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射频系统级封装技术内容提要一、背景介绍二、科学问题二、科学问题三、研究进展一、背景介绍射频电子系统的应用电子系统的发展趋势100010000100000体积体积体积体积(cm3)传感器传感器传感器传感器单一功能单一功能单一功能单一功能多功能多功能多功能多功能笔记本笔记本笔记本笔记本PC手持终端手持终端手持终端手持终端手机手机手机手机功能或元部件密度功能或元部件密度功能或元部件密度功能或元部件密度/cm3cm3cm3cm3航天器载荷重量每减少航天器载荷重量每减少航天器载荷重量每减少航天器载荷重量每减少1111克克克克，，，，可节省推进剂可节省推进剂可节省推进剂可节省推进剂100100100100克克克克1970198019902000100多功能多功能多功能多功能巨功能巨功能巨功能巨功能功能或元部件密度功能或元部件密度功能或元部件密度功能或元部件密度手机手机手机手机尺寸尺寸尺寸尺寸功能功能功能功能价格价格价格价格90909090年代年代年代年代砖块砖块砖块砖块单纯通话单纯通话单纯通话单纯通话1111万元万元万元万元现在现在现在现在名片盒名片盒名片盒名片盒语音语音语音语音、、、、数据数据数据数据、、、、上网上网上网上网、、、、拍照拍照拍照拍照、、、、MP4MP4MP4MP41111千元千元千元千元目前射频电子系统集成技术的不足无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件SoC无源元件无源元件无源元件无源元件集成难集成难集成难集成难，，，，小型小型小型小型现有的主流电子系统集成技术现有的主流电子系统集成技术现有的主流电子系统集成技术现有的主流电子系统集成技术————片上系统片上系统片上系统片上系统(SoC)(SoC)(SoC)(SoC)技术面临挑战技术面临挑战技术面临挑战技术面临挑战。。。。CMOSCMOSCMOSCMOS芯片组芯片组芯片组芯片组无源元件无源元件无源元件无源元件SoC无源元件无源元件无源元件无源元件占系统总占系统总占系统总占系统总面积面积面积面积80808080％％％％其它工艺芯片其它工艺芯片其它工艺芯片其它工艺芯片其它工艺芯片其它工艺芯片其它工艺芯片其它工艺芯片SoCSoCSoCSoC工艺不兼工艺不兼工艺不兼工艺不兼容容容容，，，，功能受限功能受限功能受限功能受限集成难集成难集成难集成难，，，，小型小型小型小型与轻量化受限与轻量化受限与轻量化受限与轻量化受限占系统总占系统总占系统总占系统总面积面积面积面积80808080％％％％电子系统集成新技术—射频系统级封装技术无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件占系统总占系统总占系统总占系统总面积面积面积面积80808080％％％％系统级封装技术系统级封装技术系统级封装技术系统级封装技术电电电电、、、、光光光光、、、、声声声声，，，，传传传传感器感器感器感器、、、、执行器执行器执行器执行器集成不同材料集成不同材料集成不同材料集成不同材料、、、、工工工工两两两两三维集三维集三维集三维集成技术成技术成技术成技术集成不同材料集成不同材料集成不同材料集成不同材料、、、、工工工工艺和功能芯片艺和功能芯片艺和功能芯片艺和功能芯片，，，，实实实实现强大系统功能现强大系统功能现强大系统功能现强大系统功能将母板无源元件集将母板无源元件集将母板无源元件集将母板无源元件集成在三维多层结构成在三维多层结构成在三维多层结构成在三维多层结构中中中中，，，，使系统小型化使系统小型化使系统小型化使系统小型化两两两两个个个个核核核核心心心心特特特特征征征征不同工艺芯片与分立元件三维高密度集成的技术不同工艺芯片与分立元件三维高密度集成的技术不同工艺芯片与分立元件三维高密度集成的技术不同工艺芯片与分立元件三维高密度集成的技术，，，，是射频电子系统集成技术的主流发展方向是射频电子系统集成技术的主流发展方向是射频电子系统集成技术的主流发展方向是射频电子系统集成技术的主流发展方向ComparisonofSystemTechnolgies各种电子封装集成技术比较10%System系统集成定律(2NDLawofElectronicsforSystemIntegration)ComponentDensityorFunctionalDensity/cm108107105106Transistors/cm31010109108107Moore’sLawMoore’sLawForICsForICsComponentDensityorFunctionalDensity/cm3Source:IBM,Intel10410310210197119801990200020202004SMTSOPPTHMCMTransistors/cm1061051041035090%System90%System1993SystemIntegrationLaw射频系统级封装的研究现状在美国航天信号处理器在美国航天信号处理器在美国航天信号处理器在美国航天信号处理器、、、、GPSGPSGPSGPS、、、、雷达雷达雷达雷达、、、、生物传感生物传感生物传感生物传感器和日本器和日本器和日本器和日本NECNECNECNEC超级计算机超级计算机超级计算机超级计算机SXSXSXSX----9999等研制中发挥了重等研制中发挥了重等研制中发挥了重等研制中发挥了重要作用要作用要作用要作用。。。。中电集团中电集团中电集团中电集团13131313所研制了所研制了所研制了所研制了XXXX波段雷达接收前端波段雷达接收前端波段雷达接收前端波段雷达接收前端：：：：中电集团中电集团中电集团中电集团13131313所研制了所研制了所研制了所研制了XXXX波段雷达接收前端波段雷达接收前端波段雷达接收前端波段雷达接收前端：：：：体积体积体积体积45454545××××32323232××××7mm7mm7mm7mm3333,,,,重量重量重量重量150g150g150g150g传统封装集成技术传统封装集成技术传统封装集成技术传统封装集成技术系统级封装技术系统级封装技术系统级封装技术系统级封装技术体积体积体积体积1%1%1%1%重量重量重量重量4%4%4%4%体积体积体积体积200200200200××××125125125125××××45mm45mm45mm45mm3333,,,,重量重量重量重量4Kg4Kg4Kg4Kg重大战略技术需求新一代宽带无线移动通信新一代宽带无线移动通信新一代宽带无线移动通信新一代宽带无线移动通信高分辨率对地观测系统高分辨率对地观测系统高分辨率对地观测系统高分辨率对地观测系统国家中长期科技发展规划国家中长期科技发展规划国家中长期科技发展规划国家中长期科技发展规划反映国家科技实力反映国家科技实力反映国家科技实力反映国家科技实力电子系统集成技术电子系统集成技术电子系统集成技术电子系统集成技术载人航天与探月工程载人航天与探月工程载人航天与探月工程载人航天与探月工程大型飞机大型飞机大型飞机大型飞机反映国家科技实力反映国家科技实力反映国家科技实力反映国家科技实力电子系统集成技术电子系统集成技术电子系统集成技术电子系统集成技术中国电子系统封装集成行业产值占微电子业中国电子系统封装集成行业产值占微电子业中国电子系统封装集成行业产值占微电子业中国电子系统封装集成行业产值占微电子业50505050%%%%，，，，但缺乏高端核心技术与大型电子系统集成能力但缺乏高端核心技术与大型电子系统集成能力但缺乏高端核心技术与大型电子系统集成能力但缺乏高端核心技术与大型电子系统集成能力!!!!二、科学问题高频高速与混合工艺高频高速与混合工艺高频高速与混合工艺高频高速与混合工艺引起信号完整性与电引起信号完整性与电引起信号完整性与电引起信号完整性与电磁兼容问题磁兼容问题磁兼容问题磁兼容问题小型化三维高小型化三维高小型化三维高小型化三维高密度集成引起密度集成引起密度集成引起密度集成引起热问题热问题热问题热问题电磁场分析电磁场分析电磁场分析电磁场分析热场分析热场分析热场分析热场分析复杂封装结构电磁场与热场一体化分析电磁场电磁场电磁场电磁场、、、、热与应力相互耦合的一体化建模分析热与应力相互耦合的一体化建模分析热与应力相互耦合的一体化建模分析热与应力相互耦合的一体化建模分析电磁场分析电磁场分析电磁场分析电磁场分析热场分析热场分析热场分析热场分析两个方两个方两个方两个方程耦合程耦合程耦合程耦合2(,,,,)(,,,,)(,,,,)TrtDTrttart∂∇=∂+EHJEHJEHJrrr热传导方程热传导方程热传导方程热传导方程(,,,,)()(,,,,)()(,,,,)(,,,,)()(,,,,)(,,,,)(,,,,)(,,,,)0HxyztTTExyztTTExyztTtExyztTTHxyztTtDxyztTxyztTBxyztTσεµρ∂∇×=+∂∂∇×=−∂∇⋅=∇⋅=rrrrrrr麦克斯韦方程麦克斯韦方程麦克斯韦方程麦克斯韦方程EMC与EMI问题V理想供电电压理想供电电压理想供电电压理想供电电压实际供电电压实际供电电压实际供电电压实际供电电压噪声使延时抖动噪声使延时抖动噪声使延时抖动噪声使延时抖动热与应力问题过热失效过热失效过热失效过热失效！！！！引入引入引入引入热应力热应力热应力热应力失效破坏失效破坏失效破坏失效破坏互连问题互连尺寸减小互连尺寸减小互连尺寸减小互连尺寸减小Cu电阻率增加电阻率增加电阻率增加电阻率增加电流密度增加电流密度增加电流密度增加电流密度增加互连可靠性问题互连可靠性问题互连可靠性问题互连可靠性问题互连电特性问题互连电特性问题互连电特性问题互连电特性问题信号畸变延时增加信号畸变延时增加信号畸变延时增加信号畸变延时增加自热效应和电迁移自热效应和电迁移自热效应和电迁移自热效应和电迁移RC时延时延时延时延IR压降压降压降压降CV2f功耗功耗功耗功耗线间串扰线间串扰线间串扰线间串扰电流密度容量相比电流密度容量相比电流密度容量相比电流密度容量相比ITRSITRSITRSITRS有差距有差距有差距有差距互连问题(续)工艺工艺工艺工艺MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET延时延时延时延时1111mmmmmmmm互连延时互连延时互连延时互连延时1.0um(Al,SiO2））））20ps5ps0.1um(Al,SiO2））））5ps30ps0.035um(Cu,低低低低k)2.5ps250ps互连新技术互连新技术互连新技术互连新技术优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点光互连光互连光互连光互连传输性能佳传输性能佳传输性能佳传输性能佳，，，，容量大容量大容量大容量大成本高成本高成本高成本高，，，，工艺工艺工艺工艺、、、、EDAEDAEDAEDA不兼容不兼容不兼容不兼容射频射频射频射频////无线无线无线无线互连互连互连互连宽带宽带宽带宽带，，，，自适应性和容自适应性和容自适应性和容自适应性和容错能力强错能力强错能力强错能力强，，，，工艺兼容工艺兼容工艺兼容工艺兼容片内使用难片内使用难片内使用难片内使用难，，，，互连电路复杂互连电路复杂互连电路复杂互连电路复杂,,,,天线面积大天线面积大天线面积大天线面积大纳米互连纳米互连纳米互连纳米互连电流密度电流密度电流密度电流密度101010109999A/cm²,A/cm²,A/cm²,A/cm²,导热导热导热导热、、、、机械性能机械性能机械性能机械性能工艺问题工艺问题工艺问题工艺问题互连问题被认为是纳米集成电路十大关键问题之一互连问题被认为是纳米集成电路十大关键问题之一互连问题被认为是纳米集成电路十大关键问题之一互连问题被认为是纳米集成电路十大关键问题之一高性能小型化无源元件与天线无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件无源元件占系统总面占系统总面占系统总面占系统总面积积积积80808080％，％，％，％，芯芯芯芯片外元器件片外元器件片外元器件片外元器件系统级封装技术系统级封装技术系统级封装技术系统级封装技术射频系统级