薄膜電路技術(shù)在T/R組件中的應用

1.引言

采用薄膜技術(shù)來(lái)制造薄膜電路是薄膜領(lǐng)域中一個(gè)重要分支。薄膜電路主要特點(diǎn)：制造精度比較高(薄膜線(xiàn)寬和線(xiàn)間距較小)，可實(shí)現小孔金屬化，可集成電阻、電容、電感、空氣橋等無(wú)源元件，并且根據需要，薄膜電路可以方便地采用介質(zhì)制造多層電路。薄膜多層電路是指采用真空蒸發(fā)、濺射、電鍍等薄膜工藝以及濕法刻蝕和干法刻蝕(反應離子刻蝕、等離子刻蝕、激光刻蝕)等圖形形成技術(shù)，在拋光的基板(陶瓷、硅、玻璃等材料)上制作導體(Cu或Au等)布線(xiàn)與絕緣介質(zhì)膜(PI或BCB等)相互交疊的多層互連結構。

薄膜多層電路技術(shù)，由于具有互連密度高、集成度高、可以制造高功率電路、整個(gè)封裝結構具有系統級功能等突出特點(diǎn)，在微波領(lǐng)域的應用很有競爭力，特別是在機載、星載或航天領(lǐng)域中，其體積小、重量輕、可靠性高的特點(diǎn)更加突出，是一種非常有潛力的微波電路模塊(低噪聲放大器、濾波器、移相器等)、甚至需求量越來(lái)越大的T/R組件基板制造技術(shù)。

本文將在分析薄膜電路在T/R組件中應用的特點(diǎn)的基礎上，介紹幾種典型的應用實(shí)例，并給出發(fā)展建議。

2. 薄膜電路技術(shù)在T/R組件中應用的特點(diǎn)分析

隨著(zhù)雷達技術(shù)的發(fā)展，有源相控陣雷達成為主流，而其核心則是T/R組件，通常每部雷達含有成千上萬(wàn)只T/R組件。T/R組件不論其使用頻率是否相同，也不論其使用場(chǎng)合是否相同，其基本構成是相同的，主要是由功率放大器、驅動(dòng)放大器、T/R開(kāi)關(guān)、移相器、限幅器、低噪聲放大器、環(huán)流器、邏輯控制電路等組成，其結構框圖如圖1所示(1)。這些基本構成，在工藝實(shí)現時(shí)，部分可以直接做在電路板上，如微帶傳輸線(xiàn)、開(kāi)關(guān)、耦合器、濾波器等，部分采用外貼芯片(如功放、驅放等)、電容、環(huán)流器等來(lái)實(shí)現。因此，從使用功能和結構上，T/R組件實(shí)際上可以看作是一種具有收發(fā)功能的微波多芯片模塊。

受雷達波束柵瓣效應(相鄰兩個(gè)輻射單元的中心距小于工作波長(cháng)的一半)以及重量、成本等限制，T/R組件的小型化、集成化、輕量化將是其發(fā)展趨勢。為了滿(mǎn)足其性能要求，采用低溫共燒陶瓷LTCC、高溫共燒陶瓷HTCC、薄膜多層電路技術(shù)、多層微波印制電路技術(shù)等多層集成技術(shù)來(lái)研制和生產(chǎn)T/R組件成為必然選擇，幾種多層技術(shù)的比較見(jiàn)表1(2~3)。

從表中可以看出，薄膜多層互連基板，具有如下突出優(yōu)點(diǎn)：

(1)布線(xiàn)密度高，體積可以很小、重量很輕;

(2)集成度高，可以埋置電阻、電感、電容等無(wú)源器件以及有源芯片;

(3)高頻特性好，可用于微波及毫米波領(lǐng)域;

(4)承受功率密度高，可選用高導熱的金屬、金剛石、陶瓷或鋁炭化硅復合材料等作基板，制造高密度高功率多層基板。

薄膜多層互連基板與其它類(lèi)型的基板相比，具有如下明顯的缺點(diǎn)：

(1)工藝采用串形方式，成品率相對低，制造成本高;

(2)制造層數受限制。

薄膜多層電路技術(shù)由于具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此在制造T/R組件的選擇上，可以有兩種方案。第一，可以采用薄膜技術(shù)在陶瓷基板或金屬基板上直接制造T/R組件(4~5)，發(fā)揮薄膜高精度、高集成度、高功率的性能，這種方法成本較高; 第二，將薄膜技術(shù)和其他多層電路技術(shù)(如厚膜技術(shù)、HTCC、LTCC等)結合起來(lái)(6-8)，制造T/R組件，揚長(cháng)避短，既發(fā)揮其他基板容易實(shí)現多層的特點(diǎn)，從而克服薄膜技術(shù)本身制造層數不足的缺點(diǎn)，又能發(fā)揮薄膜技術(shù)本身的高精度、高性能特長(cháng)。

3. 薄膜技術(shù)在T/R組件中應用實(shí)例

3.1 陶瓷基板上薄膜混合集成T/R組件

RCA實(shí)驗室在1985年報道了在高導熱陶瓷BeO基板上采用薄膜工藝制造的T/R組件(3)，尺寸為7.0cm×9.0cm×1.6cm,工作頻率16.0~16.5GHz,峰值功率3.9~4.4 W,電壓調諧范圍2.5~2.9,噪聲系數5dB。

Martin Marietta實(shí)驗室,1995年首次報道了采用薄膜技術(shù)制造了頻率高達94GHz 的W波段的8單元T/R組件(4)，如圖3所示。組件的尺寸16.5mm×28.3cm×1.8 cm,最大增益47.8 dB。主要工藝為：先在0.5毫米厚的鉬基片上，采用銅導體和聚酰亞胺的薄膜多層工藝制造直流和控制信號主板，然后在0.125mm厚的低損耗Al2O3陶瓷板上用薄膜工藝制造RF傳輸線(xiàn)，最后將RF部分和芯片、電容等裝配在低頻主板上。

3.2 金屬基板上薄膜混合集成T/R組件

在鋁、鉬等金屬基板上制作T/R組件或多芯片模塊，近年來(lái)也有不少報道(4~6)。1995年，澳大利亞的O.Sevimli報導了一種金屬基V波段(可以達110GHz以上)薄膜多層多芯片組件專(zhuān)利技術(shù)(5)，結構示意圖見(jiàn)圖2。這種技術(shù)工藝過(guò)程是這樣的：首先是在金屬基板上腐蝕出用于安放芯片的孔，然后把芯片采用導電膠固定在孔內，控制好安裝芯片的孔的深度使芯片與金屬表面在同一平面內并精確定位，表面涂敷一層適于毫米波領(lǐng)域使用的BCB等介質(zhì)材料，最后在芯片焊盤(pán)處刻蝕通孔，進(jìn)行薄膜多層電路的制作。這種技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是所有芯片或無(wú)源器件(如耦合器、濾波器等)可以同時(shí)裝配，裝配不采用金絲鍵合手段也不用倒裝芯片，以解決毫米波頻段金絲鍵合帶來(lái)的一致性控制以及寄生效應難題;同時(shí)也可解決采用倒裝芯片帶來(lái)的功率耗散問(wèn)題，芯片的熱量可以通過(guò)金屬底板快速散去。

3.3 A l/SiC復合材料基板上HDI技術(shù)T/R組件

1997年，Lockheed Martin 公司報道了和GE 公司合作開(kāi)發(fā)的基于A(yíng)l/SiC材料基板的薄膜多層電路的T/R組件(7)，結構圖如圖3所示。采用Al/SiC材料做T/R組件的基板，主要考慮該材料不僅導熱率較高(接近氮化鋁，約160W/moK),而且熱張系數與GaAs或Si有源芯片接近，有利于直接貼裝芯片。此外該材料密度低，有利于降低組件重量。 采用Al/SiC材料作基板，必須預先加工成形并進(jìn)行鍍Ni/Au金屬化，有源芯片和無(wú)源器件可以直接貼裝于凹腔內，并使其與基板表面在同一平面上，其中高功率GaAs芯片采用 AuSn高溫焊料焊于基板凹腔內，以保證熱傳導并降低器件結點(diǎn)溫度;非功率芯片和無(wú)源器件可以采用導電膠貼于基板凹腔內。然后在其上實(shí)施HDI技術(shù)(薄膜高密度多層互連)，即采用膠粘劑復合一層聚酰亞胺膜(kapton), 用激光在對應芯片焊盤(pán)以及基板上需要的位置開(kāi)孔，在孔及基板上采用濺射工藝實(shí)現金屬化(Ti/Cu/Ti)，然后采用激光或光刻的方法刻出圖形及帶線(xiàn)。以此類(lèi)推，實(shí)現多層。