集成两路射频SiP发射器的设计和研究

2016-11-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

Nozad Karim,周嵘,Ozgur Misman,Mike DeVita,邹毅达

摘要:随着移动,通信和其它电子应用领域的不断进步,系统集成需求日益紧迫。除了可以应对系统性能,功能,成本和小型化的更高要求,系统级封装(SiP)在降低开发成本,实施灵活设计,缩短开发周期,和集成异质芯片上也有突出优势。这篇文章介绍了一个可用于手机基站系统的双通路发射系统SiP模块开发。我们用计算模拟方法辅助优化设计,并成功制造和验证了SiP模块。SiP为内嵌电磁干扰屏蔽罩的12mmx12mmx1.9mm的LGA。各种射频信号性能均通过测试,包括严格的隔离度要求。电磁屏蔽测试和计算模拟结果高度吻合。最后,文章介绍了一种高效的计算模拟方法,极大地缩短了计算模拟的时间,并对未来射频SiP开发将提供有力帮助。

关键词:系统级封装; 射频; 电磁干扰隔离;发射器;HFSS

1 引言

随着人们对移动,计算,通信等各类电子系统性能,功能,成本和外观尺寸要求的不断提高,系统级芯片(SoC)和系统级封装(SiP)在电子产品设计中的应用快速增长。与用单颗芯片来实现系统或子系统功能的SoC相比,SiP虽然在小型化和单位成本上的优势不及SoC,但在很多方面优势明显,如较低的开发成本,较短的市场进入时间,更灵活的系统设计,异质功能芯片集成,和对系统整体成本的降低等。

SiP通常包括一颗或几颗芯片,芯片可以是预封装好的芯片,或是裸片。在SiP中应用裸片可以发挥SiP在小型化和功能提高方面的最大潜力,但只有应用已知合格裸片(KGD),才能保证SiP的最终良率,从而控制合理的SiP生产成本。多个不同功能的芯片可以由不同的半导体制程技术制造,如Si CMOS,或GaAs HBT等。灵活地组合这些异质芯片以完成一个系统或子系统的功能,是系统级封装的重要功效。SiP通常也会包括一些无源元件,如电阻,电容和电感,用以帮助成功实现系统功能。

系统公司组织电子产品的设计和制造,在SiP模块的开发,制造和应用上起着至关重要的作用。传统的模式是,系统公司根据各家芯片公司所提供的芯片的性能设计搭建电子系统。这些芯片都已经过封装测试。由于小型化,低成本,和高性能等需求,系统公司需要开发SiP模块来进行系统集成。系统公司首先要考虑如何分割系统使其中的一个部分或几个部分可以用SiP模块来代替。例如在图1的手机收发基站系统中,可以开发四种类型的SiP 模块:各种带宽的信号发送及反馈SiP 模块;各种带宽的信号接收SiP 模块;供电管理SiP 模块;数字和存储SiP 模块等。

图1 手机基站的收发系统

然后,系统公司在平衡SiP功能,性能,开发生产成本等因素之后,决定是否采用和采用什么样的SiP解决方案。本文所研究的SiP就是集成了手机基站发射系统中的两路射频发射线路。

众多文献已经对SiP的典型设计流程和在现代电子产品中的应用作了广泛阐述,但如何用计算机模拟方法指导SiP模块设计和系统验证,还少有介绍。本文将介绍两路发射SiP模块的设计,制造和实验,并介绍如何用合适的电模拟方法来辅助SiP模块的基板设计和电磁干扰(EMI)屏蔽设计。特别是,针对SiP模块在系统测试板上的性能模拟提出了优化方法,这为将来的SiP模块开发提供了有效的设计和验证手段。文章描述了三种三维HFSS模拟模型,分别是,SiP模块模型,系统测试板模型和SiP组装到系统测试板的模型。通过对实验和模拟结果的比较,3D模型的精确性得到验证。事实表明,用合适的模拟方法辅助SiP模块设计,可以优化封装性能,提高设计效率,降低开发成本和缩短开发周期。

2 双路发射系统SiP模块设计

研究所用的双路发射SiP模块包括了两路完整的射频发射线路,为4层有基板的12mmx12mmx1.9mm的栅格阵列封装(LGA)。因为SiP的设计功耗是3.6W,基板通孔使用实心铜孔,以提高传热性能。每路射频发射线路包括5颗有源芯片和9颗无源元件,所以SiP模块总共有10颗有源芯片和18颗无源元件。带有隔腔的金属屏蔽罩被用于阻断两路发射线路之间的电磁耦合和SiP与外界信号之间的电磁干扰。

从两路发射信号的功能角度看,发射线路输入信号的频率在0到300MHz之间,输出信号的频率大约为2GHz。两路发射信号都包括了完整的信号发射所需的模拟/射频功能,如预放大器,上变频混频器,增益控制等,从而将低频低功率的信号转变成2GHz的高频信号,并将其控制在一定的输出功率范围内。图2是双路发射SiP的功能示意图。图3是SiP模块的设计和布局示意图,图4是SiP模块LGA互联点的设计。

图2 双路发射SiP的功能示意图

图3 SiP模块的设计和布局示意图

图4 SiP模块的LGA互联点的设计

传统的系统级别的金属屏蔽罩方法也可以有效地用于封装级别上的EMI屏蔽设计。图5是所设计的带有隔腔的嵌入式金属屏蔽罩。因为整个SiP需要进行塑封流程,金属屏蔽罩上需要合理打孔来保证环氧树脂(epoxy)的正常流动,以获得合格的塑封SiP。同时,打孔的尺寸也不能太大,以免影响EMI屏蔽性能。此外,受制造工艺限制,这种带隔腔的金属屏蔽罩的高度必须保证1.3mm,虽然0.55mm高度的屏蔽罩已经可以满足SiP的封装要求。屏蔽罩的高度对屏蔽性能有一定影响,所以将来需要选择更合适的屏蔽罩制造工艺,以降低屏蔽罩的高度。在SiP的设计阶段,我们在电子,机械,和传热方面都进行了大量的模拟计算,保证了产品开发在功能和制造上的有效性。

图5 带有隔腔的嵌入式金属屏蔽罩

3 模拟及测试验证装置

如前所述,在SiP的设计阶段,我们就采用了计算机模拟手段对发射信号间的屏蔽性能进行了大量的模拟计算。在这些模拟计算中,我们采用了详细的三维HFSS仿真模型,针对SiP模块在理想系统板上和独立探针测试等工作状态,对多种屏蔽罩和接地设计假设进行了分析计算。其结果被用于指导SiP模块的基板和金属屏蔽罩设计。图6是整个屏蔽的SiP模块的三维HFSS模型。

图6 双路发射系统SiP模块的三维HFSS模型

基于最优化的设计,我们生产加工了双路发射系统SiP模块和系统测试线路板。SiP模块被组装到系统测试板上进行各式射频信号性能测试。所测试的射频性能,如功率,增益,增益控制,和频宽等均符合设计指标。图7是基于SiP模块在系统板上测试的HFSS仿真模型。

在验证SiP模块隔离度的测试上,三种测试方案分别为:应用探针对SiP模块的测试;单独系统测试板的测试;和SiP模块组装在系统板上的测试。我们将这些测试结果与HFSS/ADS的模拟计算结果做了仔细对比,对比结果高度吻合。因此,通过合理的计算机模拟,我们可以优化SiP的基板和EMI屏蔽罩设计,而在较小的封装体内获得较高隔离度的射频性能。图8是SiP模块在系统测试板上隔离度测试设置示意图。

图 7 SiP模块组装在系统测试板上的HFSS 计算模型

图8 SiP模块在系统测试板上隔离度

测试设置示意图

4 测试与模拟计算结果对比

本章将分别描述三种SiP模块的隔离度测试设置,以及测试与模拟计算结果的对比。同时,对三维全波HFSS (3D full wave HFSS)模拟计算的精确性和利用这种方法进行射频SiP设计的有效性也做了阐述。

4.1 SiP模块的探针测试与计算

SiP模块的探针测试设置如图9所示。在这种情况下,SiP模块没有通电,也没有贴到系统测试板上。将探针加到两路发射线路的输出端口,再用矢量网络分析仪测试两个输出端口间的隔离度。图10是测试结果。在大约2GHz的频率上,两个输出端口的隔离度的测试结果约为75.34dB。图11是SiP模块输出端口隔离的仿真模型,图12是计算结果。在大约2GHz的频率上,两个输出端口的隔离度的计算结果约为75.53dB。测试与模拟结果几乎吻合。

图9 SiP模块隔离度的探针测试设置

图10 SiP模块隔离度探针测试结果

图11 SiP模块输出端口隔离度的HFSS模型

图12 两个输出端口的隔离度的计算结果

4.2 系统测试板的测试和计算

类似地,单独系统测试板的端口隔离度也需要测试和模拟,以保证在SiP组装到系统测试板时不会因为隔离度不合格的系统测试板而造成测试结果失效。图13是系统测试板输出端口隔离度的测试结果。在2GHz的频率上,测试结果约为86dB。图14和图15分别是系统测试板输出端口隔离度的HFSS模型和模拟计算结果。在2GHz频率上,计算结果约为86.3dB。同样,测试与模拟结果几乎吻合。

图13 系统测试板输出端口隔离度的测试结果

图14 系统测试板输出端口隔离度的HFSS模型

图15 系统测试板输出端口隔离度模拟计算结果

4.3 SiP模块贴到测试板的测试和计算

为了验证双路发射SiP模块的性能,SiP模块被表面贴装(SMT)在系统测试板上,如图7所示。测试设置如图8所示。我们对各种端口间的隔离度进行了测试,特别是,对两路输出端口的隔离度做了重点测试和研究。图16是采用矢量网络分析仪直接接在两输出端口所测得的结果,此时SiP模块处于通电状态。在2GHz频率下,隔离度参数S12约为70dB。另一种通道隔离度的测试方法,是使两个通道同时发出不同频率的GSM单载波或单音信号, 并在输出端口测得信号间的隔离度。图17是测试结果。在2GHz频率时,隔离度约为70.17dB。

图 16 五个样品S12参数的测试结果 – SiP模块

组装到测试板上

图 17 通道隔离度测试结果–SiP模块

组装到测试板上

SiP模块组装到系统测试板上的模拟计算量非常大。按照常规的建模方式,计算模型同时包括SiP模块和系统测试板。为了满足一定的计算精度,计算单元的网格划分需要比较精细,造成极长的运算时间,有时高达几天。特别是,巨量的计算对计算机存储的要求极高,在某些情况下,因为存储不够,不得不中断运行。

针对这个问题,我们所采用的解决方案是:分别对SiP模块和系统测试板用HFSS模型网格划分计算得到各自的S参数,并将两者的标准Touchstone 文件在安捷伦(Agilent) ADS计算环境中整合,如图18所示。使用这种网格划分和计算方法,我们可以采用更细小的网格,同时节约了大量的运算时间。SiP模块和系统测试板S参数的获取分别为几个小时,Agilent ADS计算时间不到一个小时。相比传统的计算方法,计算效率大幅提高。计算结果如图19所示。结果表明,在2GHz频率时,SiP模块输出端口的隔离度S12参数为69.84dB。计算结果和测试结果高度吻合。

图 18 ADS 模拟计算设置 – SiP + 测试板

图 19 使用HFSS/ADS方法,S12参数计算结果-

SiP + 测试板

5 总结

随着电子产品对性能,功能,成本,和尺寸要求的不断提高,电子系统也趋于高度集成。特别是,更多的板级系统集成向封装级系统集成过渡,促使各类SiP模块的开发和应用增长迅速。本文描述了手机基站中两路射频发射系统集成到一个SiP模块的开发研究,介绍了模块的设计,制造和测试,并对比研究了测试结果和计算模拟结果。在验证SiP模块隔离度的测试上,三种测试方案分别为:应用探针对SiP模块的测试;单独系统测试板的测试;和SiP模块组装在系统板上的测试。我们将这些测试结果与HFSS/ADS的模拟计算结果做了仔细对比,对比结果高度吻合。

特别值得强调的是,在模拟计算SiP模块组装到系统板上的案例时,我们采用了更高效的建模和网格划分方法, 既保证了计算精度也大幅度减少了运算时间。这种模拟计算方法将对射频SiP模块开发提供更有力的支持。

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