CN102832145A - 高频内匹配功率器件的封装方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种高频内匹配功率器件的封装方法，包括：将内匹配电路通过金锗合金共晶在管壳内；将功率器件和输入输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内；将功率器件、输入输出匹配电容及内匹配电路通过金丝电学互连；将内匹配电路和管壳管脚通过金带电学互连。本发明提供的一种高频内匹配功率器件的封装方法，采用两级LCL输入匹配的封装方式，降低了输入匹配电路的Q值，从而增大了内匹配功率器件的带宽、增益和输出功率，此外，本发明分别采用金锡、金锗将高频功率器件、陶瓷电容和匹配电路共晶在管壳内，保证了物理连接的牢固性，并增加了功率器件的热导率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件和混合微波集成电路技术领域，具体涉及一种高频内匹配功率器件的封装方法。
背景技术
在高频内匹配功率器件的研制中，输入匹配电路是一个重点和难点，其重要性在于输入匹配的好坏将直接影响内匹配器件的输入驻波、带宽、增益和输出功率等性能；其难点在于高频内匹配器件，尤其是对于大尺寸的器件，其输入阻抗非常小，一般在1欧姆左右，而系统的特征阻抗一般为50欧姆，如此大的阻抗转换比，大大增加了输入匹配电路设计的难度。此外，高频内匹配器件的性能还与其封装工艺联系紧密。封装过程所实现的物理连接的好坏，以及封装与电路设计的符合度，将直接影响到内匹配功率器件的微波性能和可靠性。因此，封装技术是高频内匹配功率器件研制过程中必不可少的关键工艺之一。
传统的高频内匹配功率器件的研制中，采用单级LCL输入匹配电路的形式，将内匹配功率器件的输入阻抗匹配到50欧姆，其中电感L采用直径为25um的金丝实现，电容C采用自制的高介电陶瓷电容。这种方法虽然较为简捷，但是将使得内匹配器件输入匹配电路的Q值较高，从而降低了内匹配器件的输入驻波比、减少了带宽、降低了增益，使得内匹配器件的输出功率也受到影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能降低输入匹配电路的Q值，增大内匹配功率器件的带宽、增益和输出功率的高频内匹配功率器件的封装方法。
本发明提供的一种高频内匹配功率器件的封装方法，包括：将内匹配电路通过金锗合金共晶在管壳内；
将功率器件和输入输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内；
将功率器件、输入输出匹配电容及内匹配电路通过金丝电学互连；
将内匹配电路和管壳管脚通过金带电学互连。
进一步地，所述将内匹配电路通过金锗合金共晶在管壳内包括：
将共晶仪的温度升至350-380的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将用于构成内匹配电路的输入和输出内匹配电路通过金锗合金共晶在管壳内。
进一步地，在将所述内匹配电路共晶在管壳内时，左右摩擦内匹配电路，从而保证内匹配电路与管壳紧密的粘贴在一起。
进一步地，所述将功率器件和输入输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内包括：
将共晶仪的温度设定在250-280度的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将用于构成输入输出匹配电容的第一输入匹配电容、第二输入匹配电容及输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内；
将共晶仪的温度设定在250-280度的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将功率器件通过金锡合金共晶在管壳内。
进一步地，在将所述功率器件和输入输出匹配电容共晶在管壳内时，左右摩擦功率器件和输入输出匹配电容，从而保证功率器件和输入输出匹配电容与管壳紧密的粘贴在一起。
进一步地，所述输入输出匹配电容采用芯片电容或陶瓷电容。
进一步地，所述将功率器件、输入输出匹配电容及内匹配电路通过金丝电学互连包括：
采用金丝键合仪，将功率器件的输入输出电极和输入输出匹配电容通过金丝键合连接；
采用金丝键合仪，将输入输出匹配电容和内匹配电路通过金丝键合连接。
进一步地，所述采用金丝键合仪键合连接时，同一位置处不同金丝的长度和角度一致。
进一步地，所述金丝的直径为25um。
进一步地，所述将内匹配电路和管壳管脚通过金带电学互连包括：
采用金带键合仪，将内匹配电路和管壳输入输出管角之间通过100um宽的金带进行键合连接。
本发明提供的一种高频内匹配功率器件的封装方法采用LCL的封装方式，既提升了大尺寸功率器件的输入输出阻抗，又使得匹配电路具有灵活可调性；采用两级LCL输入匹配的封装方式，更好的实现了由低阻抗到高阻抗的转换，改善了内匹配器件的输入驻波比，降低了输入匹配电路的Q值，从而增大了内匹配功率器件的带宽、增益和输出功率，此外，本发明分别采用金锡、金锗将高频功率器件、陶瓷电容和匹配电路焊接在管壳内，保证了物理连接的牢固性，并增加了功率器件的热导率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高频内匹配功率器件的封装方法流程图；
图2为本发明实施例中单个6mm功率器件的结构示意图；
图3为传统单级LCL输入匹配的6mm内匹配功率器件管壳封装的照片；
图4为本发明实施例中两级LCL输入匹配的6mm内匹配功率器件管壳封装的照片；
图5为本发明实施例中6mm内匹配功率器件管壳封装的带宽特性示意图；
图6为本发明实施例中6mm内匹配功率器件管壳封装的增益特性示意图；
图7为本发明实施例中6mm内匹配功率器件管壳封装的输出功率特性示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种高频内匹配功率器件的封装方法，包括以下步骤：
步骤S1：将内匹配电路通过金锗（AuGe）合金共晶在管壳内；
步骤S2：将功率器件和输入输出匹配电容通过金锡（AuSn）合金共晶在管壳内；
步骤S3：将功率器件、输入输出匹配电容及内匹配电路通过金丝电学互连；
步骤S4：将内匹配电路和管壳管脚通过金带电学互连。具体是采用金带键合仪，用100um宽的金带将内匹配电路和管壳输入输出管角之间连接起来，从而实现内匹配功率器件和外界的物理和电学上的互连。
其中，步骤S1将内匹配电路通过金锗（AuGe）合金共晶在管壳内具体是：将共晶仪的温度升至350-380的温度范围内，采用金锗（AuGe）合金，在氮气保护的氛围下，将用于构成内匹配电路的输入和输出内匹配电路共晶在管壳内。将内匹配电路共晶在管壳内时，左右摩擦内匹配电路，从而保证内匹配电路与管壳非常紧密的粘贴在一起。
步骤S2：将功率器件和输入输出匹配电容通过金锡（AuSn）合金共晶在管壳内包括：
步骤S21：将共晶仪的温度设定在250-280度的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将用于构成输入输出匹配电容的第一输入匹配电容、第二输入匹配电容及输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内。
步骤S22：将共晶仪的温度设定在250-280度的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将功率器件共晶在管壳内。
在将功率器件和输入输出匹配电容共晶在管壳内时，左右摩擦功率器件和输入输出匹配电容，从而保证功率器件和输入输出匹配电容与管壳非常紧密的粘贴在一起。输入输出匹配电容采用芯片电容或陶瓷电容。
步骤S3将功率器件、输入输出匹配电容及内匹配电路通过金丝电学互连包括：
步骤S31：采用金丝键合仪，用25um直径的金丝将功率器件的输入输出电极和输入输出匹配电容连接起来。
步骤S32：采用金丝键合仪，用25um直径的金丝将输入输出匹配电容和内匹配电路连接起来。
采用金丝键合仪键合连接时，需要保证同一位置处不同金丝之间的长度和角度的一致性，从而能够避免封装的差异性带来的不稳定性的问题。
为了使本发明的目的，技术方案和优点描述的更清晰，以下结合具体的实施例及附图加以说明。
实施例一：
如图2所示，上、下电极分别是输入电极201和输出电极202，分别用于连接用于构成内匹配电路的输入和输出内匹配电路。背面带有电镀背金，用于将功率器件与AuSn焊料焊接到管壳上。所述的功率器件采用基于SiC衬底、总栅宽为6mm的AlGaN/GaN HEMTs微波功率器件。
如图3所示，传统单级LCL内匹配电路由一个输入内匹配陶瓷电路303和输出内匹配陶瓷电路304构成，该器件输入匹配采用1个并联接地的输入匹配陶瓷电容305和金丝306组成的单级LCL网络，提升功率器件的输入阻抗，然后由内匹配电路将该6mm高频功率器件匹配至50欧姆；由直径为25um的金丝306，实现匹配电路的电感，并实现各个元件之间的电学互连；由金带307实现内匹配电路和管壳管脚之间的互连。
如图4所示，本实施例内匹配电路由输入内匹配陶瓷电路403和输出内匹配陶瓷电路404构成，输入输出匹配电容由第一输入匹配陶瓷电容408、第二输入匹配陶瓷电容409和一个输出匹配陶瓷电容410构成，其中，第一输入匹配陶瓷电容408、第二输入匹配陶瓷电容409并联接地。该器件输入匹配采用两个并联接地的输入匹配陶瓷电容和金丝406组成的两级LCL网络，提升功率器件的输入阻抗，然后由内匹配电路将该6mm高频功率器件匹配至50欧姆；由直径为25um的金丝406，实现匹配电路的电感，并实现各个元件之间的电学互连；由金带407实现内匹配电路和管壳管脚之间的互连。
如图5所示，横坐标为频率，纵坐标为输入驻波，实线为采用本发明的封装方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高频内匹配功率器件的带宽特性，虚线为采用传统封装方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高频内匹配功率器件的带宽特性。M6、M7和M8、M9分别是两条曲线-10dB以下的边界。以S11小于-10dB为标准，两种封装方法的得到的内匹配功率器件的带宽分别为1.4GHz和0.8GHz。而且两种封装方法得到的内匹配功率器件的最佳输入驻波分别是S11=-15dB和-11.8dB，对应的驻波比分别为1.43和1.69。可见，采用本发明的6mm内匹配功率器件管壳封装的带宽和驻波特性，要明显优于采用传统封装方法的6mm内匹配功率器件。
如图6所示，横坐标为频率，纵坐标为增益，实线为采用本发明的封装方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高频内匹配功率器件的增益特性，虚线为采用传统封装方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高频内匹配功率器件的增益特性。两种封装方法的得到的内匹配功率器件的最大增益分别为M4=12.654dB和M5=11.892dB。可见，采用本发明的6mm内匹配功率器件管壳封装的增益特性，要明显优于采用传统封装方法的6mm内匹配功率器件。
如图7所示，横轴代表输入功率，右纵轴代表输出功率，左纵轴代表增益，Pout_Double代表采用本发明两级输入电容的输出功率，Pout_Single代表采用传统单级输入电容的输出功率，Gain_Double代表采用本发明两级电容的增益，Gain_Single代表采用传统单级输入电容的增益。采用本发明的封装方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高频内匹配功率器件的大信号功率增益达到了7.6dB，输出功率为42.2dBm（16.6W），而相应的采用传统封装方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高频内匹配功率器件的功率增益为6.7dB，输出功率为41.5dBm（14.1W）。可见，采用本发明的6mm内匹配功率器件管壳封装的功率增益和输出功率，都要明显优于采用传统封装方法的6mm内匹配功率器件。
传统的高频内匹配功率器件的研制中，采用单级LCL输入匹配电路的形式，将内匹配功率器件的输入阻抗匹配到50欧姆。这种方法虽然较为简捷，但是将使得内匹配器件输入匹配电路的Q值较高，从而降低了内匹配器件的输入驻波比、减少了带宽、降低了增益，从而使得内匹配器件的输出功率也受到影响。本发明实施例采用两级LCL输入匹配的封装方式，更好的实现了由低阻抗到高阻抗的转换，改善了内匹配器件的输入驻波比，降低了输入匹配电路的Q值，从而增大了内匹配功率器件的带宽、增益和输出功率。
实施例二：
本实施例与实施例一的唯一不同之处在于输入输出匹配电容由两个输入匹配芯片电容和一个输出匹配芯片电容构成。其他地方与实施例一完全一致。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于，包括：
将内匹配电路通过金锗合金共晶在管壳内；
将功率器件和输入输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内；
将功率器件、输入输出匹配电容及内匹配电路通过金丝电学互连；
将内匹配电路和管壳管脚通过金带电学互连。
2.根据权利要求1所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于，所述将内匹配电路通过金锗合金共晶在管壳内包括：
将共晶仪的温度升至350-380的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将用于构成内匹配电路的输入和输出内匹配电路通过金锗合金共晶在管壳内。
3.根据权利要求2所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于：
在将所述内匹配电路共晶在管壳内时，左右摩擦内匹配电路，从而保证内匹配电路与管壳紧密的粘贴在一起。
4.根据权利要求1所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于，所述将功率器件和输入输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内包括：
将共晶仪的温度设定在250-280度的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将用于构成输入输出匹配电容的第一输入匹配电容、第二输入匹配电容及输出匹配电容通过金锡合金共晶在管壳内；
将共晶仪的温度设定在250-280度的温度范围内，在氮气保护的氛围下，将功率器件通过金锡合金共晶在管壳内。
5.根据权利要求4所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于：
在将所述功率器件和输入输出匹配电容共晶在管壳内时，左右摩擦功率器件和输入输出匹配电容，从而保证功率器件和输入输出匹配电容与管壳紧密的粘贴在一起。
6.根据权利要求5所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于：
所述输入输出匹配电容采用芯片电容或陶瓷电容。
7.根据权利要求1所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于，所述将功率器件、输入输出匹配电容及内匹配电路通过金丝电学互连包括：
采用金丝键合仪，将功率器件的输入输出电极和输入输出匹配电容通过金丝键合连接；
采用金丝键合仪，将输入输出匹配电容和内匹配电路通过金丝键合连接。
8.根据权利要求7所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于：
所述采用金丝键合仪键合连接时，同一位置处不同金丝的长度和角度一致。
9.根据权利要求8所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于：
所述金丝的直径为25um。
10.根据权利要求1所述的高频内匹配功率器件的封装方法，其特征在于，所述将内匹配电路和管壳管脚通过金带电学互连包括：
采用金带键合仪，将内匹配电路和管壳输入输出管角之间通过100um宽的金带进行键合连接。
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