引言

通信、雷達和微波測量等領域電子信息裝備迅速發展, 對射頻系統提出了微型化、集成化和多樣化等迫切需求。先進封裝技術可以將不同材料、不同工藝和不同功能的器件進行異質集成, 極大提升了電子產品的功能、集成度和可靠性等方面, 成為推動射頻系統發展的關鍵引擎。

本文轉發中國電子科技集團公司第十研究所吳磊博士發表在《電子元件與材料》上的“射頻系統先進封裝技術研究進展”一文，概述了芯片倒裝、扇出封裝、2.5D 封裝和三維堆疊這四種先進封裝互聯技術在射頻系統封裝中的最新研究進展, 并從結構集成度、工藝實現性和信號傳輸等角度對不同封裝結構進行了剖析。最后, 分析了當前射頻系統先進封裝技術發展所面臨的挑戰, 并從協同設計、高效散熱和新封裝技術等方面探討了未來的發展方向。

先進封裝之倒裝封裝

倒裝封裝是將正面帶有微凸點的芯片朝下組裝到基板焊盤上。倒裝封裝的優勢是短的互聯距離減小了寄生電感、電容和電阻, 顯著提升了封裝系統的電氣性能。此外, 由于倒裝封裝過程沒有進行塑封, 可以確保芯片有效散熱。

倒裝封裝包括熱超聲、回流焊和熱壓三種鍵合工藝, 其凸點分別使用金球、錫球和銅柱。熱超聲鍵合是在超聲鍵合力和溫度的共同作用下, 將金凸點組裝在基板焊盤上, 其適用于I/O密度較小的芯片, 如聲表面波濾波器。回流焊是目前主流的倒裝鍵合工藝, 其是在錫凸點表面涂覆助焊劑, 再通過熱回流進行焊接。熱壓工藝采用高深寬比、小尺寸銅柱凸點, 能夠實現高密度互聯, 適用于I/O密度較大的芯片。

文中舉例國外的Kimura 等提出了一種低剖面相控陣雷達的T/R 組件, 其中的射頻芯片, 如低噪聲放大器(GaAs)、核心芯片(SiGe)和功率放大器/ 射頻開關(GaN), 均采用倒裝技術與封裝載板上的金凸點集成互聯(如圖(b)), 但是在該組件量產時會采用銅凸點以提高生產力。性能測試表明,該TR 組件發射功率達到20 W, 并且在X 波段的噪聲系數低至2.8dB。該研究提出的多芯片倒裝技術所封裝的TR 組件將有利于實現高性能、低剖面和高緊湊的相控陣雷達, 因此有望在射頻系統封裝領域得到廣泛應用。

先進封裝之扇出封裝

扇出封裝是將芯片嵌入到環氧模塑料中, 并通過再布線層(RDL)對焊點重新進行分配, 再裝配到基板焊盤上。該技術可以實現高密度引腳集成, 進而提高封裝系統數據交互和存儲能力, 并且短的互聯距離保證了其優異的電氣性能 。此外,層RDL 有助于解決芯片散熱問題。

文中提到較多扇出封裝在天線、射頻模塊上的研究，請閱讀下方原文。

先進封裝之2.5D封裝

2.5D 封裝是指把不同材料、工藝和功能的器件連接到由RDL 和通孔兩部分組成的中介層上, 并通過RDL 實現不同器件之間信號的互聯。2.5D 封裝方案適用于芯片引腳密度大的情況。中介層的材料主要有硅、玻璃和有機材料三種。

硅中介層在高頻條件下信號串擾和損耗較大，玻璃中介層具有高頻電學性能優異、成本低和機械穩定性強等優點, 在射頻系統封裝領域極具應用前景。

先進封裝之三維堆疊封裝

三維堆疊封裝是將多個芯片/ 晶圓/ 封裝體在垂直方向上堆疊鍵合, 進而實現高速信號傳輸的一種互聯技術。其具有超高帶寬、短的互聯距離、低功耗、高集成和高傳輸速率等優點。三維堆疊鍵合主要有三種技術形式：引線鍵合堆疊、封裝體堆疊(PoP)和芯片堆疊(3D-IC) 。

鍵合引線會影響射頻系統傳輸線的阻抗匹配, 并且會產生寄生電容和寄生電感, 因而較少應用于射頻系統的封裝。文中舉了較多堆疊封裝的案例，請大家閱讀下方原文。

芯片堆疊技術是采用晶圓上的通孔作為互聯通道,將多個芯片在垂直方向上進行堆疊鍵合, 其相對引線鍵合堆疊具有更短的互聯距離和更高的互聯密度。廖龍忠等通過面對背的方式實現了高成品率GaAs 微波電路的3D 集成，制備的Ka 波段幅相多功能芯片在32~38 GHz 頻段內的接收端和發射端增益分別優于21.5dB 和23dB。

先進封裝面臨的挑戰及發展方向

芯片-封裝-系統的協同優化設計勢在必行。

SoC 技術的集成度已接近極限，Chiplet 技術有望實現集成度更高的射頻芯片, 其是將射頻芯片按需求分成較小的裸片(Die), 并選擇最優的工藝制程進行制造, 再利用先進封裝技術將這些小的裸片封裝互聯在一起, 從而形成一個異構集成的芯片。

銅柱凸塊技術可以有效解決焊點節距受限問題，有望在射頻系統封裝過程中得到廣泛應用。

混合鍵合有望成為未來高性能射頻系統的關鍵封裝技術。

3D堆疊技術面臨散熱問題。