高功率射頻的超模壓塑料封裝技術(shù)解析

隨著超模壓塑料封裝技術(shù)的進(jìn)步，高功率射頻晶體管的開發(fā)人員能將器件可靠的封裝在其中，其性能可與陶瓷相媲美。

封裝對于實(shí)現(xiàn)射頻功率晶體管的最佳性能至關(guān)重要。由于射頻功率晶體管是功率放大器（PA）中最昂貴的元件之一，而PA又是蜂窩基站中最昂貴的組件，所以如何降低晶體管的成本而不犧牲性能受到人們的高度重視。超模壓塑封裝技術(shù)提供了一種解決方案，已經(jīng)被其它功率集成電路（IC）應(yīng)用所接受，但最近才得到充分改進(jìn)，能夠滿足射頻功率晶體管開發(fā)人員的需求。該技術(shù)能提供我們需要的技術(shù)性能，成本卻比現(xiàn)有的封裝方法低一個(gè)數(shù)量級。

提高射頻功率半導(dǎo)體性價(jià)比的創(chuàng)新技術(shù)很可能影響到2.5G 和3G無線網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展方向。高功率射頻晶體管傳統(tǒng)上采用引線陶瓷封裝。在基站內(nèi)，功率晶體管安裝在印刷電路板上（PCB），就如同電路板與電信中心局設(shè)備的線卡同樣被插入蜂窩基站。普通的蜂窩/無線基站有大約8到10個(gè)PA。功率晶體管是PA中最昂貴的組件，其成本在所有基站的總成本中占據(jù)了非常大的比例。此外，大約30%的基站問題與PA有關(guān)，因而PA的可靠性對成功運(yùn)營無線網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

鑒于對射頻功率晶體管的性能和可靠性的要求，它們通常會被安裝在封裝中，結(jié)合采用導(dǎo)熱導(dǎo)電的金屬底座和陶瓷環(huán)，以分離輸入和輸出導(dǎo)線。底座由銅鎢合金制成，并用金屬覆蓋，以便通過高溫銅焊工藝流程附在陶瓷環(huán)上。由于采用了陶瓷環(huán)，第一代解決方案被稱為陶瓷封裝。此外，封裝底座是鍍金的，以便通過第二道高溫流程將管芯附在上面。封裝加上了一個(gè)粘在陶瓷環(huán)和輸入輸出導(dǎo)線上的陶瓷蓋，作為唯一的環(huán)保措施。

采用陶瓷方式，封裝成本幾乎是功率晶體管成品（見圖1）總成本的一半。當(dāng)然，對于射頻晶體管，封裝不僅保護(hù)了管芯，還提供了接電和散發(fā)多余熱量的途徑。事實(shí)上，封裝不僅是實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵因素，還能達(dá)到許多微電子產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)降低成本的要求。實(shí)際上，射頻封裝必須提供：

1. 已安裝芯片的電源和信號線的連接

2. 附著有源管芯和所有相關(guān)組件的底座

3. 散發(fā)多余熱量的方式

4. 保護(hù)和維持連接和芯片完整性的結(jié)構(gòu)，同時(shí)可為操作和外部標(biāo)識提供一個(gè)平臺，以便于辨認(rèn)。

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顯而易見，降低成本的方法是消除昂貴的陶瓷環(huán)，以及煩瑣昂貴的銅焊接過程。幸運(yùn)的是，聚合體材料（塑料）的創(chuàng)新使這成為現(xiàn)實(shí)?？梢允褂脙煞N合成聚合物：熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料只通過加熱加壓的方法加工，其間沒有化學(xué)反應(yīng)。冷卻后，熱塑性塑料或者結(jié)晶，或者轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)。熱硬化性的聚合體（環(huán)氧塑料、酚醛塑料、福米卡塑料）加熱后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致分子量增加。這種化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致所有反應(yīng)基徹底轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生硬度強(qiáng)、熱扭變溫度高、化學(xué)和物理抵抗性能良好的聚合物。

使用聚合物封裝半導(dǎo)體芯片時(shí)，人們通過線壓焊將芯片連接到封裝引線框架，然后封裝在聚合絕緣體中，絕緣體用作電絕緣體和保護(hù)層，防止影響環(huán)境。圖2提供了陶瓷和超模壓塑料封裝的比較。

超模壓封裝確實(shí)改變了射頻性能。在陶瓷封裝中，芯片和焊線都在氣孔中。在塑料封裝中，聚合材料包住了設(shè)備和焊線，并與它們接觸。由于聚合物的介電常數(shù)比空氣高，塑料封裝中的寄生效應(yīng)較高，因而輸出功率和增益略低于同種陶瓷封裝中的設(shè)備。然而，通過使用合適的設(shè)備設(shè)計(jì)、布局和焊線技術(shù)，塑料封裝的寄生效應(yīng)的影響可能降低到0.5分貝（參見圖3）。

2003年3月，杰爾系統(tǒng)（Allentown， PA）推出全新的21種具有突破性的晶體管，面向無線基站PA市場。基于傳統(tǒng)的陶瓷封裝，這些產(chǎn)品使用戶能夠建立產(chǎn)熱量更少、體積更小、價(jià)格更低廉的無線基站。這些半導(dǎo)體產(chǎn)品的熱性能達(dá)到了一個(gè)新的水平，將基站中的冷卻風(fēng)扇的數(shù)量減少了一半，使服務(wù)供應(yīng)商能夠降低資本費(fèi)用和運(yùn)營成本，同時(shí)減少風(fēng)扇噪音污染。杰爾系統(tǒng)現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)向下一代射頻晶體管器件，這些晶體管裝配在大容量的超模壓塑封裝中（參見圖4）。

塑料封裝解決方案的早期實(shí)施降低了成本，然而，使用內(nèi)部裝配線有礙于成本的進(jìn)一步降低。使用高容量封裝設(shè)備更具吸引力，可在多個(gè)產(chǎn)品線間共享投資費(fèi)用、知識和創(chuàng)新技術(shù)。這與采用世界級的外部加工的集成電路設(shè)計(jì)公司顯著降低成本的經(jīng)歷非常類似。

杰爾系統(tǒng)的最新射頻功率產(chǎn)品系列封裝在Amkor Technologies（West Chester， PA）的超模壓塑料Power Small Outline Package（PSOP）中。迄今為止，這種封裝的產(chǎn)量已經(jīng)接近10億，具備射頻電子市場要求的高產(chǎn)量、低成本和高可靠性。

這種小而薄的產(chǎn)品能夠在惡劣環(huán)境中可靠運(yùn)行。廠家特別關(guān)注材料和裝配流程，以解決客戶問題，包括平整度、共面、線掃頻、分層、可焊性和成本。用于射頻功率晶體管的超模壓塑技術(shù)還具備其他重要的技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢：這種封裝使射頻功率晶體管能通過被電子和通信業(yè)普遍接受的主流制造流程制造。

Amkor Technologies公司的PSOP封裝晶體管性能可與安裝在更昂貴的陶瓷封裝內(nèi)的相同設(shè)備媲美，在2.1GHz頻段，能夠提供卓越的測試性能，并且顯著降低成本。這些可靠的超模壓塑料封裝符合當(dāng)前環(huán)境和2006環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，且與無導(dǎo)線板裝置技術(shù)兼容。此外，公司展示了新一代高傳導(dǎo)環(huán)氧材料可用于進(jìn)行芯管粘接操作，取代早期解決方案使用的導(dǎo)線。杰爾公司的超模壓集成電路經(jīng)過一系列的廣泛測試，確保低成本超模壓部件能夠取代傳統(tǒng)的陶瓷部件。2004年第二季度初推出的超模壓LDMOS部件將滿足表1所述的熱、電磁和物理?xiàng)l件。

隨著時(shí)間的推移，超模壓射頻功率晶體管將顯著降低無線基站設(shè)備設(shè)計(jì)人員和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的成本。同時(shí)，它能夠降低功率、節(jié)省空間，使運(yùn)營商能夠采用新方法部署基站。封裝技術(shù)的創(chuàng)新一定會促進(jìn)其他封裝的創(chuàng)新。例如，杰爾系統(tǒng)正在開發(fā)適用于高輸出功率器件設(shè)備的全新氣孔解決方案。此外，這些封裝概念可擴(kuò)展到集成模塊，更大幅度地降低成本，而不影響性能。