薄膜電路技術(shù)在T/R組件中的應(yīng)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(薄膜線寬和線間距較小)，可實(shí)現(xiàn)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(jù)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(yīng)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(dǎo)體(Cu或Au等)布線與絕緣介質(zhì)膜(PI或BCB等)相互交疊的多層互連結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)具有系統(tǒng)級(jí)功能等突出特點(diǎn)，在微波領(lǐng)域的應(yīng)用很有競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在機(jī)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(yīng)用的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹幾種典型的應(yīng)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(yīng)用的特點(diǎn)分析

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，有源相控陣?yán)走_(dá)成為主流，而其核心則是T/R組件，通常每部雷達(dá)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(gòu)成是相同的，主要是由功率放大器、驅(qū)動(dòng)放大器、T/R開關(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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示(1)。這些基本構(gòu)成，在工藝實(shí)現(xiàn)時(shí)，部分可以直接做在電路板上，如微帶傳輸線、開關(guān)、耦合器、濾波器等，部分采用外貼芯片(如功放、驅(qū)放等)、電容、環(huán)流器等來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，從使用功能和結(jié)構(gòu)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(dá)波束柵瓣效應(yīng)(相鄰兩個(gè)輻射單元的中心距小于工作波長(zhǎng)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(shì)。為了滿足其性能要求，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(dǎo)熱的金屬、金剛石、陶瓷或鋁炭化硅復(fù)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(duì)低，制造成本高;

(2)制造層數(shù)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(jié)合起來(lái)(6-8)，制造T/R組件，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既發(fā)揮其他基板容易實(shí)現(xiàn)多層的特點(diǎn)，從而克服薄膜技術(shù)本身制造層數(shù)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(zhǎng)。

3. 薄膜技術(shù)在T/R組件中應(yīng)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(yàn)室在1985年報(bào)道了在高導(dǎo)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(diào)諧范圍2.5~2.9,噪聲系數(shù)5dB。

Martin Marietta實(shí)驗(yàn)室,1995年首次報(bào)道了采用薄膜技術(shù)制造了頻率高達(dá)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(dǎo)體和聚酰亞胺的薄膜多層工藝制造直流和控制信號(hào)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，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(bào)道(4~6)。1995年，澳大利亞的O.Sevimli報(bào)導(dǎo)了一種金屬基V波段(可以達(dá)110GHz以上)薄膜多層多芯片組件專利技術(shù)(5)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。這種技術(shù)工藝過程是這樣的：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(dǎo)電膠固定在孔內(nèi)，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(nèi)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(yīng)難題;同時(shí)也可解決采用倒裝芯片帶來(lái)的功率耗散問題，芯片的熱量可以通過金屬底板快速散去。

3.3 A l/SiC復(fù)合材料基板上HDI技術(shù)T/R組件

1997年，Lockheed Martin 公司報(bào)道了和GE 公司合作開發(fā)的基于Al/SiC材料基板的薄膜多層電路的T/R組件(7)，結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱率較高(接近氮化鋁，約160W/moK),而且熱張系數(shù)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(yù)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(nèi)，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(nèi)，以保證熱傳導(dǎo)并降低器件結(jié)點(diǎn)溫度;非功率芯片和無(wú)源器件可以采用導(dǎo)電膠貼于基板凹腔內(nèi)。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(fù)合一層聚酰亞胺膜(kapton), 用激光在對(duì)應(yīng)芯片焊盤以及基板上需要的位置開孔，在孔及基板上采用濺射工藝實(shí)現(xiàn)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。以此類推，實(shí)現(xiàn)多層。

3.4 薄、厚膜混合集成電路寬帶T/R組件

1992年，通用公司報(bào)導(dǎo)了采用薄膜和厚膜混合工藝研制的寬帶S/C波段T/R組件(8)(3.0～6.0GHz)，尺寸只有3.3英寸×1.17英寸，S波段輸出功率21W, C波段輸出功率19W,接收增益30~38 dB。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,在同一塊氧化鋁陶瓷基板(厚0.635mm)上，正面采用薄膜技術(shù)做微帶電路，背面采用厚膜技術(shù)做4層布線，正面薄膜電路和背面厚膜電路之間的互連采用激光打孔的方法實(shí)現(xiàn)，芯片和器件埋在陶瓷板孔內(nèi)。

3.5 半導(dǎo)體硅材料上薄膜多層發(fā)射模塊

在半導(dǎo)體硅材料上，采用薄膜多層技術(shù)制造T/R組件的優(yōu)點(diǎn)是可以和半導(dǎo)體技術(shù)兼容，可以集成有源芯片、無(wú)源器件，組件可以做的很小、并且能夠大批量生產(chǎn);缺點(diǎn)是由于硅材料導(dǎo)熱率低，在需要高功率或高Q值的場(chǎng)合，高導(dǎo)熱的氮化鋁、氧化鈹陶瓷更有優(yōu)勢(shì)。圖5是美國(guó)辛西納底大學(xué)研制的薄膜多層發(fā)射模塊示意圖，它是在硅基片上，用Dupont公司的聚酰亞胺做介質(zhì)(每層介質(zhì)厚度9~15μm)，用Ti-Au-Ti或Cr-Au-Cr做導(dǎo)帶(Au厚度2~3μm)，制作的4層金屬、3層介質(zhì)的多層互連結(jié)構(gòu)。

3.6 HTCC基板上薄膜多層 T/R組件

GE 和 Lockheed Martin 等公司合作開發(fā)的基于HTCC基板的薄膜多層電路的T/R組件(7)，如圖7所示。預(yù)先將HTCC基板開槽并金屬化，將功率芯片貼裝預(yù)槽內(nèi)，使之與基板表面持平，然后在其上實(shí)施HDI工藝。

采用 HTCC做T/R組件的基板，是充分利用了高溫共燒陶瓷(HTCC)和薄膜多層的優(yōu)點(diǎn)，而又避開其不足。HTCC的優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo)率高、易實(shí)現(xiàn)多層;其缺點(diǎn)是由于采用的電阻率高的Mo、W等漿料制作導(dǎo)帶，微波損耗較大。薄膜多層互連技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：線條精度高，采用Cu、Au等電阻率低的材料作導(dǎo)帶，微波損耗小;其缺點(diǎn)是耐功率不足、多層成本高?；? HTCC的薄膜多層互連技術(shù)可以將電源線、地層、信號(hào)線布在HTCC中, 以滿足耐功率需要并減少薄膜多層層數(shù)。功率芯片可以通過焊接的方式貼在HTCC的凹腔中，有利于散熱。微帶線及芯片精細(xì)互連線可以作在少數(shù)幾層HDI層中，滿足微波性能的需要。

3.7 LTCC基板上薄膜集成 T/R組件

Reinhardt Microtech公司和Micro Systems Engineering 公司合作開發(fā)了一種可用于X波段T/R組件的精細(xì)混合(Finebrid)集成技術(shù)，這種技術(shù)是將LTCC和薄膜技術(shù)集成在一起，在采用杜邦951或943生瓷制造的LTCC板上，不用拋光等處理，直接制造精細(xì)薄膜電路圖形，結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。利用LTCC容易實(shí)現(xiàn)多層的特點(diǎn)，把直流電源線、控制信號(hào)線做在不同的層上，還可埋置電阻、電容等無(wú)源器件。選用杜邦951或943生瓷，是因?yàn)橹瞥傻腖TCC損耗比較小。利用薄膜的高精度特點(diǎn)，把無(wú)源器件(如Lange耦合器、濾波器、電阻網(wǎng)絡(luò)、衰減器、功率分配器等)集成在LTCC表面。實(shí)用中薄膜圖形典型的線條及間距20微米，膜層厚度5微米;NiCr層充當(dāng)電阻層和粘附層。從結(jié)構(gòu)圖上可以看出，芯片安裝在LTCC表面的凹腔內(nèi)，可以減小鍵合長(zhǎng)度及關(guān)聯(lián)電感，芯片熱量可通過背面的散熱通孔柱傳到下面的熱沉上，可克服LTCC熱導(dǎo)率低的缺點(diǎn)。經(jīng)可靠性測(cè)試，在LTCC表面實(shí)施薄膜工藝與在氧化鋁陶瓷上的可靠性相當(dāng)。

4. 結(jié)語(yǔ)

從以上分析可以看出，與傳統(tǒng)的在陶瓷基板實(shí)施薄膜工藝相比，薄膜技術(shù)在T/R組件的應(yīng)用有兩個(gè)明顯的新的趨勢(shì)，一是，在高導(dǎo)熱的金屬、合金、復(fù)合材料( Al/SiC)上采用多層薄膜工藝，制造T/R組件，提高了組件耐功率性能，并且利于封裝;還可根據(jù)設(shè)計(jì)需要把芯片貼裝在表面的凹腔內(nèi)，減短了金絲鍵合的長(zhǎng)度或者不用鍵合，減小了或克服了寄生效應(yīng)，改善組件性能;二是在其他多層基板(如HTCC或LTCC)上，實(shí)施薄膜工藝制造T/R組件，充分發(fā)揮HTCC或LTCC易實(shí)現(xiàn)多層及埋置無(wú)源器件的優(yōu)點(diǎn)以及薄膜工藝高精度、低損耗的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)減小T/R組件基板尺寸、改善組件的電性能和熱性能有重要意義。

國(guó)內(nèi)，在T/R組件的制造領(lǐng)域，尚未見相關(guān)應(yīng)用報(bào)導(dǎo)，可加以重視，開展相關(guān)跟進(jìn)研究工作。