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目前，超模压(over-molded)塑料封装技术的不断进步已经能让高功率RF晶体管的开发商将他们的器件装进能与陶瓷相媲美的可靠外壳之中。 封装是RF功率晶体管能否发挥最佳性能的关键。由于RF功率晶体管是功率放大器(PA)中最昂贵的元件之一，而PA本身又是蜂窝式基站里最昂贵的元件，在不牺牲性能前提下减小晶体管成本的动机就显而易见了。解决办法是采用超模压塑料封装技术，该技术在其它功率集成电路中使用良好，但是直到最近才被充分改进，已可满足RF功率晶体管开发商的要求。该技术能以比现行方法低约一个数量级的成本提供所需的技术性能。 创新驱动着RF功率半导体器件的性价比不断提高，它拥有影响未来2.5 G和3 G无线网络(图2)的巨大潜力。传统上，高功率RF晶体管被放在带引脚的陶瓷封装内。在一个基站内部，功率晶体管被固定在印刷电路板(PCBs)上，而这块印刷电路板是以几乎与电信交换机设备中的线卡相同的方式插入蜂窝基站的。一个典型的蜂窝/无线基站含有约8-10个PA。而在PA中，功率晶体管的成本最高，因此，PA占据了所有基站总成本的一个重要部分。另外，由于发生在基站上的大约30%的问题都与PA有关，所以，PA的稳定性对于无线网络的正常运行至关重要。 出于对RF功率晶体管的性能和可靠性的要求，以往的封装都是将一个导热导电的金属底座与一个陶瓷环组合在一起以隔离输入输出引脚。金属基座由铜钨合金制成并在上面涂了一层金属材料以便用高温铜焊工艺将其与陶瓷环连接起来。由于陶瓷环的存在，第一代封装解决方案被称作陶瓷封装。除此之外，封装底座是镀金的，从而可以采用第二代高温工艺实现芯片固定。其唯一环保形式是给外壳戴上一个粘在陶瓷环和输入输出引脚上的陶瓷盖。 采用陶瓷外壳的封装成本约为一个功率晶体管成品总成本的一半(图1)。当然，对一个RF晶体管来说，封装不只是为了保护它的金属膜，还可为它提供电连接并为过热提供一个散热通道。事实上，在很多微电子和计算机系统中，封装是在满足成本目标的前提下达到高性能的关键因素。本质上，一个RF外壳必须能具备下列功能：
将电源和信号线与贴装芯片相连。
将有源芯片和任意相关元器件固定在底座上。
将多余的热量散掉。
提供一个操作平台和用于辨识的外部标记，同时保护和维持连接和芯片的完整性。
很明显，降低成本的一种方法是去除昂贵的陶瓷环及其麻烦且昂贵的铜焊工艺。所幸的是，聚合材料（塑料）的创新使得这一方法具有可行性（图2）。现有两种合成聚合物：热塑性塑料和热固塑料。热塑性塑料仅通过热和压力加工，不存在化学反应。而且一旦冷却下来，热塑性塑料或结晶或转换为类似玻璃状态。热固塑料（环氧树脂、酚醛塑料、胶木）在加热状态下会发生化学反应从而使得分子量增加。这一化学反应将导致所有反应基的完全转化从而产生一种具有较好硬度、高热变形温度和良好化学及物理阻抗的聚合物。 用聚合物封装半导体芯片时，典型的方法是将芯片用丝焊法连接到封装的引线框上，然后，将其封装在一个聚合材料做成的电介质绝缘体内以保护芯片免受环境恶化的影响。图3 给出了一个陶瓷和超模压塑料封装的比较。 超模压封装确实会改变RF的性能。在陶瓷封装中，芯片和连接线是放在一个气孔里的。在塑料封装中，聚合材料包围着芯片，并且与芯片和连接线相连。由于聚合材料的介电常数比空气要高，因此在塑料封装中的寄生效应或多或少要高些，这将引起输出功率和增益的些许下降（与在陶瓷封装中的同一芯片相比）。不过，若采用合适的器件设计、布局和接线工艺，就能将上述影响减小到0.5分贝以下(图4)。 2003年3月，Agere Systems公司针对无线基站PA市场开发了21穿透型晶体管系列新产品。在传统的陶瓷封装基础上，这些产品的问世使得工作温度更低、外形更小且更便宜的无线基站成为可能。由于获得了新的热特性，这些半导体产品具有将基站冷却风扇数量减少一半的潜力，有助于服务提供商降低投资和运营成本，并可减少噪声污染。公司目前正朝着开发超模压塑料封装中的下一代RF器件努力(图5)。 早期的塑料封装解决方案在实现降低成本的目的的同时，却因使用内部组装线而阻碍了成本的进一步下降。更具吸引力的办法是采用在多条生产线共享有效资本费用、知识和创新的大容量封装设备，这非常类似于在全球范围选用境外铸造工厂的IC设计公司所经历的有效成本降低。 Agere公司的最新RF功率产品系列采用了Amkor技术公司生产的小型超模压塑料(PSOPs)封装。迄今为止，这种能满足RF电子产品市场的高产量、低成本和高可靠性需求的封装产量已达近十亿只。 这种又小又薄的外壳被设计成可在恶劣环境下可靠地工作。对材料配套和组装工艺给予的特别关注使用户提出的诸如平直度、共面度、布线范围、分层、可焊性和成本等诸多问题得到了满足。作为应用于RF功率晶体管的超模压塑料封装技术，它还具有另一重要的技术和商业优势：这种RF功率晶体管的封装方式将其纳入了符合电子和信息产业要求的可接受的主流制造工艺。 在性能上，该公司采用PSOP封装的晶体管与装在更昂贵的陶瓷外壳里的相同器件不相上下，可在节省大量成本的前提下凭借2.1 GHz获得出色效果。这些性能可靠的超模压塑料封装还能同时满足当前和2006年环保标准并与无引脚电路板组装工艺兼容。除此之外，该公司还表示，会用新一代高导环氧树脂材料取代早期采用的铅基焊料进行芯片粘接。Agere 还对它的超模压IC器件进行了大量的测试，以确保低成本超模压部件适于取代传统的陶瓷部件。到2004年第二季度初，超模压LDMOS部件将能满足图6所示的热、电磁、机械和物理性能要求。 对无线基站设备的设计师和网络运营商来说，超模压塑料RF功率晶体管的使用将大大降低成本。而且，采用这一方法所减少的功耗和空间还可以让运营商以更新颖的方式配置基站。可以肯定，这一封装技术的创新将会刺激其它的封装技术革新。Agere 一直致力于为更高输出功率器件寻求新型气孔解决方案就是一个实例。另外，这些封装概念还能扩展应用到集成模块，以求在不降低性能的前提下更大程度地减少成本。 作者：David Boulin, Hugo Safar | 
