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3 SiP的射频系统
用SiP的5GHz无线局域网（WLAN）收发器是一个典型的SiP射频系统。为了满足象WLAN那样高端应用的性能要求，系统要完全集成在一块单芯片上(SOC)是很难实现的，因为一些前端的组件如RX/TX（收发器/接收器）开关、RF滤波器、低噪声频率综合器、VCO槽，使用标准的硅工艺技术无法制造。
图5所示的是带数字补偿技术的Zero-IF收发器封装剖面示意图[5]，包括用BiCMOS制造的低噪放大器(LNA)、功率预放大器(PPA)、用多芯片封装（MCM）的RF滤波器和天线开关，而且天线和功放嵌入了BGA封装中。用IMEC的MCM-D多层薄膜技术，一个GaAs功放、一个GaAs开关、一个嵌入式天线的高品质射频 MCM-D滤波器和一片BiCMOS IC已经单一集成。在5GHz WLAN的应用中，这些器件组成了收发器的第一个区（见图6）。
MCM-D是一种通过倒装芯片技术,集成了包括高品质无源器件的互连技术。其薄膜的平面印刷特性保证了无源器件的较低容限偏差（电感为1％， BCB电容为5％）。一个0.35μm 的SiGe BiCMOS IC包括了一个LNA和一个PPA，它用倒装芯片的方式和一个GaAs的TX/RX开关一起安装在MCM- D模块中。
这个MCM-D模块深嵌入一个BGA封装的层压板中，与用倒装芯片技术制造的GaAs功放线焊连接在一起（见图7），这个功放需要一个外部匹配网络设计在MCM-D衬底中。和BGA底座类似，一个正方形的带圆形偏振的天线设计在一个层压板上，第二个层压板象盖子一样，把MCM-D模块和功放封装在BGA上面。
这个尺寸为30 mm×30mm×4.8mm的射频封装深嵌在测试用的PCB板中，如图8所示。同时测试接收和发射电路的转移特性参数表明：在系统级总体封装下，采用结合IC和 MCM-D技术的BGA封装技术，是无线电通信系统的一种可行的解决方案。
4 射频系统设计、测试与仿真
4.1 设计
射频系统的SiP设计必须树立全局设计思路，特别要重视验证和优化。采用SiP的射频系统的设计流程类似SOC，采用自上到下，从系统级到物理层的层次化设计步骤，其主要步骤如下。
（1）SiP底板规划（布局布线设计）：① 各器件封装选择；② GDN/PWR选择；③ 差动级设计；④ 射频/微波设计；⑤ 阻抗匹配；⑥ 最小化嵌入损耗。
（2）验证信号完整性：① 系统级分析；② 信号分类、跟踪优化；③ 处理好噪声、交调失真、时延、功耗的问题。
（3）SiP布局布线和验证。
（4）SiP模型制作,其中封装建模参数有：① 节点元素L，R，C，G；② 分布式节点元素L，R，C，G；③ SPICE网表和线路时延数据；④ 阻抗；⑤ 传输线参数；⑥ S参数。
（5）系统优化：① 降低系统工作电压；② 优化低电压差分信号技术；③ 优化差动线；④ 最小化管芯上的直流压降；⑤ 优化功耗分布结构。
4.2 仿真
SiP的射频系统在各个设计阶段都要进行必要的功能和性能的仿真和优化，特别是要考虑热学和机械力学方面的仿真。仿真流程如图9所示（括号内为所用仿真工具）。下面对最关键的电学和热学特性的仿真特殊要求作一简明阐述。
4.2.1 电学特性
电学特性有两个必须考虑的因素：（1）射频 SiP的内部布线必须十分精确且为常数，因为它比IC内部布线跨越更大的数据传输距离；（2）待连接的末级放大器/接收器一定要取得精确的SPICE模型，因为SiP的高速性能是和器件特性紧密联系在一起的。因此，在SiP设计阶段就必须把SiP的底板设计和分析结果恰当地反馈给大规模集成电路的设计环境。而力学特性也影响了电学特性，因此SiP中要求有一致的接触强度、最小化的接触电阻、接触管脚间要尽量少的交叉连接、良好的阻抗模式（Z）因素、可容纳最少250k器件的良好机械集成度以及接近零的容抗和阻抗。
4.2.2 热学特性
射频系统的热耗散问题是很重要的。因为整个系统单一封装，尤其堆叠式SiP包含了多种大规模集成电路芯片，功耗密度将大大增加，由功耗引起的系统温度也将升高。温度的上升，一方面将影响器件的性能，严重时会导致器件烧毁；另一方面还会使系统中各种半导体材料间的热扩张产生热失配，导致与时间和温度紧密相关的焊接点的畸变，而这种畸变的积累最终会导致焊点的断裂，最终造成集成系统的失效。所以，为了保证系统性能的可靠性，在设计时要精确考虑散热和热量分布问题。可以事先仿真由系统功耗引起的温度分布，分析其对系统各方面的影响，并研究相应的热耗散处理方法。特别要注意射频系统中的功放位置分布，优化位置排布有利于散热。
4.3 测试分析步骤和流程
（1）用Cadence（SPECCTRAQuest）完成高速数字信号完整性分析；
（2）各级别的设计周期测试、解决电特性问题；
（3）布局布线策略可靠性分析；
（4）测试并解决时序、延迟、中断、交调失真、功率传输和电磁干扰等问题；
（5）多层板和系统级多系统测试分析。
5 结束语
SiP为射频系统提供了一种优越的封装解决方案，它结合了集成有源电路的（Bi）CMOS IC、集成高品质因素的无源器件的射频多芯片模块（MCM），很容易地将一个像5GHz WLAN收发器这样的系统集成在一个封装中。SiP射频系统必须将设计、测试、仿真验证、制造各个方向有机结合起来才能保证电路性能，有效降低了总体成本和上市时间。 |
