采用PCTF技術(shù)降低微波/射頻器件成本的封裝方案 - 全文

射頻/微波器件的封裝設(shè)計(jì)非常重要，封裝可以保護(hù)器件，同時(shí)也會(huì)影響器件的性能。因此封裝一定要能提供優(yōu) 異的電學(xué)性能、器件的保護(hù)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(nèi)都很穩(wěn)定，能承受很高的加工和工作溫度，機(jī)械性能優(yōu)異，能提供較好的防潮濕功能和優(yōu)異的氣密性。對(duì)于高頻器件，陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)和半導(dǎo)體芯片材料的膨脹系數(shù)相近，并能支持較高的集成度和復(fù)雜的I/O管腳分布。

常見(jiàn)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(guī)模生產(chǎn)；對(duì)于中小批量生產(chǎn)，以及一些客戶(hù)定制的產(chǎn)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(duì)表面貼裝技術(shù)有所限制。Remtec公司發(fā)明的鍍銅厚膜 PCTF（Plated Copper on Thick Film）技術(shù)可以解決上述問(wèn)題，可以生產(chǎn)高性能SMT器件，并且經(jīng)濟(jì)、可靠，適用于中小批量生產(chǎn)（每年幾千----每月十萬(wàn)左右的產(chǎn)能）

PCTF技術(shù)是一種可行的、經(jīng)濟(jì)的射頻器件封裝方案，可以降低生產(chǎn)成本，并可有效加快投入市場(chǎng)的速度。該技術(shù)具有穩(wěn)定的電學(xué)特性、良好的散熱性能以及很高的可靠性。PCTF技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的焊接，還可支持大面板、多陣列的封裝形式。基于PCTF技術(shù)的封裝或襯底適用的頻率范圍是100MHz至24GHz，該技術(shù)特別適合需要低熱阻（1到2°C/W 或更低）的應(yīng)用。

采用無(wú)引腳的陶瓷SMT技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，采用PCTB技術(shù)制造陶瓷SMT封裝，陶瓷襯底始終是無(wú)引腳SMT封裝的基底，上面覆蓋一層環(huán)氧材料的覆蓋層，或者使用金屬環(huán)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(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)裝配技術(shù)，例如高溫合金芯片粘合、環(huán)氧材料粘合、BGA（ball-grid-array）封裝、倒扣封裝以及ribbon鍵合技術(shù)。PCTF封裝還可以采用無(wú)磁性材料，適用于核磁共振成像MRI（magnetic-resonance-imaging）系統(tǒng)等無(wú)磁應(yīng)用。

PCTF表面貼裝器件具有三項(xiàng)顯著特點(diǎn)：銅金屬化、鍍銅實(shí)心插入式通孔、PCTF保護(hù)層。銅金屬化適合射頻信號(hào)傳輸，同時(shí)還有較好的散熱效果。實(shí)心通孔和保護(hù)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(lián)（寄生電感對(duì)高頻性能影響較大）；插入式通孔的直流電阻小于1mOhm，在4GHz時(shí)，其損耗小于0.1dB；實(shí)心通孔的熱導(dǎo)率大于200 W/m-°C，對(duì)應(yīng)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(qiáng)器件的可靠性，由于采用了銅鍍層的覆蓋物，大型的無(wú)引腳SMT器件，通過(guò)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(cè)試、包裝等流程可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。

陶瓷的襯底陣列具有切割孔（激光切割），可以簡(jiǎn)化分割過(guò)程。如有需要還可以使用切割機(jī)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(gè)主要原因。能在PCB板上直接焊接大型（大于0.5英寸）無(wú)引腳陶瓷封裝器件，是PCTF的另一項(xiàng)獨(dú)有特點(diǎn)，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。該技術(shù)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)時(shí)，該技術(shù)具有很好的可焊接性，可以承受滿(mǎn)足RoHS要求的、多次、長(zhǎng)時(shí)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(hù)提出的各項(xiàng)認(rèn)證測(cè)試中，表現(xiàn)出高度的可靠性，并通過(guò)各項(xiàng)測(cè)試。在這些測(cè)試中，PCTF器件經(jīng)受了機(jī)械沖擊、極度高低溫環(huán)境、以解其他各項(xiàng)嚴(yán)格的考驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明該封裝技術(shù)可以保證客戶(hù)產(chǎn)品在各種熱學(xué)、機(jī)械沖擊下，都能正常工作。上述測(cè)試都是在高頻PCB板上直接安裝SMT器件的條件下完成的。測(cè)試的結(jié)果在表1中。

由于有效的熱學(xué)設(shè)計(jì)，該陶瓷封裝技術(shù)可以支持多種有源或無(wú)源器件。例如采用單芯片的功放模塊以及四邊扁平無(wú)引腳（QFN，Quad Flat No Lead）封裝。另外，PCTF技術(shù)還可以用于SMT磁頭，或者嵌入式無(wú)源器件（如衰減器、濾波器）的封裝。該技術(shù)也可以用于大型無(wú)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(xiàn)，用于射頻功放、低噪聲放大器、發(fā)射機(jī)以及其他多功能模塊。

韓國(guó)著名射頻微波模塊廠商RFHIC公司，已經(jīng)開(kāi)始使用PCTF技術(shù)生產(chǎn)其低噪聲放大器、增益模塊、寬帶低噪聲放大器（包括其CL、GB、 WL、LCL系列產(chǎn)品）（圖2）。這些產(chǎn)品體積?。?0.16×10.16X 4 mm）、價(jià)格低適于大批量生產(chǎn)。得益于PCTF技術(shù)的散熱特性和可靠性，該公司的寬帶低噪聲放大器產(chǎn)品能提供有益的高增益、低噪聲性能。對(duì)于這些應(yīng)用，PCTF技術(shù)具有承受高溫、散熱性好、易于制造以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

iTerra是另一家廣泛采用PCTF封裝技術(shù)的公司，該公司主要生產(chǎn)高端微波器件以及高速數(shù)字、光纖通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。iTerra生產(chǎn)的 10.709 Gb/s NRZ（不歸零）到RZ（歸零）編碼器，采用了高氣密型（1×10-8 cm2/s）無(wú)引腳陶瓷PCTF封裝，能有效地散發(fā)出其5瓦的功耗，該模塊集成度高，電路密度大（圖3）。采用PCTF封裝，配上阻抗匹配電路，該模塊可以保證較寬溫度范圍內(nèi)的信號(hào)完整性（小于8ps的抖動(dòng)）。

由于保密原因，這里不能提及軍事和航天用戶(hù)使用PCTF技術(shù)的具體方法。但是值得一提的是：高功率（10瓦）氣密無(wú)引腳SMT封裝器件，一般都是基于氧化鋁和鈹陶瓷襯底的。這些器件都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的加速老化和功能測(cè)試，能工作在14GHz的頻段。

在商用領(lǐng)域，射頻識(shí)別RFID（RF identification）正逐步普及，零售業(yè)和工業(yè)用戶(hù)正在不斷開(kāi)發(fā)這種短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)的新應(yīng)用。Multispectral公司提出了一種結(jié)合 RFID和UWB的新技術(shù)，該公司為其一款RFID讀卡器產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶濾波器，該濾波器采用PCTF技術(shù)，該濾波器在400MHz的帶寬內(nèi)具有極低的插損（圖4）。采用基于厚膜技術(shù)的PCTF封裝，該產(chǎn)品達(dá)到了比傳統(tǒng)微波PCB技術(shù)更低的插損，已經(jīng)更高的可重復(fù)性。而且濾波器的體積也比傳統(tǒng)方法減小了很多，同時(shí)還提高了可靠性。另外，PCTF封裝有效的減小了互耦干擾。

該公司還生產(chǎn)了一款采用PCTF封裝技術(shù)的6GHz發(fā)射機(jī)模塊，其成本和普通PCB板的生產(chǎn)方式相同。但是該RFID/RTLC發(fā)射機(jī)的體積比傳統(tǒng)方式縮小了很多，而且電學(xué)性能和可靠性有了極大提高。

上述的封裝可以試半標(biāo)準(zhǔn)化的，也可謂根據(jù)用戶(hù)的需求單獨(dú)制定。但是PCTF技術(shù)可以提供經(jīng)濟(jì)的、便于快速生產(chǎn)封裝方法，以替代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳定義，包括空氣腔配置。

上述的全氣密以及非氣密SMT陶瓷封裝器件以及襯底，都已經(jīng)在（高端）商用以及軍用領(lǐng)域廣泛使用，包括航空航天、電信、無(wú)線(xiàn)通訊以及衛(wèi)星通信領(lǐng)域。典型的應(yīng)用有：基站、有線(xiàn)電視設(shè)備，雷達(dá)天線(xiàn)陣和相控陣，RFID標(biāo)簽和讀卡器，光通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等等。PCTF封裝具有體積小、熱阻低、電路密度大、氣密通孔、設(shè)計(jì)靈活、快速轉(zhuǎn)產(chǎn)、成本低等等優(yōu)點(diǎn)。

簡(jiǎn)而言之，PCTF技術(shù)為無(wú)引腳SMT元件、模塊設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的封裝方案，對(duì)于中小批量生產(chǎn)尤其適用。該技術(shù)電學(xué)性能穩(wěn)定、散熱效率高、耐高溫、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。