阅读说明：本技术 一种GaN基射频器件及其封装方法 (A kind of GaN base radio-frequency devices and its packaging method ) 是由 王洪 周泉斌 姚若河 陈家乐 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种GaN基射频器件及封装方法。所述器件包括DFN框架,所述DFN框架包括基岛、引脚栅极、引脚漏极和引脚源极,在电极方向上,引脚漏极位于基岛正面的左上方,引脚源极位于基岛正面的左下方,引脚栅极位于右下方,源极和栅极在同一水平线上；所述器件还包括GaN基射频芯片,GaN基射频芯片通过导电银浆固定在基岛上,GaN基射频芯片的内漏极、内源极和内栅极分别通过引线和DFN框架的引脚漏极、引脚源极和引脚栅极相应连接,分别作为器件漏极、器件源极和器件栅极；DFN框架外包裹有塑封料。所述封装方法选择小型化的DFN框架,通过塑料封装,使得生产成本降低、轻薄、加工简单、适合自动化生产,应用范围广泛。(The invention discloses a kind of GaN base radio-frequency devices and packaging methods.The device includes DFN frame, the DFN frame includes Ji Dao, pin grid, pin drain electrode and pin source electrode, in electrode direction, pin drain electrode is located at the positive upper left side in base island, pin source electrode is located at the positive lower left in base island, pin grid is located at lower right, and source electrode and grid are in the same horizontal line；The device further includes GaN base radio frequency chip, GaN base radio frequency chip is fixed on Ji Dao by conductive silver paste, interior drain electrode, interior source electrode and the inner grid of GaN base radio frequency chip pass through lead respectively and pin drain electrode, pin source electrode and the pin grid of DFN frame accordingly connect, respectively as device drain, device source electrode and device grids；DFN frame is wrapped with plastic packaging material.The DFN frame of the packaging method selection miniaturization, so that production cost reduces, frivolous, the processing is simple, is suitble to automated production, is had wide range of applications by Plastic Package.)

一种GaN基射频器件及其封装方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，具体的说是一种GaN基射频器件及其封装方法。

背景技术

随着现代武器装备和航空航天、核能、通信技术、汽车电子、开关电源的发展，对半导体器件的性能提出了更高的要求。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高、热导率高、稳定性好、耐腐蚀、抗辐射等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，该结构在室温下可以获得高于1500cm2/Vs的电子迁移率，以及高达3×107cm/s的峰值电子速度和2×107cm/s的饱和电子速度，并获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气密度，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的微波功率器件在高频率、高功率的无线通信、雷达等领域具有非常好的应用前景。

GaN是第三代半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高击穿电场、高频、高效等优异性质，GaN基材料和器件是电力电子行业发展的方向，而金属陶瓷封装是目前市面上很常见的宽带GaN HEMT射频功率器件的封装形式，只需将芯片焊接在管壳热沉表面，既将器件源极与法兰电气连接起来，同时通过低热阻的法兰又能将芯片在工作时产生的热量传递出去，使器件保持在正常结温范围内工作，具有可靠性高的优点。但是这种封装形式有以下几个缺点：

(1)与塑料封装相比较，它的加工温度高、性价比低等；

(2)工艺的自动化与薄型化封装能力不及塑料封装；

(3)脆性较高，容易导致应力损坏。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，选择小型化的DFN框架，通过塑料封装，使得生产成本降低、轻薄、加工简单、适合自动化生产，且应用范围广泛，是目前微电子工业中使用较常见的封装方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供了一种GaN基射频器件，包括DFN框架，所述DFN框架包括基岛、引脚栅极、引脚漏极和引脚源极，在电极方向上，引脚漏极位于基岛正面的左上方，引脚源极位于基岛正面的左下方，引脚栅极位于基岛正面的右下方，源极和栅极在同一水平线上；所述器件还包括GaN基射频芯片，GaN基射频芯片通过导电银浆固定在基岛上，GaN基射频芯片的内漏极、内源极和内栅极分别通过引线和DFN框架的引脚漏极、引脚源极和引脚栅极相应连接，分别作为器件漏极、器件源极和器件栅极；DFN框架外包裹有塑封料。

优选地，所述基岛为五边形的金属基岛；GaN基射频芯片位于基岛的正中间。

优选地，所述引线为0.8mil～2mil金质内引线；连接内漏极和引脚漏极的引线的根数为1～8，连接内源极和引脚源极的引线的根数为2～8，连接内栅极和引脚栅极的引线的根数为1～4。

优选地，所述GaN基射频芯片为横向结构，GaN基射频芯片的区域大小为1200μm×800μm～2200μm×800μm，内漏极位于GaN基射频芯片上侧，内源极和内栅极位于GaN基射频芯片下侧，在同一水平上交叉排列，内漏极的个数为1，内源极的个数为2～5，内栅极的个数为1～4，左右两端的内源极的区域大小为145μm×210μm～350μm×210μm，中间的内源极的区域大小为270μm×210μm～410μm×210μm，内栅极的区域大小为120μm×110μm～160μm×110μm，内漏极的区域大小为1200μm×800μm～2200μm×800μm。

优选地，DFN框架的区域面积大于GaN基射频芯片的面积，DFN框架的尺寸为3mm×3mm～5mm×5mm，基岛的面积为2.2mm×2.6mm～4.2mm×4.6mm。

优选地，DFN框架的厚度为150～200μm，导电银浆的厚度为20μm-40μm，GaN基射频芯片的厚度为200～400μm，引线在连接时弯曲成弧线，所述弧线的高度为90μm～100μm，DFN框架厚度、导电银浆厚度、GaN基射频芯片厚度和引线高度之和不超过750μm。

优选地，GaN基射频芯片的内源极、内漏极、内栅极均包括从下到上排布的铝层和金层，铝层的厚度为200～500nm，金层的厚度为1～3μm，GaN基射频芯片的内源极、内漏极、内栅极分别和金质内引线进行键合。

优选地，所述塑封料为无卤塑封料。

本发明还提供了一种封装如上所述GaN基射频器件的方法，包括如下步骤：

(1)划片：通过划片机，根据芯片划道宽度和芯片厚度选用适合的刀片和机器参数，将一整片的晶圆分割成分立的单颗芯片即GaN基射频芯片；

(2)粘片：通过墨点方式，采用合适的银浆头、吸嘴、顶针，用导电银浆把GaN基射频芯片固定到DFN框架基岛上；

(3)烘烤：完成粘片后放进专用烘箱，烘烤时间3～4小时，温度设定170℃～180℃，

烘箱内抽真空后，充入氮气作为保护气体，确保烘箱内的氧气含量保持在100ppm以下；烘烤完成后，需待箱内的温度曲线降低至室温时将芯片拿出，防止芯片余温过高，过早取出后暴露在空气中将极易被氧化；

(4)压焊：烘烤完成后送入压焊机物料轨道，设定好压力、功率、时间关键参数，调试好图像识别，按照预先设定好的布线方案，即GaN基射频芯片的内栅极通过引线引出到引脚栅极，作为器件的栅极，内漏极通过引线引出到引脚漏极，作为器件的漏极，源极通过引线引出到引脚源极，作为器件的源极，得样品；

(5)压焊检测：通过专业的测试设备，测试GaN基射频芯片推力，引线拉力是否能达到要求的范围；再拿样品做弹坑试验，把样品放入煮至75～85℃的NaOH溶液中，pH范围8～9，待GaN基射频芯片表面的金属层被溶解后，取出冲洗干净，在电子显微镜下观察到GaN基射频芯片内部是否压伤后留下的焊点，即将GaN基射频芯片表面金属层溶解后，取出清洗，发现没有压痕；

(6)塑封：特定DFN注塑机清模2～3小时后，把GaN基射频芯片所在的DFN框架放入DFN注塑机，选用和DFN框架相适配的塑封料，热熔后注入磨具，固定成型后取出，将外置的高温膜撕掉，放入指定DFN热老化烘箱烘烤9～10小时，排出塑封体内的残留水汽；

(7)电镀：通过电解涂油、清洗，再高压喷淋、去氧、清洗、预浸，紧接着上锡、清洗、中和、热清洗、吹干，最后烘干，取出下料台、对钢带进行退镀；(8)冲筋，分离：通过专用DFN分离成型设备，使用合适宽度刀片将整排的DFN注塑好的框架切割，再分离成单只成品。

优选地，预先用磨片机将GaN基射频芯片减薄到200～400um。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：

(1)本发明提供的封装成型的GaN基射频器件，通过采用先进的双边无铅扁平封装DFN具有非常低的阻抗、自感，可满足微波或者通信的应用，另外器件重量轻、薄、无引脚设计适合便携式应用；

(2)本发明提供的器件的封装的工艺简单，重复性好；

(3)本发明使用地原材料是本领域广泛使用的DFN封装系列，易于升级换代。

附图说明

图1是实施例提供的一种GaN基射频器件的俯视示意图；

图2a～图2d是实施例提供的一种GaN基射频器件的封装制备过程示意图；

附图中：1-GaN基射频芯片；2-DFN框架；201-基岛；3-导电银浆；4-引线；5-无卤塑封料；D1-内漏极；D-引脚漏极；S1-内源极；S-引脚源极；G1-内栅极；G-引脚栅极。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或者工艺参数，均是本领域技术人员可参观现有技术实现的。

实施例

本实施例提供了一种GaN基射频器件，包括DFN框架2，所述DFN框架2包括基岛201、引脚栅极G、引脚漏极D和引脚源极S，在电极方向上，引脚漏极D位于基岛201正面的左上方，引脚源极S位于基岛201正面的左下方，引脚栅极G位于基岛201正面的右下方，引脚源极S和引脚栅极G在同一水平线上；所述器件还包括GaN基射频芯片1，GaN基射频芯片1通过导电银浆3固定在基岛201上，GaN基射频芯片1的内漏极D1、内源极S1和内栅极G1分别通过引线4和DFN框架2的引脚漏极D、引脚源极S和引脚栅极G相应连接，分别作为器件漏极、器件源极和器件栅极；这种摆放位置可以合理利用DFN框架2的基岛201空间，而且有利于后续的布线压焊。另外，为了避免打线交叉、凌乱，将DFN框架2左上角的引线脚作为内漏极D1的外置引线脚、左下角的引线脚作为内源极S1的外置引线脚，右下脚的引线脚作为内栅极G1的外置引线脚，而多于引脚空置状态。DFN框架2外包裹有塑封料5。所述基岛201为五边形的金属基岛；GaN基射频芯片1位于基岛201的正中间。

所述引线4为0.8mil金质内引线，GaN基射频芯片1的内漏极D1和内源极S1需要通过大电流，因此采用了打多线条方式来分流，而线径0.8mil的金质内引线，平均一根内引线能够通过的最大熔断电流超过0.6安培；连接内漏极D1和引脚漏极D的引线的根数为8，连接内源极S1和引脚源极S的引线的根数为8，连接内栅极G1和引脚栅极G的引线的根数为1。所述GaN基射频芯片1为横向结构，GaN基射频芯片1的区域大小为1490μm×800μm，内漏极D1位于GaN基射频芯片1上侧，内源极S1和内栅极G1位于GaN基射频芯片1下侧，在同一水平上交叉排列，内漏极D1的个数为1，内源极S1的个数为4，内栅极G1的个数为3，左右两端的内源极S1的区域大小为145μm×210μm，中间的内源极S1的区域大小为270μm×210μm，内栅极G1的区域大小为154μm×114μm，内漏极D1的区域大小为1490μm×800μm。

DFN框架2的区域面积大于GaN基射频芯片1的面积，DFN框架2的尺寸为3mm×3mm，基岛201的面积为2.2mm×2.6mm。DFN框架2的厚度为200μm，导电银浆3的厚度为20μm，GaN基射频芯片1的厚度为400μm，引线4在连接时弯曲成弧线的高度为90μm，DFN框架厚度、导电银浆厚度、GaN基射频芯片厚度和引线的高度加起来，整体高度不能超过塑封最大高度值750μm。GaN基射频芯片1是横向结构的高截至频率、高振荡频率GaN基射频功率芯片，GaN基射频芯片1的内源极、内漏极、内栅极包括从下到上排布的铝层和金层，铝层的厚度为200nm，金层的厚度为1μm，并和金质内引线进行键合。所述塑封料5为无卤塑封料，所述的无卤塑封料是绿色环保的，将DFN框架2的基岛201和器件源极、器件栅极、器件漏极包裹在内。

本实施例还提供了一种封装如上所述GaN基射频器件的方法，包括如下步骤：

(1)划片：通过划片机，根据芯片划道宽度和芯片厚度选用适合的刀片和机器参数，将一整片的晶圆分割成分立的单颗芯片；如果芯片的厚度太大的话，则需要预先用磨片机将GaN基射频芯片1减薄到适宜的厚度。即选用刀宽28μm的刀片对GaN基射频芯片1进行切割。如图2a所示。

(2)粘片：通过墨点方式，采用合适的银浆头、吸嘴、顶针，用导电银浆把GaN基射频芯片固定到DFN框架基岛上的正中间位置，确保焊线的稳定性。如图2b所示。

(3)烘烤：完成粘片后放进专用烘箱，烘烤时间3小时，温度设定170℃，

烘箱内抽真空后，充入氮气作为保护气体，确保烘箱内的氧气含量保持在100ppm以下；烘烤完成后，需待箱内的温度曲线降低至室温时将芯片拿出，防止芯片余温过高，过早取出后暴露在空气中将极易被氧化；

(4)压焊：烘烤完成后送入压焊机物料轨道，设定好压力、功率、时间关键参数，调试好图像识别，按照预先设定好的布线方案，即GaN基射频芯片的内栅极通过引线引出到引脚栅极，作为器件的栅极，内漏极通过引线引出到引脚漏极，作为器件的漏极，源极通过引线引出到引脚源极，作为器件的源极，得样品；注意布局布线时候引线的避让，留有足够的安全距离，以免注塑应力后被冲击变形后发生短路、断路。如图2c所示。

(5)压焊检测：通过专业的测试设备，测试GaN基射频芯片推力，引线拉力是否能达到要求的范围；再拿样品做弹坑试验，把样品放入煮至80℃的NaOH溶液(pH范围为8)中，待GaN基射频芯片表面的金属层被溶解后，取出冲洗干净，在电子显微镜下观察到GaN基射频芯片内部是否压伤后留下的焊点，即将GaN基射频芯片表面金属层溶解后，取出清洗，发现没有压痕；

(6)塑封：特定DFN注塑机清模2小时后，把GaN基射频芯片所在的DFN框架放入DFN注塑机，选用和DFN框架相适配的塑封料，热熔后注入磨具，固定成型后取出，将外置的高温膜撕掉，放入指定DFN热老化烘箱烘烤9小时，排出塑封体内的残留水汽；如图2d所示。

(7)电镀：通过电解涂油、清洗，再高压喷淋、去氧、清洗、预浸，紧接着上锡、清洗、中和、热清洗、吹干，最后烘干，取出下料台、对钢带进行退镀；(8)冲筋，分离：通过专用DFN分离成型设备，使用合适宽度刀片将整排的DFN注塑好的框架切割，再分离成单只成品；

(9)成品检测：通过X光分析仪，声扫分析仪，和镭射激光开封机对封装成果进行检测评估。X光分析仪显示，没有大型空洞，分布比较均匀。声扫分析仪显示没有出现分层现象。通过镭射激光开封机把塑封体除去后，电子显微镜观察侧面和正面，线弧形态正常，没有出现塌线、断线、虚焊等情况。

本发明封装成型的GaN基射频器件，通过采用先进的双边无铅扁平封装DFN具有非常低的阻抗、自感，可满足微波或者通信的应用，由于底部大面积散热焊盘从而有很好的散热性能，另外器件重量轻、薄、无引脚设计适合便携式应用。同时，器件的封装的工艺简单，重复性好。

上述实施例仅本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。