基于PCB压合工艺的声表面波滤波器新型封装研究

2024-05-25张虹赵志娟刘永红雷雅雯雷顺京

电子元器件与信息技术 2024年2期

张虹，赵志娟，刘永红，雷雅雯，雷顺京

宁夏索特科新型器件有限公司，宁夏银川，750011

0 引言

声表面波滤波器（SAWF）是利用压电晶体材料的压电特性，通过在其表面激发传播声表面波工作的电子器件，其封装结构必须保证芯片表面一定高度范围内为空腔，根据器件工作频率高低和功率大小，空腔高度的具体尺度略有差异，通常为几十个工作信号波长。同时，为保障器件长期稳定工作，芯片表面的空腔需保持气密性，特殊情况下还需要密封惰性气体，以保持芯片结构稳定性，进而保持器件电性能的稳定。

SAWF的常规封装形式有插脚式（DIP、SIP）金属封装和贴片式（SMD）陶瓷封装等，插脚式金属封装使用储能焊机，通过将密接面金属棱熔化的方式使金属外壳紧密牢固地焊接在一起，而贴片陶瓷封装则是用缝焊原理将金属盖板与底座上的焊接环金属熔化后焊接在一起，两种封装均具有牢固的焊接强度和优良的气密性，但插件式SAWF由于体积大，在电子元器件微型化的大趋势下，其应用范围逐渐受到限制，而贴片式陶瓷封装所需的陶瓷外壳目前仍主要依赖进口，价格昂贵、采购周期长，供应链可靠性缺乏保障。另外，采用基于低温共烧陶瓷（LTCC）基板或印刷电路板（PCB）[1]和倒装焊接技术的芯片级封装（CSP）是目前主流的终端用射频声表面波（RF-SAW）滤波器封装形式，但仅适用于高频、小管芯产品，不太适用于管芯尺寸较大的中低频应用领域。为满足电子整机产品不断追求精致小型化的需求，与其他基础电子元器件一样，SAWF的封装形式在不断改进，尤其是在兼容采用自动装配工艺的表面贴装技术（SMT）基础上，对成本敏感的民用产品的低成本封装技术一直在不断发展。

1 新型封装结构

本新型封装结构采用FR-4玻璃纤维增强环氧树脂化合物基材（玻璃态转化温度Tg170）的PCB电路板制作封装底板，制作有空腔的盖板也使用同一材质的基材。生产中使用通用Diebonding工艺将SAWF芯片粘结到PCB底板上的规定区域，再用Wire-bonding工艺将滤波器芯片内引线键合到PCB底板上的引线焊盘，然后将底板和盖板放置在要求的气体环境中，使用PCB板生产的传统压合工艺压合，形成一个外壳整体是FR4基材PCB板、内含SAWF芯片且其表面为规定气体的内空腔结构。最后将组件内各个器件切割分开，进行产品电性能检测。图1是新型封装单个产品的剖面示意图。

图1 新型封装器件剖面示意图

底板和盖板的结构尺寸、外焊盘位置与尺寸完全按照表面贴装封装器件（SMD）的标准外壳尺寸设计。依据不同尺寸大小的芯片，一个组件可容纳几十到数百只不等的SAWF芯片。SAWF常用基片钽酸锂LiTaO3的热膨胀系数为8×10-6，封装底板、盖板材料的选择除需要考虑密封性能、电气性能、机械强度以及可加工性之外，还需重点考虑选用热膨胀系数与SAWF芯片基材接近的材质。PCB的热膨胀系数主要取决于制作时使用的玻璃纤维，不同种类的玻璃纤维热膨胀系数差别很大，在2.7×10-6～7.2×10-6之间。本新型封装选用的RF-4环氧树脂玻璃布基材以及陶瓷外壳的热膨胀系数见表1。

表1 有机基板材料、钽酸锂以及陶瓷的热膨胀系数

采用FR-4玻璃纤维增强环氧树脂化合物基材（玻璃态转化温度Tg170）的PCB电路板设计制作双面金属化底板，为减小损耗以及分布电参数，同时便于封装后单个产品的切割分离，底板厚度应越小越好。但太薄的基板存在形变大、机械强度低、易破裂等问题，因此，底板设计时需要选择合适的厚度，依据不同的封装尺寸，底板厚度设计为0.4mm～0.6mm。底板正面的覆铜布局，需要配合SAWF芯片的图形布局来设计；底面外部焊接用焊盘位置、尺寸按照表面贴装封装（SMD）标准设计；正面和底面间的电信号连接，通过内孔沉铜导线柱连通（在对损耗要求不太高的场合，也可以采用成本较低的树脂/油墨塞金属化孔连通）。所有覆铜区域均采用沉金工艺，以确保芯片引线能够可靠键合以及器件在整机SMT装配后的回流焊接质量，非覆铜区域涂覆阻焊膜保护。另外，在底面设置有定位标记，便于器件分割时对准定位。图2是一种规格的组件底板正反面示意图。

图2 底板正反面示意图

单个器件单元的整体尺寸根据S A W F表面贴装封装SMD的标准，可以分别设计为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 压合工艺

PCB制造流程中的传统压合工艺（简称“传压工艺”）多使用半固化片[2]，半固化片由玻纤布、环氧树脂、固化剂[3]三大部分组成，其压合工艺过程温度一般为200℃～220℃，保持时间2小时，整个压合过程约4小时。另外，半固化片在压合过程中会产生挥发物，在密闭腔体内挥发物落到SAWF芯片表面将影响SAWF的电气性能。

我们优选一款特殊半固化片作为压合材料，这是一种低介电常数、低膨胀系数的无机材料与具备优异结合力与环境耐受性的树脂材料相结合的无溶剂介质胶膜，可实现对金属/无机非金属/塑料等各类基材的高强度粘结，其良好的热传导性及低膨胀系数更适宜小线宽电路板的压合，并且在压合过程中没有溶剂挥发，尤其适宜密闭性封装结构压合过程中对芯片表面的保护。压合工艺曲线如图3所示。

图3 特殊半固化片压合工艺曲线

3 实例

3.1 基本参数

一个成熟设计的SAWF：FC=677MHz，BW-3dB=28MHz，芯片尺寸为1.04mm×1.39mm，同一片晶圆上的芯片，分别用F11金属封装和新型封装制作样品。底板和盖板融合性很好，底板与上盖形成了一个整体。

3.2 电气性能对比

图4是F11金属封装和新型封装SAWF产品的幅频特性曲线对比，红色曲线是新型PCB封装SAWF的幅频特性，蓝色曲线是F11封装产品的幅频特性。两种封装产品幅频特性曲线完全重合，新型PCB封装产品的阻带抑制略差，但插入损耗更小。

图4 PCB 封装和F11 封装产品的幅频特性曲线

3.3 可靠性及密封性试验

按照GB/T27700.1—2011《有质量评定的声表面波（SAW)滤波器第1部分：总规范》[4]的规定，对新型PCB封装产品进行了可靠性和密封性试验。在所有的可靠性测试中，最重要的是温度循环试验和恒定湿热试验[4]，温度循环试验是考验器件在短时间内从极低温到高温或从高温到极低温时，热应力积聚和释放的过程，如果在这些试验中出现了问题，则表明器件中热应力积聚过大，器件的机械稳定性不好。恒定湿热试验主要考察PCB封装器件的耐湿性能，通过高温、高湿条件可构成水汽吸附、吸收和扩散等作用，验证PCB基板及其材料在吸湿后膨胀性能满足度。

SAWF是内腔密封性电子元件，密封性能是衡量其质量的重要标志。依据GB/T27700.1—2011《有质量评定的声表面波（SAW)滤波器第1部分：总规范》的要求进行粗检漏和细检漏试验。

PCB新型封装可靠性、密封性试验项目及方法见表2，新型PCB封装产品全部通过了表2试验项目。