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无线通讯用的芯片级集成无源器件

发布日期:2006-04-28　作者:王传声来源:电子元器件应用

摘要：在现代电子产品中，无源器件数量超过有源器件数量十倍的现象非常普遍。在空间为主要因素的众多无线通讯产品如手机中，特别需要集成无源器件。这种器件的芯片级封装通过把所有电路元件紧密结合在芯片本身的焊盘位置内来优化印制电路板的空间利用。本文提供了模拟的器件和实际达到的器件性能，也讨论了芯片级封装的优势和可靠性因素。

1引言
　　在现代电子产品中，无源器件数量超过有源器件数量10 倍的现象非常普遍。在空间为主要因素的众多无线通讯产品如手机中，特别需要集成无源器件。此外，如果采用传统的封装和布线方法，这类应用要求的频率响应是难以实现的。这里介绍的集成电路含有滤波器用的复杂的薄膜无源器件。这些集成无源器件也包含有源电路，为器件端口引出端提供ESD防护。介绍的实施办法是芯片级封装，提供通过最大幅度地减少互连寄生来大大增强电路性能的小形化因数。这种器件的芯片级封装通过把所有电路元件紧密结合在芯片本身的焊盘位置内来优化印制电路板的空间利用。本文提供了模拟的器件和实际达到的器件性能，也讨论了芯片级封装的优势和可靠性因素。
2集成器件的要求
　　滤波用的集成无源器件能提供多个通道，其中每个通道代表同一芯片上相同或不同的滤波特性。总的要求是滤波器规定的设定通带的DC 插入损耗和截止频率，以及在800MHz～2.7GHz频带上典型的40dB抑制。这些滤波器一般是以使信息频率通过和抑制RF载波频率来提供无线电应用中的电磁干扰（EMI）坚固性。集成无源器件用于无线产品的主要驱动力是节省空间的要求。例如，蜂窝电话的尺寸已经并将持续快速地缩小。同时，这些装置的功能和能力的提高需要更多的电子元器件，因此要求更高的集成度。这种集成对有源集成电路如微处理器、存储器和ASIC来说已相当明显，现在这种技术出现在无源器件和有源/无源器件的集成中。为了实现最小的可用焊盘，用了芯片级封装。由于低成本也是一个重要因素，故不允许应用下填充来提高可靠性。除了无源器件外，集成有源电路是在同一个器件中提供各种不同级别的静电放电（ESD）防护的需要。最严格的要求是集成的器件能够经受IEC61000-4-24级中规定的ESD试验。该系统要用经由一个连接器与外界连接的器件，如用在蜂窝电话附属端口的器件。ESD防护要求较低级别通常所规定的人体模型（HBM），适用于器件处理要求。
3器件说明
　　利用高可靠薄膜P/ActiveTM技术制造了本文所述的滤波器，其中采用了与制造有源集成电路如微处理器相同的技术、设备和方法。每个滤波器通道由2个电阻器和1个电容器组成，形成1个T型滤波器。此外，该工艺能够集成某些引脚，通常是与连接器端口相关的滤波器通道一侧的引脚，提供ESD防护所必需的有源电路。利用氮化钽薄膜制造电阻器。在低电阻率Si基板上应用二氧化硅和氮化硅介质形成电容器。Si基板是设计的有机部分，作为电容器的一个板极和接地低电阻通道。电容器顶板通过Al导体层连接，保证了低电阻和互连电感。薄膜电阻器位于该结构的顶部，是在厚氧化物介质的上面，因此具有很低的相关寄生电容量。这些工艺特性使得集成电阻器和电容器在很宽的频率范围具有优异的性能，使它们成为无线电应用的理想元件。该工艺还提拱了垂直NPN结构，其作用等同于两个背靠背的二极管。这些结构的工艺特性和有关的电路和布线设计能够经受IEC61000-4-24级规定的非常严重的ESD。ESD防护的要求推动着防护电路的变化，面积越大则防护级别越高。保证1.9mm ×2.5mm的几个芯片全部是在5×4面阵列的圆片级封装的共用焊盘之内。没有使用再分布层，使得有可能在凸点之间的区域实施有源和无源电路。这能大幅度减少凸点工艺，从而保证最低的成本。
4圆片级封装（WLP）
　　按照空间最低的需求，这些电路应用了芯片级封装。一般情况下，芯片级封装是不大于其包封芯片的1.2 倍的封装。有多种形式的芯片级封装，但是，圆片级封装有时称为倒装芯片，是芯片级封装可达到的最小形式。其封装是芯片的1X。芯片就是封装。除了实现最小的尺寸外，通过使用紧密的焊料凸点或焊球使引线连接微型化以保证寄生参数最小。这种特点有助于提高频率响应性能。由于最终的器件成本主要受到封装的影响，减小这个成本因素是解决最低成本的关键。圆片级封装成本最低，因为它与现行的圆片制造技术兼容，从而有益于已经降低集成电路成本的所有因素。圆片级封装步骤始于加工圆片和做出所有的电路元件之后。在此阶段，每个芯片用一层保护膜钝化，Al焊盘作为出入口。由于在Al/Ni/Cu凸点下，导体溅射到圆片上，刻蚀之后这些导体只出现在焊盘区域。接着在焊盘区域涂敷和刻蚀光敏聚合物钝化层（BCB）。涂焊剂之后，一个预成型焊球粘接到焊盘上，然后再流焊。所有这些都在完整圆片上完成，从而出现“圆片级封装”这个概念。在圆片切割成芯片后对圆片进行100％电测度。初切割的芯片放置在卷带或华夫饼方形包装里发运。圆片级封装（WLP）制造完成后，必须随同其他所有电子元件一起焊接到叠层板上，一般是FR4印制电路板。拾起WLP，使其面朝下将焊料凸点对着基板（倒装芯片）粘接。这类组件通常使用一种下填充材料，以减少因热循环试验引起的焊点应力。但是，这不是理想做法，因为耗时、工艺复杂、不能返工，所以成本较高。焊料疲劳是WLP和基板之间的热膨胀系数（CTE）失配引起的。例如，WLP（硅）的CTE为3×10－6/℃，而叠层基板（FR4）约为1.7× 10－5/℃。这使焊点的应力很高，会引起焊点失效，使温度循环次数相对减少。循环的中值疲劳寿命（采用Coffin－ Manson模型）与焊料凸点高度成正比，与到中心点的最大距离（DNP）、CTE之差，及温度之差成反比。通过使用中心距为0.5mm的大尺寸焊接凸点（0.3mm），这与领先的表面安装技术以及小封装（DNP=1.29mm）兼容，不使用下填充就能保持焊点的牢度。滤波器芯片是在1.9mm× 2.5mm中。这种WLP比以传统厚膜分立器件封装和SOT封装的同功能器件具有节省空间的优势。
5可靠性试验
　　制造出一种菊花链状的WLP，正在经受温度循环评价。用于制造器件的UlltraCSPTM封装技术已经积累了DNP=3.18mm的更大芯片（6.9mm×6.45mm）方面的可靠性数据。这些数据证明 500小时和1000小时温度循环（1小时/循环）后没有失效。此外，在高温存储、高温工作寿命试验和85℃/85RH寿命试验1000小时之后未发现失效。根据上述信息，预计这种滤波器芯片WLP的可靠性很容易超过采用同样工艺的较大封装所能达到的水平。
6频率响应性能
　　首先采用MonteCarlo分析法以SPICE软件对有代表性的滤波器设计进行仿真，以确定电路元件变化时的性能频带。典型电阻容差设计值为10％，电容容差设计值为20％。切片之前，采用含有微型定位器的微型操纵器探针台和特制的高性能探针测量WLP的滤波器性能。由于阵列中央的凸点专门接地，每个探针组件设计成有精确间隔的一个信号探针和接地探针，以拾起接地凸点的相应信号。用这种方法，用两个探针组件探测滤波器相对于地的输入和输出。用一种带有高频SMA电缆的高性能网络分析仪进行测量。采用特殊的基板校准将电路装置定为零基准。所测得的频率响应与仿真响应十分一致。微小的接地电感（<0.1nH）形成几乎完美的滤波器响应，最大到3GHz。该性能难以用分立器件和传统的封装来实现。
图11TinySwitch－Ⅱ在很轻负载时的工作波形
7ESD性能
　　IEC61000-4-24级规范是一个系统级规范。该试验是用一个ESD枪接触或靠近实际设备来实施。例如，在便携式计算机或蜂窝电话应用中，ESD枪与设备的不同部位如连接器或键盘接触。然后放枪，静电放电从枪转到设备上。IEC61000-4-24级规范要求通过一个330Ω的电阻器和一个150pF电容器的串联产生8000V的接触放电或 15000V的空气放电。所产生的峰值电流超过24A。为了便于对这些器件进行ESD试验，在做凸点之前将几个芯片组装在16引脚的陶瓷DIP中。然后它们经受8kV接触4级试验，全部通过。进一步的失效试验表明，在8kV规定值以上还有很大的余地。
8结论
　　本文证实将多通道的高性能滤波器和ESD保护器集成在一个很小的面积上，以很低的成本提高了性能。在极端空间限制的情况下，这是一个实用技术。在无线电应用中，采用圆片级封装结合薄膜P/ActiveTM工艺技术具有比传统技术大得多的优势。

(全文结束)

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