讲义学习教程.pptx

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1、目录5.1 概述5.2 LTCC 工艺流程5.3 EDA5.4 MCM关键技术5.5 LTCC 设计举例第1页/共39页5.1 概述What?多芯片组件多芯片组件,英文缩写英文缩写MCM(Multi-Chip Module)MCM(Multi-Chip Module)将多块半导体裸芯片组装在一块布将多块半导体裸芯片组装在一块布线基板上的一种封装技术线基板上的一种封装技术。第2页/共39页毫米波前端毫米波前端PA5.1 概述第3页/共39页MCM分类 根据所用多层布线基板的类型不同，根据所用多层布线基板的类型不同，MCMMCM可分为可分为:叠层多芯片组件叠层多芯片组件(MCM LMCM L),)

2、,是使用通常的玻璃环氧树脂多是使用通常的玻璃环氧树脂多层印刷基板的组件。布线密度不怎么高，成本较低。层印刷基板的组件。布线密度不怎么高，成本较低。陶瓷多芯片组件陶瓷多芯片组件(MCM-CMCM-C),),是用厚膜技术形成多层布线，以是用厚膜技术形成多层布线，以陶瓷陶瓷(氧化铝或玻璃陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷)作为基板的组件，与使用多层陶瓷作为基板的组件，与使用多层陶瓷基板的厚膜混合基板的厚膜混合IC IC 类似。类似。MCM-CMCM-C又分为高温共烧陶瓷又分为高温共烧陶瓷(HTCC)(HTCC)和低温共烧陶瓷和低温共烧陶瓷(LTCC)(LTCC)两大类，目前微波两大类，目前微波MCMMCM主要以主

3、要以LTCCLTCC工艺最为广工艺最为广泛。泛。淀积多芯片组件淀积多芯片组件(MCM-DMCM-D),),是用薄膜技术形成多层布线，是用薄膜技术形成多层布线，以陶瓷以陶瓷(氧化铝或氮化铝氧化铝或氮化铝)或或Si Si、Al Al 作为基板的组件。布线密作为基板的组件。布线密度在三种组件中是最高的，但成本也高。度在三种组件中是最高的，但成本也高。第4页/共39页Why？(1)MCM是将多块未封装的IC芯片高密度安装在同一基板上构成的部件，省去了IC的封装材料和工艺约了原材料，减少了制造工艺，缩小了整机组件封装尺寸和重量。(2)MCM是高密度组装产品，芯片占基板面积至少20以上，互连线长度极大缩短

4、，封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化。(3)MCM的多层布线基板导体层数应不少于4层，能把模拟电路、数字电路、功率器件、光电器件、微波器件及各类片式化元器件合理而有效地组装在封装体内，形成单一半导体集成电路不可能完成的多功能部件、子系统或系统。使线路之间的串扰噪声减少，阻抗易控，电路性能提高。(4)MCM避免了单块IC封装的热阻、引线及焊接等一系列问题，使产品的可靠性获得极大提高。第5页/共39页How?第6页/共39页工艺EDA第7页/共39页MCM应用早期在军事应用，后来在汽车电子、计算机和电子信息早期在军事应用，后来在汽车电子、计算机和电子信息领域，未来的应用范围将更广阔。领域，未来的

5、应用范围将更广阔。典型应用典型应用：MCM-L/D MCM-L/D在笔记本电脑中的应用在笔记本电脑中的应用:Fujitus:Fujitus公司将其公司将其用于用于CPUCPU制造，使得在尺寸和重量上减少制造，使得在尺寸和重量上减少25%25%。美国先进技术研究计划局（美国先进技术研究计划局（DARPADARPA）将）将100MHz100MHz下的数下的数字多芯片组件尺寸和重量减少到字多芯片组件尺寸和重量减少到1/101/10和和1/1001/100，可靠性，可靠性提高提高1010倍，系统成本降到倍，系统成本降到1/21/101/21/10。美国航天飞机计算机处理系统，使得原来是机箱的组美国航天

6、飞机计算机处理系统，使得原来是机箱的组件变成了一块插件，系统运算从件变成了一块插件，系统运算从5 5亿次提高到亿次提高到8080亿次。亿次。第8页/共39页5.2 MCM 工艺流程（LTCC）泥浆瓷带铸造切料冲孔填孔丝网印刷第9页/共39页冲孔冲孔 商用的冲孔机商用的冲孔机 所用的冲通常由碳化钨制成所用的冲通常由碳化钨制成 激光打孔激光打孔第10页/共39页填孔 通常利用通常利用 钢板钢板 和丝网印刷机和丝网印刷机 或者磨具实或者磨具实现现.需要可视化系统，用于自动对准各层介质需要可视化系统，用于自动对准各层介质材料材料.第11页/共39页校对和层积 校对的关键是准确的夹具校对的关键是准确的夹

7、具.“Stack and Tack”仪器可以用于很薄的磁带仪器可以用于很薄的磁带 最常用的叠层条件是最常用的叠层条件是 高温高温 典型条件：典型条件：3000 psi(21 MPa)70 oC-80oCIsostatic laminator第12页/共39页烧结和共烧烧结和共烧 有机物烧结温度有机物烧结温度：200 oC 500 oC，共烧温度共烧温度:850 oC 900 oC对于不同的设计和结构，对于不同的设计和结构，烧结和共烧条件需要优化烧结和共烧条件需要优化Green Tape 建议烧结和共烧条件：建议烧结和共烧条件：02004006008001000123456TimeTempera

8、ture第13页/共39页Green Tape 主要组成主要组成铝颗粒铝颗粒(green)玻璃颗粒玻璃颗粒(red)高分子粘合剂高分子粘合剂(blue).Green Tape 封装密度非常高封装密度非常高,利用粘合剂填充空利用粘合剂填充空隙隙.粘合剂在共烧的过程中被烧掉粘合剂在共烧的过程中被烧掉Alumina particlesGlass particles第14页/共39页在在943基片上利用激光转移金属带线基片上利用激光转移金属带线 的的SEM图片图片转移后的银金属转移后的银金属943 基板表面基板表面第15页/共39页 介质材料属性介质材料属性第16页/共39页工艺标准和规范第17页/共

9、39页 九所生产线工艺能力：九所生产线工艺能力：加工生瓷带尺寸：加工生瓷带尺寸：8 8”88”线条和线间距线条和线间距(厚膜工艺厚膜工艺)：100m100m线条和线间距线条和线间距(Fodel(Fodel工艺工艺)：50m 50m（仅限于（仅限于Dupont951Dupont951，943943材料体系个别层）材料体系个别层）可加工的通孔直径：可加工的通孔直径：100m 100m（最小，机械冲孔）（最小，机械冲孔）可加工的通孔直径：可加工的通孔直径：50m 50m （最小，激光方式）（最小，激光方式）可叠片层数可叠片层数:30:30 层层(0.1mm/(0.1mm/层层),60),60 层层(

10、0.05mm/(0.05mm/层层)叠片误差叠片误差:7(8*8:7(8*8“)印刷误差印刷误差:7(8*8:7(8*8“)基板平整度基板平整度:5/cm:5/cm第18页/共39页5.3 EDAl Ansoft LTCC Design KitAnsoft LTCC Design Kit Ansoft LTCC V2Ansoft LTCC V2第19页/共39页LTCC Ansoft仿真设计实例 带通滤波器的设计技术指标：技术指标：多层基板；多层基板；通带频率：通带频率：L L波段波段 相对带宽：相对带宽：40%;40%;插入损耗插入损耗3dB;3dB;第20页/共39页21l Designe

11、r-电路图的设计滤波器电路原理图滤波器电路仿真结果第21页/共39页22l Designer-LTCC原理图设计LTCC滤波器原理图第22页/共39页23l Designer-拓扑结构的导出物理拓扑图滤波器三维结构第23页/共39页24l 导入Hfss验证 在Designer主菜单layout项选择export to HFSS,出现export to HFSS对话框，显示VBScript Script 脚本文件。在存储位置双击文件类型为VBScript Script File图标，Ansoft Hfss自动生成相应的LTCC滤波器模型。VBScript Script 脚本文件第24页/共39页

12、25设定变量进行仿真优化l Hfss-三维调谐和优化第25页/共39页26l Hfss-三维EM验证滤波器立体模型LTCC滤波器S11和S21参数图第26页/共39页27带通滤波器设计3的S21实测数据和滤波器外形图 第27页/共39页（1）布线技术）布线技术 电磁隔离电磁隔离;网状（栅格）接地面网状（栅格）接地面;（2 2）层间互连技术）层间互连技术 （3 3）模块互连技术）模块互连技术 丝焊、丝焊、TABTAB（载带自动焊接）、倒装焊（载带自动焊接）、倒装焊（4 4）散热设计）散热设计 热匹配、热膨胀热匹配、热膨胀（5 5）建模技术）建模技术5.4 MCM关键技术第28页/共39页5.5

13、LTCC 设计举例X波段LTCC接收前端第29页/共39页根据系统设计需要，选取器件如下：前两级低噪声放大器均选用HMC516，第一个混频器选用HMC130，第二个混频器选用HMC277MS8，两个中频放大器均采用ERA-5，X波段镜频抑制带通滤波器采用多层五级切比雪夫交指型带通滤波器结构实现，L波段镜频抑制带通滤波器采用一种新型的四级准椭圆函数带通滤波器结构实现，最后的中频带通滤波器采用集总电感电容实现（外购）。第30页/共39页 工艺实现方面，介质材料FerroA6M，介电常数5.7，每层厚度0.094mm（烧结后）。根据以上所选器件的性能指标（部分为估算），可以大约估算出接收前端的增益和

14、噪声系数，分别是44dB和3.1dB。估算过程未考虑传输线，接头，互联，器件装配引入的损耗，所以，实际测试结果与估算值之间会有些出入。第31页/共39页接收前端中关键部件设计接收前端中关键部件设计X波段LTCC交指型带通滤波器设计目标：设计目标：中心频率中心频率9.5GHz9.5GHz，带宽带宽1GHz1GHz，带内回波损耗优于带内回波损耗优于20dB20dB，对对6.76-7.76GHz6.76-7.76GHz抑制优于抑制优于25dB25dB。该滤波器的介质基板有二十层介质，该滤波器的介质基板有二十层介质，带通滤波器被埋置在上面的四层介质内，带通滤波器被埋置在上面的四层介质内，微带地在第五层

15、金属层，剩余的十六层介微带地在第五层金属层，剩余的十六层介质可以埋置其它电路结构和走线。质可以埋置其它电路结构和走线。第32页/共39页测试样品仿真结果与测试结果整个滤波器的面积是整个滤波器的面积是8.17.4 mm2。测试结果波形与仿真结果吻合的非常好。测试结果波形与仿真结果吻合的非常好。实测结果显示，在实测结果显示，在9-10GHz的频率范围内，插入损耗小于的频率范围内，插入损耗小于2.9dB（包括两个（包括两个SMA接头），回波损耗优于接头），回波损耗优于11dB，对，对6.76-7.76GHz抑制优于抑制优于35dB，达到了设计要求。，达到了设计要求。第33页/共39页新型的准椭圆函数

16、带通滤波器立体结构图新型的准椭圆函数带通滤波器立体结构图设计目标：设计目标：中心频率中心频率1.14GHz1.14GHz，带宽带宽0.08GHz0.08GHz，带内回波损耗优于带内回波损耗优于15dB15dB，对对1GHz1GHz的抑制优于的抑制优于25dB25dB，对对7.88-8.88GHz7.88-8.88GHz的抑制优于的抑制优于20dB20dB。第34页/共39页 仿真结果显示，通带插入损耗小于仿真结果显示，通带插入损耗小于4.5dB4.5dB，回波损耗优于，回波损耗优于16.2dB16.2dB，在阻带内，在阻带内，对对1GHz1GHz的抑制优于的抑制优于53dB53dB，对，对7.

17、88-8.88GHz7.88-8.88GHz的抑制优于的抑制优于21dB21dB。另外，在滤波器的。另外，在滤波器的阻带内有四个传输零点，分别是：阻带内有四个传输零点，分别是：0.85GHz0.85GHz，1GHz1GHz，1.28GHz1.28GHz和和2.48GHz2.48GHz，其中，其中，传输零点传输零点1GHz1GHz和和1.28GHz1.28GHz是由于谐振器是由于谐振器1 1和和4 4之间的跨偶产生的，而传输零点之间的跨偶产生的，而传输零点0.85GHz0.85GHz和和2.48GHz2.48GHz是由于输入输出结构引入的。显然，本文设计的是由于输入输出结构引入的。显然，本文设计

18、的L L波段带通滤波段带通滤波器达到了设计要求。波器达到了设计要求。第35页/共39页X X波段波段LTCCLTCC接收前端系统布局接收前端系统布局X X波段波段LTCCLTCC接收前端的截面图接收前端的截面图正面板图正面板图背面板图背面板图1.1.包含二十层介质层和十二层金属层。包含二十层介质层和十二层金属层。2.2.为了方便安装为了方便安装MMICMMIC芯片，在介质基板芯片，在介质基板1 1到到3 3层内预留有小空腔。层内预留有小空腔。3.3.整个介质基板的尺寸整个介质基板的尺寸26162mm26162mm3 3，结构非常紧凑。结构非常紧凑。第36页/共39页X X波段波段LTCCLTCC接收前端实现接收前端实现测试样品1.1.介质基板是介质基板是FerroA6MFerroA6M，介电常数，介电常数5.75.7，每层，每层厚度厚度0.094mm0.094mm（烧结后）。（烧结后）。2.2.整个前端的尺寸是整个前端的尺寸是302020 mm302020 mm3 3。X X波段波段LTCCLTCC接收前端增益和噪声系数测试结果接收前端增益和噪声系数测试结果第37页/共39页小结MCM概念MCM的分类MCM的优点微波LTCC 元件设计微波LTCC接收模块设计第38页/共39页感谢您的观看！第39页/共39页