍然采用传统的电路板工艺，并且一定程度上能够扩展工作频率范围，但这些工艺并不能满足技术及商业快速发展的需求，因而互连及封装技术面临着严峻的挑战。

作者：Sam Horowitz

销售经理

杜邦微电路材料研究所

一般地说，RF电路的性能和成本，取决于聚合物材料以及所需元器件的数量。现有陶瓷封装工艺可提高RF性能并降低成本，它能够满足宽带个人通讯系统对高频特性的要求，若将25%的无源元件嵌入到陶瓷封装中，则可进一步降低成本。

根据市场需求的变化，国际微电子和封装学会发起了陶瓷互连创新协会(CII)，宗旨是向手机制造商宣传陶瓷封装工艺RF电路的优势。该组织最初是由六家陶瓷封装和互连工业技术的主要供应商联合发起，它包括CTS微电子、摩托罗拉、美国国家半导体和杜邦微电路材料等公司，现在它代表的陶瓷电路供应商多达五十余家。CII经常举办相关的报告会、讨论会和主页(www.imaps.org)，开发和维护技术发展演变图。

CII认为，现有印刷电路板技术对无线产品的封装和互连存在局限性，特别是聚合物材料的几何稳定性很差，膨胀温度系数(TCE)为每度20 ppm以上。在潮湿环境中稳定性变差，就会吸收湿气，使电路板的几何尺寸及电气特性发生变化，材料绝缘性变差会进而导致微波元件的衰减变大，从而降低元件性能，缩短电池寿命，这些问题随频率增加会更为突出，因而需要新的技术来设计低损耗、机电性能稳定的元件和电路。

无线手机中，要利用无源元件进行阻抗匹配和滤波，尽管集成度的提高减少了半导体器件的数量，但无源元件却不能进行类似的集成，这就要占用大量电路板空间，并使元件和安装成本显著增加。如果将无源元件集成到基座，用阻抗受控元件和较少的焊点实现互连和封装，则设计工程师就可以减少产品的外形尺寸、降低成本并增强可靠性。

对OEM设计和制造商来说，手机采用陶瓷封装方案能获得高Q和低温度系数(在谐振频率下)特性，高Q和低温度系数特性有助于提高RF性能。损耗低则功耗小，就可以延长电池寿命，这对便携产品至关重要。

陶瓷封装方案特别适用于模拟和数字混合电路以及RF电路，它为设计工程师的技术创新、集成化和降低成本提供了机会。陶瓷系统是密封的，这样设计工程师可选择将封装作为基本互连结构的一部分。采用光图方法可以制造非常精确的阻抗控制特性，提高封装密度。

陶瓷封装在航空航天和汽车市场应用非常广泛，它在恶劣环境下具有卓越的性能和很长的寿命。陶瓷的低TCE特性使其性能极少随温度的变化而波动，该特性与硅、砷化镓及锗化硅配合有利于裸片的连接，连接过程通常不需要昂贵的底部填充材料。

陶瓷板材的特征尺寸和总体物理稳定性很好，此外，陶瓷通常具有较好的热传导性(比FR-4 板材料高100倍)，在将无源元件集成到互连板材的过程中，可以降低成本、减少板材面积并增强可靠性。

陶瓷封装的基础是低温共同烧制陶瓷(LTCCC)，它在尺寸稳定的陶瓷层之间嵌入厚膜无源元件。LTCC多层互连是一种玻璃陶瓷混合物，厚膜技术用于制造可嵌入陶瓷夹层之间的各种无源元件，如电容、电阻和电感，导线可采用金线或银线，允许直接连接硅片和砷化镓集成电路。采用光图形成材料制作的薄膜具备细线特性和优良的性能。

LTCC工艺是一种并行加工技术，即所有层单独加工，然后共同烧制成一个陶瓷封装的芯片。

性能研究

氧化铝和LTCC基座开发的光罩厚膜的分辨率高，线条非常清晰，高频特性研究表明，在1至16 GHz之间，单层氧化铝或LTCC(杜邦的Green Tape)的损耗比FR-4板材的损耗小。

卫星手机中的集成接收机等新产品正从研制阶段转向批量生产，利用陶瓷封装工艺可以借助3-D设计将无源元件集成到基底上。

LTCC陶瓷封装工艺可以减小便携无线设备的外形尺寸。一块200mm₂印制板上的功率放大器模块采用集成了电感和电容的LTCC陶瓷器件重新设计后，外形减小到50mm₂。实际上，集成无源元件的LTCC结构已达到最大的元件密度。成本仍是技术发展的驱动力。