陶瓷薄膜電路在T/R組件中應用優(yōu)勢

 陶瓷薄膜電路板精密度高、集成度高，散熱性和絕緣性都很好，可以制造精度比較高(薄膜線寬和線間距較小)，可實現小孔金屬化，可集成電阻、電容、電感、空氣橋等無源元件，并且根據需要，薄膜電路可以方便地采用介質制造多層電路。因此陶瓷薄膜電路在T/R組件中廣泛應用。今天小編來分享一下為何陶瓷薄膜電路如此受歡迎呢？

一，薄膜陶瓷電路，不僅可以做精密電路，還可以做多層陶瓷電路技術

     薄膜多層陶瓷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，在拋光的基板(陶瓷、硅、玻璃等材料)上制作導體(Cu或Au等)布線與絕緣介質膜(PI或BCB等)相互交疊的多層互連結構。

薄膜陶瓷多層電路技術，由于具有互連密度高、集成度高、可以制造高功率電路、整個封裝結構具有系統(tǒng)級功能等突出特點，在微波領域的應用很有競爭力，特別是在機載、星載或航天領域中，其體積小、重量輕、可靠性高的特點更加突出，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)、甚至需求量越來越大的T/R組件基板制造技術。

二，薄膜電路技術的優(yōu)勢決定了T/R組件基板應用

1，薄膜陶瓷多層互連基板，具有如下突出優(yōu)點：

(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。

2，薄膜陶瓷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：

(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。

薄膜陶瓷多層電路技術由于具有明顯的優(yōu)點和缺點，因此在制造T/R組件的選擇上，有兩種方案。

第一，可以采用薄膜技術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，將薄膜技術和其他多層電路技術(如厚膜技術、HTCC、LTCC等)結合起來(6-8)，制造T/R組件，揚長避短，既發(fā)揮其他基板容易實現多層的特點，從而克服薄膜技術本身制造層數不足的缺點，又能發(fā)揮薄膜技術本身的高精度、高性能特長。

T/R組件是雷達的核心，一個雷達有成千上萬個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、驅動放大器、T/R開關、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。這些基本構成，在工藝實現時，部分可以直接做在電路板上，如微帶傳輸線、開關、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)流器等來實現。因此，從使用功能和結構上，T/R組件實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(相鄰兩個輻射單元的中心距小于工作波長的一半)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。為了滿足其性能要求，采用低溫共燒來研制和生產T/R組件成為必然選擇。如下圖所示。

三，薄膜技術在T/R組件中應用實例

3.1，陶瓷基板上薄膜混合集成在T/R組件中應用

RCA實驗室在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175px×225px×40px,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實驗室,1995年首次報道了采用薄膜技術制造了頻率高達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×707.5px×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，最后將RF部分和芯片、電容等裝配在低頻主板上。

3.2薄、厚膜混合集成電路寬帶T/R組件

1992年，通用公司報導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。其結構示意圖如圖4所示,在同一塊氧化鋁陶瓷基板(厚0.635mm)上，正面采用薄膜技術做微帶電路，背面采用厚膜技術做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現，芯片和器件埋在陶瓷板孔內。

3.3，半導體硅材料上薄膜多層發(fā)射模塊

在半導體硅材料上，采用薄膜多層技術制造T/R組件的優(yōu)點是可以和半導體技術兼容，可以集成有源芯片、無源器件，組件可以做的很小、并且能夠大批量生產；缺點是由于硅材料導熱率低，在需要高功率或高Q值的場合，高導熱的氮化鋁、氧化鈹陶瓷更有優(yōu)勢。圖5是美國辛西納底大學研制的薄膜多層發(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(每層介質厚度9~15μm)，用Ti-Au-Ti或Cr-Au-Cr做導帶(Au厚度2~3μm)，制作的4層金屬、3層介質的多層互連結構。

3.4，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。預先將HTCC基板開槽并金屬化，將功率芯片貼裝預槽內，使之與基板表面持平，然后在其上實施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，而又避開其不足。HTCC的優(yōu)點是熱導率高、易實現多層；其缺點是由于采用的電阻率高的Mo、W等漿料制作導帶，微波損耗較大。薄膜多層互連技術的優(yōu)點：線條精度高，采用Cu、Au等電阻率低的材料作導帶，微波損耗?。黄淙秉c是耐功率不足、多層成本高?；?HTCC的薄膜多層互連技術可以將電源線、地層、信號線布在HTCC中, 以滿足耐功率需要并減少薄膜多層層數。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。微帶線及芯片精細互連線可以作在少數幾層HDI層中，滿足微波性能的需要。

3.5，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組件的精細混合(Finebrid)集成技術，這種技術是將LTCC和薄膜技術集成在一起，在采用杜邦951或943生瓷制造的LTCC板上，不用拋光等處理，直接制造精細薄膜電路圖形，結構示意圖見圖8。利用LTCC容易實現多層的特點，把直流電源線、控制信號線做在不同的層上，還可埋置電阻、電容等無源器件。選用杜邦951或943生瓷，是因為制成的LTCC損耗比較小。利用薄膜的高精度特點，把無源器件(如Lange耦合器、濾波器、電阻網絡、衰減器、功率分配器等)集成在LTCC表面。實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層充當電阻層和粘附層。從結構圖上可以看出，芯片安裝在LTCC表面的凹腔內，可以減小鍵合長度及關聯電感，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熱導率低的缺點。經可靠性測試，在LTCC表面實施薄膜工藝與在氧化鋁陶瓷上的可靠性相當。

與傳統(tǒng)的在陶瓷基板實施薄膜工藝相比，薄膜技術在T/R組件的應用有兩個明顯的新的趨勢，一是，在高導熱的金屬、合金、復合材料( 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；還可根據設計需要把芯片貼裝在表面的凹腔內，減短了金絲鍵合的長度或者不用鍵合，減小了或克服了寄生效應，改善組件性能；二是在其他多層基板(如HTCC或LTCC)上，實施薄膜工藝制造T/R組件，充分發(fā)揮HTCC或LTCC易實現多層及埋置無源器件的優(yōu)點以及薄膜工藝高精度、低損耗的優(yōu)點，對減小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。

                                                                                                                                     以上內容大部分來自AET網站