基于PCB壓合工藝的聲表面波濾波器新型封裝研究

張虹，趙志娟，劉永紅，雷雅雯，雷順京

寧夏索特科新型器件有限公司，寧夏銀川，750011

0 引言

聲表面波濾波器（SAWF）是利用壓電晶體材料的壓電特性，通過在其表面激發傳播聲表面波工作的電子器件，其封裝結構必須保證芯片表面一定高度范圍內為空腔，根據器件工作頻率高低和功率大小，空腔高度的具體尺度略有差異，通常為幾十個工作信號波長。同時，為保障器件長期穩定工作，芯片表面的空腔需保持氣密性，特殊情況下還需要密封惰性氣體，以保持芯片結構穩定性，進而保持器件電性能的穩定。

SAWF的常規封裝形式有插腳式（DIP、SIP）金屬封裝和貼片式（SMD）陶瓷封裝等，插腳式金屬封裝使用儲能焊機，通過將密接面金屬棱熔化的方式使金屬外殼緊密牢固地焊接在一起，而貼片陶瓷封裝則是用縫焊原理將金屬蓋板與底座上的焊接環金屬熔化后焊接在一起，兩種封裝均具有牢固的焊接強度和優良的氣密性，但插件式SAWF由于體積大，在電子元器件微型化的大趨勢下，其應用范圍逐漸受到限制，而貼片式陶瓷封裝所需的陶瓷外殼目前仍主要依賴進口，價格昂貴、采購周期長，供應鏈可靠性缺乏保障。另外，采用基于低溫共燒陶瓷（LTCC）基板或印刷電路板（PCB）[1]和倒裝焊接技術的芯片級封裝（CSP）是目前主流的終端用射頻聲表面波（RF-SAW）濾波器封裝形式，但僅適用于高頻、小管芯產品，不太適用于管芯尺寸較大的中低頻應用領域。為滿足電子整機產品不斷追求精致小型化的需求，與其他基礎電子元器件一樣，SAWF的封裝形式在不斷改進，尤其是在兼容采用自動裝配工藝的表面貼裝技術（SMT）基礎上，對成本敏感的民用產品的低成本封裝技術一直在不斷發展。

1 新型封裝結構

本新型封裝結構采用FR-4玻璃纖維增強環氧樹脂化合物基材（玻璃態轉化溫度Tg170）的PCB電路板制作封裝底板，制作有空腔的蓋板也使用同一材質的基材。生產中使用通用Diebonding工藝將SAWF芯片粘結到PCB底板上的規定區域，再用Wire-bonding工藝將濾波器芯片內引線鍵合到PCB底板上的引線焊盤，然后將底板和蓋板放置在要求的氣體環境中，使用PCB板生產的傳統壓合工藝壓合，形成一個外殼整體是FR4基材PCB板、內含SAWF芯片且其表面為規定氣體的內空腔結構。最后將組件內各個器件切割分開，進行產品電性能檢測。圖1是新型封裝單個產品的剖面示意圖。

圖1 新型封裝器件剖面示意圖

底板和蓋板的結構尺寸、外焊盤位置與尺寸完全按照表面貼裝封裝器件（SMD）的標準外殼尺寸設計。依據不同尺寸大小的芯片，一個組件可容納幾十到數百只不等的SAWF芯片。SAWF常用基片鉭酸鋰LiTaO3的熱膨脹系數為8×10-6，封裝底板、蓋板材料的選擇除需要考慮密封性能、電氣性能、機械強度以及可加工性之外，還需重點考慮選用熱膨脹系數與SAWF芯片基材接近的材質。PCB的熱膨脹系數主要取決于制作時使用的玻璃纖維，不同種類的玻璃纖維熱膨脹系數差別很大，在2.7×10-6～7.2×10-6之間。本新型封裝選用的RF-4環氧樹脂玻璃布基材以及陶瓷外殼的熱膨脹系數見表1。

表1 有機基板材料、鉭酸鋰以及陶瓷的熱膨脹系數

采用FR-4玻璃纖維增強環氧樹脂化合物基材（玻璃態轉化溫度Tg170）的PCB電路板設計制作雙面金屬化底板，為減小損耗以及分布電參數，同時便于封裝后單個產品的切割分離，底板厚度應越小越好。但太薄的基板存在形變大、機械強度低、易破裂等問題，因此，底板設計時需要選擇合適的厚度，依據不同的封裝尺寸，底板厚度設計為0.4mm～0.6mm。底板正面的覆銅布局，需要配合SAWF芯片的圖形布局來設計；底面外部焊接用焊盤位置、尺寸按照表面貼裝封裝（SMD）標準設計；正面和底面間的電信號連接，通過內孔沉銅導線柱連通（在對損耗要求不太高的場合，也可以采用成本較低的樹脂/油墨塞金屬化孔連通）。所有覆銅區域均采用沉金工藝，以確保芯片引線能夠可靠鍵合以及器件在整機SMT裝配后的回流焊接質量，非覆銅區域涂覆阻焊膜保護。另外，在底面設置有定位標記，便于器件分割時對準定位。圖2是一種規格的組件底板正反面示意圖。

圖2 底板正反面示意圖

單個器件單元的整體尺寸根據S A W F表面貼裝封裝SMD的標準，可以分別設計為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 壓合工藝

PCB制造流程中的傳統壓合工藝（簡稱“傳壓工藝”）多使用半固化片[2]，半固化片由玻纖布、環氧樹脂、固化劑[3]三大部分組成，其壓合工藝過程溫度一般為200℃～220℃，保持時間2小時，整個壓合過程約4小時。另外，半固化片在壓合過程中會產生揮發物，在密閉腔體內揮發物落到SAWF芯片表面將影響SAWF的電氣性能。

我們優選一款特殊半固化片作為壓合材料，這是一種低介電常數、低膨脹系數的無機材料與具備優異結合力與環境耐受性的樹脂材料相結合的無溶劑介質膠膜，可實現對金屬/無機非金屬/塑料等各類基材的高強度粘結，其良好的熱傳導性及低膨脹系數更適宜小線寬電路板的壓合，并且在壓合過程中沒有溶劑揮發，尤其適宜密閉性封裝結構壓合過程中對芯片表面的保護。壓合工藝曲線如圖3所示。

圖3 特殊半固化片壓合工藝曲線

3 實例

3.1 基本參數

一個成熟設計的SAWF：FC=677MHz，BW-3dB=28MHz，芯片尺寸為1.04mm×1.39mm，同一片晶圓上的芯片，分別用F11金屬封裝和新型封裝制作樣品。底板和蓋板融合性很好，底板與上蓋形成了一個整體。

3.2 電氣性能對比

圖4是F11金屬封裝和新型封裝SAWF產品的幅頻特性曲線對比，紅色曲線是新型PCB封裝SAWF的幅頻特性，藍色曲線是F11封裝產品的幅頻特性。兩種封裝產品幅頻特性曲線完全重合，新型PCB封裝產品的阻帶抑制略差，但插入損耗更小。

圖4 PCB 封裝和F11 封裝產品的幅頻特性曲線

3.3 可靠性及密封性試驗

按照GB/T27700.1—2011《有質量評定的聲表面波（SAW)濾波器第1部分：總規范》[4]的規定，對新型PCB封裝產品進行了可靠性和密封性試驗。在所有的可靠性測試中，最重要的是溫度循環試驗和恒定濕熱試驗[4]，溫度循環試驗是考驗器件在短時間內從極低溫到高溫或從高溫到極低溫時，熱應力積聚和釋放的過程，如果在這些試驗中出現了問題，則表明器件中熱應力積聚過大，器件的機械穩定性不好。恒定濕熱試驗主要考察PCB封裝器件的耐濕性能，通過高溫、高濕條件可構成水汽吸附、吸收和擴散等作用，驗證PCB基板及其材料在吸濕后膨脹性能滿足度。

SAWF是內腔密封性電子元件，密封性能是衡量其質量的重要標志。依據GB/T27700.1—2011《有質量評定的聲表面波（SAW)濾波器第1部分：總規范》的要求進行粗檢漏和細檢漏試驗。

PCB新型封裝可靠性、密封性試驗項目及方法見表2，新型PCB封裝產品全部通過了表2試驗項目。

表2 PCB 新型封裝可靠性、密封性試驗

4 結語

新型PCB封裝原材料成本低，工藝簡單，生產效率高，可以大幅降低表面貼裝SAWF的制造成本，經過例行試驗驗證，其封裝密封性、電氣性能、機械強度、溫度特性以及可靠性等完全滿足SAWF現行標準的要求，在普遍使用SMT裝配技術的民用產品領域可以完全替代陶瓷SMD封裝。