CN102184917B

CN102184917B - 采用四方扁平无引脚封装的gsm射频发射前端模块

Info

Publication number: CN102184917B
Application number: CN2011100737512A
Authority: CN
Inventors: 陈俊; 谢利刚
Original assignee: Ruidi Kechuang Microelectronic (Beijing) Co Ltd
Current assignee: Spreadtrum Communications Shanghai Co Ltd
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: TW201240046A; CN102184917A; WO2012129819A1

Abstract

本发明公开了一种采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，该模块的金属框架上包括：输出匹配网络、射频天线开关、功率控制器及射频功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络、射频天线开关、功率控制器及射频功率放大器分别采用不同半导体工艺制作成相应的半导体管芯，并将上述半导体管芯贴装在所述金属框架上。与现有技术相比，本发明所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，能够有效降低GSM射频前端模块的成本，从而合理地，降低了带有GSM射频发射前端模块的手持设备的整体价格成本。

Description

采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块

技术领域

本发明涉及第二代移动通信领域，具体地说，本发明涉及一种采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块。

背景技术

当前，第三代移动通信系统正在全球范围内越来越广泛地进行部署和应用，然而，作为第二代移动通信标准的GSM(Global System for MobileCommunication)，仍然是世界上应用最为广泛的移动通信标准。GSM手持设备的出货量，占据了目前所有移动通信设备出货量的绝大多数，而更小尺寸、更低成本的射频前端模块是GSM手机终端的发展趋势。

通常，一个GSM射频发射前端模块包括GSM射频功率放大器管芯、控制器管芯、匹配网络以及射频天线开关管芯等部分。射频功率放大器管芯通常需要采用砷化镓异质结双极型晶体管(GaAs HBT)或者硅基场效应晶体管(MOSFET)工艺制造，实现对GSM射频信号的功率放大。控制器管芯通常采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造，其根据外部输入到射频发射前端模块的控制信号来控制整个射频发射前端模块的工作状态，如控制射频功率放大器管芯输出射频信号的功率大小、选择射频天线开关的通路等。匹配网络是射频功率放大器管芯的输出匹配网络，通常由多个电感、电容或变压器无源器件组成。匹配网络的实现形式既可以是采用分立元器件制造，也可以采用集成无源器件(IPD，Integrated Passive Device)工艺将匹配网络制造成一个管芯。射频天线开关管芯通常是一个单刀多掷的射频开关，包括了射频发射通路及射频接收通路，通常由砷化镓高迁移率场效应晶体管(GaAs HEMT)工艺制造，也可以使用P型-绝缘-N型(PIN)二极管工艺实现。如上所述，GSM射频发射前端模块中的多个功能模块采用了不同的半导体制造工艺，因此它是一个多芯片模组(MCM，Multi-Chip-Module)。

通常GSM射频发射前端模块都需要采用栅格阵列封装(LGA，Land GridArray)形式来封装成一个单独的半导体器件。所述射频功率放大器管芯、控制器管芯、匹配网络(分立元件或IPD管芯)以及射频天线开关管芯贴装在LGA多层层压基板(Laminate Substrate)之上，通过键合线(Bondwire)及LGA基板上的金属走线相互连接，一个典型的LGA封装GSM射频发射前端模块的示意图如图1所示。通常所采用的LGA基板是多层层压基板，包括了2层或2层以上的金属层(金属材料通常是铜或者铝等材料)，相邻金属层通过绝缘材料层(可以是环氧树脂或者陶瓷等材料)相互隔离，不同金属层之间可以通过过孔相互连接。

如图1所示，所述GSM射频发射前端模块100中，包括4个管芯：功率控制器管芯(CMOS控制器管芯)U1、GaAs HBT射频功率放大器管芯U2、IPD管芯U3及射频天线开关管芯U4。上述4个管芯贴装在LGA基板的上表面，4个管芯上的键合焊盘(Pad)通过键合线111连接到模块的相应管脚，如CMOS控制器管芯U1的键合焊盘通过键合线连接到控制信号管脚VC1、VC2、VC3及VC4等，射频功率放大器管芯U2的键合焊盘通过键合线连接到射频输入信号管脚RFin1、RFin2等，IPD管芯U3的键合焊盘通过键合线连接到接地信号管脚GND1、GND2、GND3及GND4等，射频天线开关管芯U4的键合焊盘通过键合线连接到射频接收信号管脚RX1、RX2等。LGA基板上还可以制作电路中所需的电感等无源器件，如图1中所示的平面螺旋电感101及102，或直线电感106等，上述电感器件都制作于LGA基板的某一层金属层上，并且这些电感的端口或者直接与模块的管脚相连接(如平面螺旋电感102的一端与电源信号管脚VCC2相连接，106的一端与电源信号管脚VCC1相连接)，或者通过键合线与相应的管芯上的键合焊盘相连接(如101的一端通过键合线与射频天线开关管芯U4的相应键合焊盘相连接，102的一端通过键合线与IPD管芯U3的相应键合焊盘相连接，106的一端通过键合线与IPD管芯U3及射频功率放大器管芯U2的相应键合焊盘相连接)。在LGA封装中，管芯之间的相互连接，可以通过各自管芯上的相应键合焊盘之间通过键合线直接连接(如CMOS控制器管芯U1与射频天线开关管芯U4之间通过键合线直接相连接，IPD管芯U3与射频天线开关管芯U4之间通过键合线直接相连接，射频功率放大器管芯U2与IPD管芯U3之间通过键合线直接相连接)；或者可以首先将第一管芯上的键合焊盘通过键合线连接到LGA基板上层走线的一端，然后将所述走线的另外一端通过键合线连接到第二管芯上的键合焊盘，从而实现了两个管芯相应键合焊盘的相互连接(如CMOS控制器管芯U1上的键合焊盘通过键合线连接到LGA上走线110的一端，110的另外一端通过键合线再连接到射频功率放大器管芯U2上的键合焊盘)。

如图1所示，制作在LGA基板上层金属层的平面螺旋电感102通过过孔103连接到第二层金属层，走线104在第二层金属层，并通过过孔105连接到上层金属层，进而走线104连接到射频发射前端模块的电源管脚VCC2。需要说明的是，LGA基板金属层的厚度为几十微米，制作线宽可以达到数百微米，从而使得制作的电感的寄生电阻很小(通常在0.1欧姆以下)，得到高Q值电感，保证了GSM射频前端模块的高效率。尤其在GSM低频段(824MHz-915MHz)，所用电感的Q值对射频前端模块性能影响很大。

LGA基板的制造包括金属层和绝缘材料层的层压、钻孔并填充金属材料、光刻金属层走线图形、刻蚀多余图形、电镀金属等步骤；制造完成的LGA基板之上贴装多个管芯，然后通过键合设备连接各个需要连接的键合焊盘、管脚和端口等；最后再经过密封树脂包覆整个基板、管芯及键合线，最终完成LGA封装的GSM射频发射前端模块。需要说明的是，在上述举例的LGA封装的GSM射频发射前端模块中采用了IPD方法来实现射频功率放大器的输出匹配网络；当然，也可以采用电感、电容等分立元件来实现输出匹配网络。当采用分立元件形式的输出匹配网络时，在LGA封装GSM射频发射前端模块的制造过程中，还需要增加将这些分立元件贴装在LGA基板上的工序步骤。如上所述，无论是采用IPD形式的输出匹配网络，还是采用分立元件来构成输出匹配网络，LGA封装形式的GSM射频发射前端模块的制造都很复杂，使得整个模块的成本很高。通常，LGA封装GSM射频前端发射模块的总体成本当中，LGA基板制造及封装的成本占到了50％左右。如上所述，可以看到，降低GSM射频前端模块的封装成本是降低其总成本的有效手段。

在半导体封装中应用最为广泛的封装形式是四方扁平无引脚封装(QFN，Quad Flat Non-leaded package)。QFN封装不需要采用多层基板，它是一块整体的裸露扁平金属框，半导体管芯贴装在该金属框中间的一个表面上，通过键合线将管芯上的键合焊盘连接到QFN金属框的相应管脚之上，如图2所示，最后采用树脂或塑料等密封材料将管芯及QFN金属框包覆，就完成了QFN封装的半导体器件。如图2中所示，QFN封装的半导体器件200中，两个管芯U1和U2贴装在QFN金属框架201中心的金属表面上，通过键合线202，可以将U1和U2的相应键合焊盘连接在一起，或者将U1和U2的相应键合焊盘与QFN框架的管脚相连接。QFN作为半导体领域广泛使用的标准封装形式，具有非常丰富的供货来源，并且不需要像LGA那样对其进行定制化制造，制造工序也非常简单，因此QFN封装的成本非常低廉，这是本领域人员所共知的。

如上所述，如果可以采用QFN封装制造GSM射频发射前端模块，将会具有很大的成本优势。但是，由于QFN封装中的金属框架是一整块金属，整个在电气连接上是一体的，因此在其上贴装分立无源器件会比LGA形式更加困难。当前业内探索采用QFN封装制造产品中多数不能集成输出匹配网络，而是在产品贴装的印刷电路板(PCB)上实现。例如，美国RFMD公司曾推出采用QFN封装的GSM射频功率放大器产品RF2173，它不包括射频天线开关，不是一个完整的GSM射频发射前端模块，并且它将射频功率放大器的输出匹配网络放在封装之外的PCB上，使得整个射频发射前端的集成度较低，QFN封装的成本优势没有完全体现。

在专利申请(申请号200910202072.3)中，提出了一种在QFN封装上采用键合线制作用于射频功率放大器的电感的方法，可以实现片内集成高Q值，低损耗输出匹配网络。但是该方法在一个封装内可以实现的电感器数量及其电感值都受很大限制；并且输出匹配网络中所需的电容元件仍然需要在半导体管芯上实现，这就增加了键合线连接关系的复杂度。对于GSM四频段射频功率放大器的输出匹配网络来讲，通常需要多个电感和电容元件，采用这一技术不能完全满足要求。

综上所述，如何提供一种集成度高、尺寸小、成本低，并且可以实现高Q值电感的四方扁平无引脚(QFN)封装的GSM射频发射前端模块，便成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，以解决现有的GSM射频发射前端模块制作成本高，造成带有GSM射频发射前端模块的手持设备的整体价格成本过高问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，该模块的金属框架上包括：输出匹配网络、射频天线开关、功率控制器及射频功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络、射频天线开关、功率控制器及射频功率放大器分别采用不同半导体工艺制作成相应的半导体管芯，并将上述半导体管芯贴装在所述金属框架上。

进一步地，本发明所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，其中，所述射频功率放大器上至少一个扼流电感由在所述金属框架上设置的半腐蚀金属条制成。

进一步地，其中，所述半腐蚀的金属条一端与所述金属框架上的管脚连通。

进一步地，其中，所述金属条的形状为直线、弧形或者蛇形。

进一步地，其中，所述射频功率放大器为支持GSM高频段和低频段信号放大的射频功率放大器。

进一步地，其中，所述射频功率放大器为采用砷化镓异质结双极型晶体管工艺或绝缘体上硅工艺制造的射频功率放大器。

进一步地，其中，所述输出匹配网络采用集成无源器件工艺制造。

进一步地，其中，所述射频天线开关采用砷化镓高电子迁移率场效应晶体管工艺制造；所述功率控制器采用互补金属氧化物半导体工艺制造。

进一步地，其中，将所述输出匹配网络和射频天线开关采用绝缘体上硅工艺制作成1个半导体管芯。

进一步地，其中，所述金属框架上至少有三个或三个以上的管脚是直流连通的。

与现有技术相比，本发明所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，能够有效降低GSM射频前端模块的成本，从而合理地，降低了带有GSM射频发射前端模块的手持设备的整体价格成本。

附图说明

图1为现有的采用LGA封装的GSM射频发射前端模块结构图；

图2为现有的四方扁平无引脚(QFN)封装结构图；

图3为本发明实施例所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块的电路示意图；

图4为本发明实施例所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块的结构图；

图5为本发明实施例所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块的沿图4所示切线A-A的剖面图。

具体实施方式

本发明的主要思想是解决现有的GSM射频发射前端模块制作成本高，造成带有GSM射频发射前端模块的手持设备的整体价格成本过高问题。本发明所述采用四方扁平无引脚(QFN)封装的GSM射频发射前端模块，能够有效降低GSM射频前端模块的成本，从而合理地，降低了带有GSM手持设备的整体价格成本。以下对具体实施方式进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

下面是本发明所提出QFN封装的技术方案的一个具体实施例，如图3和4所示，为本发明实施例所述采用QFN封装的GSM射频发射前端模块的电路示意图；其中模块的QFN金属框架300上包括了4个半导体器件，分别是：输出匹配网络U1，射频天线开关U2，功率控制器(CMOS控制器)U3，射频功率放大器U4。所述集成无源器件U1、射频天线开关U2、功率控制器U3及射频功率放大器U4分别采用不同半导体工艺制作成相应的半导体管芯，并将上述的半导体管芯贴装在所述金属框架300上。

在本实施例中输出匹配网络U1和射频天线开关U2贴装在QFN金属框架300的区域305上，功率控制器U3和射频功率放大器U4贴装在QFN金属框架300的区域304上。

其中，在本实施例中所述输出匹配网络U1采用制作集成无源器件(IPD)的工艺制造；所述射频天线开关U2可以采用砷化镓高电子迁移率场效应晶体管工艺制造；所述功率控制器U3可以采用互补金属氧化物半导体的工艺制造；所述射频功率放大器U4为能够支持GSM高频段(1710MHz-1910MHz信号)和低频段(824MHz-915MHz信号)信号放大的射频功率放大器；所述射频功率放大器U4可以采用砷化镓异质结双极型晶体管工艺或绝缘体上硅(SOI：Silicon-On-Insulator)的工艺制造。

当然，在本发明其他实施例中，输出匹配网络U1和射频天线开关U2还可以采取一种合适的半导体工艺，如绝缘体上硅(SOI：Silicon-On-Insulator)工艺的方式集成在一起，形成一个半导体管芯；同理，也可以将功率控制器U3和射频功率放大器U4采用一种合适的半导体工艺集成在一起，形成一个半导体管芯。具体采用何种半导体工艺(如双极型-场效应管工艺，BiCMOS：Bipolar-CMOS)制造及具体如何组合这些功能电路，则根据具体设计要求来进行选择，这对于本领域专业人员来说是共知的，在本发明中不做具体限定。

在本实施例中射频天线开关U2为一个单刀四掷的射频天线开关；GSM射频输入信号RFin1(GSM高频段1710MHz-1910MHz信号)和RFin2(GSM低频段824MHz-915MHz信号)经过射频功率放大器U4完成功率放大。所述该输出匹配网络U1不仅包括图中4所示的平面螺旋电感306、307，还包括若干电容及电感等无源器件。

所述单刀四掷的射频天线开关U2与GSM高频段和低频段的发射信号通路及至少一个接收信号通路相连，在本实施例中其单刀连接到GSM射频发射前端模块的天线管脚ANT，四掷分别连接到GSM高频段发射信号和低频段发射信号及两路接收信号RX1、RX2。

所述功率控制器U3根据外部输入的控制信号VC1-VC4来控制整个GSM射频发射前端模块的工作状态，如控制射频功率放大器U4的输出信号功率大小以及射频天线开关U2中单刀所连接到的射频通路。

如图4所示，所述半导体管芯之间、所述半导体管芯与QFN金属框架300上的管脚之间均通过键合线303相连。

所述射频功率放大器上设置的至少一个扼流电感由在QFN金属框架300上设置的半腐蚀的金属条301制成的，如图5所示，该金属条301两端分别与所述QFN金属框架300上的管脚连通，且该金属条301的底表面高于所述QFN金属框架300上所有管脚及贴装半导体管芯区域的底表面。在QFN金属框架300上至少有三个或者三个以上的管脚是直流连通的。

如图4所示，所述QFN金属框架300上需要接地的键合焊盘均连接到了QFN金属框架上的大面积连通的接地部分。同时，所述QFN金属框架300上包括的输出匹配网络U1、射频天线开关U2、功率控制器U3和射频功率放大器U4还可以具有静电释放(ESD)通路，从而起到了ESD保护作用，这种配置方式可以大幅提高输出匹配网络U1上电容器件的ESD等级，满足工业产品要求。

需要进一步说明的是，由于本发明还需要实现射频功率放大器的直流供电通路上很低寄生电阻的电感(扼流电感)，尤其是在GSM低频段(800MHz-915MHz)射频功率放大器工作的峰值电流高达1.5A，要求电感器的寄生电阻小于0.1欧姆，才不会对射频功率放大器的效率造成较大影响。而通常输出匹配网络U1制造采用半导体制造技术，其导电金属层薄膜厚度很薄，通常为微米量级，由此制作的电感寄生电阻都较大，将恶化射频功率放大器U4的效率。因此在本实施例中，如图4所示，GSM低频段的射频功率放大器U4上设置的扼流电感由QFN金属框架300上的金属条301来实现。具体地，在本发明的实施例中，金属条301的第一端与QFN金属框架300的电源供电管脚(VCC1、VCC2)是连通的，电源供电管脚(VCC1、VCC2)通过键合线可以连接到功率控制器U3及射频天线开关U2的相应键合焊盘为其提供电源供电；金属条301的第二端与QFN金属框架300的管脚308、309连通，在供电管脚(VCC1、VCC2)与管脚308、309之间的包括金属条301在内的部分，就构成了GSM低频段射频功率放大器的扼流电感；金属条301上阴影部分的底表面高于区域304、305和所有管脚的底表面。这样最后QFN封装的GSM射频发射前端模块的背面只有金属管脚及区域304、305是裸露的，而半腐蚀金属条301被树脂封装材料包覆，从而与周围非物理连接的金属管脚绝缘隔离，如与金属管脚VC1-VC4绝缘隔离；而通过金属条301连接的两个或两个以上的金属管脚，仍然是保持直流连通的，如图4所示，金属管脚308与VCC2。半腐蚀金属条301的金属厚度通常为管脚厚度的一半，约为100微米，宽度通常也可以达到100微米，直流寄生电阻很小。由于金属条301可以制作得比较厚(超过几十微米)，所以其寄生电阻非常小，完全适于构成GSM低频段射频功率放大器的扼流电感。这里金属条301与管脚厚度及位置的关系，如图5所示QFN封装剖面图。

由于键合过程中半腐蚀金属条301的下表面悬空，为了减小制造工艺上的风险，将金属条301连接到电路中的所有键合线都选择在QFN金属框架的管脚(如图4中的VCC1、VCC2、308和309)上键合。还需要说明的是，金属条301所能实现的电感值与其长度是相关的，其长度越长则电感值越大；为了使最终完成的QFN封装GSM射频前端模块的整体尺寸最小，需要在电路设计中设计保证该电感的感值在2nH到5nH之间，这可以通过射频功率放大器管芯U4的输出匹配网络的合理设计达到，这对于本领域技术人员来说是共知常识。

同时需要注意的是，金属条301的形状不限定为直线，也可以是弧形或者蛇形等弯曲形状，只要其等效电感值达到电路设计要求即可。并且，根据实际需要的不同，也可以在QFN上实现两根或两根以上的类似扼流电感，同时用于GSM低频段射频功率放大器、GSM高频段射频功率放大器、及其前级扼流电感。但是，增加这样的扼流电感数目会增加QFN金属框架设计和制造的难度及尺寸，需要在具体实施中进行权衡选择，但都在本发明的精神之内。

另外，如图3所示，本实施例中射频功率放大器U4中包括两路射频功率放大器电路，同时支持GSM低频段(824MHz-915MHz)和GSM高频段(1710MHz-1910MHz)。如上所述的金属条301实现了GSM低频段射频功率放大器电路所需的扼流电感，而GSM高频段射频功率放大器电路所需的扼流电感，由于其对于寄生电阻及Q值要求较低，在本实施例中采用了键合线与输出匹配网络U1上电感相结合的方式实现。另外，如图4所示，本实施例所述QFN封装的GSM射频发射前端模块在实际应用时，在PCB板上供电管脚(VCC1、VCC2)需要连接至少一个去耦电容(C1、C2)，其容值范围为nF-uF量级。

另外，通常在输出匹配网络U1上制作的电容器件的静电保护(ESD)等级较弱，在人体模式(HBM)下为50V-500V，不能达到工业产品通常要求的HBM＞2000V的ESD等级。并且，制作输出匹配网络U1所采用的IPD工艺中通常都不提供ESD保护器件，只能通过整个GSM射频发射前端模块的整体设计来避免输出匹配网络U1上器件受到静电的直接侵害。

另外，需要说明的是，在本实施例中GSM射频发射前端模块中包括了4个采用不同工艺制造的管芯，然而管芯的数目并不是作为对本发明精神的限制。在本实施例基础之上的任意改变及修改，都被认为仍在本发明权利要求书的保护范围之内。与现有技术相比，本发明所述采用QFN封装的GSM射频发射前端模块，能够有效降低GSM射频发射前端模块的成本，从而合理地，降低了带有GSM射频发射前端模块的手持设备的整体价格成本。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，该模块的金属框架上包括：输出匹配网络、射频天线开关、功率控制器及射频功率放大器，其特征在于，所述输出匹配网络、射频天线开关、功率控制器及射频功率放大器分别采用不同半导体工艺制作成相应的半导体管芯，并将上述半导体管芯贴装在所述金属框架上；其中，所述射频功率放大器上至少一个扼流电感由在所述金属框架上设置的半腐蚀金属条制成；所述半腐蚀的金属条厚度为金属框架管脚厚度的一半，所述半腐蚀的金属条的底表面高于金属框架管脚的底表面，所述半腐蚀的金属条的一端与所述金属框架上的电源供电管脚连接。

2.根据权利要求1所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，其特征在于，所述半腐蚀金属条的形状为直线、弧形或者蛇形。

3.根据权利要求1所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，其特征在于，所述射频功率放大器为支持GSM高频段和低频段信号放大的射频功率放大器。

4.根据权利要求3所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，其特征在于，所述射频功率放大器为采用砷化镓异质结双极型晶体管工艺或绝缘体上硅工艺制造的射频功率放大器。

5.根据权利要求1所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，其特征在于，所述输出匹配网络采用集成无源器件工艺制造。

6.根据权利要求1所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，其特征在于，所述射频天线开关采用砷化镓高电子迁移率场效应晶体管工艺制造；所述功率控制器采用互补金属氧化物半导体工艺制造。

7.根据权利要求1至6中任一所述采用四方扁平无引脚封装的GSM射频发射前端模块，其特征在于，所述金属框架上至少有三个或三个以上的管脚是直流连通的。