2012 十一月

智能手机的SESUB模块

体积微小且异常扁平

SESUB(半导体嵌入式硅基板)模块技术成功融合了TDK和爱普科斯(EPCOS)的专门技术,并实现了技术突破:微型的TDK SESUB模块具备各种功能。以前从未能把如此多的功能集成到像TDK SESUB模块这样狭小的空间内。

如今,实现小型化的其中一个主要动力来自智能手机。首先,这些手机的耗电量需求急剧增长。不仅仅是微处理器需要消耗更多的电量,客户要求的所有额外功能的显示操作也需要消耗越来越多的电量。最后,智能手机需要比以往任何时候都要大 的电池,这样手机的其余元件就不得不变得越来越小。


此外,随着下一代移动通信标准LTE(长期演进)的执行,除了现有的2G和3G网络频段,智能手机必须支持甚至更多的频段,这就迫使我们需要额外的微型元件,如声表面波(SAW)滤波器、双工器、电感器、电容器、功率放大器等。因此,在不影响手机体积(最重要的是没有影响手机厚度)的情况下,智能手机制造商必须集成更多额外功能。在此背景之下,微型元件的插入高度就变成了创造有竞争力产品的决定性因素之一。这为TDK SESUB技术发挥作用提供了用武之地。

SESUB - 小型化下的模块化
SESUB是一种高端的基板技术,这种技术使体积被减薄到低至50 µm的半导体芯片能通过使用专利技术内置到基板之中。TDK为内置复杂元件所需的所有技术提供了强大的IP组合。含有集成半导体芯片的基板整体厚度仅仅是300 µm(图1)

多个芯片可以并排内置在基板中,以便形成高度集中的模块,为下一代面向消费者产品的设计和开发提供了功能多且体积小的解决方案。除了采用内置原理之外,另外的分立元件(无源或半导体)可以安装到基板顶部。展望未来,通过内置薄薄的无源元件,我们将来会创造出具有更高集成度的模块。

图1:SESUB基板的横截面

四个极薄的基板叠层突出了微互连结构和通孔,它的总高度只有300 µm。拥有大量小螺距的I/O的集成电路可以内置于SESUB基板上。


优良的散热和电气性能
由于集成电路完全内置,紧凑的SESUB结构提供了优良的散热属性。芯片的全部表面都与层压板充分接触,这就优化了热量的传递,使热量能从半导体传到基板层。这些衬底层本身含有铜微互连网格,这提供了非常均匀而高效的散热功能。尤其,这些优越的散热性能对电源管理、收发器、处理器和功率放大器-或智能手机的所有主要元件等方面的应用起着至关重要的作用。分散封装的功率半导体芯片与同样内置于SESUB中的集成电路相比芯片表面温度下降了大约7K。

SESUB实现的优良散热性能很可能获得更具成本效益的半导体设计。由于SESUB基板里面的金属层的屏蔽效应,内置的芯片也能提升电磁兼容性的性能。SESUB模块的紧凑型设计以及基板层内较短的线路连接可以改善寄生效应,从而支持更好的系统性能。另外一个优点就是固定开发的子系统可以减少客户的设计工作和减少稳健设计。除此之外,客户可以从这种优点中受益,他们只需付出较少努力就可以创造出稳健设计。

排除额外的重分布层
SESUB为半导体将来面临的其中一个极其复杂的主要挑战提供了非常简洁的解决方案:如何使大量小螺距I/O与电路板连接。半导体行业正用曾经更小的工艺几何体研究开发新技术。射频应用的趋势从65 nm 变为40 nm,处理器则减至28 nm。这就意味着芯片的连接点变得越来越小(80µm或50 µm的焊盘间距)。

半导体芯片的标准解决方法就是利用多个昂贵的再分布层(RDLs)扩大智能手机电路板(35µm 至 500 µm)线路间的距离。在SESUB中,这样的再分布可以在基板中完成(图2)。这可能需要极其薄的基板叠层和微互连结构和过孔。用这种方法,集成电路就无需使用本身的RDL进行设计,这就有可能获得体积更小的集成电路。因此,模块和SIP可以设计成非常小的尺寸。尤其是,插入高度可以减少35%左右,例如从1.55 mm减到小于1.0 mm。SESUB的大容量集成电路使它成为微型模块解决方案的理想3D平台。

图2:SESUB模块集成再分布层

在半导体芯片内(左图),承载有I/O的集成电路位于再分布层的顶层。下面的多个再分布层需要把I/O连接到底部的BGA层。在SESUB模块中(右图),集成电路被内置在基板中,而I/O被优化成通过基板层连接到底部的BGA层。


多功能集成平台
利用SESUB技术首先开发的模块是一个小型化的功率管理元件(PMU),它主要用于手机以及小巧的消费电子设备之中(图3)。构成PMU模块的核心就是内置两块集成电路,这能控制一台智能手机的所有电源功能。该紧凑型模块的外形尺寸大小仅仅只有11mm × 11 mm, 比同等分散溶液小60%。其超薄的1.63 mm的插入高度(包括屏蔽),正是智能手机所需要的低剖面设计。此外,该模块具有以下特点:

– 五个4.4-MHz 降压转换器
– 开关式的充电器,该充电器在电源旁路模式下电流高达4A
– 用于摄像头闪光灯LED(高达2A)的反向升压转换器和支持移动USB
– 23低噪声、高PSRR(电源抑制比)低压差稳压器
– 32 kHz 晶振RTC(实时时钟)
– 五个输出孔的19.2 MHz/26.0 MHz时钟发生器

图3:SESUB功率管理元件

小型化的PMU模块内置了两块集成电路,以便控制智能手机所有电源功能。

利用SESUB技术开发的另一种模块就是超小型的四频段连接性模块,它里面含有的无线局域网、蓝牙、FM收音和GPS功能都集成在一块单一元件中,而且,此模块还提供优良的电磁兼容性。

图4显示了层压板模块以及安装在顶部的连接性集成电路。在SESUB模块中,连接性集成电路内置在基板里,占据了模块面积的40%左右。PA FEM、射频滤波器和表面贴装器件都安装在模块的顶部。SESUB模块的尺寸大小只有8.5 × 7.0 × 1.4 mm³,它具有极低的插入高度并占用极小的空间,它比用传统压成技术设计的同类模块所占据的面积还要小45%。

图4:四频段连接性模块

具备无线局域网、蓝牙、FM收音和GPS功能的新型四频段连接性模块把连接性集成电路内置于基板当中。PA前端模块和无源元件安装在该模块顶部。

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