宽带全密封微波器件封装的制作方法与工艺

宽带全密封微波器件封装所属技术领域本发明专利涉及一种使用陶瓷材料的全密封微波器件表面封装。

背景技术：
现有微波器件封装多采用环氧树脂进行密封，而不是采用全密封封装。全密封式封装要使用金属密封条，当信号频率高于20GHz时，会引起该金属条产生谐振，因此全密封式封装通常不能在很宽的频带如直流到20GHz及以上范围内工作。多数微波器件封装使用陶瓷本身或者填充的过孔进行导热，这种散热装置热阻抗很高，导热性能差，不适用于会产生高热量的高功率放大器。高功率放大器的封装一般用一个大金属基底来降低热阻抗，但是这种封装不是表面安装的，而是用螺钉固定在外壳上，这样的封装不仅体积大，安装工序也很复杂，在很多器件中都不适用。印制电路板电路需要使用体积小、易于装配的表面封装器件。用于宽带器件的封装必须具备在很宽频带内无谐振的特性，而且还要保证寄生电容小且损耗低，以免使封装内部的器件性能恶化。本发明专利提出的封装方案将有效解决上面提到的所有问题。

技术实现要素：
现有微波器件封装或者不是全密封的，或者是全密封的但只能工作于很窄频带，而且多数封装热阻抗过高，不能用于高功率有源器件。本发明专利描述了一种用于高功率有源器件的宽带无谐振全密封封装。该封装将一个陶瓷框架在金属基底上。陶瓷框内部形成一个空腔，用于放置微波单品集成电路（MMIC）或者其他微波器件。陶瓷框上方镀着一圈金属密封条，封装上焊一个盖子，形成全密封结构。陶瓷框内部打过孔把金属条与陶瓷框底部的地面相连接，以消除金属密封条可能在高频段产生的谐振。金属基底与陶瓷的热膨胀系数（CTE）相同，用低温焊锡焊在陶瓷上。这个金属基底既是电路的地，又具有散热器作用。通过选用导热性能好的金属材料，该封装可以将热量有效散播到外部的散热片。这个金属基底可以采用表面附有金属镀层的其它性能较好的非金属散热材料代替。金属基底和陶瓷框的连接处也全密封，基底比陶瓷框略短。这样金属引脚就可以连接在陶瓷框的底面，与金属基底处在同一个平面。本专利使用一种多层陶瓷工艺。射频和直流导线镀在第一层陶瓷的上表面。和第一层陶瓷相比，第二层陶瓷中心的空腔略大，这样当第二层陶瓷叠加在第一层陶瓷上时，第一层陶瓷上面的焊盘可以暴露出来以便和空腔中的器件相连接。为了保证器件的密闭性，陶瓷侧面使用半切过孔连接底部引脚和封装内部的射频和直流导线，也可以通过第一层陶瓷内的实心或者空心过孔连接引脚和封装内的导线。封装可以采用高温共烧陶瓷（HTCC）工艺烧制，也可以采用其他陶瓷材料如低温共烧陶瓷（LTCC）。高温共烧陶瓷通常比低温共烧陶瓷更结实，能够承受可能由某些恶劣环境造成的更大的机械压力。同时，HTCC工艺中的金属导线是在烧制完成后镀上去的，因而比通过LTCC工艺中直接烧制的金属导线更容易与Sn/Pb焊锡紧密结合，而且LTCC工艺中的金属导线容易有更多的杂质，影响焊接质量。本发明专利中的射频导线、过孔和引脚的设计保证了封装的宽带性能。接地焊盘和接地过孔放置在射频焊盘、射频导线和射频过孔的两侧，形成共面波导，有助于限制不连续性引起的辐射。射频导线周围的过孔需要仔细设计以降低耦合，通过宽带匹配技术设计的射频导线可以保证在很宽的频带范围内达到良好的阻抗匹配。在设计过程中，射频通路每个部分的寄生效应都通过射频仿真软件仿真，优化了的射频通路和它周围的过孔阵的设计保证了整个封装在直流到20GHz频带内无谐振。附图说明通过参考下面的具体实施方式与相应附图，前面所述的专利特色将更容易理解。图1是所述封装的透视图。图2是封装的中心截面图。图3是封装的底面图。图4是第一层陶瓷的俯视图。图5是第一层陶瓷和第二层陶瓷叠在一起后陶瓷框的俯视图。图6是盖子的底面图。图7是另一种底面有引脚的封装的底面图。图8是一种底面为焊盘的封装的底面图。图9是另一种底面为焊盘的封装的底面图。具体实施方式图1为封装透视图。整个封装包括盖子101和封装体102。封装体102包括一个陶瓷框103，一个金属基底110和多个金属引脚104。陶瓷框103由多层陶瓷构成。它可以由高温共烧陶瓷（HTCC）或者低温共烧陶瓷（LTCC）工艺制成，HTCC工艺制成的更结实。在制作过程中，当陶瓷还是胶泥状态时就将金属导线印制在每一层衬底上，并打好过孔，填充上胶泥态的金属材料。然后把第一层（下层）陶瓷119和第二层（上层）陶瓷120并在一起放入炉中烧制。这两层陶瓷将成为一体的陶瓷框103。金属基底110和金属引脚104用具有很高熔点的金属焊锡片分别焊接到陶瓷框底面的地平面和焊盘上。第二层陶瓷中心的空腔比第一层大。当两层陶瓷叠加在一起时第一层陶瓷有一部分暴露出来。这样印在第一层陶瓷上的金属导线也将暴露。这些金属导线一直延伸到空腔的边缘，将通过邦定线与空腔内部的器件相连接。中心导线112接射频信号。地线111和113包围着中心导线112，形成共面波导传输线。实心过孔115将上层地线连接至陶瓷框底面的地平面。这种设置有助于在信号存在不连续性时将辐射降到最小。导线112、111和113分别通过侧面的过孔连接到引脚105、106和107上。引脚105连接印制电路板上的射频线，引脚106和107连接接地焊盘以达到最优射频性能。直流（DC）导线116连接直流引脚104。侧面金属化的半切过孔是用来连接射频和直流信号的。半切过孔109穿过整个陶瓷框，但是只有在第一层陶瓷的部分金属化。金属化过孔108将金属引脚和第一层陶瓷上方的电路线连接起来。半切过孔是将金属化的空心过孔切去一半制成的。这些半切过孔使封装焊接到印制电路板后目测焊点状况变得容易，有利于检查焊接质量。金属基底110和金属引脚都通过金属薄片焊接到陶瓷框103的底面。陶瓷框底面印有邦定焊盘来连接这些引脚。金属基底110比陶瓷框103短，以便为金属引脚和它们的焊盘留出空间。为了降低寄生电感电容，射频引脚105和107应越短越好，射频口的邦定焊盘也应该比较小。一个金属密封圈117镀在陶瓷框103上部。用低熔点的焊锡片把封装体102和盖子101接在一起。此处使用的焊锡薄片的熔点比金属基底和陶瓷框之间使用的焊锡片的熔点低，这样当盖子通过回熔焊接到封装体时，金属基底和引脚与陶瓷体的连接点不会受影响。在最佳实施例中，基底用导热性好的金属制成。在其他实施例中，基底110也可以采用表面进行过金属化处理的具有良好导热性能的非金属基板或者具有金属化过孔的陶瓷基板。图2所示为带着盖子201的封装体的截面。盖子用低熔点焊锡薄片202固定在陶瓷体上，陶瓷体用高熔点焊锡薄片205焊在金属基底208和引脚206上。陶瓷体由两层叠在一起，204是第一层陶瓷，203是第二层陶瓷。第二层陶瓷203内部的空腔比第一层陶瓷204内部空腔大，因此第一层陶瓷上方的金属导线就能够暴露出来，以便进行电线邦定。陶瓷体内部器件212通过邦定线211和金属导线210连接起来。半切过孔209用来将封装内的直流和射频信号传输到封装外面的引脚上，这些引脚会被焊接在印制电路板上。如果要实现全密封，盖子上的密封材料可以用焊锡。如果不需要全密封，可以用环氧树脂条或者预先沉积的半固化树脂。图3所示为封装的底面图。金属基底301和金属引脚303都连在陶瓷框302的底面。焊盘304包围着半切过孔，把引脚连接到半切过孔上。引脚305接射频信号，引脚306和307为引脚305提供接地。引脚305、306和307的设计保证了在很宽频率范围内都能具有最优阻抗匹配，焊盘308的尺寸设计对于达到良好射频性能至关重要。在最佳实施例中，金属基底301和金属引脚厚度相同，这样金属基底和金属引脚处于同一水平面上，从而保证这个封装是真正的贴面器件。图4所示为第一层陶瓷上面的射频导线。陶瓷401中间有一个空腔402。金属导线409一直延伸到空腔边缘，可以和空腔中的器件相连。金属导线还连接到边缘过孔403周围的焊盘404上。射频线405夹在两根地线406和407中间。这种按照同面波导（CPW）设置的射频线能够使封装内到封装外的过渡达到最优，并使辐射达到最小。射频线由多截不同宽度的导线构成，这种阶梯化设计可以拓宽封装的工作带宽，整个设计可以保证封装在上至20G的宽频带内有良好的频率响应、很低的损耗和好的阻抗匹配。如果经过适当优化，频率上限还可以进一步提高。图5所示为陶瓷框上方的金属镀层。陶瓷框由第一层陶瓷502和第二层陶瓷501构成。空腔504在陶瓷框的内部。第一层陶瓷上的金属导线503可以露出来。金属密封条505镀在第二层陶瓷501的上面。实心过孔508穿过第一层和第二层陶瓷把金属密封条连接到陶瓷框底部的地平面上。这些过孔使密封条和地短路，从而抑制了高频谐振。过孔的间距由工作频带的上限频率决定，上限频率越高，过孔间距越小。围绕射频线的过孔507对于达到宽带性能至关重要。图6所示为封装的盖子601。它可以由陶瓷或者其它材料做成。在陶瓷602的底部有一个金属密封圈603，这个密封圈的形状与陶瓷框第二层陶瓷顶部的密封圈相匹配。使用适当的密封材料将两个密封圈连在一起，盖子就和陶瓷框共同保护它们所形成的空腔中放置的有源器件。如果需要实现全密封，要用低温焊锡密封。若不需要全密封，可以用其他树脂密封材料密封。封装内的引脚和导线的连接也可以采用其他方式。如图7所示，陶瓷边缘的半切过孔用陶瓷内的实心过孔702取代。金属引脚703仍然焊在包围着实心过孔702的焊盘704上。射频过孔708-710分别连接射频引脚705-707，其中706、707、709和710接地。这些射频过孔和引脚的尺寸与位置对于达到良好的射频性能至关重要。图8所示为一种不带引脚的封装的实施例。在这种实施例中，只有金属基底801焊在陶瓷框802的底部。封装内部的导线仍然用金属化的半切过孔连到底部焊盘804上。但在这种实施例中封装上没有引脚，将焊盘804直接连接印制电路板。通过优化射频焊盘805、806和807达到最佳射频性能。由于没有引脚，这种实施例的射频性能更优。但是焊盘表面和金属基底的底部不在同一个平面上，因此必须在印制电路板上挖孔来承纳金属基底。图9所示为另外一种不带引脚的封装实施例。在这种实施例中，金属基底901仍焊在陶瓷框902的底部，但以实心过孔代替半切过孔实现线路连接。焊盘904包围实心过孔903并直接与印制电路板连接。射频焊盘905-907及射频过孔908-910的尺寸必须进行优化才能保证封装达到良好性能。在另一种实施例中，可以用实心过孔连接射频信号，侧面的半切过孔分别用来接地和直流信号。实心过孔的尺寸可以比半切过孔小很多，从而达到更优的射频性能。尽管本发明专利给出多种实施例，熟悉该技术领域的人员仍然可以通过对实施例加以各种简单变化以实现本发明专利的有益效果。这些显而易见的变化已涵盖在本发明专利之中。