声表面波器件的封装技术及其发展

电子

（1.西安西郊热电厂，陕西西安 710086；2.华普微电子有限公司，江苏无锡 214035；3，江南大学，江苏无锡 214036）

摘要：本文对声表面波器件的这三种主要封装形式对声表面波器件电传输性的影响作了系统的实验研究与分析，并论述了声表面波器件在封装方面的现状及其发展趋势。
关键词：封装，声表面波器件，电传输性，滤波器，谐振器，移动通信
中图分类号：TN305.94 文献标识码：A文章编号：1681-1070（2005）08-13-03

1 引言
声表面波器件（Surface Acoustic Wave , SAW）属于固态电子器件，在电路应用中主要利用其稳定的频率源功能（声表面波谐振器）和滤波功能（声表面波滤波器）。其应用最为广泛的品种是声表面波谐振器和声表面波滤波器。
声表面波期间利用叉指换能器在石英、铌酸锂、钽酸锂等压电材料表面上激发、监测和接收声表面波，完成电信号从电到声再到电的转换和处理。目前商品化的声表面波器件工作频率处在30MHz到3 000MHz的范围。5 000MHz的声表面波滤波器产品的研制已有报道。
声表面波滤波器的主要封装形式有塑料封装、金属封装和SMD封装。对声表面波滤波器的封装影响最大的是其主要应用系统--移动通信。移动通信手机的一个发展趋势是小型化，用于移动通信手机的声表面波滤波器的外形尺寸从上世纪九十年代到目前同样经历了小型化的发展过程。
本文对声表面波器件的主要封装形式塑料封装、金属封装、SMD封装对器件电性能的影响作了系统的实验研究与分析，并对声表面波器件SMD封装中的部分问题进行了探讨，介绍了目前及未来声表面波器件的发展局势。
2 塑料封装、金属封装、SMD封装电气特性的比较分析
声表面波器件利用压电材料上的声表面波的激发、传播与接收完成其滤波或提供谐振特性。声表面波波长在100μm～2μm的范围(分别对应30MHz与2000MHz工作频率范围)，是一种对其传播表面非常敏感的机械波。传播表面的些许油污、薄膜、灰尘或水汽等都会对声表面波器件的性能造成很大的负面效应。对声表面波器件来讲，芯片表面需要有真空或空气层，封装倒料不可与其表面直接接触。如果封装塑料类材料直接接触声表面波器件表面将使声表面波器件失效。集成电路的塑料类材料直接接触芯片表面的封装方式不能用于声表面波器件的封装。
声表面波器件封装需要关注的另一个问题就是封装的电磁馈通问题。电磁馈通的定义为输出端口通过辐射方式直接从输入端口获取的能量与输入端口能量之比。在其他因素保持不变的前提下，频率越高，输出端到输入端越近，电磁馈通越大。
一般来讲，塑料封装抑制电磁馈通的能力比金属盒与SMD封装的能力差，主要用于中频滤波器。其频率范围在30MHz～150MHz内。图1为5脚塑料封装管壳声表面波滤波器在0.30MHz～1 300MHz测得的传输特性。从图1可以看出，在频率高于150MHz后，电磁馈通上升很快。但是在150MHz以下，抑制电磁馈通效果很好。图2为图1所测塑料封装管壳声表面波中频滤波器在1MHz到70MHz范围测得的传输特性，近带抑制大于30dB，能够满足实用要求。

图3、图4分别为F11、TO-39金属封装管壳在未装放管芯情况测得的电磁馈通特性。在0.30MHz～500MHz频率范围内，TO-39与F11封装的电磁馈通特性相似。但当频率高于500MHz以后，TO-39特性明显变差。F11封装在1000MHz处，电磁馈通大于67dB。在1 300MHz处，电磁馈通为63dB。而TO-39为55 dB。很明显在电磁馈通的抑制方面，F11优于TO-39。图5为封装在F1l管壳中的f958传播特性。3dB通带宽度28.3MHz，插入损耗4.3dB，近带抑制大于50dB。

SMD封装具有体积小、抗电磁馈通能力比较强、其编带易于客户在自动生产线使用的特点。采用SMD封装的声表面波射频滤波器(RF滤波器)在上世纪90年代初被用于移动电话，其用量相当惊人。当时封装与管芯的引线采用铝线连接。而到1998年，80％的供货量已从铝线连接转为倒装焊接(Flip chip)。其外形尺寸经历了5mm×5mm、3.8mm×3.8mm、3.0mm×3.0mm、3.2mm×2.5mm、2.5mm×2.0mm的演变过程。图6为声表面波射频滤波器所用SMD管壳外形尺寸变化过程。随着封装尺寸的减小，电磁馈通问题变得益发严重。小尺寸SMD封装管壳的研发、制造比大尺寸SMD封装管壳难度更大。图7为SMD 3.8mm×3.8mm封装管壳在未装放管芯情况测得的电磁馈通特性。一般来讲，2 000MHz以下，目前管壳制造商提供的SMD管壳能够满足声表面波滤波器要求。

采用SMD封装用于CDMA手机的中频滤波器(IF滤波器)的外形尺寸经历了19mm×6.5mm、13mm×6.5mm到11mm×5mm的小型化过程。
3 声表面波器件封装的发展趋势
随着移动通信工作频率从900MHz扩展到1 800MHz、2 400MHz及以上频段，用于移动通信的声表面波滤波器也随之提高到相应频段。数家公司已供应900MHz和1 800MHz双频前端模块，即所谓的"2 in one"。
声表面波多芯片模块的典型例子是TDK公司推出的用于欧洲EGSM-DCS双频移动通信手机的前端模块。这个前端模块包含了一个双工器、一个Tx-Rx开关、一个低通滤波器、一个声表面波滤波器和约20个电感、电容。声表面波滤波器在前端模块内裸露，采用倒装焊接形式。整个模块采用低温陶瓷(LTCC)材料。如此设计降低了移动通信手机射频部分开发难度，缩短开发周期，降低了费用。
与工作频率提高随之而来的问题是封装管壳的电磁馈通的抑制问题。在其他参数相同的前提下，工作频率愈高，输入与输出的电磁馈通愈大。SMD3.0mm×3.0mm封装管壳在频率高于3 000MHz后电磁馈通的抑制将小于60dB。因而新的设计理论、方法将有待研究开发
总之，高频、小的外形尺寸、多芯片模块如移动电话的前端射频模块是未来一两年声表面波器件封装的发展趋势。
4 结束语
在移动通信大发展、向高频扩展的背景下，声表面波器件未来的发展趋势，特别是封装形式如何配合声表面波器件的开发问题已经成为本行业在未来数年共同的课题。本文对声表面波器件的几种封装形式如塑料封装、金属封装、SMD封装形式对器件电器性能的影响作了实验测量的比较分析，并对声表面波器件的发展趋势进行了探讨。

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