Oktober 2011

RF-Bauelemente in DSSP-Technologie

Neue Dimension in der Miniaturisierung

Die weltweite Verbreitung von Smartphones mit immer mehr Funktionen und Leistungsmerkmalen wächst zusehends, die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente bleibt einer der bestimmenden Trends. Mit der innovativen DSSP®-Technologie von EPCOS ist TDK auf diesem Gebiet eine treibende Kraft.

Marktforscher erwarten, dass im Jahr 2014 bereits bis zu 40 Prozent aller Mobilfunktelefone Smartphones sind. Um aber eine weltweite Netzabdeckung zu gewährleisten, müssen Smartphones mehr RF-Bänder als zuvor unterstützen und auch einen ständig wachsenden Funktionsumfang bieten. Obwohl die RF-Schaltungen immer komplexer werden, sollen die Telefone selbst so kompakt und flach bleiben wie bisher.

Als Weltmarktführer bei SAW-Produkten für die Mobilkommunikation spielt EPCOS von jeher eine führende Rolle bei der Miniaturisierung von RF-Bauelementen und -Modulen. Mit der Einführung und Weiterentwicklung seiner patentierten CSSP®-Technologie (Chip-Sized SAW Packaging) gelang es, die Abmessungen der diskreten RF-Filter und RF-Duplexer weiter zu verringern. Mithilfe der DSSP®-Technologie (Die-Sized SAW Package) sind diese Bauelemente nun bis zu 85 Prozent kleiner als die erste Generation von CSSP-Bauelementen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Miniaturisierung von EPCOS SAW-Filtern und -Duplexern

Mit der DSSP-Technologie lassen sich die Gehäuse von EPCOS SAW-Duplexern im Vergleich zur ersten Generation von CSSP-Komponenten (oben) um bis zu 80 Prozent verkleinern. Bei Einzelfiltern sind die Abmessungen um bis zu 85 Prozent verringert.

Wafer-level Package

DSSP bietet den höchsten derzeit auf dem Markt verfügbaren Miniaturisierungsgrad. Filter und Duplexer in DSSP-Technologie werden vorrangig für den Einsatz in RF-Modulen entwickelt, da bei diesen Produkten im Hinblick sowohl auf die Grundfläche als auch auf die Bauhöhe der größte Miniaturisierungsbedarf besteht. Ihr äußerst flaches Design gehört zu den wichtigsten Leistungsmerkmalen der DSSP-Bauelemente, die mit einer Bauhöhe von nur 0,25 mm deutlich flacher sind als Produkte, die in anderen aktuell verfügbaren Technologien gefertigt werden.

 

Abbildung 2: EPCOS SAW-Filter in DSSP-Technologie
Das DSSP-Gehäuse bietet einen dem Stand der Technik entsprechenden Fine-Pitch von 220 µm.

Mit einem Fine-Pitch von nur 220 µm repräsentiert die DSSP-Technologie den am weitesten entwickelten Stand der Technik in der Modulfertigung (Abbildung 2). Die neuesten Anlagen sind meist in der Lage, Komponenten mit derart kleinen Pitch-Werten zu montieren. In der Modulproduktion können DSSP-Produkte einen Verarbeitungsdruck von bis zu 80 bar tolerieren und sind gemäß IPC/JEDEC J-STD-020B MSL2a getestet.

Mithilfe der DSSP-Technologie werden Bauelementegrößen erzielt, die tatsächlich mit der Chipgröße identisch sind. DSSP-Produkte bestehen aus einem Filter-Wafer und einem Cap-Wafer, die auf dem gleichen Material basieren (Lithium-Tantalat oder Lithium-Niobat). Beide Wafer werden auf Waferlevel gebondet (Abbildung 3). Die elektrische Verbindung erfolgt über CuNi-Bahnen, die mittels 3D-Fototolithographie hergestellt und über die senkrechte Seitenwand des Gehäuses geführt werden. Nach Aufbringen der Bumps auf den Wafer wird dieser in die einzelnen DSSP-Komponenten vereinzelt. Als letzter Schritt nach dem automatischen Testen werden die Filter in Tape-and-Reel-Form verpackt. 

Abbildung 3: Schematische Darstellung eines DSSP-Gehäuses

Die Serienproduktion der ersten DSSP-Produkte wurde bereits aufgenommen und das Produktportfolio von EPCOS RF-Duplexern und -Filtern für WCDMA-, GSM- und Navigationssysteme erweitert.

DSSP-Duplexer

DSSP-Duplexer werden hauptsächlich für die Integration in FEMiD (Frontend-Module mit integrierten Duplexern), Duplexer-Bänke und PAiD-Module (Leistungsverstärkermodule mit integrierten Duplexern) genutzt. DSSP-Duplexer bieten nicht nur die beste Performance ihrer Klasse, sondern auch eine geringere Grundfläche und eine wesentlich kleinere Bauhöhe. Die typische Grundfläche der ersten DSSP-Duplexer beträgt bei einer Bauhöhe von 0,25 mm nur 1,8 × 1,4 mm². Kundenmuster stehen bereits für die WCDMA-Bänder V (LY50) und VIII (LY93) zur Verfügung.

 

DSSP-Filter

Bei den DSSP-Filtern kann zwischen RF-Mobilfunkfiltern, beispielsweise für GSM-Systeme, und Filtern für Navigationssysteme unterschieden werden. GSM-Filter werden als Einzelfilter oder 2in1-Filter angeboten. Die letzteren werden als einzelner Chip mit zwei Filterfunktionen, zum Beispiel für GSM 1800 und GSM 1900, entworfen. GSM-Filter in DSSP-Ausführung können ähnlich wie Duplexer ebenfalls für die Miniaturisierung von RF-Frontend-Modulen verwendet werden. Das in Abbildung 4a gezeigte Frontend-Modul beinhaltet ein GSM 2in1-Filter (W1051) und ein Einzelfilter (LX63).

Aktuell werden mehrere EPCOS GSM-Filter in DSSP-Technologie angeboten, darunter GSM 2in1-Standardfilter für 1800/1900 MHz (W1050) und 800/900 MHz (W1051).

Abbildung 4: Integration von EPCOS DSSP-Bauelementen in Module

a) Frontend-Modul

b) LNA-Modul (Low-Noise Amplifier)

Navigationsfilter kommen hauptsächlich in rauscharmen Verstärkermodulen (LNA, Low-Noise Amplifier) für Mobiltelefone oder Navigationssysteme zum Einsatz. Im Allgemeinen beinhalten LNA-Module neben dem LNA noch ein oder zwei SAW-Filter (Abbildung 4b). Die Filter W1002 und W1003 werden als LNA-Vor- bzw. -Nachfilter angeboten. Das GPS-LNA-Vorfilter (W1003) mit einer Grundfläche von 0,8 × 0,6 mm² zeichnet sich durch eine sehr geringe Einfügedämpfung von nur 0,5 dB (typ.) aus. Das GPS-LNA-Nachfilter (W1002) mit einer Grundfläche von 0,95 × 0,6 mm² bietet eine Außerband-Unterdrückung von über 40 dB. Darüber hinaus wird auch ein verlustarmes LNA-Vorfilter (W1004) mit einer Grundfläche von lediglich 0,6 × 0,55 mm² gefertigt, das sich sowohl für GPS als auch für das russische Navigationssystem GLONASS eignet. Natürlich können EPCOS DSSP-Filter auch in komplexere Systeme integriert werden, die auch Chipsets wie SiPs (Systems in Package) enthalten.

Weitere Miniaturisierung auch mit CSSP

Die DSSP-Technologie ermöglicht einen weiteren Miniaturisierungsschub. Dennoch entscheiden sich Mobiltelefonhersteller häufig für den Einsatz diskreter Duplexer und Filter anstelle von Modulen. Weitere Innovationen in der CSSP3-Gehäusetechnologie von EPCOS erlauben, die Abmessungen auch dieser Komponenten zu verringern. Die neuen Standardgrößen für die verschiedenen Produktkategorien sind:

  • Duplexer: 2,0 × 1,6 mm²
  • 2in1-Filter: 1,5 × 1,1 mm²

  • 4in1-Filter: 1,8 × 1,4 mm²

  • Einzelfilter: 1,1 × 0,9 mm²

 

Heute sind EPCOS Duplexer mit einer Grundfläche von 2,0 × 1,6 mm² für die WCDMA-Bänder I, II, IV, V, VI, VIII und IX verfügbar. Diskrete 2in1-Filter werden mit einer Grundfläche von 1,5 × 1,1 mm² für alle GSM-Bänder (G850, G900, G1800 und G1900) angeboten. Die neueste Entwicklung in der CSSP3-Technologie ist ein 4in1-GSM-Filter mit getrenntem Eingang und Ausgang, das vier GSM-Filter in einem einzigen Chip integriert.

Dieses neue Konzept ermöglicht nicht nur eine weitere Miniaturisierung, sondern auch Kosteneinsparungen auf Systemebene:

  • Aufgrund der getrennten Eingänge kann die Anzahl der Schaltvorgänge des T/R-Schalters von 4 auf 2 reduziert werden, sodass ein preiswerterer Schalter zum Einsatz kommt.

  • Die Chipsets benötigen nur zwei LNAs, wodurch sich die Anzahl der Pins und daher auch die Grundfläche des Chips verringert. Zudem ist das Chipset dann kostengünstiger.

  • Der Einsatz des 4in1-Duplexers ermöglicht die Standardisierung der PCB-Leiterführung für GSM und daher die Verringerung des Entwurfsaufwands aufgrund eines vereinfachten Leiterplatten-Layouts.

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