聲表面波器件的封裝技術(shù)及其發(fā)展

（1.西安西郊熱電廠，陜西 西安 710086；2.華普微電子有限公司，江蘇 無錫 214035；3，江南大學(xué)，江蘇 無錫 214036）

摘 要：本文對聲表面波器件的這三種主要封裝形式對聲表面波器件電傳輸性的影響作了系統(tǒng)的實驗研究與分析，并論述了聲表面波器件在封裝方面的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：封裝，聲表面波器件，電傳輸性，濾波器，諧振器，移動通信

中圖分類號：TN305.94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1681-1070（2005）08-13-03

1 引言

聲表面波器件（Surface Acoustic Wave , SAW）屬于固態(tài)電子器件，在電路應(yīng)用中主要利用其穩(wěn)定的頻率源功能（聲表面波諧振器）和濾波功能（聲表面波濾波器）。其應(yīng)用最為廣泛的品種是聲表面波諧振器和聲表面波濾波器。

聲表面波期間利用叉指換能器在石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等壓電材料表面上激發(fā)、監(jiān)測和接收聲表面波，完成電信號從電到聲再到電的轉(zhuǎn)換和處理。目前商品化的聲表面波器件工作頻率處在30MHz到3 000MHz的范圍。5 000MHz的聲表面波濾波器產(chǎn)品的研制已有報道。

聲表面波濾波器的主要封裝形式有塑料封裝、金屬封裝和SMD封裝。對聲表面波濾波器的封裝影響最大的是其主要應(yīng)用系統(tǒng)--移動通信。移動通信手機(jī)的一個發(fā)展趨勢是小型化，用于移動通信手機(jī)的聲表面波濾波器的外形尺寸從上世紀(jì)九十年代到目前同樣經(jīng)歷了小型化的發(fā)展過程。

本文對聲表面波器件的主要封裝形式塑料封裝、金屬封裝、SMD封裝對器件電性能的影響作了系統(tǒng)的實驗研究與分析，并對聲表面波器件SMD封裝中的部分問題進(jìn)行了探討，介紹了目前及未來聲表面波器件的發(fā)展局勢。

2 塑料封裝、金屬封裝、SMD封裝電氣特性的比較分析

聲表面波器件利用壓電材料上的聲表面波的激發(fā)、傳播與接收完成其濾波或提供諧振特性。聲表面波波長在100μm～2μm的范圍(分別對應(yīng)30MHz與2000MHz工作頻率范圍)，是一種對其傳播表面非常敏感的機(jī)械波。傳播表面的些許油污、薄膜、灰塵或水汽等都會對聲表面波器件的性能造成很大的負(fù)面效應(yīng)。對聲表面波器件來講，芯片表面需要有真空或空氣層，封裝倒料不可與其表面直接接觸。如果封裝塑料類材料直接接觸聲表面波器件表面將使聲表面波器件失效。集成電路的塑料類材料直接接觸芯片表面的封裝方式不能用于聲表面波器件的封裝。

聲表面波器件封裝需要關(guān)注的另一個問題就是封裝的電磁饋通問題。電磁饋通的定義為輸出端口通過輻射方式直接從輸入端口獲取的能量與輸入端口能量之比。在其他因素保持不變的前提下，頻率越高，輸出端到輸入端越近，電磁饋通越大。

一般來講，塑料封裝抑制電磁饋通的能力比金屬盒與SMD封裝的能力差，主要用于中頻濾波器。其頻率范圍在30MHz～150MHz內(nèi)。圖1為5腳塑料封裝管殼聲表面波濾波器在0.30MHz～1 300MHz測得的傳輸特性。從圖1可以看出，在頻率高于150MHz后，電磁饋通上升很快。但是在150MHz以下，抑制電磁饋通效果很好。圖2為圖1所測塑料封裝管殼聲表面波中頻濾波器在1MHz到70MHz范圍測得的傳輸特性，近帶抑制大于30dB，能夠滿足實用要求。

圖3、圖4分別為F11、TO-39金屬封裝管殼在未裝放管芯情況測得的電磁饋通特性。在0.30MHz～500MHz頻率范圍內(nèi)，TO-39與F11封裝的電磁饋通特性相似。但當(dāng)頻率高于500MHz以后，TO-39特性明顯變差。F11封裝在1000MHz處，電磁饋通大于67dB。在1 300MHz處，電磁饋通為63dB。而TO-39為55 dB。很明顯在電磁饋通的抑制方面，F(xiàn)11優(yōu)于TO-39。圖5為封裝在F1l管殼中的f958傳播特性。3dB通帶寬度28.3MHz，插入損耗4.3dB，近帶抑制大于50dB。

SMD封裝具有體積小、抗電磁饋通能力比較強、其編帶易于客戶在自動生產(chǎn)線使用的特點。采用SMD封裝的聲表面波射頻濾波器(RF濾波器)在上世紀(jì)90年代初被用于移動電話，其用量相當(dāng)驚人。當(dāng)時封裝與管芯的引線采用鋁線連接。而到1998年，80％的供貨量已從鋁線連接轉(zhuǎn)為倒裝焊接(Flip chip)。其外形尺寸經(jīng)歷了5mm×5mm、3.8mm×3.8mm、3.0mm×3.0mm、3.2mm×2.5mm、2.5mm×2.0mm的演變過程。圖6為聲表面波射頻濾波器所用SMD管殼外形尺寸變化過程。隨著封裝尺寸的減小，電磁饋通問題變得益發(fā)嚴(yán)重。小尺寸SMD封裝管殼的研發(fā)、制造比大尺寸SMD封裝管殼難度更大。圖7為SMD 3.8mm×3.8mm封裝管殼在未裝放管芯情況測得的電磁饋通特性。一般來講，2 000MHz以下，目前管殼制造商提供的SMD管殼能夠滿足聲表面波濾波器要求。

采用SMD封裝用于CDMA手機(jī)的中頻濾波器(IF濾波器)的外形尺寸經(jīng)歷了19mm×6.5mm、13mm×6.5mm到11mm×5mm的小型化過程。

3 聲表面波器件封裝的發(fā)展趨勢

隨著移動通信工作頻率從900MHz擴(kuò)展到1 800MHz、2 400MHz及以上頻段，用于移動通信的聲表面波濾波器也隨之提高到相應(yīng)頻段。數(shù)家公司已供應(yīng)900MHz和1 800MHz雙頻前端模塊，即所謂的"2 in one"。

聲表面波多芯片模塊的典型例子是TDK公司推出的用于歐洲EGSM-DCS雙頻移動通信手機(jī)的前端模塊。這個前端模塊包含了一個雙工器、一個Tx-Rx開關(guān)、一個低通濾波器、一個聲表面波濾波器和約20個電感、電容。聲表面波濾波器在前端模塊內(nèi)裸露，采用倒裝焊接形式。整個模塊采用低溫陶瓷(LTCC)材料。如此設(shè)計降低了移動通信手機(jī)射頻部分開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低了費用。

與工作頻率提高隨之而來的問題是封裝管殼的電磁饋通的抑制問題。在其他參數(shù)相同的前提下，工作頻率愈高，輸入與輸出的電磁饋通愈大。SMD3.0mm×3.0mm封裝管殼在頻率高于3 000MHz后電磁饋通的抑制將小于60dB。因而新的設(shè)計理論、方法將有待研究開發(fā)

總之，高頻、小的外形尺寸、多芯片模塊如移動電話的前端射頻模塊是未來一兩年聲表面波器件封裝的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)束語

在移動通信大發(fā)展、向高頻擴(kuò)展的背景下，聲表面波器件未來的發(fā)展趨勢，特別是封裝形式如何配合聲表面波器件的開發(fā)問題已經(jīng)成為本行業(yè)在未來數(shù)年共同的課題。本文對聲表面波器件的幾種封裝形式如塑料封裝、金屬封裝、SMD封裝形式對器件電器性能的影響作了實驗測量的比較分析，并對聲表面波器件的發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。