CN116013892A

CN116013892A - 基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构

Info

Publication number: CN116013892A
Application number: CN202210499078.7A
Authority: CN
Inventors: 王琮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-04-25

Abstract

基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，它为了解决现有射频功率放大器芯片金属气密性腔式封装共晶焊接工艺加工时间长、成本高、良品率低等问题。本发明射频功率放大器芯片封装结构中射频功率放大器芯片通过焊点焊接在金属基板上，金属基板的上表面设置有绝缘体，金属端子设置在绝缘体上，金属条带的一端通过焊点焊接在金属端子上，金属条带的另一端通过焊点焊接在芯片的端子PAD上，各器件通过深腔式封装体封装，其中所述的焊点均通过高速点焊工艺形成。本发明通过高速点焊代替共晶焊芯片贴合方式，降低了加工时间，提高了良品率；通过金属条带代替楔焊键合方式，降低了寄生参数、提升热导率和电阻率，提高了可靠性。

Description

基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种用于射频功率放大器芯片的封装结构。

背景技术

射频功率放大器是一种能对输入射频信号产生功率放大作用并输出的射频器件。随着现代无线通信系统的不断发展，射频功率放大器芯片也朝着更高工作频率、更高输出功率、更小体积的方向发展，作为现代无线通信系统中无线发射机的核心组成部分，其重要程度不言而喻。近年来，电子战、EMC测试系统、无线通信测试系统等应用均对射频功率放大器提出了超宽带、高效率、高功率、高集成化等要求。作为第三代半导体材料的氮化镓因其高功率密度，良好的散热性能与抗干扰能力，优良的高频特性，成为制作射频功率放大器的首选材料。

射频功率放大器芯片封装技术起着安放、固定、密封、保护芯片和增强散热效果的作用。因为芯片的裸片必须与外界隔离，以防止外部环境对芯片电路的影响和损坏而造成电气性能下降；另一方面，封装后的芯片也更易于散热便于将热量向下传递给热沉以及更便于后续的安装和运输。通过封装，避免了外部环境对芯片内部电路造成的影响，实现了对芯片的保护。同时封装技术通过引脚与导线建立起了芯片与外部电路和热沉的电气以及导热桥梁，因此封装技术对芯片制造而言至关重要。

常用的针对射频功率放大器芯片封装的技术有如下三种：

QFN封装，表面贴装型封装之一，是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热，围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连结的导电焊盘。QFN封装内部引脚与焊盘之间的导电路径短，自感系数以及封装体内布线电阻很低，因而提供了卓越的电性能。此外，还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能，该焊盘具有直接散热通道，用于释放封装内的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上，并且PCB中的散热过孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中，从而吸收多余的热量。综上QFN封装的特点，即是针对射频功率放大器Die(芯片裸片)，具有良好的散热特性。但是QFN封装也具有其不可忽视的缺点，QFN封装加工时，射频功率放大器Die会直接安置在QFN封装的底部中央位置，通过金线将Die与各引脚相连，这就出现QFN封装内、Die的外部不能存在电路结构，所有的电路均需要在Die上实现。这带来的弊端就是，片上由于工艺精度等问题，在射频功率放大器的设计与加工过程中，部分器件品质因数(Q值)差，射频功率放大器芯片的性能得不到保障，且难以成为10W以上的射频功率放大器的封装方法。

LGA全称是Land Grid Array，即是栅格阵列封装。它用金属触点式封装取代了以往的针状插脚。LGA最大的特点就是克服了QFN封装内、Die的外部不能存在电路结构的缺点。LGA封装内部可以安置一块小而薄的PCB电路板，设计好的Die安置在PCB板上，PCB通过通孔与LGA封装的引脚或者底盘相连。该类封装针对射频功率放大器芯片最大的优势在于，可以将射频功率放大器芯片的部分电路设计在Die之外，即PCB板上，可以是输入/输出匹配电路、偏置电路、功率检测电路等等。由于Die之外的PCB板具有相对宽裕的电路设计空间，因此可以采用高Q值的分离式元器件搭建电路。因此LGA封装对于射频功率放大器而言，具有保障其射频性能的优势。但LGA封装缺点也显而易见，即散热性能更加不及QFN封装。这是由于主要发热源Die无法与封装底板直接接触，通过散热效果较差的PCB板和通孔才能实现与底板的接触和散热，在功率容量大，热量产生大的射频功率放大器芯片设计中，该缺点同样显得不可忽视。

金属气密性腔式封装，具有优良的水分子渗透阻绝能力、高可靠度、密封性，还可以提供优秀的热传导和电磁屏蔽，因此可以很好的应用于大功率射频功率放大器的封装。这也是其和QFN以及LGA封装相比最主要的优势所在。金属材料具有最优良的水分子渗透阻绝能力，因此可以保护芯片，防止外来环境(主要是水汽)侵害。水汽通常可以带来金属件电解反应会导致金属腐蚀，引起芯片的短路、断路与破坏。该封装方法可以提高、特别是有源器件的可靠性。它通常采用镀镍或镀金的金属基座固定芯片，因此主要应用于高可靠性的军用电子封装。此外它具有优秀的热传导和电磁屏蔽特性，是10W以上大功率射频功率放大器高可靠性封装方式的首选。气密性腔式封装允许把射频功率放大器Die安装在密封的充入良性气氛的环境中，一般是充入氮气或者氩气等。现在常用的射频功率放大器Die，选用镀镍或镀金的铜或其他金属导体材料做金属基板，将射频功率放大器Die以及相关匹配电路元器件全部都放置在金属基板之上，射频功率放大器Die采用共晶贴片的方式与金属基板固定，再进行深腔金线楔焊Wire-bonding连接。并进一步采用对称台阶式盖板，在良性气氛的环境中(手套箱中)，一般是充入氮气或者氩气等，使用平行缝焊固定到深腔式封装体上，完成整个气密性腔式封装操作。这样的封装方法，主要有如下缺点：(1)利用Au/Sn在350度的高温下采用共晶焊接方法加工时间长、成本高、对设备要求高。此外，良品率差也是主要缺点；(2)射频功率放大器Die与Lead之间Wire-Bonding的电感值较大，会降低器件的频率特性。大功率射频功率放大器Die金线数量多，因此存在工艺复杂性高、加工时间长、键合可靠性低的问题。此外最大的问题是一旦其中某一根金线出现问题，将出现整颗射频功率放大器Die失配的严重问题，导致整颗芯片成为废品，因此会严重消耗大量的成本和时间；(3)现有的金属气密性腔式封装方法虽然优势明显，但是核心封装工艺难以兼容到QFN和LGA封装中，只能作为高端射频功率放大器芯片产品特别是军品以及机载、星载等高端射频芯片的专用封装方法。因此，需要提出一种兼容性更好的高效高良率的普适于射频微波功率放大器芯片的封装新方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有射频功率放大器芯片金属气密性腔式封装共晶焊接工艺加工时间长、成本高、良品率低，深腔金线楔焊Wire-bonding工艺复杂性高、键合可靠性低、器件频率特性低、易失配，以及难以兼容到QFN和LGA等其他封装中的问题，而提供一种基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构。

本发明基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构包括射频功率放大器芯片、金属基板、深腔式封装体、金属条带、绝缘体、金属端子和盖板，射频功率放大器芯片通过焊点焊接在金属基板上，金属基板的上表面左右两侧分别设置有绝缘体，金属端子设置在绝缘体上，金属条带的一端通过焊点焊接在金属端子上，金属条带的另一端通过焊点焊接在射频功率放大器芯片的端子PAD上，所述的射频功率放大器芯片、金属基板、金属条带、绝缘体和金属端子通过深腔式封装体封装，(台阶式)盖板焊接在深腔式封装体上并位于射频功率放大器芯片的上方；其中所述的焊点均通过高速点焊工艺形成。

本发明是为了一方面解决现有射频功率放大器芯片金属气密性腔式封装共晶焊接工艺加工时间长、成本高、良品率低的缺点；另一方面解决深腔金线楔焊Wire-bonding金线键合工艺金线数量多、加工时间长、可靠性低、良品率低的缺点。更为重要的是本发明提供的射频功率放大器芯片封装结构和相关工艺可以广泛的适用于射频功率放大器芯片的全部封装方法，包括QFN、LGA和金属气密性腔式封装中。

本发明首次提出了一种半导体封装中基于高速点焊和条带键合技术的射频功率放大器芯片封装结构和相关点焊工艺，本发明通过高速点焊代替共晶焊芯片贴合方式，降低了加工时间、成本、提高了良品率；通过金属(铜带)条带代替楔焊键合方式，降低了寄生参数、提升热导率和电阻率，同时具有高抗功率循环性能，提高了可靠性；键合焊接时，采用锑银铅焊料烧结技术，其烧结层熔点仅为200～250℃，热导率、电导率高，锑银铅焊料烧结层厚度20～25μm，具有更高的热导率和电导率，更低的热阻，同时也可提高抗功率循环能力。从实验数据可知，应用本发明的封装结构代替传统的金属气密性腔式封装，封装后的射频功率放大器芯片从性能上，包括增益、效率以及输出功率等方面均得到了提升。

附图说明

图1为本发明基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构的示意图；

图2为本发明基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构的实物图；

图3为实施例中不同高速点焊工艺参数下得到焊点的实物图；

图4为实施例中采用高速点焊工艺芯片用焊点的示意图；

图5为实施例中采用高速点焊工艺金属条带用焊点的示意图；

图6为实施例中采用高速点焊工艺完成两对金属条带键合后的放大实物图；

图7为实施例中采用高速点焊和条带键合的射频功率放大器封装后芯片与常规金属气密性腔式封装后芯片的增益和效率实测结果比较分析图，其中1代表金线键合增益，2代表金属条带键合增益，3代表金属条带键合效率，4代表金线键合效率；

图8为实施例中采用高速点焊和条带键合的射频功率放大器封装后芯片与常规金属气密性腔式封装后芯片的输出功率实测结果比较分析图，其中1代表金属条带键合输出功率，2代表金线键合输出功率。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构包括射频功率放大器芯片1、金属基板2、深腔式封装体3、金属条带4、绝缘体5、金属端子6和盖板7，射频功率放大器芯片1通过焊点焊接在金属基板2上，金属基板2的上表面左右两侧分别设置有绝缘体5，金属端子6设置在绝缘体5上，金属条带4的一端通过焊点焊接在金属端子6上，金属条带4的另一端通过焊点焊接在射频功率放大器芯片1的端子PAD上，所述的射频功率放大器芯片1、金属基板2、金属条带4、绝缘体5和金属端子6通过深腔式封装体3封装，(台阶式)盖板7焊接在深腔式封装体3上并位于射频功率放大器芯片1的上方；其中所述的焊点均通过高速点焊工艺形成。

本实施方式射频功率放大器芯片可以为GaN射频功率放大器芯片、GaAs射频功率放大器芯片或LDMOS射频功率放大器芯片。

本实施方式基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构可以适用于QFN、LGA或金属气密性腔式封装。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的射频功率放大器芯片1为非匹配芯片(Unmatched Transistor)、内匹配芯片(Inner Matched Transistor)或者单片微波集成电路芯片(MMIC)。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是当射频功率放大器芯片1为内匹配芯片时，该射频功率放大器芯片封装结构还包括无源器件和电路基板，无源器件设置在电路基板上，该电路基板和金属基板相拼接。

本实施方式所述的无源器件选自贴片电容、电感、电阻、IPD金属-介质物-金属电容、IPD螺旋电感、IPD薄膜电阻或微带线中的一种或多种组合。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是所述的电路基板为PCB电路板、LTCC电路板、HTCC电路板或陶瓷板。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述焊点由高热导率金属材料制成，所述的高热导率金属材料为锑银铅焊料、锑铅锡焊料、铅锑焊料、铅锡焊料、铅锑焊料或者锡锑焊料。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是金属基板2的材质为铜或者铝。

本实施方式在金属基板2表面还可进行镀金、镀镍等处理。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是金属基板2为法兰(Flange)或丸状(Pill)封装形式。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是所述深腔式封装体3的深度为1～10毫米。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是所述金属条带4弯折呈钝角，金属条带4为铜带或铝带。

本实施方式金属条带4的端面呈钝角，一端搭焊在射频功率放大器芯片1的端子PAD上，另一端搭焊在金属端子6上。

本实施方式金属条带根据射频微波功率放大器芯片的功率等级可为多对。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是盖板7的材质为金属、陶瓷或玻璃。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是射频功率放大器芯片1的长×宽为(3000～6000μm)×(600～1000μm)，厚度为50～200μm，高速点焊工艺中焊点的(直径)尺寸为200～250μm。

本实施方式金属条带宽度为500～4000μm。

实施例：本实施例基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构包括射频功率放大器芯片1、金属基板2、深腔式封装体3、金属条带4、绝缘体5、金属端子6和盖板7，射频功率放大器芯片1通过焊点焊接在金属基板2上，金属基板2的上表面左右两侧分别设置有绝缘体5，金属端子6设置在绝缘体5上，金属条带4的一端通过焊点焊接在金属端子6上，金属条带4的另一端通过焊点焊接在射频功率放大器芯片1的端子PAD上，所述的射频功率放大器芯片1、金属基板2、金属条带4、绝缘体5和金属端子6通过深腔式封装体3封装，(台阶式)盖板7焊接在深腔式封装体3上并位于射频功率放大器芯片1的上方；其中所述的焊点均通过高速点焊工艺形成。

本实施例高速点焊工艺中采用锑银铅焊料，锑银铅焊料按照质量百分含量由62％的锑、2％的银和36％的铅组成。高速点焊工艺采用全自动化贴片机MYCRONIC,MRSI-705或TRESKY，T6000-LG设备，控制点焊工艺参数为喷射阀压力0.7MPa、注射器压力0.3MPa、喷速为30mm/s、焊点体积精度±5％(3σ)、单个焊点精度±10μm(3σ)，涂抹器类型螺旋钻型，其它高速点焊参数如表1所示。

锑银铅焊料烧结层的熔点为200～250℃，约为银浆连接层熔点的1/4；其电导率、热导率优异；锑银铅焊料烧结层的厚度仅需20～25μm左右。因此，锑银铅焊料烧结层能够降低芯片热阻，同时可提高芯片的抗功率循环能力。应用不同高速点焊参数获取不同焊点尺寸的比较分析表如表1所示，具体焊点实物图如图3所示。

表1为应用不同高速点焊参数获取不同焊点尺寸的比较分析

样品	喷头温度	喷头开启时间	喷头开启时间	样品距离喷头距离	焊点尺寸
						#1	50-52℃	3500μs	8000μs	1.75-1.85mm	400-450μm
#2	40-42℃	2000μs	5500μs	0.75-0.85mm	300-350μm
						#3	33-35℃	2500μs	5000μs	0.45-0.55mm	200-250μm
#4	30-32℃	1600μs	3500μs	0.15-0.25mm	100-150μm

将射频功率放大器芯片贴在直径400～450μm的#1焊点之上时会造成大量焊料外溢，将射频功率放大器芯片贴在#2、3、4焊点之上时都顺利完成了贴合操作。进一步进行了射频功率放大器芯片推力实验，应用#2、#3、#4焊点的射频功率放大器芯片推力实验结果分别为21.42kg、20.58kg和2.89kg，按照芯片推力标准，3710×930μm²尺寸的射频功率放大器芯片推力至少需要为4.2kg，因此#4焊点不符合推力标准条件。#2和#3的焊点均满足推力条件，本实施例的另外一个评估标准是希望满足推力条件的前提下焊点直径尺寸越小越好，因为金属(铜带)条带的宽度尺寸为0.5mm～4mm，太大的焊点很难保证较小的金属(铜带)条带顺利完成焊接工艺操作，如0.5mm金属(铜带)条带的高速点焊连接。此外，#2和#3在焊料材料费上相差近一倍，但是实际获得的推力实验结果几乎一致。因此经综合考虑，3710×930μm²尺寸的射频功率放大器芯片的工艺中直径为200～250μm的焊点为最优尺寸。

将焊接(横截)面尺寸为750(宽)×300μm²的金属(铜带)条带贴在射频功率放大器芯片和金属基座的金属端子上，应用#2、#3、#4焊点的金属(铜带)条带的推力实验结果分别为1.43kg、1.39kg和0.24kg，按照条带推力标准相关尺寸的金属(铜带)条带推力至少需要0.35kg，因此#4焊点不符合推力标准条件。#2和#3的焊点均满足条件，然而#2和#3在材料费上相差近一倍，但是实际推力实验结果几乎一致。因此经综合考虑，金属(铜带)条带的工艺中直径为200～250μm的焊点为最优尺寸，实验结论与射频功率放大器芯片结论一致。

本实施例中金属(铜带)条带封装结构电阻率约为1.7μΩ·cm、热导率约为400W·(m·K)^-1、热膨胀系数约为16.5ppm·K^-1、熔点1083℃、弹性模量为110～140Gpa。本实施例金属(铜带)条带键合工艺是一种先进的芯片表面互连工艺，本实施例将其应用于第三代半导体射频微波功率放大器芯片，特别是首次应用于氮化镓基高频、高功率射频功率放大器芯片的封装中。铜带相较于铝带，其熔点从660℃提高到1083℃，可大幅度提高芯片的过流能力。同时其热导率、电阻率以及杨氏模量均大幅优于铝线，并且其热膨胀系数从铝带的23.6ppm·K^-1降至16.5ppm·K^-1，可大幅降低芯片工作时升降温的连接层应力，提高芯片的抗功率循环能力，预期抗功率循环能力可至少提高10倍以上。

如图7和图8所示，为采用高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器封装后芯片与常规金属气密性腔式封装后芯片的增益、效率、输出功率实测结果比较分析图。从实测结果可知，应用高速点焊和条带键合技术的射频功率放大器封装后芯片与常规金属气密性腔式封装后芯片从性能上相比，包括增益、效率以及输出功率等方面均得到了提升。尤其以效率方面的提升最为明显，有接近15％左右的提升，这主要得益于应用高速点焊和条带键合技术的射频功率放大器封装可以通过金属(铜带)条带提供一条新的散热通道，降低热阻和输入/输出互感系数，在提高重复性的同时实现了一种低损耗的一体式封装构造。

如表2和表3所示，为采用高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器封装后芯片2000次温度循环测试(T/C Test)的实测结果。具体实验参数分别为热腔温度150℃，冷腔温度-45℃，循环次数2000次，芯片单次单腔停留时间15分钟。从实测结果可知，2000次循环T/C Test后，应用高速点焊和条带键合技术的射频功率放大器封装后芯片实验前后器件性能没有发生任何变化，从而证实了该工艺的可靠性。

表2为应用高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器封装后芯片的实测结果

表3为应用高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器封装后芯片2000次温度循环测试(T/C Test)的实测结果

Claims

1.基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于该基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构包括射频功率放大器芯片(1)、金属基板(2)、深腔式封装体(3)、金属条带(4)、绝缘体(5)、金属端子(6)和盖板(7)，射频功率放大器芯片(1)通过焊点焊接在金属基板(2)上，金属基板(2)的上表面左右两侧分别设置有绝缘体(5)，金属端子(6)设置在绝缘体(5)上，金属条带(4)的一端通过焊点焊接在金属端子(6)上，金属条带(4)的另一端通过焊点焊接在射频功率放大器芯片(1)的端子PAD上，所述的射频功率放大器芯片(1)、金属基板(2)、金属条带(4)、绝缘体(5)和金属端子(6)通过深腔式封装体(3)封装，盖板(7)焊接在深腔式封装体(3)上并位于射频功率放大器芯片(1)的上方；其中所述的焊点均通过高速点焊工艺形成。

2.根据权利要求1所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于所述的射频功率放大器芯片(1)为非匹配芯片、内匹配芯片或者单片微波集成电路芯片。

3.根据权利要求2所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于当射频功率放大器芯片(1)为内匹配芯片时，该射频功率放大器芯片封装结构还包括无源器件和电路基板，无源器件设置在电路基板上，该电路基板和金属基板相拼接。

4.根据权利要求3所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于所述的电路基板为PCB电路板、LTCC电路板、HTCC电路板或陶瓷板。

5.根据权利要求1所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于所述焊点由高热导率金属材料制成，所述的高热导率金属材料为锑银铅焊料、锑铅锡焊料、铅锑焊料、铅锡焊料、铅锑焊料或者锡锑焊料。

6.根据权利要求1所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于金属基板(2)的材质为铜或者铝。

7.根据权利要求1所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于所述深腔式封装体(3)的深度为1～10毫米。

8.根据权利要求1所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于是所述金属条带(4)弯折呈钝角，金属条带(4)为铜带或铝带。

9.根据权利要求1所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于是盖板(7)的材质为金属、陶瓷或玻璃。

10.根据权利要求1所述的基于高速点焊和条带键合工艺的射频功率放大器芯片封装结构，其特征在于射频功率放大器芯片(1)的长×宽为(3000～6000μm)×(600～1000μm)，厚度为50～200μm，高速点焊工艺中焊点的尺寸为200～250μm。