薄膜电路技术在TR组件中的应用.doc

薄膜电路技术在T/R组件中的应用与非网最高的质量最低的成本节省70%PCB返修成本 查看最近90天中添加的最新产品 最新电子元器件资料免费下载 派睿电子TI有奖问答 - 送3D汽车鼠标 IR推出采用焊前金属的汽车级绝缘栅双极晶体管 全球电子连接器生产商samtec 最新断路器保护套 1.引言采用薄膜技术来制造薄膜电路是薄膜领域中一个重要分支。薄膜电路主要特点：制造精度比较高(薄膜线宽和线间距较小)，可实现小孔金属化，可集成电阻、电容、电感、空气桥等无源元件，并且根据需要，薄膜电路可以方便地采用介质制造多层电路。薄膜多层电路是指采用真空蒸发、溅射、电镀等薄膜工艺以及湿法刻蚀和干法刻蚀(反应离子刻蚀、等离子刻蚀、激光刻蚀)等图形形成技术，在抛光的基板(陶瓷、硅、玻璃等材料)上制作导体(Cu或Au等)布线与绝缘介质膜(PI或BCB等)相互交叠的多层互连结构。薄膜多层电路技术，由于具有互连密度高、集成度高、可以制造高功率电路、整个封装结构具有系统级功能等突出特点，在微波领域的应用很有竞争力，特别是在机载、星载或航天领域中，其体积小、重量轻、可靠性高的特点更加突出，是一种非常有潜力的微波电路模块(低噪声放大器、滤波器、移相器等)、甚至需求量越来越大的T/R组件基板制造技术。本文将在分析薄膜电路在T/R组件中应用的特点的基础上，介绍几种典型的应用实例，并给出发展建议。2. 薄膜电路技术在T/R组件中应用的特点分析随着雷达技术的发展，有源相控阵雷达成为主流，而其核心则是T/R组件，通常每部雷达含有成千上万只T/R组件。T/R组件不论其使用频率是否相同，也不论其使用场合是否相同，其基本构成是相同的，主要是由功率放大器、驱动放大器、T/R开关、移相器、限幅器、低噪声放大器、环流器、逻辑控制电路等组成，其结构框图如图1所示(1)。这些基本构成，在工艺实现时，部分可以直接做在电路板上，如微带传输线、开关、耦合器、滤波器等，部分采用外贴芯片(如功放、驱放等)、电容、环流器等来实现。因此，从使用功能和结构上，T/R组件实际上可以看作是一种具有收发功能的微波多芯片模块。受雷达波束栅瓣效应(相邻两个辐射单元的中心距小于工作波长的一半)以及重量、成本等限制，T/R组件的小型化、集成化、轻量化将是其发展趋势。为了满足其性能要求，采用低温共烧陶瓷LTCC、高温共烧陶瓷HTCC、薄膜多层电路技术、多层微波印制电路技术等多层集成技术来研制和生产T/R组件成为必然选择，几种多层技术的比较见表1(23)。从表中可以看出，薄膜多层互连基板，具有如下突出优点：(1)布线密度高，体积可以很小、重量很轻；(2)集成度高，可以埋置电阻、电感、电容等无源器件以及有源芯片；(3)高频特性好，可用于微波及毫米波领域；(4)承受功率密度高，可选用高导热的金属、金刚石、陶瓷或铝炭化硅复合材料等作基板，制造高密度高功率多层基板。薄膜多层互连基板与其它类型的基板相比，具有如下明显的缺点：(1)工艺采用串形方式，成品率相对低，制造成本高；(2)制造层数受限制。薄膜多层电路技术由于具有明显的优点和缺点，因此在制造T/R组件的选择上，可以有两种方案。第一，可以采用薄膜技术在陶瓷基板或金属基板上直接制造T/R组件(45)，发挥薄膜高精度、高集成度、高功率的性能，这种方法成本较高； 第二，将薄膜技术和其他多层电路技术(如厚膜技术、HTCC、LTCC等)结合起来(6-8)，制造T/R组件，扬长避短，既发挥其他基板容易实现多层的特点，从而克服薄膜技术本身制造层数不足的缺点，又能发挥薄膜技术本身的高精度、高性能特长。3. 薄膜技术在T/R组件中应用实例3.1 陶瓷基板上薄膜混合集成T/R组件RCA实验室在1985年报道了在高导热陶瓷BeO基板上采用薄膜工艺制造的T/R组件(3)，尺寸为7.0cm9.0cm1.6cm,工作频率16.016.5GHz,峰值功率3.94.4 W,电压调谐范围2.52.9,噪声系数5dB。Martin Marietta实验室,1995年首次报道了采用薄膜技术制造了频率高达94GHz 的W波段的8单元T/R组件(4)，如图3所示。组件的尺寸16.5mm28.3cm1.8 cm,最大增益47.8 dB。主要工艺为：先在0.5毫米厚的钼基片上，采用铜导体和聚酰亚胺的薄膜多层工艺制造直流和控制信号主板，然后在0.125mm厚的低损耗Al2O3陶瓷板上用薄膜工艺制造RF传输线，最后将RF部分和芯片、电容等装配在低频主板上。3.2 金属基板上薄膜混合集成T/R组件在铝、钼等金属基板上制作T/R组件或多芯片模块，近年来也有不少报道(46)。1995年，澳大利亚的O.Sevimli报导了一种金属基V波段(可以达110GHz以上)薄膜多层多芯片组件专利技术(5)，结构示意图见图2。这种技术工艺过程是这样的：首先是在金属基板上腐蚀出用于安放芯片的孔，然后把芯片采用导电胶固定在孔内，控制好安装芯片的孔的深度使芯片与金属表面在同一平面内并精确定位，表面涂敷一层适于毫米波领域使用的BCB等介质材料，最后在芯片焊盘处刻蚀通孔，进行薄膜多层电路的制作。这种技术的突出优点是所有芯片或无源器件(如耦合器、滤波器等)可以同时装配，装配不采用金丝键合手段也不用倒装芯片，以解决毫米波频段金丝键合带来的一致性控制以及寄生效应难题；同时也可解决采用倒装芯片带来的功率耗散问题，芯片的热量可以通过金属底板快速散去。3.3 A l/SiC复合材料基板上HDI技术T/R组件1997年，Lockheed Martin 公司报道了和GE 公司合作开发的基于Al/SiC材料基板的薄膜多层电路的T/R组件(7)，结构图如图3所示。采用Al/SiC材料做T/R组件的基板，主要考虑该材料不仅导热率较高(接近氮化铝，约160W/moK),而且热张系数与GaAs或Si有源芯片接近，有利于直接贴装芯片。此外该材料密度低，有利于降低组件重量。 采用Al/SiC材料作基板，必须预先加工成形并进行镀Ni/Au金属化，有源芯片和无源器件可以直接贴装于凹腔内，并使其与基板表面在同一平面上，其中高功率GaAs芯片采用 AuSn高温焊料焊于基板凹腔内，以保证热传导并降低器件结点温度；非功率芯片和无源器件可以采用导电胶贴于基板凹腔内。然后在其上实施HDI技术(薄膜高密度多层互连)，即采用胶粘剂复合一层聚酰亚胺膜(kapton), 用激光在对应芯片焊盘以及基板上需要的位置开孔，在孔及基板上采用溅射工艺实现金属化(Ti/Cu/Ti)，然后采用激光或光刻的方法刻出图形及带线。以此类推，实现多层。3.4 薄、厚膜混合集成电路宽带T/R组件1992年，通用公司报导了采用薄膜和厚膜混合工艺研制的宽带S/C波段T/R组件(8)(3.06.0GHz)，尺寸只有3.3英寸1.17英寸，S波段输出功率21W, C波段输出功率19W,接收增益3038 dB。其结构示意图如图4所示,在同一块氧化铝陶瓷基板(厚0.635mm)上，正面采用薄膜技术做微带电路，背面采用厚膜技术做4层布线，正面薄膜电路和背面厚膜电路之间的互连采用激光打孔的方法实现，芯片和器件埋在陶瓷板孔内。3.5 半导体硅材料上薄膜多层发射模块在半导体硅材料上，采用薄膜多层技术制造T/R组件的优点是可以和半导体技术兼容，可以集成有源芯片、无源器件，组件可以做的很小、并且能够大批量生产；缺点是由于硅材料导热率低，在需要高功率或高Q值的场合，高导热的氮化铝、氧化铍陶瓷更有优势。图5是美国辛西纳底大学研制的薄膜多层发射模块示意图，它是在硅基片上，用Dupont公司的聚酰亚胺做介质(每层介质厚度915m)，用Ti-Au-Ti或Cr-Au-Cr做导带(Au厚度23m)，制作的4层金属、3层介质的多层互连结构。3.6 HTCC基板上薄膜多层 T/R组件GE 和 Lockheed Martin 等公司合作开发的基于HTCC基板的薄膜多层电路的T/R组件(7)，如图7所示。预先将HTCC基板开槽并金属化，将功率芯片贴装预槽内，使之与基板表面持平，然后在其上实施HDI工艺。采用 HTCC做T/R组件的基板，是充分利用了高温共烧陶瓷(HTCC)和薄膜多层的优点，而又避开其不足。HTCC的优点是热导率高、易实现多层；其缺点是由于采用的电阻率高的Mo、W等浆料制作导带，微波损耗较大。薄膜多层互连技术的优点：线条精度高，采用Cu、Au等电阻率低的材料作导带，微波损耗小；其缺点是耐功率不足、多层成本高。基于 HTCC的薄膜多层互连技术可以将电源线、地层、信号线布在HTCC中, 以满足耐功率需要并减少薄膜多层层数。功率芯片可以通过焊接的方式贴在HTCC的凹腔中，有利于散热。微带线及芯片精细互连线可以作在少数几层HDI层中，满足微波性能的需要。3.7 LTCC基板上薄膜集成 T/R组件Reinhardt Microtech公司和Micro Systems Engineering 公司合作开发了一种可用于X波段T/R组件的精细混合(Finebrid)集成技术，这种技术是将LTCC和薄膜技术集成在一起，在采用杜邦951或943生瓷制造的LTCC板上，不用抛光等处理，直接制造精细薄膜电路图形，结构示意图见图8。利用LTCC容易实现多层的特点，把直流电源线、控制信号线做在不同的层上，还可埋置电阻、电容等无源器件。选用杜邦951或943生瓷，是因为制成的LTCC损耗比较小。利用薄膜的高精度特点，把无源器件(如Lange耦合器、滤波器、电阻网络、衰减器、功率分配器等)集成在LTCC表面。实用中薄膜图形典型的线条及间距20微米，膜层厚度5微米；NiCr层充当电阻层和粘附层。从结构图上可以看出，芯片安装在LTCC表面的凹腔内，可以减小键合长度及关联电感，芯片热量可通过背面的散热通孔柱传到下面的热沉上，可克服LTCC热导率低的缺点。经可靠性测试，在LTCC表面实施薄膜工艺与在氧化铝陶瓷上的可靠性相当。4. 结语从以上分析可以看出，与传统的在陶瓷基板实施薄膜工艺相比，薄膜技术在T/R组件的应用有两个明显的新的趋势，一是，在高导热的金属、合金、复合材料( Al/SiC)上采用多层薄膜工艺，制造T/R组件，提高了组件耐功率性能，并且利于封装；还可根据设计需要把芯片贴装在表面的凹腔内，减短了金丝键合的长度或者不用键合，减小了或克服了寄生效应，改善组件性能；二是在其他多层基板(如HTCC或LTCC)上，实施薄膜工艺制造T/R组件，充分发挥HTCC或LTCC易实现多层及埋置无源器件的优点以及薄膜工艺高精度、低损耗的优点，对减小T/R组件基板尺寸、改善组件的电性能和热性能有重要意义。国内，在T/R组件的制造领域，尚未见相关应用报导，可加以重视，开展相关跟进研究工作。低溫共燒多層陶瓷(LTCC)技術特點與應用字体: 小 中 大 | 打印 发表于: 2008-10-23 12:11 作者: 00d44 来源: 微波技术网 單晶片模組技術尚未實用化之前，被動元件在成本及特性的因素下，無法完全整合於IC內，必須利用外接的方式來達到功能模組，但是因為在功能模組上所使用的被動元件數目相當多，容易造成可靠度低、高生產成本及基板面積不易縮小等缺點，所以利用低溫共燒多層陶瓷（Low-Temperature Co-fired Ceramics；LTCC）技術來克服上述的缺點。低溫共燒陶瓷以其優異的電子、機械、熱力特性，已成為未來電子元件積集化、模組化的首選方式，在全球發展迅速，目前已初步形成產業雛形。 低溫共燒陶瓷技術成被動元件顯學低溫共燒多層陶瓷技術提供了高度的主動元件或模組及被動元件的整合能力，並能到模組縮小化及低成本的要求，可以堆疊數個厚度只有幾微米的陶瓷基板，並且嵌入被動元件以及其他IC，所以近年來LTCC是被動元件產業極力開發的技術。低溫共燒多層陶瓷技術是利用陶瓷材料作為基板，將低容值電容、電阻、耦合等被動元件埋入多層陶瓷基板中，並採用金、銀、銅等貴金屬等低阻抗金屬共燒作為電極，再使用平行印刷來塗佈電路，最後在攝氏850900度中燒結而形成整合式陶瓷元件。除了晶片、石英震盪器、快閃記憶體以及大電容和大電阻之外，大多數的被動元件及天線都能採用低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術來將元件埋入基板，容易的地將被動元件與電路配線集中於基板內層，而達到節省空間、降低成本的SoP（System on Package）目標，開發出輕、薄、短、小及低成本的模組。圖2：利用多層多成分陶瓷的共燒而實現被動元件集成低溫共燒多層陶瓷特性較其他技術具有優勢電子元件的模組化已成為產品必然的趨勢，尤其以LTCC技術生產更是目前各業者積極開發的方向。目前可供選擇的模組基板包括了LTCC、HTCC（高溫共燒陶瓷）、傳統的PCB如FR4和PTFE（高性能聚四氟已烯）等。不過由於HTCC的燒結溫度需在1500以上，而所採用的高熔金屬如鎢、鉬、錳等導電性能較差，所以燒結收縮並不如LTCC易於控制，但是，HTCC也不是全無優點，表1、表2為高溫共燒陶瓷多層基板的一些優點。HTCC是一種成熟技術，產業界已對材料和技術已有相當的瞭解。並且，氧化鋁的機械強度比LTCC介質材料的機械強度高得多，可使封裝較牢固和更持久。此外，氧化鋁的熱導率比LTCC介質材料的熱導率幾乎要高20倍。在介電損耗方面，RF4要比LTCC來的高，而雖然PTFE的損耗較低，但絕緣性卻不如LTCC。所以LTCC比大多數有機基板材料提供了更好地控制能力，在高頻性能、尺寸和成本方面，比較之下LTCC比其他基板更為出色。利用LTCC技術開發的被動元件和模組具有許多優點，包括了，陶瓷材料具有高頻、高Q特性；LTCC技術使用電導率高的金屬材料作為導體材料，有利於提高電路系統的品質；可適應大電流及耐高溫特性要求，並具備比普通PCB電路基板優良的熱傳導性；可將被動元件嵌入多層電路基板中，有利於提高電路的組裝密度；具有較好的溫度特性，如較小的熱膨脹係數、較小的介電常數溫度係數，可以製作層數極高的電路基板，可以製作線寬小於50m的細線結構。LTCC封裝業者對於線寬的發展也相當的積極，例如，日本KOA利用噴墨技術將含有銀的材料將圖案印刷到綠色薄片上，然後進行燒結來以達到20m的線和線距。所以包括日本、美國等大廠，例如Kyocera、Soshin、TDK、Dupont、CTS、NS等業者對於LTCC（多層低溫共燒陶瓷）的開發都相當積極，另外也有部份業者建構LTCC的繞線佈局設計軟體及資料庫，相信未來低溫共燒多層陶瓷（LTCC）技術將會是甚被期待的被動元件技術之一。 材料的選用關係著LTCC的優劣高頻化是數位3C產品發展的必然趨勢。就像目前第三代行動通訊系統的頻率高達2GHz左右。這對於對陶瓷材料來說，如何適應高工作頻率是一個嚴苛的挑戰。因此，陶瓷材料必須提供良好高頻特性以及工作頻率的功能，所以微波介質陶瓷材料及新型微波元件是積極被開發的課題。例如開發適合應用於微波應用的低損耗、溫度穩定的電介質陶瓷材料，可以被應用在微波諧振器、濾波器、微波電容器以及微波基板等等。所以求高介電常數、高品質、低頻率溫度係數是目前微波介質陶瓷材料研究的重點。介電常數是LTCC材料最關鍵的性能。目前，LTCC技術最常被應用於手機的射頻系統上，而諧振器的長度與材料的介電常數的平方根是成反比，所以當元件的工作頻率較低時，如果使用低介電常數的材料，那麼諧振器的長度就長得無法接受。介電損耗也是射頻元件設計時一個重要參數，直接與元件的損耗相關，所以當然期望材料介電損耗能越小越好。日本積極發展不同介電常數材料堆疊在生產的技術上，目前，大部分在基板上都是堆疊相同介電常數的基板。但是已經開始有業者嚐試著將不同的材料或者將磁性材料堆疊在一起，也就是意味著，將不同介電常數的基板堆疊在一起。例如，在DC-DC Converter的模組中，堆疊了磁性材料後就可以形成一個1.5H電感，然後再加上一個MOSFET後就可以完成一個單晶片的DC-DC Converter，並且降低Converter的體積。就像Panasonic試著在LTCC層之間注入磁性劑，藉以形成電感，而日立金屬也正發展這方面的技術。而共燒不同特定介電常數的材料這一方面，期望在單一模組中封裝兩個不同特性的元件，例如Soshin Electric堆疊介電常數為25和81的材料，來將濾波器和平衡Balum封裝在同一個模組之內。但是堆疊不同介電常數或磁性材料還有一些技術上的問題需要克服。例如陶瓷在燒結期間的縮小變化。一般來說，利用LTCC技術的陶瓷材料縮小率大概在1520左右，但是，如果在堆疊不同材料之後，在燒結的過程中，這些不同介電常數材料會出現不同的縮小率，使得燒結後模組會產生變形的現象。除了縮小率之外，膨脹係數也是一個問題，係數不同材料，在燒結過程中當然會出現不同的膨脹現象，同樣的，也會使得燒結後模組會產生變形甚至於失敗的現象。 圖3：陶瓷介質、鐵氧體共燒系統的燒結收縮速率曲線和收縮曲線。（資料來源：北京清華大學材料科學與工程系實驗室）另外，開發出高介電常數的材料也是業界努力的另一個方向。由於採用高介電常數的材料可以提高電容量，以目前來說，使用介電常數100左右的材料，所內建的只有電容量大概幾百個pF，但是如果使用介電常數1000的材料，可以將電容量提高到0.01F以上。LTCC的TCE值較接近矽和砷化鎵射頻元件電性能的溫度穩定性是取決於材料的溫度係數，為了保證利用LTCC技術生產元件的可靠性，所以在進行材料選擇時，必須考慮到耐熱性能力，其中最關鍵的是熱膨脹係數，需要盡可能與基板相匹配。此外，考慮到加工及以後的應用，LTCC材料還要滿足多項機械性能的要求，例如彎曲強度、硬度、表面平整度、彈性模量及斷裂韌性等等。圖4是IC封裝的各種材料的熱膨脹係數，可以發現LTCC、氧化鋁和其他陶瓷封裝的TCE接近Si、砷化鎵以及磷化銦的TCE值，而有機印製電板路材料的TCE值都比Si、砷化鎵高出很多。圖4：用於IC製造、封裝和連接材料的TCE與矽和砷化鎵的TCE值相接近的材料，可以減小機械應力、而可以應用在尺寸較大的晶片，不必使用有機疊層。減小熱不匹配性還可以增強機械的整體性，降低溫度特性的變化，以及增加類比、數位和光學、電子技術的集成能力。圖5則是比較了陶瓷和有機印製電路板材料的熱導率。可以發現，陶瓷材料的熱導率都很高，其中氧化鋁基板的熱導率是PCB有機材料的100倍，LTCC材料的熱導率是有機疊層的20倍。熱導率越高，可以簡化散熱設計，進而提高電路的壽命和可靠性。目前有許多光學元件要求氣密性封裝且熱性能好，但傳統的氣密性封裝技術成本相當高，而要結合陶瓷材料的低溫共燒技術，具有成本低廉的優勢，可以取代傳統的氣密性封裝，並達到高可靠性。圖5：陶瓷和有機PCB材料的導熱率LTCC需面對的問題製作生產過程中，還必須注意的要點包括了，必須在900以下的溫度下燒結成緻密、無氣孔的結構；緻密化溫度不能太低，以免阻止銀漿材料和有機物的排出；加入適當有機材料後可流延成均勻、光滑、有一定強度表面。但是就基板材料而言，LTCC技術並非是業者唯一的選擇，由於LTCC是利用燒結陶瓷材料製作，所以耐衝擊的能力上也就出現了一些問題，例如基板太薄時容易破裂等，但是為了提高抗衝擊而將基板面積做得較小時，那麼被設計在其中的元件數量也就隨之減少。例如，當客戶要求元件不得超過1.2平方毫米時，封裝生產業者或許就會選擇高介電常數或Q值的塑膠材料。另外對於產品而言，是否需要如此小的模組面積，也是產品客戶的考量，就像在目前面積約為3.2平方毫米的GSM手機天線開關模組中，就包括了34個RF濾波器、阻抗匹配電路及其他功能的幾十個零組件。但是，產品客戶未必會花費更多的成本來採用LTCC封裝技術，讓模組的尺寸再縮小到2平方毫米以內，因為，這與客戶所考量的價值性息息相關，與其花費較多的成本只縮小了接近一半模組的面積，倒不如利用這些成本來提高手機的功能性。LTCC已被積極的應用在各領域由於LTCC是以陶瓷為介電材料，具有