Корпуса для микросхем на миллиметровых волнах:
зачем они нужны и как мы их делаем?

Ответ в том, что с корпусными устройствами значительно проще обращаться и они подходят для крупно­серийного производства и монтажа. Бескорпусные кристаллы требуют специального обращения в условиях чистого пространства, а на плату, содержащую такие кристаллы, очень сложно паять другие компоненты. Поэтому чипы, имеющиеся в любом коммерческом продукте, который планируется изготавливать в достаточно больших количествах, скорее всего, должны быть в соответствующем корпусе.

Поскольку 5G создает большой спрос на схемы на миллиметровых волнах (mmWave), это становится причиной дополнительных сложностей упаковки. Физические размеры корпусов становятся значительной частью длины волны, что может вызвать проблемы с резонансом. Всегда нужно принимать во внимание паразитные компоненты проводного соединения, но при более высоких частотах воздействие индуктивных паразитных компонентов может серьезно повлиять на эффективность — следовательно, проводное соединение необходимо считать неотъемлемой частью схемы.

На миллиметровых частотах могут быть использованы некоторые типы корпусов, каждый со своими плюсами и минусами, поэтому их выбор будет зависеть от конкретного устройства. Однако есть общие правила разработки, применимые ко всем видам корпусов.

Во‑первых, необходимо продумать, как корпус будет взаимодействовать и с кристаллом, и с печатной платой. Ключ к успешному корпусированию — совместная разработка схемы и корпуса, чтобы оптимизировать эффективность всего корпусного устройства, а не только самого чипа. Важно начать с того, что размер кристалла должен соответствовать размеру корпуса — это позволит сделать соединительные провода максимально короткими и снизить их индуктивность.

Паразитные компоненты проводного соединения также можно уменьшить за счет использования двух или даже трех соединительных проводов параллельно, что потребует большей соединительной площадки на схеме. Увеличение емкости большей по размеру контактной площадки может помочь улучшить РЧ-производительность корпуса за счет создания фильтра нижних частот в сочетании с индуктивностью проводного соединения. Также полезно оптимизировать емкость на печатной плате, поскольку она образует другой конец фильтра.

Формованные пластиковые корпуса — это рабочая лошадка недорогого крупносерийного производства. Технология основана на выводной рамке: тонкий лист металла с вытравленными на нем контурами множества устройств. Кристаллы обычно присоединяются с помощью проводимого эпоксида, затем на контактные площадки добавляют соединительные провода, и все устройство помещается в пластиковый формовочный компаунд. Добавление формовочного компаунда также увеличивает потери и диэлектрическую нагрузку, что необходимо учитывать в процессе проектирования.

Многие процессы предполагают пассивацию чипа, что позволяет смягчить влияние формовочного компаунда. При проектировании миллиметровых микросхем всегда применяется электромагнитное моделирование (ЭМ), и эта оптимизация должна включать в себя формовочный состав.

Упакованное в корпус устройство должно быть установлено на печатную плату, что требует тщательной разработки. Подложка печатной платы не должна быть слишком толстой, так как это делает ее дисперсионной при более высоких частотах — характеристики распространения волн зависят от частоты. Кроме того, применение тонкой подложки помогает снизить индуктивность заземления и улучшает теплопроизводительность. Для присоединения кристалла большинство миллиметровых микросхем в пластиковых корпусах имеют открытую контактную площадку, которая должна быть соединена с заземлением печатной платы. Для этого используется массив переходных отверстий, а тонкая подложка помогает сохранить низкую эффективную индуктивность заземления. Если индуктивность заземления окажется слишком высокой, вокруг микросхемы может возникнуть ответная реакция, которая ухудшит производительность и в итоге создаст проблемы со стабильностью.

Поскольку индуктивность увеличивается и с частотой, и с коэффициентом усиления, эффект от этого особенно выражен на миллиметровых частотах, что делает необходимым заземление с низкой индуктивностью. Большинство доступных на рынке усилителей миллиметрового диапазона в корпусах для поверхностного монтажа имеют коэффициент усиления около 20–25 дБ; при использовании миллиметровых усилителей с более высоким коэффициентом усиления вероятны проблемы при заключении в корпус для поверхностного монтажа.

Для некоторых устройств можно применять настраиваемую выводную рамку, предлагающую функции, упрощающие эксплуатацию при более высоких частотах. За счет заземления некоторых неиспользуемых выводов непосредственно на контактную площадку кристалла можно улучшить целостность заземляющего соединения и таким образом снизить индуктивность заземления и улучшить переход от радиочастотных портов к микросхеме. Формованные корпуса обычно предназначаются на 30–35 ГГц, но в зависимости от функциональности микросхемы они могут отлично работать и на более высоких частотах.

Пластиковые корпуса с воздушными полостями кажутся похожими на формованные, но у них есть воздушная полость над чипом, которая снижает воздействие формовочной смеси на производительность устройства. Хотя этот вид корпуса требует определенных затрат на инструменты, он предлагает лучшую радиочастотную характеристику на более высоких миллиметровых частотах и успешно используется в Plextek RFI для создания усилителей мощности на частотах до 43 ГГц. На рис. 1 показано сравнение формованного пластикового корпуса и корпуса с воздушной полостью. Оба корпуса имеют плоскую четырехугольную конфигурацию без выводов (QFN) размером 5×5 мм.

Рис. 1.
а) Формованный пластиковый QFN-корпус 5×5 мм, содержащий 28 ГГц FEM;
б) QFN-корпус с воздушной полостью 5×5 мм, содержащий 39 ГГц

На рынке также существуют керамические корпуса с открытым корпусом, демонстрирующие отличную работу до 40 ГГц. Имеющая твердое металлическое основание и воздушную полость микросхема может быть спроектирована в соответствии с размерами корпуса, что обеспечивает оптимальную РЧ-эффективность корпусированной детали. Хотя они значительно дороже пластиковых корпусов, особенно при низких объемах, но при увеличении количества издержки заметно снижаются.

Преимущество керамических корпусов в том, что они более устойчивы к окружающей среде и потенциально более герметичны. Можно разработать версии под заказ, но самой популярной версией является стандартный корпус с подтвержденной радиочастотной эффективностью. Многие открытые керамические корпуса выпускаются в формате QFN — это самый распространенный подход для миллиметровых волн.

Корпуса из слоистого материала (Laminate packages) также могут быть выполнены в формате QFN. Потенциальное преимущество данного типа корпусов состоит в том, что их можно настраивать изнутри в соответствии с размером кристалла. Кристалл устанавливается во внутреннее углубление, верхняя поверхность которого находится практически на той же высоте, что и место присоединения кристалла, это позволяет сократить длину проводов.

Такие корпуса оптимальны и для монтажа нескольких кристаллов в один корпус (рис. 2), поскольку в них можно прокладывать маршруты между микросхемами и даже устанавливать дискретную фильтрацию, не требующую дополнительных затрат. Корпуса из многослойного материала для поверхностного монтажа использовались для коммерческих продуктов на частотах до 45 ГГц.

Рис. 2. QFN-корпус из слоистого материала 10×10 мм с тремя чипами 25 ГГц FEM с дискретной фильтрацией

Корпусирование на уровне пластины в масштабе кристалла (Wafer Level Chip Scale Packaging — WL/CSP) в большей степени распространено для кремниевых микросхем, чем для GaAs. На заключительном этапе обработки добавляется «уровень перераспределения», который обеспечивает возможность маршрутизации на верхней части чипа, как на основании корпуса в масштабе кристалла. Затем микросхема переворачивается (монтаж методом перевернутого кристалла) в соответствии с формой корпуса — это снижает индуктивность не только РЧ-соединения, но и соединений от верхней части микросхемы к заземлению. В отличие от GaAs-чипов кремниевые микросхемы изначально не обладают низкой индуктивностью на панель заземления, поэтому метод перевернутого кристалла практически всегда используется в качестве средства соединения кремниевой РЧ-микросхемы с корпусом с низкими паразитными характеристиками.

И наконец, антенна в корпусе (AiP) может стать полезным решением, так как этот метод избавляет от необходимости в РЧ-порте для печатной платы, а значит, конструкцию удается сделать очень компактной. Она может содержать матрицу антенн, совмещенную с фазированной решеткой. В результате на компактном пространстве увеличивается функциональность, что весьма привлекательно для миллиметровых 5G потребительских продуктов. К недостаткам метода относится его специфичность для продукта и отсутствие возможности добавить дополнительную фильтрацию вне корпуса, то есть все требования по фильтрам должны быть предусмотрены внутри корпуса.

Нельзя недооценивать и важность проблемы проведения тестирования продуктов с миллиметровыми микросхемами. Для этих типов корпусов нужен специальный крепежный блок для проведения испытаний, минимизирующий паразитные характеристики и позволяющий выполнять калибровку по эталонным панелям корпуса. Также необходимо разработать подходящую плату нагрузок, чтобы создать реалистичные условия работы для испытания.

В заключение отметим, что корпусирование микросхем на миллиметровых волнах создает для MMIC-проектировщика ряд уникальных задач. Связанные с ними паразитные характеристики могут привести к серьезному ухудшению качества на данных частотах, но при внимательном проектировании этого можно избежать и производить корпусированные устройства для поверхностного монтажа с превосходной эффективностью и в таких объемах, которые требуются для устройств 5G.

Сергей Шихов,
технический директор «А-КОНТРАКТ»

Сам факт перечисления нескольких видов корпусирования показывает, как развивалась эта область электроники, находясь между требованиями потребителей, с одной стороны, и возможностями производств — с другой. Это непрерывный процесс улучшений.

С точки зрения объемной топологии элементов разработчики обладают многолетним опытом расчетов. А проверка готового элемента в действии позволяет оценить эффективность модели, что является базой для расчетов в других диапазонах частот.

Иные типы корпусов и формовочные компаунды являются новой целью для производителей, которые стремятся сохранить лидирующие позиции на современном рынке.