第五章微波多芯片組件MCM講義

1、,第五章 微波多芯片組件MCM,目錄,5.1 概述 5.2 LTCC工藝流程 5.3 EDA 5.4 MCM關(guān)鍵技術(shù) 5.5 LTCC設(shè)計(jì)舉例,5.1 概述,What? 多芯片組件,英文縮寫MCM( Multi-Chip Module)將多塊半導(dǎo)體裸芯片組裝在一塊布線基板上的一種封裝技術(shù)。,毫米波前端,PA,5.1 概述,MCM分類,根據(jù)所用多層布線基板的類型不同，MCM可分為: 疊層多芯片組件(MCM L) ,是使用通常的玻璃環(huán)氧樹(shù)脂多層印刷基板的組件。布線密度不怎么高，成本較低。 陶瓷多芯片組件(MCM -C) ,是用厚膜技術(shù)形成多層布線，以陶瓷(氧化鋁或玻璃陶瓷)作為基板的組件，與使用多

2、層陶瓷基板的厚膜混合IC 類似。 MCM-C又分為高溫共燒陶瓷(HTCC)和低溫共燒陶瓷(LTCC)兩大類，目前微波MCM主要以LTCC工藝最為廣泛。 淀積多芯片組件(MCM -D), 是用薄膜技術(shù)形成多層布線，以陶瓷(氧化鋁或氮化鋁)或Si、Al 作為基板的組件。布線密度在三種組件中是最高的，但成本也高。,Why？,(1)MCM是將多塊未封裝的IC芯片高密度安裝在同一基板上構(gòu)成的部件，省去了IC的封裝材料和工藝約了原材料，減少了制造工藝，縮小了整機(jī)組件封裝尺寸和重量。 (2)MCM是高密度組裝產(chǎn)品，芯片占基板面積至少20以上，互連線長(zhǎng)度極大縮短，封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)組件高速化。 (3)

3、MCM的多層布線基板導(dǎo)體層數(shù)應(yīng)不少于4層，能把模擬電路、數(shù)字電路、功率器件、光電器件、微波器件及各類片式化元器件合理而有效地組裝在封裝體內(nèi)，形成單一半導(dǎo)體集成電路不可能完成的多功能部件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)。使線路之間的串?dāng)_噪聲減少，阻抗易控，電路性能提高。 (4)MCM避免了單塊IC封裝的熱阻、引線及焊接等一系列問(wèn)題，使產(chǎn)品的可靠性獲得極大提高。,How?,工藝,EDA,MCM應(yīng)用,早期在軍事應(yīng)用，后來(lái)在汽車電子、計(jì)算機(jī)和電子信息領(lǐng)域，未來(lái)的應(yīng)用范圍將更廣闊。 典型應(yīng)用： MCM-L/D在筆記本電腦中的應(yīng)用:Fujitus公司將其用于CPU制造，使得在尺寸和重量上減少25%。 美國(guó)先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃局

4、（DARPA）將100MHz下的數(shù)字多芯片組件尺寸和重量減少到1/10和1/100，可靠性提高10倍，系統(tǒng)成本降到1/21/10。 美國(guó)航天飛機(jī)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，使得原來(lái)是機(jī)箱的組件變成了一塊插件，系統(tǒng)運(yùn)算從5億次提高到80億次。,5.2 MCM 工藝流程（LTCC）,泥漿,瓷帶鑄造,切料,沖孔,填孔,絲網(wǎng)印刷,沖孔,商用的沖孔機(jī) 所用的沖通常由碳化鎢制成 激光打孔,填孔,通常利用 鋼板 和絲網(wǎng)印刷機(jī) 或者磨具實(shí)現(xiàn). 需要可視化系統(tǒng)，用于自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)各層介質(zhì)材料.,校對(duì)和層積,校對(duì)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的夾具. “Stack and Tack” 儀器可以用于很薄的磁帶 最常用的疊層條件是 高溫 典型條件：30

5、00 psi (21 MPa) 70 oC - 80oC,Isostatic laminator,燒結(jié)和共燒,有機(jī)物燒結(jié)溫度 ：200 oC 500 oC， 共燒溫度: 850 oC 900 oC 對(duì)于不同的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)， 燒結(jié)和共燒條件需要優(yōu)化 Green Tape 建議燒結(jié)和共燒條件：,Green Tape 主要組成 鋁顆粒 (green) 玻璃顆粒 (red) 高分子粘合劑 (blue). Green Tape 封裝密度非常高, 利用粘合劑填充空隙. 粘合劑在共燒的過(guò)程中被燒掉,Alumina particles,Glass particles,在943基片上利用激光轉(zhuǎn)移金屬帶線 的SEM

6、圖片,轉(zhuǎn)移后的銀金屬,943 基板表面,介質(zhì)材料屬性,工藝標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,九所生產(chǎn)線工藝能力： 加工生瓷帶尺寸：8”8” 線條和線間距(厚膜工藝)：100m 線條和線間距(Fodel工藝)：50m （僅限于Dupont951，943材料體系個(gè)別層） 可加工的通孔直徑：100m （最小，機(jī)械沖孔） 可加工的通孔直徑：50m （最小，激光方式） 可疊片層數(shù):30 層(0.1mm/層), 60 層(0.05mm/層) 疊片誤差:7(8*8“) 印刷誤差:7(8*8“) 基板平整度:5/cm,5.3 EDA,Ansoft LTCC Design Kit Ansoft LTCC V2,LTCC Ansoft

7、仿真設(shè)計(jì)實(shí)例 帶通濾波器的設(shè)計(jì),技術(shù)指標(biāo)： 多層基板； 通帶頻率：L波段 相對(duì)帶寬：40%; 插入損耗3dB;,22,Designer-電路圖的設(shè)計(jì),濾波器電路原理圖,濾波器電路仿真結(jié)果,23,Designer-LTCC原理圖設(shè)計(jì),LTCC濾波器原理圖,24,Designer-拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)出,物理拓?fù)鋱D,濾波器三維結(jié)構(gòu),25,導(dǎo)入Hfss驗(yàn)證,在Designer主菜單layout項(xiàng)選擇export to HFSS, 出現(xiàn)export to HFSS對(duì)話框，顯示VBScript Script 腳本文件。在存儲(chǔ)位置雙擊文件類型為VBScript Script File圖標(biāo)，Ansoft Hfss自

8、動(dòng)生成相應(yīng)的LTCC濾波器模型。,VBScript Script 腳本文件,26,設(shè)定變量進(jìn)行仿真優(yōu)化,Hfss-三維調(diào)諧和優(yōu)化,27,Hfss-三維EM驗(yàn)證,濾波器立體模型,LTCC濾波器S11和S21參數(shù)圖,28,帶通濾波器設(shè)計(jì)3的S21實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和濾波器外形圖,（1）布線技術(shù) 電磁隔離; 網(wǎng)狀（柵格）接地面; （2）層間互連技術(shù) （3）模塊互連技術(shù) 絲焊、TAB（載帶自動(dòng)焊接）、倒裝焊 （4）散熱設(shè)計(jì) 熱匹配、熱膨脹 （5）建模技術(shù),5.4 MCM關(guān)鍵技術(shù),5.5 LTCC設(shè)計(jì)舉例,X波段LTCC接收前端,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，選取器件如下： 前兩級(jí)低噪聲放大器均選用HMC516，第一個(gè)混頻器

9、選用HMC130，第二個(gè)混頻器選用HMC277MS8，兩個(gè)中頻放大器均采用ERA-5，X波段鏡頻抑制帶通濾波器采用多層五級(jí)切比雪夫交指型帶通濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，L波段鏡頻抑制帶通濾波器采用一種新型的四級(jí)準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶通濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，最后的中頻帶通濾波器采用集總電感電容實(shí)現(xiàn)（外購(gòu)）。,工藝實(shí)現(xiàn)方面，介質(zhì)材料FerroA6M，介電常數(shù)5.7，每層厚度0.094mm（燒結(jié)后）。,根據(jù)以上所選器件的性能指標(biāo)（部分為估算），可以大約估算出接收前端的增益和噪聲系數(shù)，分別是44dB和3.1dB。估算過(guò)程未考慮傳輸線，接頭，互聯(lián)，器件裝配引入的損耗，所以，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與估算值之間會(huì)有些出入。,接收前端中關(guān)鍵部件設(shè)

10、計(jì),X波段LTCC交指型帶通濾波器,設(shè)計(jì)目標(biāo)： 中心頻率9.5GHz， 帶寬1GHz， 帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于20dB， 對(duì)6.76-7.76GHz抑制優(yōu)于25dB。,該濾波器的介質(zhì)基板有二十層介質(zhì)，帶通濾波器被埋置在上面的四層介質(zhì)內(nèi)，微帶地在第五層金屬層，剩余的十六層介質(zhì)可以埋置其它電路結(jié)構(gòu)和走線。,測(cè)試樣品,仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果,整個(gè)濾波器的面積是8.17.4 mm2。 測(cè)試結(jié)果波形與仿真結(jié)果吻合的非常好。 實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，在9-10GHz的頻率范圍內(nèi)，插入損耗小于2.9dB（包括兩個(gè)SMA接頭），回波損耗優(yōu)于11dB，對(duì)6.76-7.76GHz抑制優(yōu)于35dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。,新型的準(zhǔn)橢圓函數(shù)帶

11、通濾波器立體結(jié)構(gòu)圖,設(shè)計(jì)目標(biāo)： 中心頻率1.14GHz， 帶寬0.08GHz， 帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于15dB， 對(duì)1GHz的抑制優(yōu)于25dB， 對(duì)7.88-8.88GHz的抑制優(yōu)于20dB。,仿真結(jié)果顯示，通帶插入損耗小于4.5dB，回波損耗優(yōu)于16.2dB，在阻帶內(nèi)，對(duì)1GHz的抑制優(yōu)于53dB，對(duì)7.88-8.88GHz的抑制優(yōu)于21dB。另外，在濾波器的阻帶內(nèi)有四個(gè)傳輸零點(diǎn)，分別是：0.85GHz，1GHz，1.28GHz和2.48GHz，其中，傳輸零點(diǎn)1GHz和1.28GHz是由于諧振器1和4之間的跨偶產(chǎn)生的，而傳輸零點(diǎn)0.85GHz和2.48GHz是由于輸入輸出結(jié)構(gòu)引入的。顯然，本文設(shè)計(jì)的L波段帶通濾波器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。,X波段LTCC接收前端系統(tǒng)布局,X波段LTCC接收前端的截面圖,正面板圖,背面板圖,1.包含二十層介質(zhì)層和十二層金屬層。 2.為了方便安裝MMIC芯片，在介質(zhì)基板1到3層內(nèi)預(yù)留有小空腔。 3.整