微波電路組裝研究

　微波電路通常頻率較高(1GHz以上)，是微波集成電路器件通過微帶傳輸線構(gòu)成的一個(gè)平面電路、整個(gè)無論其圖形如何復(fù)雜，均可簡(jiǎn)便地用厚、薄工藝制作在介質(zhì)片上，將基片固定于作為接地板的金屬基座(載體)上就構(gòu)成一個(gè)完整的電路。這種電路的制作成本比同功能的波導(dǎo)和同軸電路便宜得多。這種電路由于消除了許多接頭，同時(shí)帶來了制作重復(fù)性好、性能優(yōu)良、調(diào)整方便、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛地應(yīng)用。
微波電路制作一般可分三個(gè)階段。微波器件制作→基板微帶線制作并組成功能塊→與金屬基座連接組成微波電路。微波電路由于作用頻率高，其接地要求特別高、接地包括功能塊基片接地與功能塊與金屬基座的接地連接。特別是后者，慣用螺釘連接，由于連接間的空隙，導(dǎo)致功能塊間的串?dāng)_(一般≥0.5dB)，插入損耗增加(一般≥1.4dB)，同時(shí)也帶來了附加電容與振蕩。L波段以上電路已無法獲得穩(wěn)定的電路參數(shù)，可靠性低。目前國(guó)外已普遍使用釬接方法來實(shí)行“大面積釬接”。國(guó)內(nèi)也開始摸索和使用。大面積釬接的主要難點(diǎn)在于金屬與陶瓷材料的物理、化學(xué)性能差異太大，易造成陶瓷開裂、不良接頭、變形等。芯片與微帶線互連的長(zhǎng)度、拱度，微帶線制作的精度等同樣是影響微波性能的要素。本文主要介紹筆者與同仁們?cè)谶@方面的研究成果。

1　接地連接的分析和設(shè)計(jì)

　　微波電路的接地連接主要影響電路串?dāng)_和插入損耗。電路串?dāng)_主要是過長(zhǎng)的連接線形成附加電感引起的。插入損耗主要由四分部組成：導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、輻射損耗及制作工藝的損耗。
導(dǎo)體損耗指金屬導(dǎo)帶與接地金屬面對(duì)傳輸信號(hào)
所造成的插入損耗。介質(zhì)損耗指電磁場(chǎng)在金屬導(dǎo)帶和接地面中間的介質(zhì)中傳輸，由填充介質(zhì)引入的插入損耗。焊接缺陷(空洞、孔隙)及其它制作缺陷(介質(zhì)板、導(dǎo)帶¨)均會(huì)增加插入損耗［1］。接地連接的設(shè)計(jì)原則就是就近接地，大面積(全面積)接地。幾種典型的接地方式是：
(1)接地金屬化通孔：主要連接微帶線與基板接地面?？赏ㄟ^孔金屬化、空心鉚釘、連接銷釘?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)。如圖1所示。

表1　不同薄膜體系的工藝性能狀況

　　考慮微波電路的綜合要求(線厚、精度及焊接性等)選用 CrAuCuAu系統(tǒng)作為微波電路的導(dǎo)帶及接地面金屬化膜。
(b)厚膜制作
微波電路厚膜制作的關(guān)鍵是線條精度，接地面的金屬層一般是Au基合金，其中以Au-Pt的耐焊性最好。Au-Pt的耐焊性大于10次，如燒結(jié)工藝掌握好的話可達(dá)70～80次。Au-Pt膜的可焊性相對(duì)來說差一些，但經(jīng)過適當(dāng)處理，也能獲得較好的可焊性。
(c)LTCC共燒制作
各層之間的通孔、接地面均可用Au制作，整個(gè)基板的制作與厚膜制作相同，也以采用Au-Pt膜為主。
(2)載體可焊性鍍層研究
根據(jù)產(chǎn)品不同的要求，需選用不同的載體材料，功率大、散熱要求高的選AI、Cu；重量要求輕的選Al、Ti；與Al2O3陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的選可伐合金、42合金等。另外還有與GaAs熱膨脹系數(shù)相近的Mo，新興的復(fù)合材料AlSiC等，這些載體材料要通過表面處理才能與陶瓷基片焊接，得到優(yōu)良的焊接接頭。表面處理包括焊接性能良好的表面鍍層和熱膨脹系數(shù)分配合理的鍍層體系。
本研究設(shè)計(jì)了不同的鍍層系列。經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)及試樣制作，最終選用的體系分別為：
Al——NiP-Cu-SnPb
Cu——Ag
Ti——Cu-SnPb
可伐——Ni-Au
42合金——Ni-Au

3　焊接工藝研究

　　焊接工藝研究主要包括三方面的內(nèi)容：熱膨脹系數(shù)相異造成的陶瓷開裂；焊接變形和釬透率(被釬接面積/需焊接面積)。
(1)陶瓷開裂問題
從結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)；釬料和緩沖層；釬接工藝等幾個(gè)方面著手研究。
結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)—通過結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，得出了最佳的結(jié)構(gòu)因素。為計(jì)算簡(jiǎn)便起見，作如下假設(shè)：a)不考慮Y、Z方面的變化；b)溫度范圍設(shè)定為 20～200℃，僅考慮彈性變形；c)中心軸的長(zhǎng)度保持不變?nèi)鐖D3、圖4、圖5所示。

圖3　試樣示意圖

圖4　板厚比與po的關(guān)系

圖5　界面應(yīng)力分布

　　綜合考慮，選擇r≤1為佳。
WilliamW在42合金和可伐合金上用Au-Ge焊料在400℃時(shí)焊接Al2O3，并對(duì)應(yīng)力作了測(cè)定結(jié)果。見表2。

表2　應(yīng)力測(cè)定結(jié)果

從表2中也可看出金屬基座愈薄，對(duì)抗裂愈有利。
釬料和緩沖層—選擇焊接溫度低，塑性好的釬料及應(yīng)力緩沖層是防止陶瓷開裂的一個(gè)重要手段。研究了多種釬料的可焊性，最終選定In-Sn、Sn-Pb二種釬料作為基本釬料。［4］［6］緩沖層的結(jié)構(gòu)也很多，材料選擇主要是以Mo片、Ti片為主。
釬接工藝—釬接工藝主要根據(jù)陶瓷熱性能來設(shè)計(jì)，選用緩慢加熱、冷卻過程如圖6所示。值得提出的是這種工藝對(duì)基片與載體的焊接性能，特別是耐焊性提出了更高的要求。

圖6　典型溫度曲線(Sn-Pb釬料)

　　(2)焊接變形
焊接變形主要影響最終裝配質(zhì)量，變形大時(shí)，在最終裝配時(shí)不會(huì)引起開裂。變形必須控制在一定的范圍內(nèi)。
控制變形的方法是載體材料、厚度的正確選擇和焊接夾具的設(shè)計(jì)。
選用夾具，控制變形，將增加應(yīng)力，不利于防裂，為此夾具的壓力必須合適。壓力是保證間隙、焊接質(zhì)量和減少焊后變形的關(guān)鍵因素，要在整個(gè)加熱過程中維護(hù)適當(dāng)?shù)膲毫?，是夾具設(shè)計(jì)的原則。
通常設(shè)計(jì)要求為變形小于0.1mm/100mm，正確設(shè)計(jì)夾具及焊接工藝，研究的實(shí)測(cè)變形一般在0.03～0.05mm之間。
(3)釬透率
釬透率直接反映了接地效果，是整個(gè)技術(shù)的重要指標(biāo)，要在100mm×100mm(研究目標(biāo))內(nèi)達(dá)到高指標(biāo)，是一個(gè)難題。在焊接預(yù)置、載體開槽及打孔、夾具空隙等方面作了研究，使釬接率達(dá)到85%以上(一般可達(dá)90%)如載體金屬打工藝孔，可使釬接率從40%～50%上升到90%。開槽可控制被焊接的位置，在電性能上獲得了良好的效果。目前正在研究網(wǎng)格載體與電性能的關(guān)系，如獲得突破，則釬透率問題就將最終獲得解決。

4　討論與實(shí)例

　　Al2O3— Al產(chǎn)品的實(shí)例，其技術(shù)指標(biāo)如下：
工作頻率　　1200～1400MHz
組件尺寸　　40mm×90mm
釬透率　　　90.28%
焊后變形　　≤0.01mm
接觸電阻　　≤0.02Ω
插入損耗　　≤0.06db
串　擾　　　≤0.1db
熱循環(huán)次數(shù)　≥45次
微波電路組裝技術(shù)的研究，是一個(gè)電、結(jié)構(gòu)及工藝的綜合性課題。目前這項(xiàng)研究工作已應(yīng)用于實(shí)踐，共制作組件2000余件，并獲得明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。