塑料封裝應用于高功率設備

隨著超模壓塑料封裝技術的進步，高功率射頻晶體管的開發人員能將器件可靠的封裝在其中，其性能可與陶瓷相媲美。

封裝對于實現射頻功率晶體管的最佳性能至關重要。由于射頻功率晶體管是功率放大器（PA）中最昂貴的元件之一，而PA又是蜂窩基站中最昂貴的組件，所以如何降低晶體管的成本而不犧牲性能受到人們的高度重視。超模壓塑封裝技術提供了一種解決方案，已經被其它功率集成電路(IC)應用所接受，但最近才得到充分改進，能夠滿足射頻功率晶體管開發人員的需求。該技術能提供我們需要的技術性能，成本卻比現有的封裝方法低一個數量級。

提高射頻功率半導體性價比的創新技術很可能影響到2.5G 和3G無線網絡的未來發展方向。高功率射頻晶體管傳統上采用引線陶瓷封裝。在基站內，功率晶體管安裝在印刷電路板上（PCB），就如同電路板與電信中心局設備的線卡同樣被插入蜂窩基站。普通的蜂窩/無線基站有大約8到10個PA。功率晶體管是PA中最昂貴的組件，其成本在所有基站的總成本中占據了非常大的比例。此外，大約30%的基站問題與PA有關，因而PA的可靠性對成功運營無線網絡至關重要。

鑒于對射頻功率晶體管的性能和可靠性的要求，它們通常會被安裝在封裝中，結合采用導熱導電的金屬底座和陶瓷環，以分離輸入和輸出導線。底座由銅鎢合金制成，并用金屬覆蓋，以便通過高溫銅焊工藝流程附在陶瓷環上。由于采用了陶瓷環，第一代解決方案被稱為陶瓷封裝。此外，封裝底座是鍍金的，以便通過第二道高溫流程將管芯附在上面。封裝加上了一個粘在陶瓷環和輸入輸出導線上的陶瓷蓋，作為唯一的環保措施。

采用陶瓷方式，封裝成本幾乎是功率晶體管成品（見圖1）總成本的一半。當然，對于射頻晶體管，封裝不僅保護了管芯，還提供了接電和散發多余熱量的途徑。事實上，封裝不僅是實現高性能的關鍵因素，還能達到許多微電子產品和計算機系統降低成本的要求。實際上，射頻封裝必須提供：

1. 已安裝芯片的電源和信號線的連接

2. 附著有源管芯和所有相關組件的底座

3. 散發多余熱量的方式

4. 保護和維持連接和芯片完整性的結構，同時可為操作和外部標識提供一個平臺，以便于辨認。

顯而易見，降低成本的方法是消除昂貴的陶瓷環，以及煩瑣昂貴的銅焊接過程。幸運的是，聚合體材料（塑料）的創新使這成為現實。可以使用兩種合成聚合物：熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料只通過加熱加壓的方法加工，其間沒有化學反應。冷卻后，熱塑性塑料或者結晶，或者轉變為玻璃態。熱硬化性的聚合體（環氧塑料、酚醛塑料、福米卡塑料）加熱后發生化學反應，導致分子量增加。這種化學反應導致所有反應基徹底轉化，產生硬度強、熱扭變溫度高、化學和物理抵抗性能良好的聚合物。

使用聚合物封裝半導體芯片時，人們通過線壓焊將芯片連接到封裝引線框架，然后封裝在聚合絕緣體中，絕緣體用作電絕緣體和保護層，防止影響環境。圖2提供了陶瓷和超模壓塑料封裝的比較。

超模壓封裝確實改變了射頻性能。在陶瓷封裝中，芯片和焊線都在氣孔中。在塑料封裝中，聚合材料包住了設備和焊線，并與它們接觸。由于聚合物的介電常數比空氣高，塑料封裝中的寄生效應較高，因而輸出功率和增益略低于同種陶瓷封裝中的設備。然而，通過使用合適的設備設計、布局和焊線技術，塑料封裝的寄生效應的影響可能降低到0.5分貝（參見圖3）。

2003年3月，杰爾系統（Allentown, PA）推出全新的21種具有突破性的晶體管，面向無線基站PA市場。基于傳統的陶瓷封裝，這些產品使用戶能夠建立產熱量更少、體積更小、價格更低廉的無線基站。這些半導體產品的熱性能達到了一個新的水平，將基站中的冷卻風扇的數量減少了一半，使服務供應商能夠降低資本費用和運營成本，同時減少風扇噪音污染。杰爾系統現在正在轉向下一代射頻晶體管器件，這些晶體管裝配在大容量的超模壓塑封裝中（參見圖4）。

塑料封裝解決方案的早期實施降低了成本，然而，使用內部裝配線有礙于成本的進一步降低。使用高容量封裝設備更具吸引力，可在多個產品線間共享投資費用、知識和創新技術。這與采用世界級的外部加工的集成電路設計公司顯著降低成本的經歷非常類似。

杰爾系統的最新射頻功率產品系列封裝在Amkor Technologies（West Chester, PA）的超模壓塑料Power Small Outline Package（PSOP）中。迄今為止，這種封裝的產量已經接近10億，具備射頻電子市場要求的高產量、低成本和高可靠性。

這種小而薄的產品能夠在惡劣環境中可靠運行。廠家特別關注材料和裝配流程，以解決客戶問題，包括平整度、共面、線掃頻、分層、可焊性和成本。用于射頻功率晶體管的超模壓塑技術還具備其他重要的技術和商業優勢：這種封裝使射頻功率晶體管能通過被電子和通信業普遍接受的主流制造流程制造。

Amkor Technologies公司的PSOP封裝晶體管性能可與安裝在更昂貴的陶瓷封裝內的相同設備媲美，在2.1GHz頻段，能夠提供卓越的測試性能，并且顯著降低成本。這些可靠的超模壓塑料封裝符合當前環境和2006環境標準，且與無導線板裝置技術兼容。此外，公司展示了新一代高傳導環氧材料可用于進行芯管粘接操作，取代早期解決方案使用的導線。杰爾公司的超模壓集成電路經過一系列的廣泛測試，確保低成本超模壓部件能夠取代傳統的陶瓷部件。2004年第二季度初推出的超模壓LDMOS部件將滿足表1所述的熱、電磁和物理條件。

隨著時間的推移，超模壓射頻功率晶體管將顯著降低無線基站設備設計人員和網絡運營商的成本。同時，它能夠降低功率、節省空間，使運營商能夠采用新方法部署基站。封裝技術的創新一定會促進其他封裝的創新。例如，杰爾系統正在開發適用于高輸出功率器件設備的全新氣孔解決方案。此外，這些封裝概念可擴展到集成模塊，更大幅度地降低成本，而不影響性能。