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SMD技术向高端的发展趋势
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Trends of SMD Technology
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■中国电子科技集团第四十三研究所研究员 张经国
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引言
电子整机在小型化、便携式、多功能、数字化以及高可靠、高性能方面的需求，进一步推动表面贴装型元器件（SMD）技术向集成化迅速发展。原有的单一功能片式元器件无论从尺寸或功能、性能、可靠性等均远远不能满足需求。SMD采用混合微电子技术，进一步向混合集成化发展，已成为必然趋势。其中应用最多的是低温共烧陶瓷（LTCC）技术、多芯片组件（MCM）技术以及球栅阵列（BGA）封装技术、芯片尺寸封装（CSP）技术。
移动通信中采用LTCC技术制作的SMD型VCO、LC滤波器、频率合成组件、GSM/DCS开关共用器、DC/DC变换器、功率放大器、蓝牙组件等均已获得越来越广泛的应用。此外，在便携式消费电子产品和汽车电子中也均成功地应用了BGA和QFP结构的SMD型MCM。
LTCC技术在SMD中的应用
在SMD中采用LTCC技术的目的旨在提高组装密度、缩小体积、减轻重量、增加功能、提高可靠性和性能，缩短了组装周期。LTCC是一种新型的陶瓷多层基板技术，它与其它多层基板技术相比较，具有以下特点：
1)易于实现更多布线层数，提高组装密度；
2)易于内埋置元器件，提高组装密度，实现多功能；
3)便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本；
4)具有良好的高频特性和高速传输特性；
5)易于形成多种结构的空腔，从而可实现性能优良的多功能微波MCM；
6)与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件（MCM-C/D）；
7)易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性。
LTCC技术由于自身具有的独特优点，用于制作新一代移动通信中的表面组装型元器件显现出巨大的优越性。
压控振荡器
压控振荡器（VCO）是移动通信设备的关键器件，可通过LTCC技术制作VCO，使其满足移动通信对小型、轻量、低功耗、低相位噪声（高C/N比）的要求。目前国际上已应用LTCC技术制成高性能的表面组装型VCO，并形成了系列化商品。VCO频带可达到800MHz~2GHz以上。
图1为VCO陶瓷多层基板的剖面结构，其中内含带状线谐振器。VCO所用的低温共烧陶瓷多层基板材料是高性能玻璃复合材料。所用主导体是Pd-Ag（或Ag）厚膜材料，总布线层数达10层以上。多层基板内部埋置了几个电感和电容元件。采用高精度表面贴装机在陶瓷多层基板表面组装了20多个片式元器件（其尺寸主要是1.0
0.5mm2）。为了保证VCO器件在表面贴装应用时的焊接可靠性，其侧面电极进行电镀处理。
通过采用LTCC技术使VCO体积大大缩小。1996~2000年五年时间内，VCO的体积减小了90%以上。这种表面组装型VCO的体积仅为原来带引线VCO体积的1/5~1/20。采用LTCC技术制作的新型VCO具有体积小、功耗低、高频特性好、相位噪声小、适合表面贴装等优点，在移动通信领域得以广泛应用。目前不少公司采用LTCC技术系列化生产了SMD型VCO，其最小尺寸达5.0
4.0 1.55mm3，重量0.08g的VCO已投放市场，频带为700MHz~2.4GHz。电源电压通常为2.2~3.0V，消耗电流≤5mA。这种小型化VCO在GSM、DCS、CDMA、PDC等数字通信系统终端以及全球定位系统（GPS）等卫星通信相关的终端得以大量使用。
频率合成器（VCO/PLL）组件
美国国家半导体公司采用LTCC技术制作的BGA封装的SMD型合成器（VCO/PLL）组件集成了高性能的锁相环（PLL）频率合成器、压控振荡器（VCO）和环路滤波器。
图3示出了该组件内部结构简图，其中包括PLL单片IC。一个两级VCO。该两级VCO包括一个振荡级和一个缓冲级。振荡级的输出耦合到缓冲级，通过三极管实现与负载隔离和放大的功能，通过变容二极管上加以电压进行调谐。此外，在LTCC基板中内埋置了电感器和电容器，用以设置振荡频率。同时，还内埋置了两个反馈电容、级间耦合电容和输出电容以及谐振电感和输出匹配电感。一共内埋置了4个电容和2个电感。该LTCC组件的布线层数共计19层。
GSM/DCS开关共用器
随着移动电话功能日益丰富，其电子元件向多功能、复合化发展。在GSM/DCS复合移动电话中广泛使用的叠层结构GSM/DCS开关共用器即是典型的代表。它将原来以单个元器件构成的双工器、高频开关、低通滤波器等采用低温共烧陶瓷多层基板技术集成在一起实现一体化（如图4所示）。
1983年日本TDK公司将低温烧结的铁氧体材料（Ni-Cu-Zn）和低温烧结的陶瓷介质材料（TiO2或SrTiO3等）叠层在一起，进行共烧，构成了片式叠层LC滤波器，其结构如图5所示。
TDK公司采用该技术还制作具有输入、输出、接地三个引出端的叠层结构SMD型三端滤波器和滤波器阵列，其中内含多个电感和电容，可用作EMI元件。
SMD型DC/DC变换器
移动通信的迅速发展也进一步促进了DC/DC变换器的小型化，为SMD型DC/DC变换器提供了广阔的应用市场。国外不少电源制造厂商都在采用LTCC技术积极开发标准的SMD型DC/DC变换器，其额定功率从5W到30W，具有各种通用的输入、输出电压。一些新的DC/DC变换器设计还可提供较短的启动时间。
TDK公司采用多层铁氧体（Ni-Cu-Zn）和厚膜浆料（Ag）共烧形成具有变压器和电感器功能的多层基板，然后在其表面印刷厚膜电阻和布线，组装片式功率器件和独石电容，研制成SMD型DC/DC变换器（见图6）。其尺寸仅为传统厚膜集成DC/DC变换器的1/3~1/5。还可用此技术将EMI滤波器做在电源内，缩小体积。
新开发的移动通信机功放驱动用的SMD型DC/DC变换器，输入电压3.6V，输出电压6.0V，输出电流600mA，尺寸仅为15 10
4mm3，重量2g。
此外，采用LTCC技术还制作了移动通信用的片式多层天线、蓝牙组件、射频放大压控衰减器、功率放大器、移相器等表面安装型器件。
MCM技术在SMD中的应用
MCM技术是一种典型的高级混合集成技术，是混合微电子技术向高级阶段发展的集中体现。MCM与目前的SMT组装电路相比，体积和重量可减少70%~90%；单位面积内的焊点减少了95%以上，单位面积内的I/O数减少84%以上，从而使可靠性提高5倍以上；信号互连线大大缩短，使信号传输速度可提高4~6倍，并且大大地增加了功能。因此，将MCM技术与SMT技术紧密结合，形成表面组装型（包括QFP、BGA等结构）的MCM，对于高端SMD的发展已势在必行。
图7为Motorola公司研制的适用于表面贴装的塑料方形扁平封装（PQFP）结构的MCM，用于汽车电子控制系统。该MCM属于叠层型MCM（MCM-L），采用了7层高密度印刷板。第一层主要用于芯片互连和所有芯片I/O引出端；第二层用作接地平面，要求信号线屏蔽于两接地层之间。第三层具有多种功能：芯片粘接面、芯片偏置、热耗散以及第四层的参考平面。第三层还提供一个与QFP
I/O引脚的界面。第四层用作电源平面，其中埋置有少许数据和地址信号线，主要是由X方向信号线组成。第五层用作主数据和地址信号线层。第六层用作第五层和第七层的接地参考面。第七层用作关键网点层。该组件的基板尺寸为40mm，内含微控制器芯片和闪存芯片，PQFP
MCM的引脚为232个（节距0.65mm）。
SMD封装结构的发展趋势
随着SMD的功能和I/O数增加，其封装结构向两大方向发展。一是QFP封装引脚线数增加，节距减小，位置高度大大降低。二是向更高性能的BGA、CSP封装结构发展。
BGA封装的主要发展趋势是引出端（I/O数）增多（即焊球增多）、节距趋小、焊球尺寸减小、焊球阵列变密、最大位置高度大大减小、共平面性更好、成本降低。
CSP封装的主要发展趋势是引出端数增多、焊球或焊台的尺寸减小、最大位置高度减小、焊球或焊台的阵列数增多、节距减小、CSP封装的本体尺寸减小、共平面性更好、成本降低。
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