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采用PCTF技術降低微波/射頻器件成本
摘要: 射頻/微波器件的封裝設計非常重要,封裝可以保護器件,同時也會影響器件的性能。因此封裝一定要能提供優異的電學性能、器件的保護功能和屏蔽作用等等。
Abstract:
Key words :

射頻/微波器件的封裝設計非常重要,封裝可以保護器件,同時也會影響器件的性能。因此封裝一定要能提供優異的電學性能、器件的保護功能和屏蔽作用等等。高性能射頻微波器件通常采用陶瓷封裝材料,陶瓷材料的介電性能在較寬的溫度和頻率范圍之內都很穩定,能承受很高的加工和工作溫度,機械性能優異,能提供較好的防潮濕功能和優異的氣密性。對于高頻器件,陶瓷材料的熱膨脹系數和半導體芯片材料的膨脹系數相近,并能支持較高的集成度和復雜的I/O管腳分布。

  常見的陶瓷封裝制作方法有:共燒陶瓷工藝,厚膜、薄膜工藝。共燒陶瓷工藝適合大規模生產;對于中小批量生產,以及一些客戶定制的產品,通常采用厚膜、薄膜工藝。盡管上述的幾種工藝都很成熟可靠,但是其成本、工藝難以控制,而且對表面貼裝技術有所限制。Remtec公司發明的鍍銅厚膜PCTF(Plated Copper on Thick Film)技術可以解決上述問題,可以生產高性能SMT器件,并且經濟、可靠,適用于中小批量生產(每年幾千----每月十萬左右的產能)

  PCTF技術是一種可行的、經濟的射頻器件封裝方案,可以降低生產成本,并可有效加快投入市場的速度。該技術具有穩定的電學特性、良好的散熱性能以及很高的可靠性。PCTF技術允許直接將大塊的陶瓷封裝或襯底固定在微波PCB板上,符合RoHS標準的焊接,還可支持大面板、多陣列的封裝形式。基于PCTF技術的封裝或襯底適用的頻率范圍是100MHz至24GHz,該技術特別適合需要低熱阻(1到2°C/W 或更低)的應用。

  采用無引腳的陶瓷SMT技術的優點很多,采用PCTB技術制造陶瓷SMT封裝,陶瓷襯底始終是無引腳SMT封裝的基底,上面覆蓋一層環氧材料的覆蓋層,或者使用金屬環型框架/蓋板形成氣密的腔體(圖1),。采用在種子層(seed layer)上鍍銅,最后鍍鎳-金層,實現襯底的金屬化。因此該封裝可以承受多次焊接以及+400°C的高溫。該方案還支持標準裝配技術,例如高溫合金芯片粘合、環氧材料粘合、BGA(ball-grid-array)封裝、倒扣封裝以及ribbon鍵合技術。PCTF封裝還可以采用無磁性材料,適用于核磁共振成像MRI(magnetic-resonance-imaging)系統等無磁應用。

  PCTF表面貼裝器件具有三項顯著特點:銅金屬化、鍍銅實心插入式通孔、PCTF保護層。銅金屬化適合射頻信號傳輸,同時還有較好的散熱效果。實心通孔和保護層可以提供多種功能:可以降低陶瓷襯底的熱阻,為封裝提供接地,還可提供低電感互聯(寄生電感對高頻性能影響較大);插入式通孔的直流電阻小于1mOhm,在4GHz時,其損耗小于0.1dB;實心通孔的熱導率大于200 W/m-°C,對應其熱阻小于1°C/W,提供很好的功率控制特性。通孔的氣密性(1×10–8 cm2/s)保證了芯片與外間的完全隔絕。

  PCTF工藝還可增強器件的可靠性,由于采用了銅鍍層的覆蓋物,大型的無引腳SMT器件,通過可靠的焊接可以直接裝在PCB板上。典型的封裝尺寸為0.16平方英寸到1.00平方英寸。器件通常采用4.5×4.5英寸的多組包裝。其元件組裝、芯片粘合、鍵合甚至測試、包裝等流程可以實現全自動化。

  陶瓷的襯底陣列具有切割孔(激光切割),可以簡化分割過程。如有需要還可以使用切割機替代激光。能在較大的面板上處理并提供封裝,是PCTF能降低成本的一個主要原因。能在PCB板上直接焊接大型(大于0.5英寸)無引腳陶瓷封裝器件,是PCTF的另一項獨有特點,并且經過長時間的考驗。該技術可以在PCB板上安裝大型的SMT射頻器件(甚至是氣密型的)。另一項優勢時,該技術具有很好的可焊接性,可以承受滿足RoHS要求的、多次、長時間的焊接操作,并且保證封裝的完整性和可靠性。

  全氣密以及不氣密SMT器件在客戶提出的各項認證測試中,表現出高度的可靠性,并通過各項測試。在這些測試中,PCTF器件經受了機械沖擊、極度高低溫環境、以解其他各項嚴格的考驗。測試結果表明該封裝技術可以保證客戶產品在各種熱學、機械沖擊下,都能正常工作。上述測試都是在高頻PCB板上直接安裝SMT器件的條件下完成的。測試的結果在表1中。

  由于有效的熱學設計,該陶瓷封裝技術可以支持多種有源或無源器件。例如采用單芯片的功放模塊以及四邊扁平無引腳(QFN,Quad Flat No Lead)封裝。另外,PCTF技術還可以用于SMT磁頭,或者嵌入式無源器件(如衰減器、濾波器)的封裝。該技術也可以用于大型無引腳SMT模塊,如多芯片模塊MCM(multi-chip modules),這些模塊含有多塊集成電路以及一些電阻、電容和微帶線,用于射頻功放、低噪聲放大器、發射機以及其他多功能模塊。

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