射频封装技术：层压基板和无源器件集成

射频和无线产品领域可以使用非常广泛的封装载体技术，它们包括引线框架、层压基板、低温共烧陶瓷（LTCC）和硅底板载体（Si Backplane）。由于不断增加的功能对集成度有了更高要求，市场对系统级封装方法（SiP）也提出了更多需求。

引线框架基板封装技术在过去的几年中得到了巨大的发展，包括刻蚀电感、引脚上无源器件、芯片堆叠技术等等。框架基板是成本最低的选择，但是更高的功能性要求更多的布线和更多的垂直空间利用，因而，框架封装很少用在RF集成解决方案中。

LTCC因其具有多层结构、高介电常数和高品质因子电感，已经被证明是一种能提供高集成度的高性能基板材料。LTCC方案中实现了无源器件的嵌入，如独立RCL或包含RCL的功能块，使SMT器件所需平面空间最小，同时提高电性能。集成度是LTCC的优点，然而翘曲、裂纹、基板的二级可靠性、以及整个供应链结构（基板在封装过程中的传送）等等对LTCC的局限，使之无法成为流行的载体基板选择。

硅底板载体，如STATS ChipPAC的芯片级模块封装（CSMP：Chip Scale Module Package），已经广泛地使用于需要高集成度、卓越电性能和小外形系数的无线解决方案中。CSMP是一种全集成解决方案的理想封装形式，可以包括RFIC和基带IC。然而，这样的集成度并不是成本最低的，而且也不是所有的射频和无线设备都需要的。

这些原因将我们引向层压基板，一种在射频模块封装中应用最广泛的载体。该方法结合了传统的层压基板技术与无源器件集成技术（IPD：Integrated Passive Device），成为一种在成本、尺寸、性能与灵活性诸方面能达到最佳平衡的双赢解决方案。本文对带IPD器件的层压基板的应用进行讨论，同时通过两个例子来进一步阐述研究。

IPD与SMD 和LTCC分立器件电路的对比

射频模块需要用到独立的RCL或组合的RCL，来实现诸如滤波器、天线分离滤波器（diplexer）、不平衡变压器（balun）等的功能块，这些RCL通常为SMD（Surface Mount Devices表面贴装器件）形式或IPD形式。

传统的层压基板不能很好地适用于嵌入式无源器件，而高介电材料层压又受到很大成本限制。螺旋电感可以设计在层压基板的内部，但是电感值却有限。因此，在使用层压基板时，更倾向于结合SMT器件和IPD，这样具有成本、外形尺寸和性能等等方面的优势。

对于何时使用表面贴装器件、何时将特定的无源器件设计成IPD更合理，需要进行权衡。例如，当需要大于100.0pF的电容器设计时，使用SMT器件就具有尺寸与成本的优势。

另外，当设计中需要比较少量的解耦电容器或独立电感和电阻时，通常推荐使用SMT无源器件方式。表面贴装器件可以充分利用所占空间的Z方向，而IPD则主要利用XY方向，后者对Z高度方向的空间利用很有限，因此，当IPD器件表面面积超出可利用的空间，使用表面贴装元件就比较明智。为了找到在IPD和SMT器件之间最佳平衡，我们研究出可以描述器件值与IPD需要的面积关系的曲线（图1）供设计参考。

图1 在硅基板上制作的IPD的电感和电容

使用硅基IPD技术，一个0201 SMD器件的面积（0.15mm2）内可以产生25.0nH的电感，或者50.0pF的电容。换言之，对于容量小于25.0nH的电感或小于50.0pF的电容，IPD器件/电路方案的外形尺寸比0201器件更小。

当涉及到射频功能块时，IPD方案常常会胜出，其中有多种原因。首先，尽管硅基IPD制成的电感也必须使用螺旋形式，但它可以使用更小的线宽和隔离空间。另外，高电阻的硅基片上允许制成具有更高品质因子的电感。因而，一个IPD电感的质量和外形系数可以与SMD器件媲美；第二，电容尤其是小容量电容（RF应用中）更容易建在IPD中；最后，与PCB上连接SMD器件，或者LTCC内部连接相比较，硅基板上的互连路径更短。

这里有一个例子，对于一个超宽频（UWB）应用滤波器，现有的LTCC滤波器尺寸是3.2mm×2.5mm×0.8mm，如果在IPD中使用相同的布局来实现，尺寸将会是1.6mm×1.0mm×0.5mm（图2）。IPD滤波器除了具有更薄的外形以外，尺寸缩小了5倍。

图2 LTCC滤波器(a)和IPD滤波器(b)尺寸比较

我们也对其它情况进行了比较，总而言之，对于滤波器（比如LPF 或 BPF）， IPD可以获得小五倍的外形，对于不平衡变压器，使用IPD的外形可小两倍。