蒯永清，董昌慧， 發表於 2020-07-06 12:49:32
引 言
作為雷達的核心部件，微波混合集成電路中，為保證電路損耗小和寄生參數低等原因，一般將多個射頻裸晶片高密度組裝在多層互連基板上，然後封裝在同一外殼內，以形成高密度的微電子產品。但由於混合集成多晶片組件應用環境的複雜性及自身腔體內的綜合氣氛，射頻裸晶片的應用可靠性往往較低，封裝作為一種常見的保護方式，在射頻裸晶片中的應用十分必要。目前微波混合集成電路電路射頻裸晶片封裝通常有以下幾種方法。
1）對微波混合集成電路進行雷射封焊或平行縫焊，將射頻裸晶片封裝在微波混合集成電路的管殼中，使其與空氣隔絕。但雷射或平行封焊後的產品出現返工返修時，蓋板拆除困難且無法再利用，可維修性一般，且平行縫焊只適合於特殊的材料如Kovar合金。
2）對微波混合集成電路內部進行「Parylene 」真空沉積，Parylene是一種對二甲苯的聚合物。Parylene塗層用獨特的真空氣相沉積工藝製備，由活性小分子在基材表面「生長」出完全敷形的聚合物薄膜塗層，薄膜塗層沉積厚度約0.1～100.0 μm。該工藝過程複雜，需要專門的設備，成本較高。
3）對微波混合集成電路射頻裸晶片應用環氧膠或矽橡膠等。但環氧膠易吸水，矽膠都有較高的熱膨脹係數CTE（coefficient of thermal expansion，CTE），同時彈性係數較高，在環境溫度試驗中，膠體本身的膨脹和收縮所帶來的應力會將鍵合的金絲拉脫，導致失效。並且，由於上述膠的介電常數和損耗正切角與空氣介質差別較大，對射頻裸晶片帶來的影響較大，無法滿足產品的電性能要求。
EGC-1700無色防潮保護塗層是一種透明的低黏度溶液，其主要成分為氫氟醚溶劑，包含質量分數為2%的氟化丙烯酸。主要應用於半導體和電子元器件的塗覆，其中所含的2%氟化丙烯酸聚合物作為一種含氟聚合物，具有高耐候性、高耐熱性以及高穩定性。本工作選取了EGC-1700無色防潮保護塗層做微波混合集成電路射頻裸晶片的防護材料，並設計了一款應用頻段在7.0～13.5 GHz的低噪聲放大器進行驗證。
1、 樣件設計及製作
1.1 樣件設計
圖1是應用頻段在7.0～13.5 GHz的低噪聲放大器，該器件包含一個MMIC射頻放大器裸晶片。表1為低噪聲放大器射頻裸晶片的典型指標。
圖1 低噪聲放大器設計圖
表1 射頻放大晶片裸晶片的典型指標
1.2 低噪聲放大器的裝配
採用典型的導電膠粘接工藝對低噪聲放大器進行裝配，先進行微波基片裝配，其次進行射頻連接器和射頻裸晶片的裝配，在金絲鍵合後，對放大器進行連接器接頭安裝。選用H20E導電膠，固化溫度、固化時間分別為150 ℃/120 ℃、30 min/60 min。圖2為裝配完成後的低噪聲放大器實物圖。
圖2 封裝仿真結構示意圖
1.3 射頻晶片表面封裝處理
本實驗選用了EGC-1700無色防潮保護塗層作為低噪聲放大器中射頻裸晶片的防護材料，根據廠家的推薦工藝，結合實際使用，工藝路線設計如下。
將低噪聲放大器放置於真空烘箱中進行高溫烘烤去除水汽，烘烤溫度85 ℃，烘烤時間4 h。採用PE-100型等離子清洗設備對烘烤後的低噪聲放大器中的射頻裸晶片清洗和表面活化，先採用氧等離子對射頻裸晶片表面有機物進行氧化，其次採用氬等離子體對射頻裸晶片表面有機物去除和焊盤活化，清洗時間3 min，清洗功率200 W，氮氣壓力50 Pa，氧氣和氬氣壓力為25 Pa。等離子清洗完成後，4 h內採用DX-200點膠機進行射頻裸晶片薄膜塗覆，選用10 mL的針筒，32G針頭（針頭內徑0.09 mm，針頭外徑0.26 mm），出氣壓力100 kPa，時間0.03 s，滴塗時，卡口針頭距射頻裸晶片表面距離約1.5 mm。當射頻裸晶片表面塗層固化後，在電子顯微鏡下觀察，對未封裝到的頻裸射頻裸晶片表面進行修復。封裝完成後的塗層厚度不超過1 μm，如圖3所示。
圖3 射頻裸晶片表面封裝完成後
2、 樣件測試結果及分析
2.1 裝配完成後的樣件測試結果
用E5071C矢量網絡分析儀對低噪聲放大器進行噪聲係數曲線和增益曲線測試，測試結果如圖4和圖5所示。
圖4 表面封裝前後Ku頻段低噪聲放大器的噪聲係數曲線
圖5 表面封裝前後Ku頻段低噪聲放大器的增益曲線
從圖4和圖5可以看出，EGC-1700無色防潮保護塗層封裝後低噪聲放大器的常溫噪聲有一定程度上升，增益均有一定程度的下降，其中噪聲上升約0.3 dB，增益下降約0.4 dB。但噪聲係數曲線和增益曲線的走勢與封裝前較一致。
2.2 交變溼熱後的低噪聲放大器性能
按照GJB150.9A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第9部分：溼熱試驗，對EGC-1700無色防潮保護塗層封裝後的低噪聲放大器進行交變溼熱試驗，結束後用E5071CC網絡矢量分析儀對低噪聲放大器的噪聲係數和增益進行測試，結果如圖6和圖7所示。
圖6 溼熱試驗前後Ku頻段的低噪聲放大器的噪聲係數曲線
圖7 溼熱試驗前後Ku頻段的低噪聲放大器的增益曲線
從圖6和圖7可以看出經過EGC-1700無色防潮保護塗層封裝的低噪聲放大器，溼熱試驗前後的噪聲係數曲線和增益曲線走勢一致性較好，但當頻率超過8 GHz後，曲線並沒有重合，有一定差值。推測是溼熱試驗過程中水汽造成EGC-1700無色防潮保護塗層介電常數增大，從而使溼熱試驗後的器件噪聲係數和增益均勻地增加了0.1 dB左右。
2.3 低溫貯存試驗後器件的性能
按照GJB150.4A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第4部分：低溫試驗，對EGC-1700無色防潮保護塗層封裝後的低噪聲放大器進行了低溫試驗，結束後用E5071CC網絡矢量分析儀對低噪聲放大器的噪聲係數和增益進行測試，結果如圖8和圖9所示。
圖8 低溫貯存試驗前後Ku頻段的低噪聲放大器的噪聲係數曲線
圖9 低溫貯存試驗前後Ku頻段的低噪聲放大器的增益曲線
從圖8和圖9可以看出，低溫貯存試驗前後，經過EGC-1700無色防潮保護塗層封裝的低噪聲放大器模塊的噪聲係數曲線和增益曲線走勢一致性較好，且在低溫測試時增益有一定程度的上升，噪聲有一定程度的下降。推測是使用的低噪聲放大晶片中有負溫度係數補償電阻，在低溫時進行溫度補償，測試結果與晶片資料數據一致。
2.4 高溫貯存試驗後器件的性能
按照GJB150.3A-2009軍用裝備實驗室環境試驗方法第3部分：高溫試驗，對EGC-1700無色防潮保護塗層封裝後的低噪聲放大器進行了高溫試驗，結束後用E5071CC網絡矢量分析儀對低噪聲放大器的噪聲係數和增益進行測試，結果如圖10和圖11所示。
圖10 高溫貯存試驗前後Ku頻段的低噪聲放大器的噪聲係數曲線
圖11 高溫貯存試驗前後Ku頻段的低噪聲放大器的增益曲線
從圖10和圖11可以看出，高溫貯存試驗前後的低噪聲放大器的噪聲係數曲線和增益曲線的走勢一致性較好，但其試驗前後的曲線並沒有重合，且在低溫時增益有一定程度的下降，噪聲有一定的上升。出現上述的原因與低溫測試時一致。
3、 結論
EGC-1700無色防潮保護塗層塗覆是一種有效的高頻防護手段，通過本文所完成的試驗研究表明：
1）隨著測試頻率的升高，EGC-1700無色防潮保護塗層對低噪聲放大器的影響增大，從測試結果來看，1 μm的EGC-1700無色防潮保護塗層在8 GHz對低噪聲放大器的噪聲有一定影響，但變化曲線的一致性較好且可以通過前期的電路補償設計來修正。
2）1 μm的EGC-1700無色防潮保護塗層可以在射頻裸晶片表面有「三防」作用，防護晶片表面短路等。
3）EGC-1700無色防潮保護塗，可以在X波段（12 GHz）以內的微波混合集成電路中應用，技術方案簡單並有效，散熱效果好，可維修性好，成本低。
責任編輯：gt
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