專利名稱：高頻內匹配功率器件的封裝方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件和混合微波集成電路技術領域，具體涉及一種高頻內匹配功率器件的封裝方法。
背景技術：
在高頻內匹配功率器件的研制中，輸入匹配電路是一個重點和難點，其重要性在于輸入匹配的好壞將直接影響內匹配器件的輸入駐波、帶寬、增益和輸出功率等性能；其難點在于高頻內匹配器件，尤其是對于大尺寸的器件，其輸入阻抗非常小，一般在I歐姆左右，而系統的特征阻抗一般為50歐姆，如此大的阻抗轉換比，大大增加了輸入匹配電路設計的難度。此外，高頻內匹配器件的性能還與其封裝工藝聯系緊密。封裝過程所實現的物理連接的好壞，以及封裝與電路設計的符合度，將直接影響到內匹配功率器件的微波性能 和可靠性。因此，封裝技術是高頻內匹配功率器件研制過程中必不可少的關鍵工藝之一。傳統的高頻內匹配功率器件的研制中，采用單級LCL輸入匹配電路的形式，將內匹配功率器件的輸入阻抗匹配到50歐姆，其中電感L采用直徑為25um的金絲實現，電容C采用自制的高介電陶瓷電容。這種方法雖然較為簡捷，但是將使得內匹配器件輸入匹配電路的Q值較高，從而降低了內匹配器件的輸入駐波比、減少了帶寬、降低了增益，使得內匹配器件的輸出功率也受到影響。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種能降低輸入匹配電路的Q值，增大內匹配功率器件的帶寬、增益和輸出功率的高頻內匹配功率器件的封裝方法。本發明提供的一種高頻內匹配功率器件的封裝方法，包括將內匹配電路通過金鍺合金共晶在管殼內；將功率器件和輸入輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內；將功率器件、輸入輸出匹配電容及內匹配電路通過金絲電學互連；將內匹配電路和管殼管腳通過金帶電學互連。進一步地，所述將內匹配電路通過金鍺合金共晶在管殼內包括將共晶儀的溫度升至350-380的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將用于構成內匹配電路的輸入和輸出內匹配電路通過金鍺合金共晶在管殼內。進一步地，在將所述內匹配電路共晶在管殼內時，左右摩擦內匹配電路，從而保證內匹配電路與管殼緊密的粘貼在一起。進一步地，所述將功率器件和輸入輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內包括將共晶儀的溫度設定在250-280度的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將用于構成輸入輸出匹配電容的第一輸入匹配電容、第二輸入匹配電容及輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內；
將共晶儀的溫度設定在250-280度的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將功率器件通過金錫合金共晶在管殼內。進一步地，在將所述功率器件和輸入輸出匹配電容共晶在管殼內時，左右摩擦功率器件和輸入輸出匹配電容，從而保證功率器件和輸入輸出匹配電容與管殼緊密的粘貼在一起。進一步地，所述輸入輸出匹配電容采用芯片電容或陶瓷電容。進一步地，所述將功率器件、輸入輸出匹配電容及內匹配電路通過金絲電學互連包括采用金絲鍵合儀，將功率器件的輸入輸出電極和輸入輸出匹配電容通過金絲鍵合連接； 采用金絲鍵合儀，將輸入輸出匹配電容和內匹配電路通過金絲鍵合連接。進一步地，所述采用金絲鍵合儀鍵合連接時，同一位置處不同金絲的長度和角度一致。進一步地,所述金絲的直徑為25um。進一步地，所述將內匹配電路和管殼管腳通過金帶電學互連包括采用金帶鍵合儀，將內匹配電路和管殼輸入輸出管角之間通過IOOum寬的金帶進行鍵合連接。本發明提供的一種高頻內匹配功率器件的封裝方法采用LCL的封裝方式，既提升了大尺寸功率器件的輸入輸出阻抗，又使得匹配電路具有靈活可調性；采用兩級LCL輸入匹配的封裝方式，更好的實現了由低阻抗到高阻抗的轉換，改善了內匹配器件的輸入駐波t匕，降低了輸入匹配電路的Q值，從而增大了內匹配功率器件的帶寬、增益和輸出功率，此夕卜，本發明分別采用金錫、金鍺將高頻功率器件、陶瓷電容和匹配電路焊接在管殼內，保證了物理連接的牢固性，并增加了功率器件的熱導率。
圖I為本發明實施例提供的一種高頻內匹配功率器件的封裝方法流程圖；圖2為本發明實施例中單個6mm功率器件的結構示意圖；圖3為傳統單級LCL輸入匹配的6_內匹配功率器件管殼封裝的照片；圖4為本發明實施例中兩級LCL輸入匹配的6mm內匹配功率器件管殼封裝的照片;圖5為本發明實施例中6_內匹配功率器件管殼封裝的帶寬特性示意圖；圖6為本發明實施例中6_內匹配功率器件管殼封裝的增益特性示意圖；圖7為本發明實施例中6_內匹配功率器件管殼封裝的輸出功率特性示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明提供的一種高頻內匹配功率器件的封裝方法，包括以下步驟步驟SI :將內匹配電路通過金鍺(AuGe)合金共晶在管殼內；步驟S2 :將功率器件和輸入輸出匹配電容通過金錫(AuSn)合金共晶在管殼內；步驟S3 :將功率器件、輸入輸出匹配電容及內匹配電路通過金絲電學互連；
步驟S4 :將內匹配電路和管殼管腳通過金帶電學互連。具體是采用金帶鍵合儀，用IOOum寬的金帶將內匹配電路和管殼輸入輸出管角之間連接起來，從而實現內匹配功率器件和外界的物理和電學上的互連。其中，步驟SI將內匹配電路通過金鍺(AuGe)合金共晶在管殼內具體是將共晶儀的溫度升至350-380的溫度范圍內，采用金鍺(AuGe)合金，在氮氣保護的氛圍下，將用于構成內匹配電路的輸入和輸出內匹配電路共晶在管殼內。將內匹配電路共晶在管殼內時，左右摩擦內匹配電路，從而保證內匹配電路與管殼非常緊密的粘貼在一起。步驟S2 :將功率器件和輸入輸出匹配電容通過金錫(AuSn)合金共晶在管殼內包括步驟S21 :將共晶儀的溫度設定在250-280度的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將用于構成輸入輸出匹配電容的第一輸入匹配電容、第二輸入匹配電容及 輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內。步驟S22 :將共晶儀的溫度設定在250-280度的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將功率器件共晶在管殼內。在將功率器件和輸入輸出匹配電容共晶在管殼內時，左右摩擦功率器件和輸入輸出匹配電容，從而保證功率器件和輸入輸出匹配電容與管殼非常緊密的粘貼在一起。輸入輸出匹配電容采用芯片電容或陶瓷電容。步驟S3將功率器件、輸入輸出匹配電容及內匹配電路通過金絲電學互連包括步驟S31 :采用金絲鍵合儀，用25um直徑的金絲將功率器件的輸入輸出電極和輸入輸出匹配電容連接起來。步驟S32 :采用金絲鍵合儀，用25um直徑的金絲將輸入輸出匹配電容和內匹配電路連接起來。采用金絲鍵合儀鍵合連接時，需要保證同一位置處不同金絲之間的長度和角度的一致性，從而能夠避免封裝的差異性帶來的不穩定性的問題。為了使本發明的目的，技術方案和優點描述的更清晰，以下結合具體的實施例及附圖加以說明。實施例一如圖2所示，上、下電極分別是輸入電極201和輸出電極202，分別用于連接用于構成內匹配電路的輸入和輸出內匹配電路。背面帶有電鍍背金，用于將功率器件與AuSn焊料焊接到管殼上。所述的功率器件采用基于SiC襯底、總柵寬為6mm的AlGaN/GaN HEMTs微波功率器件。如圖3所示，傳統單級LCL內匹配電路由一個輸入內匹配陶瓷電路303和輸出內匹配陶瓷電路304構成，該器件輸入匹配采用I個并聯接地的輸入匹配陶瓷電容305和金絲306組成的單級LCL網絡，提升功率器件的輸入阻抗，然后由內匹配電路將該6mm高頻功率器件匹配至50歐姆；由直徑為25um的金絲306，實現匹配電路的電感，并實現各個元件之間的電學互連；由金帶307實現內匹配電路和管殼管腳之間的互連。如圖4所示，本實施例內匹配電路由輸入內匹配陶瓷電路403和輸出內匹配陶瓷電路404構成，輸入輸出匹配電容由第一輸入匹配陶瓷電容408、第二輸入匹配陶瓷電容409和一個輸出匹配陶瓷電容410構成，其中，第一輸入匹配陶瓷電容408、第二輸入匹配陶瓷電容409并聯接地。該器件輸入匹配采用兩個并聯接地的輸入匹配陶瓷電容和金絲406組成的兩級LCL網絡，提升功率器件的輸入阻抗，然后由內匹配電路將該6_高頻功率器件匹配至50歐姆；由直徑為25um的金絲406，實現匹配電路的電感，并實現各個元件之間的電學互連；由金帶407實現內匹配電路和管殼管腳之間的互連。如圖5所示，橫坐標為頻率，縱坐標為輸入駐波，實線為采用本發明的封裝方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高頻內匹配功率器件的帶寬特性，虛線為采用傳統封裝方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高頻內匹配功率器件的帶寬特性。M6、M7和M8、M9分別是兩條曲線-IOdB以下的邊界。以Sll小于-IOdB為標準，兩種封裝方法的得到的內匹配功率器件的帶寬分別為I. 4GHz和O. SGHz0而且兩種封裝方法得到的內匹配功率器件的最佳輸入駐波分別是Sll=-15dB和-11. 8dB，對應的駐波比分別為I. 43和I. 69。可見，采用本發明的6_內匹配功率器件管殼封裝的帶寬和駐波特性，要明顯優于采用傳統封裝方法的6mm內匹配功率器件。如圖6所示，橫坐標為頻率，縱坐標為增益，實線為采用本發明的封裝方法所得到 的6_ AlGaN/GaN HEMTs高頻內匹配功率器件的增益特性，虛線為采用傳統封裝方法所得到的6_ AlGaN/GaN HEMTs高頻內匹配功率器件的增益特性。兩種封裝方法的得到的內匹配功率器件的最大增益分別為M4=12. 654dB和M5=ll. 892dB。可見，采用本發明的6mm內匹配功率器件管殼封裝的增益特性，要明顯優于采用傳統封裝方法的6_內匹配功率器件。如圖7所示,橫軸代表輸入功率,右縱軸代表輸出功率,左縱軸代表增益，Pout_Double代表采用本發明兩級輸入電容的輸出功率，Pout_Single代表采用傳統單級輸入電容的輸出功率，Gain_Double代表采用本發明兩級電容的增益，Gain_Single代表采用傳統單級輸入電容的增益。采用本發明的封裝方法所得到的6_ AlGaN/GaN HEMTs高頻內匹配功率器件的大信號功率增益達到了 7. 6dB，輸出功率為42. 2dBm (16. 6W)，而相應的采用傳統封裝方法所得到的6mm AlGaN/GaN HEMTs高頻內匹配功率器件的功率增益為6. 7dB，輸出功率為41. 5dBm( 14. 1W)。可見，采用本發明的6_內匹配功率器件管殼封裝的功率增益和輸出功率，都要明顯優于采用傳統封裝方法的6_內匹配功率器件。傳統的高頻內匹配功率器件的研制中，采用單級LCL輸入匹配電路的形式，將內匹配功率器件的輸入阻抗匹配到50歐姆。這種方法雖然較為簡捷，但是將使得內匹配器件輸入匹配電路的Q值較高，從而降低了內匹配器件的輸入駐波比、減少了帶寬、降低了增益，從而使得內匹配器件的輸出功率也受到影響。本發明實施例采用兩級LCL輸入匹配的封裝方式，更好的實現了由低阻抗到高阻抗的轉換，改善了內匹配器件的輸入駐波比，降低了輸入匹配電路的Q值，從而增大了內匹配功率器件的帶寬、增益和輸出功率。實施例二 本實施例與實施例一的唯一不同之處在于輸入輸出匹配電容由兩個輸入匹配芯片電容和一個輸出匹配芯片電容構成。其他地方與實施例一完全一致。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于，包括 將內匹配電路通過金鍺合金共晶在管殼內； 將功率器件和輸入輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內； 將功率器件、輸入輸出匹配電容及內匹配電路通過金絲電學互連； 將內匹配電路和管殼管腳通過金帶電學互連。
2.根據權利要求I所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于，所述將內匹配電路通過金鍺合金共晶在管殼內包括 將共晶儀的溫度升至350-380的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將用于構成內匹配電路的輸入和輸出內匹配電路通過金鍺合金共晶在管殼內。
3.根據權利要求2所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于 在將所述內匹配電路共晶在管殼內時，左右摩擦內匹配電路，從而保證內匹配電路與管殼緊密的粘貼在一起。
4.根據權利要求I所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于，所述將功率器件和輸入輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內包括 將共晶儀的溫度設定在250-280度的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將用于構成輸入輸出匹配電容的第一輸入匹配電容、第二輸入匹配電容及輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內； 將共晶儀的溫度設定在250-280度的溫度范圍內，在氮氣保護的氛圍下，將功率器件通過金錫合金共晶在管殼內。
5.根據權利要求4所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于 在將所述功率器件和輸入輸出匹配電容共晶在管殼內時，左右摩擦功率器件和輸入輸出匹配電容，從而保證功率器件和輸入輸出匹配電容與管殼緊密的粘貼在一起。
6.根據權利要求5所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于 所述輸入輸出匹配電容采用芯片電容或陶瓷電容。
7.根據權利要求I所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于，所述將功率器件、輸入輸出匹配電容及內匹配電路通過金絲電學互連包括 采用金絲鍵合儀，將功率器件的輸入輸出電極和輸入輸出匹配電容通過金絲鍵合連接； 采用金絲鍵合儀，將輸入輸出匹配電容和內匹配電路通過金絲鍵合連接。
8.根據權利要求7所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于 所述采用金絲鍵合儀鍵合連接時，同一位置處不同金絲的長度和角度一致。
9.根據權利要求8所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于 所述金絲的直徑為25um。
10.根據權利要求I所述的高頻內匹配功率器件的封裝方法，其特征在于，所述將內匹配電路和管殼管腳通過金帶電學互連包括 采用金帶鍵合儀，將內匹配電路和管殼輸入輸出管角之間通過IOOum寬的金帶進行鍵合連接。
全文摘要
公開了一種高頻內匹配功率器件的封裝方法，包括將內匹配電路通過金鍺合金共晶在管殼內；將功率器件和輸入輸出匹配電容通過金錫合金共晶在管殼內；將功率器件、輸入輸出匹配電容及內匹配電路通過金絲電學互連；將內匹配電路和管殼管腳通過金帶電學互連。本發明提供的一種高頻內匹配功率器件的封裝方法，采用兩級LCL輸入匹配的封裝方式，降低了輸入匹配電路的Q值，從而增大了內匹配功率器件的帶寬、增益和輸出功率，此外，本發明分別采用金錫、金鍺將高頻功率器件、陶瓷電容和匹配電路共晶在管殼內，保證了物理連接的牢固性，并增加了功率器件的熱導率。
文檔編號H01L21/50GK102832145SQ20121031972
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者羅衛軍, 陳曉娟, 楊成樾, 劉新宇 申請人:中國科學院微電子研究所