IPD与SMD和LTCC分立器件电路的对比

射频和无线产品领域可以使用非常广泛的封装载体威廉希尔官方网站 ，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。

引线框架基板封装威廉希尔官方网站 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、芯片堆叠威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 与无源器件集成威廉希尔官方网站 （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威廉希尔官方网站 ，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2LTCC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1SMD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威廉希尔官方网站 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。尽管引线框架威廉希尔官方网站 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集成和层压基板的威廉希尔官方网站 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，该威廉希尔官方网站 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。