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。

另外还有一种方法，通过使用嵌入式电感（层压板内部）和 SMT 电容来制作滤波器这类功能块。这样做的结果是，除了占用面积超过 LTCC 或 IPD 以外，在性能方面也有局限。此外，由于组装一个整体的集成功能块的过程被拆分成两部分（PCB 电感和 SMT 电容），封装要获得好的良率就必须对组装工艺提出更严格的要求。

SMT 器件具有大小不同的尺寸。在射频模块应用中，当前最常用的是 0201。更小尺寸的 01005 器件刚刚出现，但是它们通常比较昂贵而且器件值也有限。这些 SMT 器件的贴放通常使用高速贴片机，然后通过回流焊接在层压板上。

图 3 一个 RF 模块中，IPD 键合在层压基板上(a)，或 IPD 倒装在基板上

IPD 可以是裸芯片形式或凸点器件，然后通过引线键合或倒装焊接到基板上（图 3）。凸点 IPD 芯片可以和 SMT 器件一起使用高速贴片机进行贴放，贴装完成后，其它芯片可以通过引线键合直接放到基板上。

示例研究＃1—— GSM 匹配电路

在一个 RF 接收器中，需要使用一些匹配电路，来提高 PA 和 LNA 这些有源电路的性能。这些匹配电路包括 RCL 器件。由于考虑成本和性能，这些 RCL 器件可以从芯片中去除，并通过 SMD 或 IPD 形式实现。

我们对一个客户的 GSM 传送模块使用片外匹配器，并进行了对比研究。在该模块中，有 73 个用于匹配电路和 DC 解耦的无源器件，如果只使用 SMD 元件（假设所有器件可选用 0201），封装尺寸将是 11mm×11mm。然而，如果某些器件用 IPD 形式实现，模块的尺寸可以得到明显的缩小（表 1）。

表 1 SMD 和 IPD 方案封装尺寸的比较

对于这些 GSM 的低频（860MHz）和高频（1800MHz）匹配器，IPD 方法非常适合。除了一些大容量的解耦电容，55 个 RCL 可以制作在一个尺寸更小的 IPD 网络中，封装大小可以达到 7mm×7mm。为了简化，布线的复杂度在所有的示例中没有考虑。

应当注意到，IPD 网络是被当作一个集成芯片来对待的，因为它的外形系数和厚度都与一个集成电路相近。IPD 网络与传送芯片堆叠，虽然增加了模块的厚度，但由于 IPD 仅仅 0.25mm 厚，对厚度的增加没有明显的影响。因此，IPD 封装堆叠节省了空间，并可以通过引线键合或者倒装焊的形式，堆叠在另外一个芯片的上方或下方。

示例研究#2 —— GSM 不平衡变压电路（Balun Circuits）

为了抑制噪声和提高 PA 性能，常常对 PA 采用微分输出设置，因而，需要一个变压器，来将单步端转换到微分端。然而，业界能提供的变压器具有固定的阻抗变压比，例如 50.0～100.0Ω变压器或 50.0～200.0Ω变压器。大多数的 PA 具有低的输出阻抗，以传送高功率。这就需要在变压器和 PA 之间设置一个匹配电路，如图 5（b）所示。在该例中，功率放大器（PA）输出匹配电路和变压器功能块，被用来展示使用 IPD 技术的功效。

图 4 两种方案的封装比较

应用中有 GSM 低频（860MHz）和 GSM 高频（1800MHz）电路。对每个频带，有一个匹配电路和一个变压器，将一个微分功放输出转换到单步端输出（50.0Ω）。该产品现有形式中，客户使用了标准芯片多层 LTCC 变压器，尺寸分别为 2.0mm×1.25mm×0.95mm 和 1.6mm×0.8mm×0.6mm。由于标准的变压器有 50.0～200.0Ω阻抗转换，和特定的功放输出阻抗不匹配，该模块需要一个独立的匹配电路（4 RCL 器件）在功放和变压器之间。现有的 LTCC+SMD 的解决方案如表 2 所示。

表 2 使用 IPD 和分离器件的面积比较

由于可以设计一个 IPD 变压器来匹配任何的功放输出阻抗，因此没有必要使用独立的匹配电路（每个频带 4 个 RCL）。换言之，匹配功能可以嵌入到 Balun 变压器中。IPD 方案的整体尺寸为 2.5mm2，大约比现有的 LTCC+SMD 方案的尺寸小四倍。除此之外，IPD 匹配器和变压器电路只有大约 0.25mm 高，这也比离散的 LTCC 器件薄。

图 5 （a）GSM 高低频段中的 IPD Balun。尺寸为 1.5mmX1.0mm 和 1.0mmX1.0mm。匹配的功能已经嵌入在 Balun 变压器中；（b）输出匹配电路和变压器功能块解决方案示意

该 IPD 解决方案完全去除了在匹配器和变压器模块中使用 SMD 器件，它不仅使面积缩小了四倍，而且大大降低了封装过程的成本。由于其集成在一个 IPD 模块中，而非使用一个 LTCC 分离器件 Balun 变压器和四个 RCL，良率和工艺变化的影响都得到改善。

结论

关于射频封装的理想解决方案近年来有许多研究，最重要的是要在成本、体积和性能需求之间谋求平衡。尽管引线框架技术中已取得显著的进展，而 LTCC 基板性能也已经得到提升，但是，在绝大多数的应用中，使用 IPD 集成和层压基板的技术还是最好的整体解决方案。

层压基板低成本、灵活性高、具有成熟的供应链和快速的制造周期。IPD 可以制作出卓越的射频功能块，并能够象芯片或 SMT 器件一样方便地贴装在层压基板上。将层压基板和 IPD 结合在一起，为射频解决方案提供了一个非常广阔的范围。本文中所研究的两个 GSM 应用实例，仅仅在于说明典型的尺寸缩减，该技术同样可以应用在移动电视、GPS、WLAN 和 WiMax 等设备的射频电路应用中。