塑料封装应用于高功率设备

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随着超模压塑料封装技术的进步,高功率射频晶体管的开发人员能将器件可靠的封装在其中,其性能可与陶瓷相媲美。

封装对于实现射频功率晶体管的最佳性能至关重要。由于射频功率晶体管是功率放大器(PA)中最昂贵的元件之一,而PA又是蜂窝基站中最昂贵的组件,所以如何降低晶体管的成本而不牺牲性能受到人们的高度重视。超模压塑封装技术提供了一种解决方案,已经被其它功率集成电路(IC)应用所接受,但最近才得到充分改进,能够满足射频功率晶体管开发人员的需求。该技术能提供我们需要的技术性能,成本却比现有的封装方法低一个数量级。

提高射频功率半导体性价比的创新技术很可能影响到2.5G 和3G无线网络的未来发展方向。高功率射频晶体管传统上采用引线陶瓷封装。在基站内,功率晶体管安装在印刷电路板上(PCB),就如同电路板与电信中心局设备的线卡同样被插入蜂窝基站。普通的蜂窝/无线基站有大约8到10个PA。功率晶体管是PA中最昂贵的组件,其成本在所有基站的总成本中占据了非常大的比例。此外,大约30%的基站问题与PA有关,因而PA的可靠性对成功运营无线网络至关重要。

鉴于对射频功率晶体管的性能和可靠性的要求,它们通常会被安装在封装中,结合采用导热导电的金属底座和陶瓷环,以分离输入和输出导线。底座由铜钨合金制成,并用金属覆盖,以便通过高温铜焊工艺流程附在陶瓷环上。由于采用了陶瓷环,第一代解决方案被称为陶瓷封装。此外,封装底座是镀金的,以便通过第二道高温流程将管芯附在上面。封装加上了一个粘在陶瓷环和输入输出导线上的陶瓷盖,作为唯一的环保措施。

采用陶瓷方式,封装成本几乎是功率晶体管成品(见图1)总成本的一半。当然,对于射频晶体管,封装不仅保护了管芯,还提供了接电和散发多余热量的途径。事实上,封装不仅是实现高性能的关键因素,还能达到许多微电子产品和计算机系统降低成本的要求。实际上,射频封装必须提供:

1. 已安装芯片的电源和信号线的连接

2. 附着有源管芯和所有相关组件的底座

3. 散发多余热量的方式

4. 保护和维持连接和芯片完整性的结构,同时可为操作和外部标识提供一个平台,以便于辨认。

                    

显而易见,降低成本的方法是消除昂贵的陶瓷环,以及烦琐昂贵的铜焊接过程。幸运的是,聚合体材料(塑料)的创新使这成为现实。可以使用两种合成聚合物:热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料只通过加热加压的方法加工,其间没有化学反应。冷却后,热塑性塑料或者结晶,或者转变为玻璃态。热硬化性的聚合体(环氧塑料、酚醛塑料、福米卡塑料)加热后发生化学反应,导致分子量增加。这种化学反应导致所有反应基彻底转化,产生硬度强、热扭变温度高、化学和物理抵抗性能良好的聚合物。

使用聚合物封装半导体芯片时,人们通过线压焊将芯片连接到封装引线框架,然后封装在聚合绝缘体中,绝缘体用作电绝缘体和保护层,防止影响环境。图2提供了陶瓷和超模压塑料封装的比较。

         

超模压封装确实改变了射频性能。在陶瓷封装中,芯片和焊线都在气孔中。在塑料封装中,聚合材料包住了设备和焊线,并与它们接触。由于聚合物的介电常数比空气高,塑料封装中的寄生效应较高,因而输出功率和增益略低于同种陶瓷封装中的设备。然而,通过使用合适的设备设计、布局和焊线技术,塑料封装的寄生效应的影响可能降低到0.5分贝(参见图3)。

          

2003年3月,杰尔系统(Allentown, PA)推出全新的21种具有突破性的晶体管,面向无线基站PA市场。基于传统的陶瓷封装,这些产品使用户能够建立产热量更少、体积更小、价格更低廉的无线基站。这些半导体产品的热性能达到了一个新的水平,将基站中的冷却风扇的数量减少了一半,使服务供应商能够降低资本费用和运营成本,同时减少风扇噪音污染。杰尔系统现在正在转向下一代射频晶体管器件,这些晶体管装配在大容量的超模压塑封装中(参见图4)。

                 

塑料封装解决方案的早期实施降低了成本,然而,使用内部装配线有碍于成本的进一步降低。使用高容量封装设备更具吸引力,可在多个产品线间共享投资费用、知识和创新技术。这与采用世界级的外部加工的集成电路设计公司显著降低成本的经历非常类似。

杰尔系统的最新射频功率产品系列封装在Amkor Technologies(West Chester, PA)的超模压塑料Power Small Outline Package(PSOP)中。迄今为止,这种封装的产量已经接近10亿,具备射频电子市场要求的高产量、低成本和高可靠性。

这种小而薄的产品能够在恶劣环境中可靠运行。厂家特别关注材料和装配流程,以解决客户问题,包括平整度、共面、线扫频、分层、可焊性和成本。用于射频功率晶体管的超模压塑技术还具备其他重要的技术和商业优势:这种封装使射频功率晶体管能通过被电子和通信业普遍接受的主流制造流程制造。

Amkor Technologies公司的PSOP封装晶体管性能可与安装在更昂贵的陶瓷封装内的相同设备媲美,在2.1GHz频段,能够提供卓越的测试性能,并且显著降低成本。这些可靠的超模压塑料封装符合当前环境和2006环境标准,且与无导线板装置技术兼容。此外,公司展示了新一代高传导环氧材料可用于进行芯管粘接操作,取代早期解决方案使用的导线。杰尔公司的超模压集成电路经过一系列的广泛测试,确保低成本超模压部件能够取代传统的陶瓷部件。2004年第二季度初推出的超模压LDMOS部件将满足表1所述的热、电磁和物理条件。

                    

随着时间的推移,超模压射频功率晶体管将显著降低无线基站设备设计人员和网络运营商的成本。同时,它能够降低功率、节省空间,使运营商能够采用新方法部署基站。封装技术的创新一定会促进其他封装的创新。例如,杰尔系统正在开发适用于高输出功率器件设备的全新气孔解决方案。此外,这些封装概念可扩展到集成模块,更大幅度地降低成本,而不影响性能。