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中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0110038-01
由于微波电路工作频率高(通常在1000MHz以上),寄生参数对电路性能影响大,MHMIC本身体积小、组装密度高,因此对电路基板的图形、元器件贴装和丝焊互连等都有很高的精度要求和一致性要求,在设计和制造工艺中要专门加以考虑。在MHMIC制造过程中,将无源电路制作在介质基板上,包括传输线、电感、电容、电阻、空气桥和分析参数元件;特有源器件(以芯片形式或小型封装形式)贴装在电路基板上。
1 无源电路基板制作
无源电路基板采用薄膜或厚膜工艺制作。薄膜工艺具有图形精度高的特点,尤其适合高频电路(可达18GHz),厚膜电路图形精度虽稍低,但适合大批量生产且成本低廉,被广泛用于微波低端(一般在4GHz左右)。
1.1 薄膜电路基板制作
薄膜工艺是采用光刻、蒸发和溅射等工艺将薄膜电感、电容、电阻、空气桥和传输线等制作在介质基板上。选用高纯Al2O3作为介质基板,铬/金作为薄膜导带材料,钽系电阻作为薄膜电阻材料。薄膜电容制作的关键是介质层的制作。在MH-MIC中薄膜电容介质材料通常有SiO、SiO2、Ta2O5、TiO2等,其性能各有优劣。考虑到与电阻工艺兼容,选定以Tn2O5和SiO2,复合介质来构成电容器,既可简化工艺,又可在一定程度上控制电容量。
薄膜电路基板制作的关键是电阻和电容的制作。Ta系电阻工艺比较成熟,为了兼顾电容的制作,电阻膜层厚度为400～500nm,其方阻Rs为6～lOΩ,电阻图形可据此算出。电阻修调时,采用阳极氧化调阻,精度可达5%;采用激光调阻,精度可达1%甚至更佳。薄膜电容采用的是Ta-Ta2O5-SiO2-Cr、Au结构,底层Ta作下电极,阳极氧化的Ta2O5与射频溅时的SiO2为介质,顶层Cr、Au为上电极,电容量大小取决于Ta2O5与SiO2的膜厚以及电极面积大小。
1.2 厚膜微波电路基板制作
厚膜工艺是采用传统的丝网印刷的方法在介质基板上制作传输线、电阻和电容等。由于高频电路对线条精度要求非常高,因此必须制作图形精度高的漏印网版。厚膜微波电路制作的关键在于精细的传输线和电感的制作。丝网印刷和烧结的特点决定了设计出的微波电路图形很难精确地转移为厚膜图形。在图形转移的整个过程中,可以划分为三个过程:① 设计图形→模版图形;② 模版图形→网版图形;③ 网版图形→厚膜图形。在这三个转移过程中,过程①中的转移精度很高,图形转移的偏差主要来源于过程②和③。经过反复试验、分析总结,过程②和③的偏差是有规律可循的。通过补偿和工艺控制,能将全过程偏差控制在±15μm或±20μm之内,电感线圈的线宽和间距为0.2mm,最小线宽和间距可达到0.15mm。
2 微波元器件的高精度贴装和焊接技术
MHMIC工作频率高、体积小、组装密度高,元器件的贴装精度和一致性对MHMIC的电性能有较大影响。在MHMIC中,由于大量采用GaAs MMIC芯片,使元器件数目和元器件间互连线数目减少,提高了MHMIC的集成度和可靠性。由于GaAs MMIC芯片非常薄,且质脆易碎裂,又增加了芯片装配的难度。在MHMIC中采用的元器件尺寸比传统的HMIC中的元器件要小得多,如梁式引线器件尺寸只有0.15～0.25mm²,GaAs MMIC芯片尺寸也只有O.8～9.Omm²。为保证MHMIC达到电性能要求,元器件的装配精度应达到0.025～0.050mm,高于传统的HMIC的贴装精度。因此在MHMIC中微波元器件的装配需要采用专用的自动/半自动高精度贴片机。
微波芯片等元器件的粘接工艺必须满足MHMIC的散热和环境要求,主要工艺方法有环氧导电胶粘接和焊料粘接两种。环氧导电胶粘接工艺已比较成熟,关键在于胶点控制和固化时的芯片污染控制。在小功率元器件粘接和元器件与基板存在热膨胀系数失配的情况下,常采用该工艺。先后选用过国产环氧导电胶(上海合成胶研究所)、中外合资乐泰3880环氧导电胶及美国EPO桾EK H20E环氧导电胶。经筛选,确定采用H20E胶。
3 电路基板与金属载体的焊接
用陶瓷基板制作的厚、薄膜微带电路一般用螺钉安装在封装外壳里。为保证电路与外壳的连接阻抗尽可能小,螺钉应尽量拧紧。由于陶瓷材料的脆性,安装过程中易造成碎裂使电路报废。为此先将陶瓷基板焊在一块金属载体上,安装时用螺钉将金属载体连同陶瓷基板一同安装在外壳之中,既保证了良好的接地性能,又避免了螺钉直接固定在陶瓷板上而产生碎裂。
电路基板与金属载体焊接的关键问题是基板与载体间的失配。常用的金属载体材料有铝合金和柯伐。
铝合金具有重量轻、导电导热性能好及价格低等优点。但铝表面有一层熔点很高(2050℃)的氧化铝膜,较难去除,可焊性差,且铝与陶瓷的α相差较大,焊后易变形,甚至会引起陶瓷开裂。为此采取如下工艺措施:① 对铝表面进行化学涂覆,既可保证铝材钎焊时表面的可焊性,又可防止铝软钎焊时在界面处和钎缝上发生腐蚀;② 采用软钎焊方法,以减少焊后残余应力,减少变形;③ 设计特殊夹具,在被连接的材料中间夹接一层材料,该材料具有α适中、弹性模量小、塑性好、能较好释放焊接应力等特性。采取以上措施后,获得了平整的铝基板裁体焊件。
4 微波元器件与电路基板的丝焊互连
微波元器件与电路基板的丝焊互连时,必须尽量实现元器件焊盘与焊丝之间、焊丝与电路基板上焊盘之间的阻抗匹配。采用专用的热压球焊或劈刀丝焊设备进行,且必须严格控制焊丝的位置、压焊的压力、功率和焊丝电感等工艺参数。在焊盘大小允许的情况下采用2～3根焊丝,焊丝要尽量贴近芯片和电路基板,长度要尽可能短。丝焊温度应定在相对较低的温度(150℃),以避免高温引起器件可靠性降低。对批量生产的MH-MIC,还必须控制MHMIC之间丝焊的一致性和重复性,以保证同一批量MHMIC的相幅一致性满足性能指标要求。
5 结论
与传统的HMIC相比,MHMIC具有外形尺寸小、重量轻、集成度和组装密度高、可靠性高等优点,而且设计灵活、方便,电性能调试简单易行(可通过在微波电路基板上制作一些可调节单元,需要时用丝焊将调节单元与微带电路连上,以获得最佳的电性能),因此在相控阵雷达、卫星通讯等领域获得了广泛的应用。
作者简介:
谢颖(1981-),男,工艺师,就职于四川省绵阳市九洲电器集团有限责任公司工艺技术管理部。
由于微波电路工作频率高(通常在1000MHz以上),寄生参数对电路性能影响大,MHMIC本身体积小、组装密度高,因此对电路基板的图形、元器件贴装和丝焊互连等都有很高的精度要求和一致性要求,在设计和制造工艺中要专门加以考虑。在MHMIC制造过程中,将无源电路制作在介质基板上,包括传输线、电感、电容、电阻、空气桥和分析参数元件;特有源器件(以芯片形式或小型封装形式)贴装在电路基板上。
1 无源电路基板制作
无源电路基板采用薄膜或厚膜工艺制作。薄膜工艺具有图形精度高的特点,尤其适合高频电路(可达18GHz),厚膜电路图形精度虽稍低,但适合大批量生产且成本低廉,被广泛用于微波低端(一般在4GHz左右)。
1.1 薄膜电路基板制作
薄膜工艺是采用光刻、蒸发和溅射等工艺将薄膜电感、电容、电阻、空气桥和传输线等制作在介质基板上。选用高纯Al2O3作为介质基板,铬/金作为薄膜导带材料,钽系电阻作为薄膜电阻材料。薄膜电容制作的关键是介质层的制作。在MH-MIC中薄膜电容介质材料通常有SiO、SiO2、Ta2O5、TiO2等,其性能各有优劣。考虑到与电阻工艺兼容,选定以Tn2O5和SiO2,复合介质来构成电容器,既可简化工艺,又可在一定程度上控制电容量。
薄膜电路基板制作的关键是电阻和电容的制作。Ta系电阻工艺比较成熟,为了兼顾电容的制作,电阻膜层厚度为400～500nm,其方阻Rs为6～lOΩ,电阻图形可据此算出。电阻修调时,采用阳极氧化调阻,精度可达5%;采用激光调阻,精度可达1%甚至更佳。薄膜电容采用的是Ta-Ta2O5-SiO2-Cr、Au结构,底层Ta作下电极,阳极氧化的Ta2O5与射频溅时的SiO2为介质,顶层Cr、Au为上电极,电容量大小取决于Ta2O5与SiO2的膜厚以及电极面积大小。
1.2 厚膜微波电路基板制作
厚膜工艺是采用传统的丝网印刷的方法在介质基板上制作传输线、电阻和电容等。由于高频电路对线条精度要求非常高,因此必须制作图形精度高的漏印网版。厚膜微波电路制作的关键在于精细的传输线和电感的制作。丝网印刷和烧结的特点决定了设计出的微波电路图形很难精确地转移为厚膜图形。在图形转移的整个过程中,可以划分为三个过程:① 设计图形→模版图形;② 模版图形→网版图形;③ 网版图形→厚膜图形。在这三个转移过程中,过程①中的转移精度很高,图形转移的偏差主要来源于过程②和③。经过反复试验、分析总结,过程②和③的偏差是有规律可循的。通过补偿和工艺控制,能将全过程偏差控制在±15μm或±20μm之内,电感线圈的线宽和间距为0.2mm,最小线宽和间距可达到0.15mm。
2 微波元器件的高精度贴装和焊接技术
MHMIC工作频率高、体积小、组装密度高,元器件的贴装精度和一致性对MHMIC的电性能有较大影响。在MHMIC中,由于大量采用GaAs MMIC芯片,使元器件数目和元器件间互连线数目减少,提高了MHMIC的集成度和可靠性。由于GaAs MMIC芯片非常薄,且质脆易碎裂,又增加了芯片装配的难度。在MHMIC中采用的元器件尺寸比传统的HMIC中的元器件要小得多,如梁式引线器件尺寸只有0.15～0.25mm²,GaAs MMIC芯片尺寸也只有O.8～9.Omm²。为保证MHMIC达到电性能要求,元器件的装配精度应达到0.025～0.050mm,高于传统的HMIC的贴装精度。因此在MHMIC中微波元器件的装配需要采用专用的自动/半自动高精度贴片机。
微波芯片等元器件的粘接工艺必须满足MHMIC的散热和环境要求,主要工艺方法有环氧导电胶粘接和焊料粘接两种。环氧导电胶粘接工艺已比较成熟,关键在于胶点控制和固化时的芯片污染控制。在小功率元器件粘接和元器件与基板存在热膨胀系数失配的情况下,常采用该工艺。先后选用过国产环氧导电胶(上海合成胶研究所)、中外合资乐泰3880环氧导电胶及美国EPO桾EK H20E环氧导电胶。经筛选,确定采用H20E胶。
3 电路基板与金属载体的焊接
用陶瓷基板制作的厚、薄膜微带电路一般用螺钉安装在封装外壳里。为保证电路与外壳的连接阻抗尽可能小,螺钉应尽量拧紧。由于陶瓷材料的脆性,安装过程中易造成碎裂使电路报废。为此先将陶瓷基板焊在一块金属载体上,安装时用螺钉将金属载体连同陶瓷基板一同安装在外壳之中,既保证了良好的接地性能,又避免了螺钉直接固定在陶瓷板上而产生碎裂。
电路基板与金属载体焊接的关键问题是基板与载体间的失配。常用的金属载体材料有铝合金和柯伐。
铝合金具有重量轻、导电导热性能好及价格低等优点。但铝表面有一层熔点很高(2050℃)的氧化铝膜,较难去除,可焊性差,且铝与陶瓷的α相差较大,焊后易变形,甚至会引起陶瓷开裂。为此采取如下工艺措施:① 对铝表面进行化学涂覆,既可保证铝材钎焊时表面的可焊性,又可防止铝软钎焊时在界面处和钎缝上发生腐蚀;② 采用软钎焊方法,以减少焊后残余应力,减少变形;③ 设计特殊夹具,在被连接的材料中间夹接一层材料,该材料具有α适中、弹性模量小、塑性好、能较好释放焊接应力等特性。采取以上措施后,获得了平整的铝基板裁体焊件。
4 微波元器件与电路基板的丝焊互连
微波元器件与电路基板的丝焊互连时,必须尽量实现元器件焊盘与焊丝之间、焊丝与电路基板上焊盘之间的阻抗匹配。采用专用的热压球焊或劈刀丝焊设备进行,且必须严格控制焊丝的位置、压焊的压力、功率和焊丝电感等工艺参数。在焊盘大小允许的情况下采用2～3根焊丝,焊丝要尽量贴近芯片和电路基板,长度要尽可能短。丝焊温度应定在相对较低的温度(150℃),以避免高温引起器件可靠性降低。对批量生产的MH-MIC,还必须控制MHMIC之间丝焊的一致性和重复性,以保证同一批量MHMIC的相幅一致性满足性能指标要求。
5 结论
与传统的HMIC相比,MHMIC具有外形尺寸小、重量轻、集成度和组装密度高、可靠性高等优点,而且设计灵活、方便,电性能调试简单易行(可通过在微波电路基板上制作一些可调节单元,需要时用丝焊将调节单元与微带电路连上,以获得最佳的电性能),因此在相控阵雷达、卫星通讯等领域获得了广泛的应用。
作者简介:
谢颖(1981-),男,工艺师,就职于四川省绵阳市九洲电器集团有限责任公司工艺技术管理部。