基于PCB壓合工藝的聲表面波濾波器新型封裝研究

張虹，趙志娟，劉永紅，雷雅雯，雷順京

寧夏索特科新型器件有限公司，寧夏銀川，750011

0 引言

聲表面波濾波器（SAWF）是利用壓電晶體材料的壓電特性，通過在其表面激發(fā)傳播聲表面波工作的電子器件，其封裝結(jié)構(gòu)必須保證芯片表面一定高度范圍內(nèi)為空腔，根據(jù)器件工作頻率高低和功率大小，空腔高度的具體尺度略有差異，通常為幾十個工作信號波長。同時，為保障器件長期穩(wěn)定工作，芯片表面的空腔需保持氣密性，特殊情況下還需要密封惰性氣體，以保持芯片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而保持器件電性能的穩(wěn)定。

SAWF的常規(guī)封裝形式有插腳式（DIP、SIP）金屬封裝和貼片式（SMD）陶瓷封裝等，插腳式金屬封裝使用儲能焊機，通過將密接面金屬棱熔化的方式使金屬外殼緊密牢固地焊接在一起，而貼片陶瓷封裝則是用縫焊原理將金屬蓋板與底座上的焊接環(huán)金屬熔化后焊接在一起，兩種封裝均具有牢固的焊接強度和優(yōu)良的氣密性，但插件式SAWF由于體積大，在電子元器件微型化的大趨勢下，其應(yīng)用范圍逐漸受到限制，而貼片式陶瓷封裝所需的陶瓷外殼目前仍主要依賴進口，價格昂貴、采購周期長，供應(yīng)鏈可靠性缺乏保障。另外，采用基于低溫共燒陶瓷（LTCC）基板或印刷電路板（PCB）[1]和倒裝焊接技術(shù)的芯片級封裝（CSP）是目前主流的終端用射頻聲表面波（RF-SAW）濾波器封裝形式，但僅適用于高頻、小管芯產(chǎn)品，不太適用于管芯尺寸較大的中低頻應(yīng)用領(lǐng)域。為滿足電子整機產(chǎn)品不斷追求精致小型化的需求，與其他基礎(chǔ)電子元器件一樣，SAWF的封裝形式在不斷改進，尤其是在兼容采用自動裝配工藝的表面貼裝技術(shù)（SMT）基礎(chǔ)上，對成本敏感的民用產(chǎn)品的低成本封裝技術(shù)一直在不斷發(fā)展。

1 新型封裝結(jié)構(gòu)

本新型封裝結(jié)構(gòu)采用FR-4玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂化合物基材（玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg170）的PCB電路板制作封裝底板，制作有空腔的蓋板也使用同一材質(zhì)的基材。生產(chǎn)中使用通用Diebonding工藝將SAWF芯片粘結(jié)到PCB底板上的規(guī)定區(qū)域，再用Wire-bonding工藝將濾波器芯片內(nèi)引線鍵合到PCB底板上的引線焊盤，然后將底板和蓋板放置在要求的氣體環(huán)境中，使用PCB板生產(chǎn)的傳統(tǒng)壓合工藝壓合，形成一個外殼整體是FR4基材PCB板、內(nèi)含SAWF芯片且其表面為規(guī)定氣體的內(nèi)空腔結(jié)構(gòu)。最后將組件內(nèi)各個器件切割分開，進行產(chǎn)品電性能檢測。圖1是新型封裝單個產(chǎn)品的剖面示意圖。

圖1 新型封裝器件剖面示意圖

底板和蓋板的結(jié)構(gòu)尺寸、外焊盤位置與尺寸完全按照表面貼裝封裝器件（SMD）的標(biāo)準(zhǔn)外殼尺寸設(shè)計。依據(jù)不同尺寸大小的芯片，一個組件可容納幾十到數(shù)百只不等的SAWF芯片。SAWF常用基片鉭酸鋰LiTaO3的熱膨脹系數(shù)為8×10-6，封裝底板、蓋板材料的選擇除需要考慮密封性能、電氣性能、機械強度以及可加工性之外，還需重點考慮選用熱膨脹系數(shù)與SAWF芯片基材接近的材質(zhì)。PCB的熱膨脹系數(shù)主要取決于制作時使用的玻璃纖維，不同種類的玻璃纖維熱膨脹系數(shù)差別很大，在2.7×10-6～7.2×10-6之間。本新型封裝選用的RF-4環(huán)氧樹脂玻璃布基材以及陶瓷外殼的熱膨脹系數(shù)見表1。

表1 有機基板材料、鉭酸鋰以及陶瓷的熱膨脹系數(shù)

采用FR-4玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂化合物基材（玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg170）的PCB電路板設(shè)計制作雙面金屬化底板，為減小損耗以及分布電參數(shù)，同時便于封裝后單個產(chǎn)品的切割分離，底板厚度應(yīng)越小越好。但太薄的基板存在形變大、機械強度低、易破裂等問題，因此，底板設(shè)計時需要選擇合適的厚度，依據(jù)不同的封裝尺寸，底板厚度設(shè)計為0.4mm～0.6mm。底板正面的覆銅布局，需要配合SAWF芯片的圖形布局來設(shè)計；底面外部焊接用焊盤位置、尺寸按照表面貼裝封裝（SMD）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計；正面和底面間的電信號連接，通過內(nèi)孔沉銅導(dǎo)線柱連通（在對損耗要求不太高的場合，也可以采用成本較低的樹脂/油墨塞金屬化孔連通）。所有覆銅區(qū)域均采用沉金工藝，以確保芯片引線能夠可靠鍵合以及器件在整機SMT裝配后的回流焊接質(zhì)量，非覆銅區(qū)域涂覆阻焊膜保護。另外，在底面設(shè)置有定位標(biāo)記，便于器件分割時對準(zhǔn)定位。圖2是一種規(guī)格的組件底板正反面示意圖。

圖2 底板正反面示意圖

單個器件單元的整體尺寸根據(jù)S A W F表面貼裝封裝SMD的標(biāo)準(zhǔn)，可以分別設(shè)計為3.0mm×3.0mm、3.8mm×3.8mm、5.0mm×5.0mm、5.0mm×7.0mm、7.0mm×9.0mm、9.6mm×4.2mm，等等。

2 壓合工藝

PCB制造流程中的傳統(tǒng)壓合工藝（簡稱“傳壓工藝”）多使用半固化片[2]，半固化片由玻纖布、環(huán)氧樹脂、固化劑[3]三大部分組成，其壓合工藝過程溫度一般為200℃～220℃，保持時間2小時，整個壓合過程約4小時。另外，半固化片在壓合過程中會產(chǎn)生揮發(fā)物，在密閉腔體內(nèi)揮發(fā)物落到SAWF芯片表面將影響SAWF的電氣性能。

我們優(yōu)選一款特殊半固化片作為壓合材料，這是一種低介電常數(shù)、低膨脹系數(shù)的無機材料與具備優(yōu)異結(jié)合力與環(huán)境耐受性的樹脂材料相結(jié)合的無溶劑介質(zhì)膠膜，可實現(xiàn)對金屬/無機非金屬/塑料等各類基材的高強度粘結(jié)，其良好的熱傳導(dǎo)性及低膨脹系數(shù)更適宜小線寬電路板的壓合，并且在壓合過程中沒有溶劑揮發(fā)，尤其適宜密閉性封裝結(jié)構(gòu)壓合過程中對芯片表面的保護。壓合工藝曲線如圖3所示。

圖3 特殊半固化片壓合工藝曲線

3 實例

3.1 基本參數(shù)

一個成熟設(shè)計的SAWF：FC=677MHz，BW-3dB=28MHz，芯片尺寸為1.04mm×1.39mm，同一片晶圓上的芯片，分別用F11金屬封裝和新型封裝制作樣品。底板和蓋板融合性很好，底板與上蓋形成了一個整體。

3.2 電氣性能對比

圖4是F11金屬封裝和新型封裝SAWF產(chǎn)品的幅頻特性曲線對比，紅色曲線是新型PCB封裝SAWF的幅頻特性，藍色曲線是F11封裝產(chǎn)品的幅頻特性。兩種封裝產(chǎn)品幅頻特性曲線完全重合，新型PCB封裝產(chǎn)品的阻帶抑制略差，但插入損耗更小。

圖4 PCB 封裝和F11 封裝產(chǎn)品的幅頻特性曲線

3.3 可靠性及密封性試驗

按照GB/T27700.1—2011《有質(zhì)量評定的聲表面波（SAW)濾波器第1部分：總規(guī)范》[4]的規(guī)定，對新型PCB封裝產(chǎn)品進行了可靠性和密封性試驗。在所有的可靠性測試中，最重要的是溫度循環(huán)試驗和恒定濕熱試驗[4]，溫度循環(huán)試驗是考驗器件在短時間內(nèi)從極低溫到高溫或從高溫到極低溫時，熱應(yīng)力積聚和釋放的過程，如果在這些試驗中出現(xiàn)了問題，則表明器件中熱應(yīng)力積聚過大，器件的機械穩(wěn)定性不好。恒定濕熱試驗主要考察PCB封裝器件的耐濕性能，通過高溫、高濕條件可構(gòu)成水汽吸附、吸收和擴散等作用，驗證PCB基板及其材料在吸濕后膨脹性能滿足度。

SAWF是內(nèi)腔密封性電子元件，密封性能是衡量其質(zhì)量的重要標(biāo)志。依據(jù)GB/T27700.1—2011《有質(zhì)量評定的聲表面波（SAW)濾波器第1部分：總規(guī)范》的要求進行粗檢漏和細檢漏試驗。

PCB新型封裝可靠性、密封性試驗項目及方法見表2，新型PCB封裝產(chǎn)品全部通過了表2試驗項目。

表2 PCB 新型封裝可靠性、密封性試驗

4 結(jié)語

新型PCB封裝原材料成本低，工藝簡單，生產(chǎn)效率高，可以大幅降低表面貼裝SAWF的制造成本，經(jīng)過例行試驗驗證，其封裝密封性、電氣性能、機械強度、溫度特性以及可靠性等完全滿足SAWF現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，在普遍使用SMT裝配技術(shù)的民用產(chǎn)品領(lǐng)域可以完全替代陶瓷SMD封裝。