目前主流的終端用射頻聲表面波(RF-SAW)陶瓷濾波器均采用基于低溫共燒陶瓷(LTCC)基板的倒裝焊接技術(shù),標(biāo)準(zhǔn)尺寸為單濾波器1.4mm×1.1mm,封裝形式為芯片尺寸級(jí)封裝(CSP)。介紹了一種基于印刷電路板(PCB)的CSP封裝聲表面波濾波器,其尺寸達(dá)到了1.4mm×1.1mm。使用該基板后,單個(gè)器件的材料成本將降低30%以上。通過(guò)優(yōu)化基板的結(jié)構(gòu),可以達(dá)到與LiTaO3匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)和較低的吸濕性。經(jīng)后期的可靠性試驗(yàn)證明,該結(jié)構(gòu)的射頻陶瓷濾波器可完全滿足工程應(yīng)用的需求。
引言
隨著各種新的封裝技術(shù)的運(yùn)用,聲表面波(SAW)濾波器的封裝尺寸不斷減?。煌瑫r(shí),由于智能手機(jī)的井噴式發(fā)展,射頻聲表面波(RF-SAW)器件的尺寸也不斷縮小,目前的主流產(chǎn)品已達(dá)到單濾波器1.4mm×1.1mm,雙工器2.0mm×1.6mm。特別是倒裝焊接技術(shù)的引入,摒棄了傳統(tǒng)的點(diǎn)焊線工藝,從而降低了器件的總厚度,也使整個(gè)封裝從SMD級(jí)別進(jìn)入了芯片尺寸封裝(CSP)級(jí)別。不同廠家對(duì)于成本、工藝難度和可靠性等方面的控制水平高低不同,也使不同廠家采用不同的工藝路線。
隨著移動(dòng)終端市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大,對(duì)于RF-SAW濾波器的需求也不斷擴(kuò)大,巨大的市場(chǎng)帶來(lái)的激烈競(jìng)爭(zhēng)使RF-SAW 濾波器的成本壓力陡增。目前CSP封裝的單濾波器售價(jià)已低于8美分,這也使降低成本成為RF-SAW 濾波器批量生產(chǎn)的重要題目。
1 印刷電路板(PCB)基板的材料特性及結(jié)構(gòu)
降低成本需從原材料及工藝難度等方面考慮。采用一種基于雙馬來(lái)酰胺三嗪樹(shù)脂[1]的印刷電路板進(jìn)行RF-SAW 器件的生產(chǎn),具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)PCB板的價(jià)格低于陶瓷基板。陶瓷基板需要進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和制作,且混料,流延,疊片及沖孔等工藝難度較大,陶瓷又具有收縮性,成品率低,導(dǎo)致陶瓷基板的價(jià)格高。PCB板的價(jià)格僅為陶瓷基板的1/3,且其工藝成熟,應(yīng)用廣,是優(yōu)秀的基板
材料。
2)PCB板的研發(fā)成本遠(yuǎn)低于陶瓷基板[1]。由于1)中提到的各種原因,陶瓷基板很難進(jìn)行優(yōu)化改動(dòng),一次定型則無(wú)法更改。而PCB板因其靈活的布線能力,表面保護(hù)層的圖形可定制性,使得針對(duì)PCB板的設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)撵`活性,優(yōu)化改動(dòng)可很快
實(shí)現(xiàn)。模具費(fèi)用僅為陶瓷基板的1/20。
3)PCB板在工藝上也有很多優(yōu)勢(shì)。因其不易碎裂,整個(gè)工藝流程中成品率高于陶瓷基板。如切割工序中,陶瓷由于易碎,易發(fā)生整片基板的裂片,嚴(yán)重影響成品率。
因此,使用PCB板代替陶瓷基板,是降低成本,快速適應(yīng)市場(chǎng)需求的選擇。
對(duì)于以鉭酸鋰(LiTaO3)等壓電材料為襯底的SAW 器件,要使用CSP封裝流程,必須考慮的一個(gè)素是熱膨脹系數(shù),這也是大多數(shù)CSP封裝的RFSAW濾波器使用陶瓷基板的原因。表1為LiTaO3及陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)。
由表1可見(jiàn),在基板材料與LiTaO3的熱膨脹系數(shù)相差不大時(shí),通過(guò)焊球在一定程度上進(jìn)行柔性連接,可解決因熱膨脹系數(shù)差別過(guò)大而導(dǎo)致的熱失配情況,降低失效率。
沿著這一思路,在選擇PCB板時(shí),我們特別注意在通用的基板材料中選擇熱膨脹系數(shù)與LiTaO3接近或與陶瓷接近的品種,這樣就可在熱匹配方面做到替代。圖1為CSP封裝用PCB板詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖1 PCB基板的基本結(jié)構(gòu)
隨著有機(jī)材料工業(yè)的不斷發(fā)展,使我們?cè)跓崤蛎浵禂?shù)方面有了很多選擇。根據(jù)LiTaO3的特性,參考陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)[1],如表2所示。
表2有機(jī)基板材料選擇
2 應(yīng)用PCB板的射頻聲表濾波器CSP封裝
器件的整體結(jié)構(gòu)與目前主流的CSP結(jié)構(gòu)完全一致,如圖2所示。
圖2 使用倒裝焊接工藝的SAW 濾波器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)
整個(gè)CSP封裝的RF-SAW 濾波器由以下幾部分組成:
1)樹(shù)脂膜。一種主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂的膜,可起到包裹密封的作用。
2)帶球的聲表芯片。芯片上的球可為錫球也可為金球,成球的工藝不同,并對(duì)后期的工藝有一些影響。本文中,我們?cè)O(shè)定此球?yàn)榻鹎?,采用熱壓超聲的方法植球于芯片的表面?/span>
3)基板。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中起到物理支撐和電路連接的作用。
RF-SAW 濾波器的CSP封裝基本流程中,晶圓植球和切割不再詳述,這里只針對(duì)倒裝焊接開(kāi)始的流程進(jìn)行討論,如圖3所示。
圖3PCB基板倒裝焊器件封裝流程
利用熱壓超聲焊接工藝將植好的金球且切割好的芯片倒裝在有機(jī)基板上;樹(shù)脂膜通過(guò)熱壓的方式壓合在基板上,同時(shí)對(duì)器件進(jìn)行包裹封裝;最后在利用砂輪劃片機(jī)將器件切割分離,形成最終的產(chǎn)品。通過(guò)上面的選擇,我們找到了對(duì)應(yīng)的PCB板作為CSP封裝的基板,在倒裝焊接工藝上,我們也做了倒裝焊接參數(shù)詳細(xì)的對(duì)比(八焊球,每個(gè)焊球直徑80μm),如表3所示。由表可見(jiàn),陶瓷基板的焊接參數(shù)[2]完全適用于PCB基板,即在焊接工藝上兩種基板的焊接參數(shù)無(wú)區(qū)別。圖4為兩種不同基板間芯片剪切力的對(duì)比。
熱沖擊實(shí)驗(yàn)是將考驗(yàn)器件在短時(shí)間內(nèi)從極低溫到高溫或從高溫到極低溫時(shí),熱應(yīng)力積聚和釋放的過(guò)程,如果在這些試驗(yàn)中出現(xiàn)了問(wèn)題,則表明器件中熱應(yīng)力積聚過(guò)大,器件的機(jī)械穩(wěn)定性不好??紤]器件結(jié)構(gòu),我們參照GJB548A-2006溫度循環(huán)及鑒定
和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)程序,選擇試驗(yàn)方法1010A的條件B和200次循環(huán)。針對(duì)倒裝焊接的CSP器件來(lái)說(shuō),此實(shí)驗(yàn)主要考察其內(nèi)部腔體的膨脹力與焊球拉力的大小,如果器件失效,則表明內(nèi)部腔體的膨脹力大于焊球的垂直拉力,則器件判為不合格[3]。
穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)主要考察樹(shù)脂封裝器件的耐濕性能,通過(guò)高溫、高濕條件可構(gòu)成水汽吸附、吸收和擴(kuò)散等作用,驗(yàn)證PCB基板及其材料在吸濕后膨脹性能滿足度,參照GJB360-96穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)103方法的條件A。如果發(fā)生吸潮,器件的物理機(jī)械性能會(huì)有較大變化,器件的幅頻特性會(huì)發(fā)生巨大改變[4]。
將使用PCB基板生產(chǎn)的SAW?。茫樱衅骷玻玻常爸贿M(jìn)行相同的試驗(yàn),陶瓷基板的器件均能通過(guò)可靠性試驗(yàn),詳細(xì)情況如表4所示。
表4?。校茫禄澹茫樱锌煽啃栽囼?yàn)
完成可靠性實(shí)驗(yàn)后,我們對(duì)器件進(jìn)行了解剖分析和確認(rèn)(見(jiàn)圖7),樹(shù)脂基板在整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生任何變化。最后,所有的器件都通過(guò)了測(cè)試。
圖7 兩種封裝外殼的解剖分析
4 結(jié)束語(yǔ)
一種基于雙馬來(lái)酰胺三嗪樹(shù)脂BT樹(shù)脂的基板pcb板應(yīng)用于SAW 濾波器的CSP封裝中,從而替代陶瓷基板,在批量生產(chǎn)中將帶來(lái)30%以上的成本降低。通過(guò)后期的性能測(cè)試和可靠性試驗(yàn),驗(yàn)證了該基板能適應(yīng)RF-SAW?。茫樱蟹庋b的需要。在綜合考慮貼膜封裝等其他工藝參數(shù)的微調(diào)后,該多層pcb板能使用在今后的SAW 批量生產(chǎn)中。(參考文獻(xiàn)略來(lái)源:射頻百花譚 )