基于PCB板的射频声表滤波器封装技术研究

滤波器 今天


摘要：目前主流的终端用射频声表面波（ＲＦ－ＳＡＷ）滤波器均采用基于低温共烧陶瓷（ＬＴＣＣ）基板的倒装焊接技术，标准尺寸为单滤波器１．４ｍｍ×１．１ｍｍ，封装形式为芯片尺寸级封装（ＣＳＰ）。介绍了一种基于印刷电路板（ＰＣＢ）的ＣＳＰ封装声表面波滤波器，其尺寸达到了１．４ｍｍ×１．１ｍｍ。使用该基板后，单个器件的材料成本将降低３０％以上。通过优化基板的结构，可以达到与ＬｉＴａＯ３匹配的热膨胀系数（ＣＴＥ）和较低的吸湿性。经后期的可靠性试验证明，该结构的射频滤波器可完全满足工程应用的需求。
引言
随着各种新的封装技术的运用，声表面波（ＳＡＷ）滤波器的封装尺寸不断减小；同时，由于智能手机的井喷式发展，射频声表面波（ＲＦ－ＳＡＷ）器件的尺寸也不断缩小，目前的主流产品已达到单滤波器１．４ｍｍ×１．１ｍｍ，双工器２．０ｍｍ×１．６ｍｍ。特别是倒装焊接技术的引入，摒弃了传统的点焊线工艺，从而降低了器件的总厚度，也使整个封装从ＳＭＤ级别进入了芯片尺寸封装（ＣＳＰ）级别。不同厂家对于成本、工艺难度和可靠性等方面的控制水平高低不同，也使不同厂家采用不同的工艺路线。
随着移动终端市场的不断扩大，对于ＲＦ－ＳＡＷ滤波器的需求也不断扩大，巨大的市场带来的激烈竞争使ＲＦ－ＳＡＷ 滤波器的成本压力陡增。目前ＣＳＰ封装的单滤波器售价已低于８美分，这也使降低成本成为ＲＦ－ＳＡＷ 滤波器批量生产的重要题目。

１、印刷电路板（ＰＣＢ）基板的材料特性及结构
降低成本需从原材料及工艺难度等方面考虑。采用一种基于双马来酰胺三嗪树脂［１］的印刷电路板进行ＲＦ－ＳＡＷ 器件的生产，具有以下优点：
１）ＰＣＢ板的价格低于陶瓷基板。陶瓷基板需要进行模具的设计和制作，且混料，流延，叠片及冲孔等工艺难度较大，陶瓷又具有收缩性，成品率低，导致陶瓷基板的价格高。ＰＣＢ板的价格仅为陶瓷基板的１／３，且其工艺成熟，应用广，是优秀的基板
材料。
２）ＰＣＢ板的研发成本远低于陶瓷基板［１］。由于１）中提到的各种原因，陶瓷基板很难进行优化改动，一次定型则无法更改。而ＰＣＢ板因其灵活的布线能力，表面保护层的图形可定制性，使得针对ＰＣＢ板的设计具有相当的灵活性，优化改动可很快
实现。模具费用仅为陶瓷基板的１／２０。
３）ＰＣＢ板在工艺上也有很多优势。因其不易碎裂，整个工艺流程中成品率高于陶瓷基板。如切割工序中，陶瓷由于易碎，易发生整片基板的裂片，严重影响成品率。
因此，使用ＰＣＢ板代替陶瓷基板，是降低成本，快速适应市场需求的选择。
对于以钽酸锂（ＬｉＴａＯ３）等压电材料为衬底的ＳＡＷ 器件，要使用ＣＳＰ封装流程，必须考虑的一个素是热膨胀系数，这也是大多数ＣＳＰ封装的ＲＦＳＡＷ滤波器使用陶瓷基板的原因。表１为ＬｉＴａＯ３及陶瓷基板的热膨胀系数。
由表１可见，在基板材料与ＬｉＴａＯ３的热膨胀系数相差不大时，通过焊球在一定程度上进行柔性连接，可解决因热膨胀系数差别过大而导致的热失配情况，降低失效率。
沿着这一思路，在选择ＰＣＢ板时，我们特别注意在通用的基板材料中选择热膨胀系数与ＬｉＴａＯ３接近或与陶瓷接近的品种，这样就可在热匹配方面做到替代。图１为ＣＳＰ封装用ＰＣＢ板详细结构。
图１ ＰＣＢ基板的基本结构
随着有机材料工业的不断发展，使我们在热膨胀系数方面有了很多选择。根据ＬｉＴａＯ３的特性，参考陶瓷材料的热膨胀系数［１］，如表２所示。
表２有机基板材料选择

２、应用ＰＣＢ板的射频声表滤波器ＣＳＰ封装
器件的整体结构与目前主流的ＣＳＰ结构完全一致，如图２所示。

图２　使用倒装焊接工艺的ＳＡＷ 滤波器标准结构
整个ＣＳＰ封装的ＲＦ－ＳＡＷ 滤波器由以下几部分组成：
１）树脂膜。一种主要成分为环氧树脂的膜，可起到包裹密封的作用。
２）带球的声表芯片。芯片上的球可为锡球也可为金球，成球的工艺不同，并对后期的工艺有一些影响。滤波器微信公众号发现，本文实际设定此球为金球，采用热压超声的方法植球于芯片的表面。
３）基板。在整个结构中起到物理支撑和电路连接的作用。
ＲＦ－ＳＡＷ 滤波器的ＣＳＰ封装基本流程中，晶圆植球和切割不再详述，这里只针对倒装焊接开始的流程进行讨论，如图３所示。
图３ＰＣＢ基板倒装焊器件封装流程
利用热压超声焊接工艺将植好的金球且切割好的芯片倒装在有机基板上；树脂膜通过热压的方式压合在基板上，同时对器件进行包裹封装；最后在利用砂轮划片机将器件切割分离，形成最终的产品。通过上面的选择，我们找到了对应的ＰＣＢ板作为ＣＳＰ封装的基板，在倒装焊接工艺上，我们也做了倒装焊接参数详细的对比（八焊球，每个焊球直径８０μｍ），如表３所示。由表可见，陶瓷基板的焊接参数［２］完全适用于ＰＣＢ基板，即在焊接工艺上两种基板的焊接参数无区别。图４为两种不同基板间芯片剪切力的对比。
表３　倒装焊接参数对比

图４　芯片剪切力测试数据图
根据计算，具有８颗焊球的倒装芯片，其剪切力超过３００ｇ（理论计算值），则可判定为合格。所以，陶瓷基板与ＰＣＢ基板间，在剪切力方面无任何区别，即ＰＣＢ基板上的倒装芯片剪切力稍好。

３、ＰＣＢ基板的ＣＳＰ封装器件验证
我们使用同一晶圆上的芯片分别使用陶瓷基板和树脂基板进行相同的倒装焊接和贴膜封装，然后进入测试（见图５）。ＲＦ－ＳＡＷ 样品器件中心频率为１８４２ＭＨｚ，带宽为１００ＭＨｚ，芯片及器件尺寸分别为０．９５ｍｍ×０．６５ｍｍ和１．４ｍｍ×１．１ｍｍ，测试环境：无匹配测试。

图５　ＲＦ－ＳＡＷ　ＣＳＰ陶瓷基板和树脂基板
通过对比可确认，在晶圆一致的情况下，使用陶瓷基板和使用ＰＣＢ基板的器件在性能上接近。图６为器件测试对比图。在所有的可靠性测试中，重要的是热冲击实验（即温度循环实验）［２］和稳态湿热试验（即潮热试验）［２］。

图６　器件测试对比图
热冲击实验是将考验器件在短时间内从极低温到高温或从高温到极低温时，热应力积聚和释放的过程，如果在这些试验中出现了问题，则表明器件中热应力积聚过大，器件的机械稳定性不好。考虑器件结构，我们参照ＧＪＢ５４８Ａ－２００６温度循环及鉴定
和质量一致性检验程序，选择试验方法１０１０Ａ的条件Ｂ和２００次循环。针对倒装焊接的ＣＳＰ器件来说，此实验主要考察其内部腔体的膨胀力与焊球拉力的大小，如果器件失效，则表明内部腔体的膨胀力大于焊球的垂直拉力，则器件判为不合格［３］。
稳态湿热试验主要考察树脂封装器件的耐湿性能，通过高温、高湿条件可构成水汽吸附、吸收和扩散等作用，验证ＰＣＢ基板及其材料在吸湿后膨胀性能满足度，参照ＧＪＢ３６０－９６稳态湿热试验１０３方法的条件Ａ。如果发生吸潮，器件的物理机械性能会有较大变化，器件的幅频特性会发生巨大改变［４］。
将使用ＰＣＢ基板生产的ＳＡＷ　ＣＳＰ器件共２３０只进行相同的试验，陶瓷基板的器件均能通过可靠性试验，详细情况如表４所示。
表４　ＰＣＢ基板ＣＳＰ可靠性试验
完成可靠性实验后，我们对器件进行了解剖分析和确认（见图７），树脂基板在整个过程中没有发生任何变化。最后，所有的器件都通过了测试。
图７　两种封装外壳的解剖分析

４、结束语
一种基于双马来酰胺三嗪树脂ＢＴ树脂的基板ＰＣＢ板应用于ＳＡＷ 滤波器的ＣＳＰ封装中，从而替代陶瓷基板，在批量生产中将带来３０％以上的成本降低。通过后期的性能测试和可靠性试验，验证了该基板能适应ＲＦ－ＳＡＷ　ＣＳＰ封装的需要。在综合考虑贴膜封装等其他工艺参数的微调后，该多层ＰＣＢ基板能使用在今后的ＳＡＷ 批量生产中。(参考文献略）
转自：微波射频网   作者：金中 杜雪松 何西良 曹亮 唐代华 罗山焱 陈婷婷 等人

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