（电磁场与微波技术专业论文）封装内系统（sip）中无源元件的研究及应用.pdf

摘要 摘要 随着现代通讯技术的迅速发展，小型化、集成化、高性能越来越成为新一 代系统的主要发展趋势。封装内系统概念的提出及其应用为系统的小型化和高 可靠性提供了一个新的途径。已经引起了业界的广泛关注。本文的主要工作是 围绕s i p 中无源电路的研究及其应用而展开，根据多层电路的特点，提出了几 种实用的新型滤波器结构。本文的主要工作包括以下内容： d g s 结构广泛应用于微波毫米波电路设计，可以提高天线性能、抑制高次 谐杂波、增加功率放大器和振荡器的输出功率、降低振荡器的相位噪声等。然 而在将d g s 的这种特性应用到s i p 中的具体电路之前，必须对其进行准确建模。 因此，寻找d g s 的等效电路并对其进行参数提取成为一个研究热点和难题。第 二章中我们利用有限元法，结合多元p a d 6 逼近技术，对提取出来的d g s 模型 的l c 参数进行有理逼近。计算结果表明，p a d 6 有理逼近式能很好的逼近有限 元法精确提取的参数，该方法可以大大加快应用了d g s 的微波电路的设计和优 化。另外我们还提出了一种新型的具有双阻带特性的组合式非周期缺陷接地结 构( c o m b i n a t o r i a ln o n _ p e r i o d i cd e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ，简称c n p d g s ) ，并 将其应用到低通滤波器的设计中，能够有效地抑制寄生通带及高次谐杂波 滤波器是无线通信系统中最基本，最重要的组成部分。在许多微波滤波器 的应用中，比如手机，都需要小体积，高性能。平面滤波器具有易集成、造价低、 易生产等优点，但一个主要的缺点是体积较大。基于多层印制板( p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ，简称p c b ) 、低温共烧陶瓷( l o wt e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c s ，简 称l t c c ) 等技术的多层滤波器，由于具有小型化、易集成、设计灵活等优点 而越来越受到重视。第三章中我们提出了一种新型的集总参数带通滤波器，并 用多层电路技术实现。这种滤波器在上边带具有两个传输零点，具有谐波抑制 以及宽阻带特性，同时由于其体积较小，布线灵活，因而易于集成到s i p 系统 申。 矩形贴片具有设计简单、加工容易等特点，因而被广泛应用于天线的设计 中。由于矩形贴片的谐振特性，也可以将其应用到滤波器的设计中。但是由于 其尺寸为为1 2 波长，因此在滤波器，尤其是射频滤波器中的应用受到了很大的 限制。在相同的谐振频率下。通过在贴片上开槽的方式，可以不同程度地减小 其尺寸。从而矩形贴片也逐渐地在各种滤波器，尤其是双模滤波器的设计中得 到了应用。第四章中我们提出了一种新型的开槽贴片，与传统的矩形贴片以及 其他形式的开槽贴片相比，其谐振频率下降达6 1 ，因此应用到滤波器的设计 中必将大大减小滤波器的尺寸。作为这种开槽贴片谐振器在滤波器中的应用， 我们用它分别设计和制作了一个双模滤波器和一个多层带通滤波器，仿真和测 试结果相当吻台，性能优越，很适合应用在s i p 中的射频微波模块里 随着通信技术尤其是无线通信的迅速发展，其系统对低成本、小体积、低 插损的高性能窄带滤波器的需求日益增大。传统的切比雪夫滤波器已经不能满 足这些要求，而椭圆函数滤波器的设计和实现相当复杂，难以广泛应用。近年 来在非相邻谐振器之间引入交叉耦合的耦合谐振滤波器的综合和设计迅速成为 上海交通大学博士学位论文 研究热点。滤波器中的这些额外的耦合通常用来在阻带产生传输零点，从而增 加通带截止的陡度，以满足通信系统中日益严格的频率选择性要求。有限传输 零点的个数及其在复平面中的位置决定着滤波器的性能，尤其是它的阻带衰减 和群延时。有限传输零点的个数是与耦合网络的拓扑结构直接相关的，而其位 置还会受到各个耦合系数的幅度及其相对符号的影响。 基片集成波导( s u b s 订a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，简称s l w ) 是在介质中采 用金属化过孔阵列形成一个人工波导。在这种结构中，平面电路，例如微带线 或者共面波导，和矩形波导集成在同样的介质中，其间的转换通过简单的匹配 就可完成。第五章中我们研究了交叉耦合基片集成波导滤波器的设计及其实现， 并采用标准的p c b 工艺设计和加工了一个三阶交叉耦合滤波器，中心频率位于 i o g h z ，在下边带引入一个有限传输零点，测试和仿真结果极其吻合，展现了 这种形式的交叉耦合滤波器的优越性能及其在s i p 中广阔的应用前景。 关键词：封装内系统，有限元法，缺陷接地结构，多元p a d e 逼近，带通滤波 器，集总参数，多层，低温共烧陶瓷，贴片谐振器，双模滤波器，基片集成波 导，交叉耦合，伪椭圆函数滤波器 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h et r e n d so ft h e c u r r e n ta n dn e x tg e n e r a t i o no fs y s t e ma r em i n i a t t m z a t i o n ，c o m p a c m e s sa n dh i g h p e r f o r m a n c e s y s t e m - m - p a c k a g e ( s i p ) p r o v i d e st h i s i s s u ew i t han e ww a ya n dh a s b r o g h t e x t e n s i v er e s e a r c h t h em a i nw o r k si nm yd i s s e r t a t i o na r et h es t u d ya n d a p p h c a t i o no ft h ep a s s i v ee l e m e n t si ns i p b a s e do nt h em u l t i l a y e rt e c h n o l o g y ，8 e v e r a l n e wt y p e so f f i l t e ra r ep r o p o s e d t h ec o n t e n t so f m yd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ( d g s ) i sw i d e l ya p p f i e dt ot h ed e s i g no fm i c r o w a v ea n d 幽e t e rc i r c u i t st oi m p r o v et h ep e r f o a m a n c eo fa n t e n n a s ，s u p p r e s st h eh a r m o n i c s ， h l t 】：c a 6 cd l eo u t p u tp o uo fp o w c ta m p l i f i e r s na n dr e d u c et h ep h a s cn o i s eo fd i c v c o h o w e v e rt h ea c c u r a t em o d e lh a st ob ec r e a t e db e f o r et h ea p p l i c a t i o n t h e e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ep a r a m e t e r se x t r a c t i o nh a v eb e e nah o ti s s u e i nc h a p t e r2 ，a c o m b i n a t i o no ft h ef i n i t e e l e m e n t - m e t h o da n dt h em u l t i v a r i a t ep a d 6a p p r o x i m a t i o ni s e m p l o y e dt oo b t a i nt h ep a r a m e t e r so f d g s t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p a d 6a p p r o x i m a t i o ni sa c c u x a t ea n de f f e c t i v e a n dw i t h o u tq u e s t i o n ，i nr e s p e c to ft h e r fa n dm i c r o w a v ec i r c u i t si nw h i c ht h ed g si sa p p f i e dt o ，t h i sm e t h o dc a ng r e a d y s p e e du pt h ed e s i g n a n do p t i m i z a t i o n i na d d i t i o n ，an e wt y p eo fc o m b i n a t o r i a l n o n p e f i o d i c d e f e c t e d g r o u n ds t r u c t u r e ( c n p d g s ) i sp r o p o s e d t h ep r e s e n t e d c n p d g sc a np r o v i d et h eb a n d g a pc h a r a c t e r i s t i cw i t hd u a l s t o p b a n d t h ei n f l u e n c e s o fl a t t i c ed i l i l e n s i o n so nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff r e q u e n c ya r es t u d i e d t h el o w p a s sf i l t e r f o r m e db ym i c r o s t r i pa n dp r o p o s e dc n p d g si s d e s i g n e d t h es i m u l a t e dr e s u l t s p r o v e dt h a tt h ed e s i g n e dl o w p a s sf i l t e rc a ne f f e c t i v e l yr e j e c tt h eh i g h e rh a r m o n i c s f i l t e r sp l a yi m p o r t a n tr o l e si nm a n yr fa p p f i c a t i o n s t h el a t e s tw i r e l e s sp r o d u c t s c o n t i u u et oc h a l l e n g er ff i l t e r sw i t he v e nm o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s - h i g h e r p e r f o r m a n c e ，s m a l l e rs i z e , l i g h t e rw e i g h t , a n dl o w e rc o s t t h et i l t e r s b a s e do nt h e m u l t i l a y e rt e c h n o l o g y , s u c ha sp c b , l t c ce t c ，a r em o r ea n dm o r ea t t r a c t i v e i nc h a p t e r 3 an o v dm u l t i l a y e rs e c o n d o r d e rc o u p l e d r e s o n a t o rb a n d p a s sf i l t e rw i t hh a r m o n i c s s u p p r e s s i o ni sp r o p o s e dt oi m p r o v et h es t o p b a n dc h a r a c t e r i s t i c s t h ep r o p o s e df i l t e r h a st w ot r a n s m i s s i o nz e r o sc r z s ) a n dh a sb e e ni m p l e m e n t e di na f i v e l a y e r c o n f i g u r a t i o nu s i n gm u l t i l a y e rp c bt e c h n o l o g y t h em e a s u r e dr e s u l t sa g r e ev e r yw e l l w i t ht h ef u l l - w a v ee ms i m u l a t i o n ，s h o w i n gm o r et h a n3 5 d bh a r m o n i c ss u p p r e s s i o n t h es q u a r ep a t c hr e s o n a t o rh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt oa n t e n n ad e s i g n h o w e v e ri ti s d i f f i c u l tt ob eu s e di nt h ed e s i g no fp l a n a rc i r c u i t s ，。罾，f i l t e r s ，b e c a u s eo ft h eh i g h 上海变通大学博士学位论文 r a d i a t i o nl o s sa n dl o wqf a c t o ra sc o m p a r e dw i t hi t sr i n gc o u n t e r p a r t i nc h a p t e r4 ，a n w p l a n a r s l o t t e dp a t c hr e s o n a t o ri s p r o p o s e df o rr f m i c r o w a v eb a n d p a s s f i l t e r d e s i g n t h en o v d t ) ro ft h ep r o p o s e dr e s o n a t o ri st h a ti tc a l lr e d u c et h es i z eo ft h ef i l t e r s i g n i f i c a n t l yi ti sf o u n dt h a tt h er e s o n a n tf r e q u e n c y o ft h er e s o n a t o ri sr e d u c e d ，。昏，b y 6 1 ad u a l - m o d ef i l t e ro p e r a t i n ga t2 3 9 g h zw i t h1 7 b a n d w i d t ha n dat h r e e p o l e b a n d p a s s f i l t e r o p e r a t i n ga t 2 3 7 5 g h zw i t h8 8 b a n d w i d t ha r ed e s i g n e da n d f a b r i c a t e dr e s p e c t i v e l y m e a s u r e dr e s u l t sa g r e ev e r yw e l lw i t ht h e “1w a v ee m s i m u l a r i o n t h e r eh a v eb e e ni n c r e a s i n gd e m a n d sf o ra d v a n c e dr f m i c r o w a v ef i l t e r so t h e rt h a n c o n v e n t i o n a l c h e b y s h e v f i l t e r si no r d e rt om e e t s t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s f r o m r f m i c r o w a v e s y s t e m s ，p a r t i c u l a r l y f r o mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s p s e u d o e l l i p t i cf i l t e r sw i t hc r o s sc o u p l i n go f f e ro p t i m a ls o l u t i o n st of i l t e r i n gs t r u c t u r e w i t hs h a r pc u t o f fs k i r t s ，l o wi n - b a n di n s e r t i o nl o s sa n dh i g ho u to fb a n dr e j e c t i o n ，a n d h a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya p p h c a t i o n s t h es h a r pc u t o f fr a t ei sb r o u g h ta b o u tb y t h ep r e s e n c eo ft z sa tf i n i t ef r e q u e n c i e s t z sa l eg e n e r a t e db ye x p l o i t i n gt h ep h y s i c a l p h e n o m e n o no fd e s t r u c t i v ei n t e r f e r e n c eb e t w e e n t w oo tm o r es i g n a l s s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s l w ) i sf o r m e db ym e t a l i z e dv i ap o s ti nt h es u b s t r a t e i nt h i ss t r u c t u r e ，p l a n a rc i r c u i t s ，s u c ha sm i c r o s t r i pa n dc p w , a r ei n t e g r a t e di nt h es a m e s u b s t r a t ew i t hs i wt h et r a n s i t i o nb e t w e e nt h e mi sv e r ys i m p l e i nc h a p t e r5 ，t h e c r o s s c o u p l e ds i wb a n d p a s sf i l t e r sr i t es t u d i e d ，a n dat h r e e o r d e rb a n d f a s sf i l t e rw i t h o n et zi sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d i t sc e n t e rf r e q u e n c yi s1 0 g h za n di t si n s e r t i o nl o s s i sl e s st h a n2 5 d b t h em e a s u r e dr e s u l t sa g r e ev e r yw e l lw i t ht h es i m u l a t e dr e s u l t s ， e x h i b i t i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s y s t e m - i n p a c k a g e ( s i p ) ，f i n i t e d e m e n t - m e t h o d 呷岣，d e f e c t e dg r o u n d s t r u c t u r e ( d g s ) ，m u l t i v a r i a t ep a d 6a p p r o x i m a t i o n ，b a n d p a s sf i l t e r s ，l u m p e dp a r a m e t e r s ， m u l t i l a y e r , l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c s ( l t c c ) ，p a t c hr e s o n a t o r s , d u a l m o d e f i l t e r s , s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u l d e ( s i r 0 ，c r o s s c o u p l e d ，p s e u d o e l l i p t i cf i l t e r s 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：歹怛上卅 日期：州年7 月少日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：m 蔓刎 日期：矽癣7 月j 日 ， 一：考纱尹心 日期年7 月7 日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 无线通信的发展 第一章绪论 二十世纪是无线通信技术发展的黄金时期。四十年代无线通讯理论得到了 长足的发展。二十世纪下半叶，硬件技术突飞猛进，各种新的电子元件出现， 才使得无线通信设备进入寻常百姓家。 无线通信技术的长足发展，给人们的生活方式带来了深刻的变革【l 】。据统 计1 9 9 0 年，全世界只有1 0 0 0 万蜂窝电话用户。1 9 9 9 年仅中国用户就超过4 0 0 0 万，2 0 0 4 年则达1 5 亿，发达地区几乎每人一部手机。 近2 0 年，移动通信标准经过了三代【2 】。 第一代移动通信标准，第一代主要基于模拟信号处理，以美国a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es e r v i c e ) ，英国t a c s ( t o ma c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) ，北欧n m t 4 5 0 9 0 0 等模拟f d m a 技术为代表，现已被淘汰。 第二代( 2 g ) 移动通信标准，例如g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 、c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等都曾经为全球移 动通信业的高速发展立下了汗马功劳，促进了全球通信事业向全球化、数字化、 宽带化、网络化和智能化的方向迈出了一大步，从而使全球移动通信业呈现出 一派空前繁荣的景象。第二代无线通信网络占据了现行无线通信服务的大部分。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 也属于第二代，它基于g s m 网络， 只不过在硬件和软件上稍加改进，g p r s 为用户数据型服务提供了极大的自由 空间。 c d m a 技术是新一代数字无线多址技术，是一种无线扩频接入技术，它的 基本原理是：所有用户信号均占用信道的全部带宽和时间，每个用户分配一个 唯一的序列，用以区分同时使用同一频带的用户。接收机采用相关检测器将有 特定码型的信号解调出来，而其他的信号则相当于背景噪声。这样就需要占用 较宽一段的无线频谱，它能在1 2 5 m h z 带宽内同时提供6 0 多路通话。c d m a 技术提高了无线频谱效率，所以也被称为2 5 g 技术。 第三代( 3 0 ) 移动通信标准，基于扩频通信技术，是研究部门、产业部门 的热点。它将提供更优秀的语音传输和数据传输业务。第三代主要处于理论研 究阶段，各国有不同的框架和体系，但基本上是基于i t u - 2 0 0 0 。比较优秀的有 欧洲的w c d m a 标准、北美的c d m a 2 0 0 0 标准以及我国具有自主知识产杈的 t d c d m a 。 随着时代的发展，各机构和运营商提出了各式各样的通信标准，例如w i f i 、 w l a n 、w i m a x 等。 尽管为高速业务何多媒体业务设计的第三代移动通信系统在通信的容量与 上海交通大学博士学位论文 质量上较第二代移动通信有明显的提高，但由于其核心技术未能发生革命性的 变革，因此无法解决在有限的无线频率资源上提供广泛覆盖且速率达到 1 0 0 m b i “s 以上的宽带乃至广带移动多媒体业务的突出矛盾。 要使通信技术产生质的飞跃，必须要关注以下几种关键技术。 ( 1 ) 高频谱效率技术 频谱资源也是一种宝贵的资源，可用于移动通信的频率资源是极为有限的， 必须倍加珍惜，精心设计。为在有限的频段上为用户提供更高的传输速率，需 要采用全新的技术，使整个系统的频谱利用率较现有的技术提高一个量级以上 ( 2 )自组网络的发展 自组网络无固定结构而存在，因此是未来系统的关键技术。自组网络由一 群移动节点合作参与，允许在无中心设施支持的情况下建立无所不在地通信。 ( 3 )多天线技术和智能天线技术 一 配置多个天线的系统通过灵活多样的设计方式，可以在系统误码率和频带 利用率等方向得到显著的改善，成为无线通信领域的研究热点。智能天线的天 线阵，采用多波束天线( m u l t i b e a ma n t e n n a ，m b a ) 等技术，它在信号接收 和处理方面具有很多优点。 ( 4 ) 新概念通信方式的产生 光纤的发明与研究给通信技术带来了革命性的变化，使信息的传输量大大 提高，简化了信号中继。新的科技如量子通信技术或许能够使无线通信产生翻 天覆地的变化，使人类的通信水平到达一个崭新的时代 ( 5 ) 更先进的数学理论作为先导 从无线通信萌芽到现在，无不伴随着数学的身影，通信技术的发展必须以 通信理论的发展作为依据，理论又必须以数学为基础。无论是信号的调制解调， 还是通信网络的拓扑结构都是应用了数学这个工具。优秀的算法不仅可以使通 信的容量更大，还可加强用户的保密性，提高传输效率。已经成熟了的c d m a 技术、加密技术都应用了前沿的代数知识。数学这一基础学科的发展必将为无 线通信的发展揭开新的篇章。 1 1 2 微波集成电路技术的发展 微波技术问世已有半个多世纪，发展迅速、应用广泛【3 】。微波电路的发展 基本上遵循着低频电路的历程，两者均以分立电路为起点。在低频电路方面， 继i c 和l s i c 后。出现了v l s i c ，其线宽达亚微米量级。同时研制出m u i c ，在电 路厚度不显著增大的前提下，面积显著缩小，已有数十层m u l c 成品；v h s i c 是 速率达g b s 量级的i c 。 分别于六十年代和七十年代出现的混合微波集成电路( h m i c ) 和单片微波 集成电路( m m i c ) 均是单层电路。自八十年代以来已被广泛应用，从单功能 电路发展到多功能组件( 如t r 模块等) ，使微波工业经历了一次革命。 九十年代研制成可用于毫米波段的m m i c ，随即出现了m m i c 这一名称， 即微波与毫米波单片集成电路。9 8 年对1 9 0 g h z 磷化铟高电子迁移率晶体管 ( i n ph e m t ) m m i c 低噪声放大器及9 5 g h zi n ph e m tm m i c 功率放大器己 第一章绪论 有报导 由于光固态器件( o s d ) ，如激光二极管、光探测器、调制器等采用与制 作微波器件相同的材料( 如g a a s 和i n p 等) 和相同的制造工艺，因此有可能 这些器件与f e t 、h e m t 等集成在同一块芯片上并制成光- 微波单片集成电路 ( o m m i c ) 自九十年代以来陆续出现了三维微波集成电路( 包括m u i c ，3 d m i c ， m u m m i c 和3 d m m i c ) ，又一次迎来了微波电路的革新多层和三维微波集 成电路的发展是有其背景的。 ( 1 )对提高单位面积集成度的要求 移动通信，相控阵雷达以及星载电子设备等对小型化、高集成度、低价格 等呼声甚高。同时需要实现布局合理、性能更优( 即兼有传统射频立体电路性 能和m i c 集成优势) 的电路。这将体现在元器件或电路的物理结构与电磁关系 两方面的革新。 ( 2 ) 微波集成电路重新采用s i 近四十年来微波界拒绝采用已广泛应用于i c 及日常生活中的s i 来制作 m m i c 衬底，原因是其晶片电阻率过低( 1 2 0 q c m ) ，损耗过大；且s i 器件 ( b j t 等) 工作频率低，不宜作微波器件，而惯用价格昂贵的g a a s 、i n p 等材 料。经过多年的努力，具有高电阻率( 1 0 0 0 f l c m ) 的s i 晶片走向市场。同时 又研制出工作频率高达1 0 0 g h z 的s i 二极管。在s i 器件中加人g e 材料，实现 了微波性能优良的h b t ( 异质结双极型晶体管) ，使基于s i 的有源电路可工作 至6 0 g h z 以上。这些器件的制作工艺与标准s i 工艺相兼容。尤为重要的是， s i 的使用降低了m m i c 的成本。 ( 3 )新的薄膜工艺的使用 如s i 上生长低损耗s i 0 2 薄膜，或加入稍厚的有机化合物层( 均为牌l 量级) ， 如聚酰亚氨( p o l y i m i d e ) ，以隔离有耗衬底，实现与g a a s 衬底相仿的性能。 而s i 晶片上直接扩散某种复合物制作多层电路也是一种廉价而有效的方法。 ( 4 ) 各种电磁场数值计算方法日趋成熟，商用3 d 仿真软件大量推出并 被广泛应用 多芯片模块( m c m ) 是一种广义上的3 d m i c ，系将多片有独立功能或可 在电路中完成较强功能的芯片组成一个模块。从工艺上可分为淀积多芯片模块 m c m d 和叠层多芯片模块m c m - l 两种。m u m m i c 中能实现较强功能的就属 于m c m - d ，其制造过程系通过m m i c 工艺，如外延生长、淀积、蚀刻等完成。 m c m - l 则是将已制成的芯片( 包括g a a s 、s i 衬底或者陶瓷衬底) 通过特定工 艺，包括独立制作的垂直结构m c m v 相连接等，形成多功能模块。下面简要 介绍相关技术。 ( 1 ) 由多片m m i c 构成m c m 设计并制作微波电路，使之叠层，用树脂塑模，切割成形，金属化。激光 制成直流通路及微波连接。实现不同微波电路叠层间的宽带、垂直互连结构的 m c m - v 是一种屏蔽带9 0 。垂直结构的共面波导，据测试。在3 5 g h z 以下性能 良好。 ( 2 ) 低温共烧结( l t c c m ) 上海交通大学博士学位论文 l t c c - m ( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i co i lm e t a l ) 即金属底座上的低 温共烧结技术，是一种采用厚膜技术与低温共烧相结合，制作低价格3 d 电路 的方法。该技术的最大优点是：最终结构在x y 平面，即陶瓷片平面收缩率小于 0 1 ，z 方向收缩率较大，却是均匀的。最终体积较小，且造价低，易于生产。 该结构可实现自直流电源至高速数字逻辑电路、模拟电路( 包括中频电路) 、 射频微波元件，直至天线的全集成。 1 1 3 半导体封装技术的发展 过去，人们对“封装技术”的理解，仅限于连接、组装等，涉及的范围很 窄，且多以一般的生产技术来对待。随着电子信息产业的迅猛发展，。封装技 术”也逐步演变为4 电子封装工程”，成为实现多样化电子信息设备的一个关 键技术f 4 1 f 7 1 。电子封装的作用，简单说来有以下几点： ( 1 ) 保证电子元器件正常工作，并引出其功能 ( 2 )保证电子元器件之间信息的正常存取并以功能块的形式实现其功 能要求 ( 3 ) 通过多数个功能块之间的结合，构成系统装置并实现其功能 ( 4 ) 便于人与机器系统之间的信息交流，即建立操作方便、交换信息快 捷的人机界面 ( 5 )作为商品，通过封装实现附加的价值，以增强竞争力 上述( 1 ) 、( 2 ) 条，作为电子封装的作用，人们早有认同，但是( 3 ) ( 5 ) 条，作为今后电子封装的目的，需要特别重视。电子封装涉及到广泛的工 程领域，其发展趋势是强调系统设计，即由独立分散型向集中统一型，由单纯 的生产制造型向设计主导型进展。近年来，在微电子和电子封装领域出现了两 个新的缩写词，一个是s i p ，另一个是s o c 。 s i p ( s y s t e mi np a c k a g e ，封装内系统，或称系统封装) 是指将不同种类的 元件，通过不同的技术，混载于同一封装之内，由此构成系统集成封装形式。 该定义是经过不断演变，逐渐形成的，开始是在单芯片封装中加入无源元件， 再到单个封装中加入多个芯片、叠层芯片以及无源器件，最后封装构成一个体 系，即s i p 。该定义还包括，s i p 应以功能块亚系统形式做成制品，即应具备亚 系统的所有组成部分和功能。 美国最早曾以s o p ( s y s t e mo np a c k a g e ) 表征这种新型的封装形式。但原 来s o p ( s m a l lo u t l i n ep a c k a g e ) 特指小外形封装( q f p 的微小形式) ，再用同 一缩写词容易引起混淆。目前i t r s ( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r s ，国际半导体技术指南) 、j e i t a ( j a p a ne l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yi n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，日本电子情报产业协会) 编撰的j j t r ( j a p a n j i s s ot e c h n o l o g yr o a d m a p ，日本封装技术指南) 以及相关的国际会议中，已普 遍采用s i p 这一简称。 s o c ( s y s t e mo nc h i p 。芯片上系统或称系统集成) 这一简称也是经过不断 演变，逐渐形成的。在计算机单芯片时代，c p u 及其周边电路搭载在同一芯片 上，构成v l s i 。一般称其为系统l s i 。在1 9 9 8 年前后，这种搭载有存储器的 第一章绪论 v l s i ，不再采用系统l s i 这一名称，而是改称为s o c ，主要是突出其芯片上系 统的内涵。 现在，无论来自生产厂家还是应用厂家，有关s i p 和s o c 的争论不绝于耳。 。s o c 的市场很小，而s i p 的市场很大”。与s o c 相比，s i p 具有更高的附 加值”，。s o c 才是l s i 开发的正宗，s i p 不过是补充而已” 对于l s i 制作厂家来说，在满足用户要求的前提下，确保经济效益是天经 地义的。从这一目标出发，l s i 厂家一直在集中力量开发作为其王牌产品的s o c 。 但今天看来，这种s o c 也不是万能的。其原因是，进入新世纪，s o c 在经费方 面、技术方面、知识产权方面都遇到了难以克服的困难。 首先是经费方面的困难：尽管超微细加工技术不断进展，但一味追求集成 度的提高和芯片尺寸的大型化，势必造成成品率下降：开发一种s o c 产品一般 在一年以上，开发周期太长：开发成本太高；超微细化和高集成度的追求，工 艺设备价格上涨；进入2 1 世纪后，随着s o c 集成度的增加，平均到每个三极 管的价格，由降低转变为增加。上述这些困难，使s o c 难以满足目前电子设备 高功能、快速更新换代及低价格的竞争要求。 再就是知识产权方面的困难。开发s o c ，离不开各公司的知识产权( i p 。 i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，需要各核心企业之间互相交流。但各个企业因追求经济 效益以及保密限制等，彼此之间会形成壁垒，他们之间的交流不可能象人们想 象的那么活跃。 最后是技术方面的困难。为了实现整个系统的单芯片化，需要异种结构元 件，异种工艺元件混载、数字元件模拟元件混载，处理声音动画的大容量存储 器混载，还有与模拟电路相关联的l 、r 、c 无源元件的参数和特性受薄膜工艺 的限制等，存在许多问题。 基于上面的原因，作为新的系统集成化的选择方式，s i p 日益引起人们的 关注。s i p 与s o c 正处于竞争之中。 依靠半导体工艺的超微细化进展，近年来l s i 技术都是沿着单芯片路线， 同时实现小型化、高性能和低价格，其具体实例就是s o c 。但是无论是为生产 线提供制作设备的厂商，还是l s i 的设计者、制造者，都对目前这种向s o c 一 边倒的路线提出质疑。当芯片的特征尺寸小于0 1 3 p m 时，受到的制约越发明显， 单芯片路线遇到下述壁垒： ( 1 ) 掩膜价格越发昂贵 o 1 3 岬时期与0 1 8 j m a 时期相比，整套掩膜价格增加到两倍，总的开发费 用急剧上升。如果生产的芯片达不到l o o 万只以上，用户难以承受过高的价格。 为解决这一问题，可采用电子束直接描画制图来代替掩膜，但是，要达到实用 还需要时间。 ( 2 ) 漏电流问题不好解决 随着特征尺寸变小，三极管的漏电流逐渐增大。当特征尺寸小于0 1 3 0 r e 时， 漏电流将不能忽视，必须采取措施加以解决。可能解决的对策，有设置阀值电 压回路或抑制电源电压的回路等，但这些措施是向着电路复杂化的方向发展， 显然是不可取的。 ( 3 ) 不同元件的工作电压出现剪刀差及模拟电路难以缩小 上海交通大学博士学位论文 不同元件的工作电压出现剪刀差，以及模拟电路难以缩小，特别是在逻辑 电路和模拟电路混载的情况下，就会出现问题在特征尺寸小于o 1 3 9 m 以后， 将难以确保模拟电路的性能。换句话说，特征尺寸过小，则模拟电路难以适应。 这种情况，对于模拟- 数字电路混载的芯片来说，从本质上讲，没有根本的解决 办法。 在上述背景下，s i p 从以小型化为目的封装( 如芯片叠层型c s p 等) 脱颖而 出【8 】。它与s o c 同样，也可以达到。系统集成化”的目的，并参与到与s o c 竞 争的行列。 大致是在1 9 9 9 年前后，在单芯片c s p 封装的基础上，将s r a m 与快闪存 储器芯片叠层，开发出芯片叠层式c s p 封装，这种超小型封装在实现手机小型 化的竞争中大显身手。在这一成功的激励下，l s i 厂家的封装部门，继续增加 叠层的芯片层数，并由引线连接( w b ) 微互联方式转变为通过贯穿芯片导体电 极微互联。继续向芯片叠层多层化方向进展。不仅是存储器，逻辑l s i 芯片也 口j 以叠层。至此。s i p ”这一称谓丹始问世。 但是，初期的s i p 是以制造技术开发为主体，即s i p 仅是通过在同一封装 内堆积芯片( 二维或三维) 而实现小型化的一种封装形式而已。l s i 设计制造 部门、s i p 制作厂家及用户三者各自为政，s i p 制作厂家几乎没有让用户密切参 与s i p 封装设计的想法，而l s i 设计制造部门对封装厂家提出的方案也不屑一 顾。他们认为，提高s o c 的设计效率是他们的职责，设计封装不是他们的业务 范围。 目前，随着s i p 参与道s o c 竞争的行列，要求开发者摆脱原来关于封装的 旧观念，要在设计主导的前提下，让用户充分参与，以制作出具有系统集成