微波混合集成電路射頻裸芯片的應(yīng)用設(shè)計(jì)和封裝方法介紹

引 言

作為雷達(dá)的核心部件，微波混合集成電路中，為保證電路損耗小和寄生參數(shù)低等原因，一般將多個(gè)射頻裸芯片高密度組裝在多層互連基板上，然后封裝在同一外殼內(nèi)，以形成高密度的微電子產(chǎn)品。但由于混合集成多芯片組件應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性及自身腔體內(nèi)的綜合氣氛，射頻裸芯片的應(yīng)用可靠性往往較低，封裝作為一種常見的保護(hù)方式，在射頻裸芯片中的應(yīng)用十分必要。目前微波混合集成電路電路射頻裸芯片封裝通常有以下幾種方法。

1）對微波混合集成電路進(jìn)行激光封焊或平行縫焊，將射頻裸芯片封裝在微波混合集成電路的管殼中，使其與空氣隔絕。但激光或平行封焊后的產(chǎn)品出現(xiàn)返工返修時(shí)，蓋板拆除困難且無法再利用，可維修性一般，且平行縫焊只適合于特殊的材料如Kovar合金。

2）對微波混合集成電路內(nèi)部進(jìn)行“Parylene ”真空沉積，Parylene是一種對二甲苯的聚合物。Parylene涂層用獨(dú)特的真空氣相沉積工藝制備，由活性小分子在基材表面“生長”出完全敷形的聚合物薄膜涂層，薄膜涂層沉積厚度約0.1～100.0 μm。該工藝過程復(fù)雜，需要專門的設(shè)備，成本較高。

3）對微波混合集成電路射頻裸芯片應(yīng)用環(huán)氧膠或硅橡膠等。但環(huán)氧膠易吸水，硅膠都有較高的熱膨脹系數(shù)CTE（coefficient of thermal expansion，CTE），同時(shí)彈性系數(shù)較高，在環(huán)境溫度試驗(yàn)中，膠體本身的膨脹和收縮所帶來的應(yīng)力會將鍵合的金絲拉脫，導(dǎo)致失效。并且，由于上述膠的介電常數(shù)和損耗正切角與空氣介質(zhì)差別較大，對射頻裸芯片帶來的影響較大，無法滿足產(chǎn)品的電性能要求。

EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層是一種透明的低黏度溶液，其主要成分為氫氟醚溶劑，包含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氟化丙烯酸。主要應(yīng)用于半導(dǎo)體和電子元器件的涂覆，其中所含的2%氟化丙烯酸聚合物作為一種含氟聚合物，具有高耐候性、高耐熱性以及高穩(wěn)定性。本工作選取了EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層做微波混合集成電路射頻裸芯片的防護(hù)材料，并設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用頻段在7.0～13.5 GHz的低噪聲放大器進(jìn)行驗(yàn)證。

1、 樣件設(shè)計(jì)及制作

1.1 樣件設(shè)計(jì)

圖1是應(yīng)用頻段在7.0～13.5 GHz的低噪聲放大器，該器件包含一個(gè)MMIC射頻放大器裸芯片。表1為低噪聲放大器射頻裸芯片的典型指標(biāo)。

圖1 低噪聲放大器設(shè)計(jì)圖

表1 射頻放大芯片裸芯片的典型指標(biāo)

1.2 低噪聲放大器的裝配

采用典型的導(dǎo)電膠粘接工藝對低噪聲放大器進(jìn)行裝配，先進(jìn)行微波基片裝配，其次進(jìn)行射頻連接器和射頻裸芯片的裝配，在金絲鍵合后，對放大器進(jìn)行連接器接頭安裝。選用H20E導(dǎo)電膠，固化溫度、固化時(shí)間分別為150 ℃/120 ℃、30 min/60 min。圖2為裝配完成后的低噪聲放大器實(shí)物圖。

圖2 封裝仿真結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 射頻芯片表面封裝處理

本實(shí)驗(yàn)選用了EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層作為低噪聲放大器中射頻裸芯片的防護(hù)材料，根據(jù)廠家的推薦工藝，結(jié)合實(shí)際使用，工藝路線設(shè)計(jì)如下。

將低噪聲放大器放置于真空烘箱中進(jìn)行高溫烘烤去除水汽，烘烤溫度85 ℃，烘烤時(shí)間4 h。采用PE-100型等離子清洗設(shè)備對烘烤后的低噪聲放大器中的射頻裸芯片清洗和表面活化，先采用氧等離子對射頻裸芯片表面有機(jī)物進(jìn)行氧化，其次采用氬等離子體對射頻裸芯片表面有機(jī)物去除和焊盤活化，清洗時(shí)間3 min，清洗功率200 W，氮?dú)鈮毫?0 Pa，氧氣和氬氣壓力為25 Pa。等離子清洗完成后，4 h內(nèi)采用DX-200點(diǎn)膠機(jī)進(jìn)行射頻裸芯片薄膜涂覆，選用10 mL的針筒，32G針頭（針頭內(nèi)徑0.09 mm，針頭外徑0.26 mm），出氣壓力100 kPa，時(shí)間0.03 s，滴涂時(shí)，卡口針頭距射頻裸芯片表面距離約1.5 mm。當(dāng)射頻裸芯片表面涂層固化后，在電子顯微鏡下觀察，對未封裝到的頻裸射頻裸芯片表面進(jìn)行修復(fù)。封裝完成后的涂層厚度不超過1 μm，如圖3所示。

圖3 射頻裸芯片表面封裝完成后

2、 樣件測試結(jié)果及分析

2.1 裝配完成后的樣件測試結(jié)果

用E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對低噪聲放大器進(jìn)行噪聲系數(shù)曲線和增益曲線測試，測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 表面封裝前后Ku頻段低噪聲放大器的噪聲系數(shù)曲線

圖5 表面封裝前后Ku頻段低噪聲放大器的增益曲線

從圖4和圖5可以看出，EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層封裝后低噪聲放大器的常溫噪聲有一定程度上升，增益均有一定程度的下降，其中噪聲上升約0.3 dB，增益下降約0.4 dB。但噪聲系數(shù)曲線和增益曲線的走勢與封裝前較一致。

2.2 交變濕熱后的低噪聲放大器性能

按照GJB150.9A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第9部分：濕熱試驗(yàn)，對EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層封裝后的低噪聲放大器進(jìn)行交變濕熱試驗(yàn)，結(jié)束后用E5071CC網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀對低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和增益進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 濕熱試驗(yàn)前后Ku頻段的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)曲線

圖7 濕熱試驗(yàn)前后Ku頻段的低噪聲放大器的增益曲線

從圖6和圖7可以看出經(jīng)過EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層封裝的低噪聲放大器，濕熱試驗(yàn)前后的噪聲系數(shù)曲線和增益曲線走勢一致性較好，但當(dāng)頻率超過8 GHz后，曲線并沒有重合，有一定差值。推測是濕熱試驗(yàn)過程中水汽造成EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層介電常數(shù)增大，從而使?jié)駸嵩囼?yàn)后的器件噪聲系數(shù)和增益均勻地增加了0.1 dB左右。

2.3 低溫貯存試驗(yàn)后器件的性能

按照GJB150.4A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第4部分：低溫試驗(yàn)，對EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層封裝后的低噪聲放大器進(jìn)行了低溫試驗(yàn)，結(jié)束后用E5071CC網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀對低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和增益進(jìn)行測試，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 低溫貯存試驗(yàn)前后Ku頻段的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)曲線

圖9 低溫貯存試驗(yàn)前后Ku頻段的低噪聲放大器的增益曲線

從圖8和圖9可以看出，低溫貯存試驗(yàn)前后，經(jīng)過EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層封裝的低噪聲放大器模塊的噪聲系數(shù)曲線和增益曲線走勢一致性較好，且在低溫測試時(shí)增益有一定程度的上升，噪聲有一定程度的下降。推測是使用的低噪聲放大芯片中有負(fù)溫度系數(shù)補(bǔ)償電阻，在低溫時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，測試結(jié)果與芯片資料數(shù)據(jù)一致。

2.4 高溫貯存試驗(yàn)后器件的性能

按照GJB150.3A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第3部分：高溫試驗(yàn)，對EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層封裝后的低噪聲放大器進(jìn)行了高溫試驗(yàn)，結(jié)束后用E5071CC網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀對低噪聲放大器的噪聲系數(shù)和增益進(jìn)行測試，結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 高溫貯存試驗(yàn)前后Ku頻段的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)曲線

圖11 高溫貯存試驗(yàn)前后Ku頻段的低噪聲放大器的增益曲線

從圖10和圖11可以看出，高溫貯存試驗(yàn)前后的低噪聲放大器的噪聲系數(shù)曲線和增益曲線的走勢一致性較好，但其試驗(yàn)前后的曲線并沒有重合，且在低溫時(shí)增益有一定程度的下降，噪聲有一定的上升。出現(xiàn)上述的原因與低溫測試時(shí)一致。

3、 結(jié)論

EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層涂覆是一種有效的高頻防護(hù)手段，通過本文所完成的試驗(yàn)研究表明：

1）隨著測試頻率的升高，EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層對低噪聲放大器的影響增大，從測試結(jié)果來看，1 μm的EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層在8 GHz對低噪聲放大器的噪聲有一定影響，但變化曲線的一致性較好且可以通過前期的電路補(bǔ)償設(shè)計(jì)來修正。

2）1 μm的EGC-1700無色防潮保護(hù)涂層可以在射頻裸芯片表面有“三防”作用，防護(hù)芯片表面短路等。

3）EGC-1700無色防潮保護(hù)涂，可以在X波段（12 GHz）以內(nèi)的微波混合集成電路中應(yīng)用，技術(shù)方案簡單并有效，散熱效果好，可維修性好，成本低。

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