无线链接市场是有史以来发展最迅猛的市场之一,推动无线链接在消费领域发展的主要因素是产品外形尺寸、重量和功耗的不断减小。大部分消费类产品至少配备一个移动通信装置,而该装置的便携性是其能否吸引用户的关键所在。
作者:Bob Swann
无线数据产品总监
美国国家半导体公司(NSC)
例如,在过去的几年里无绳电话的外形尺寸逐步缩小,蜂窝移动电话的体积则呈急剧减小之势。但在其它消费性产品中尺寸和功率的压力并非如此显著。但是,要将无线功能安装在有限的内部空间中,无线元件的外形尺寸仍然是需要考虑的重要问题。随着802.11b、Home RF及蓝牙等短程无线标准的建立,具有无线链接功能的新型移动设备发展迅速,外形尺寸将是影响产品便携性能或耐磨损性能的关键。
减小系统外形尺寸和重量的途径很多,提高半导体芯片的集成度当然是主要途径之一。在单芯片上集成所有的有源元件和无源元件来构成一个完整的收发器并不容易。在大部分产品中,所有的基带处理都集成在单芯片上,有时也将之与处理器芯片集成在一起。这方面业界的策略存在诸多不同之处,不同的供应商会从整个系统解决方案的角度出发寻求产品尺寸-功率-性能-成本空间的最佳平衡点。
芯片、无源元件、系统架构和元器件的划分、性能要求等因素都会对方案设计产生影响,更重要的是设计要从整个系统出发,而不仅仅局限于分立的半导体元件。终端设备制造商需要的是一揽子无线链接解决方案,从而让最终用户感受到“即插即用”的轻松体验。
无论对最终用户,还是设备制造商,易用性都是减小产品尺寸的驱动力。采用先进的封装概念可以在减小半导体元件尺寸的同时获得更高的系统集成度,从而使设备制造商能够更快捷、方便地将无线功能嵌入到产品中。在蓝牙一类标准中,外形尺寸尤为重要,在这种情况下无线链接只是产品的一个增值特性,并不代表所有的功能。例如,PDA的无线同步的功能很好,但这并不是人们购买PDA的全部原因。
在许多设备中,制造商都希望提供无线功能,此时易用性就是无线解决方案的最重要特点。 支持蓝牙技术的制造商已经广泛认同,蓝牙功能的主要传输部件将通过一体化集成模块来实现。事实上,半导体制造商从收发机和基带功能的一体化集成中受到鼓舞,这样,就可以让设备制造商复用某些质量经受过考验的元件,将重点集中在高端协议堆栈及应用系统设计,从而缩短设计时间及最终产品认证的周期。
NSC已经找到多种缩小封装尺寸的办法。基于多层基体的封装大约比同等的引线封装外形小40%,引线电感也大为降低,该封装形式尤其适合高频应用。
在某些情形下,封装可以做得更小,如Micro SMD技术可使封装的尺寸与芯片的尺寸相同。封装过程要在晶圆加工过程进行,它可看作一种具备封装的倒装芯片,整个晶圆的两侧都涂覆了封装材料,在裸片的顶部表面,采用蚀刻工艺来加工绑定焊盘,焊球可以放置也可以镀到晶圆上,然后对晶圆进行测试,最后切割晶圆,从而获得尺寸小、成本低的集成电路。
但是,由于需要确保继续使用传统的贴片设备,邦定焊盘的间隔必须足够大,这就使其适用性受到一点限制。目前,要求的焊盘间隔典型值为0.4 mm或0.5 mm。对于某些器件,采用该封装技术的条件是增大裸片的尺寸以满足焊盘间距的要求,因而相当于增加了芯片的成本。但是,焊球也可以矩形形式排列,从而扩展了该封装技术的应用范围,预计在今后的两年里采用micro SMD技术的RF元件将越来越多。现有技术可实现与无线系统集成的器件很多,这包括半导体器件、离散无源器件、能够实现三维互连及嵌入无源元件的多层陶瓷或有机模块。
多层封装技术
半导体模块制造商最近提出将完整的无线电收发机集成到尺寸很小的多层封装之中。随着新型无线电通讯架构的应用,外部元件的数目急剧减少,集成度更高的收发机半导体芯片日益引人注目,因此,产品的最终大小将取决于材料清单上元器件的数量及关键半导体器件采用的芯片封装技术。CSP、micro SMD、线绑COB及倒装芯片安装工艺已经得到广泛应用,其改进工作也正在进行之中,目的是开发尽可能最小的装配技术。
多层模块技术,如低温共烧陶瓷(LTCC)技术或基于多层板的, 不仅提供了优异的互连性能,还使无源器件嵌入到多层板结构成为可能。这些芯片实际上可以安装在有源芯片之下,从而模块的外形尺寸极小。NSC正在为微蜂窝基站生产基于LTCC的频率合成器模块,其他制造商也都在跟踪研究LTCC模块技术。
尽管LTCC或HDI封装技术具有三维封装的特征,但它们装配的仍然是传统的集成半导体元件,提供的仍然是半导体芯片与无源器件之间的互连,从这个意义上看,这些技术处理的只不过是异型电路板。要根本改变这种状况,必须重新配置系统结构,找到能发挥无源器件性能的封装工艺,并确保有源器件全部集成到半导体器件之中。
高性能无源器件封装的可选材料之一是玻璃晶圆,在封装过程中采用与传统半导体沉积工艺和蚀刻设备兼容的廉价绝缘基座,该封装技术使人们能够生产品质极高的电容和电感,其Q值比采用硅片工艺制作大10倍以上。
采用这种封装方法,所有无线电子系统的半导体器件及无源部件可以实现协同设计,以便优化每个部件和整个子系统的性能。理论上看,这种方法可提供成本和性能的最优组合。所有的元件集成到单块基体后,易用性就比其他方案的更高,成本也更低。
天线的放置解决了系统整体封装相关的问题之后,还要考虑天线的设计和放置。许多制造商都提供嵌入式天线设计,可将天线安装到电路板上或作为模块的一个附属元件。上面讨论的所有封装工艺都可以采用这种嵌入式天线。
有些设计将天线嵌入到半导体器件的封装引脚上,但要对天线的空间响应建模和优化就很困难,预计今后两到三年里,大部分天线或者继续将外置,或者将设计在电路板上,还有可能设计在电路板的模块上。
京公网安备 11011202001138号
