微波电路组装工艺研究

CrAu
0 6～7μm ±0.01mm ＜0.5s ＜1
CrAuCuAu 4μm 2～3μm ±0.01mm ＜0.5s ≥4
CrCuAu 4μm 2～3μm ±0.02mm ＜0.05s ≥8
考虑微波电路的综合要求(线厚、精度及焊接性等)选用CrAuCuAu系统作为微波电 路的导带及接地面金属化膜。 (b)厚膜制作 微波电路厚膜制作的关键是线条精度，接地面的金属层一般是Au基合金，其中以 Au-Pt的耐焊性最好。Au-Pt的耐焊性大于10次，如烧结工艺掌握好的话可达70～80次。 Au-Pt膜的可焊性相对来说差一些，但经过适当处理，也能获得较好的可焊性。 (c)LTCC共烧制作 各层之间的通孔、接地面均可用Au制作，整个基板的制作与厚膜制作相同，也以 采用Au-Pt膜为主。 (2)载体可焊性镀层研究 根据产品不同的要求，需选用不同的载体材料，功率大、散热要求高的选AI、 Cu；重量要求轻的选Al、Ti；与Al2O3陶瓷热膨胀系数相近的选可伐合金、42合金等。
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图3 试样示意图 0604.gif (1363 bytes) 图4 板厚比与po的关系
表1 不同薄膜体系的工艺性能状况
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薄膜体系 Cu厚度 金属厚度 线条制作精度 可焊性 耐焊性［2］
微波电路通常频率较高(1GHz以上)，是微波集成电路器件通过微带传输线构成的 一个平面电路、整个无论其图形如何复杂，均可简便地用厚、薄工艺制作在介质片上， 将基片固定于作为接地板的金属基座(载体)上就构成一个完整的电路。这种电路的制作 成本比同功能的波导和同轴电路便宜得多。这种电路由于消除了许多接头，同时带来了 制作重复性好、性能优良、调整方便、体积小、重量轻、可靠性高等优点，得到了广泛 地应用。 微波电路制作一般可分三个阶段。微波器件制作→基板微带线制作并组成功能块→ 与金属基座连接组成微波电路。微波电路由于作用频率高，其接地要求特别高、接地包 括功能块基片接地与功能块与金属基座的接地连接。特别是后者，惯用螺钉连接，由于 连接间的空隙，导致功能块间的串扰(一般≥0.5dB)，插入损耗增加(一般≥1.4dB)，同时 也带来了附加电容与振荡。L波段以上电路已无法获得稳定的电路参数，可靠性低。目 前国外已普遍使用钎接方法来实行“大面积钎接”。国内也开始摸索和使用。大面积钎 接的主要难点在于金属与陶瓷材料的物理、化学性能差异太大，易造成陶瓷开裂、不良 接头、变形等。芯片与微带线互连的长度、拱度，微带线制作的精度等同样是影响微波 性能的要素。本文主要介绍笔者与同仁们在这方面的研究成果。
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电子工艺技术 ELECTRONICS PROCESS TECHNOLOGY
1999年 第20卷 第5期 Vol.20 No.5 1999
微波电路组装工艺研究
王听岳Fra Baidu bibliotek
摘 要：微波电路与低频电路的不同主要在于接地，互连与微带线的制造。微波制 造技术是微波电路设计的一个重要组成部分。对接地的一些关键技术—焊接裂纹、应 力、变形、钎连学等作了研究。同时研究了芯片与微带线间距的互连、微带线制作、材 料的可焊性及焊接过程等制造技术。 关键词：微波电路；接地；微组装
3 焊接工艺研究
焊接工艺研究主要包括三方面的内容：热膨胀系数相异造成的陶瓷开裂；焊接变 形和钎透率(被钎接面积/需焊接面积)。 (1)陶瓷开裂问题 从结构分析、设计；钎料和缓冲层；钎接工艺等几个方面着手研究。 结构分析与设计—通过结构分析和计算，得出了最佳的结构因素。为计算简便起 见，作如下假设：a)不考虑Y、Z方面的变化；b)温度范围设定为20～200℃，仅考虑弹 性变形；c)中心轴的长度保持不变如图3、图4、图5所示。
Technology Research of Microwave Circuits Assembly
WANG Ting-yue Nanjing Electronics Technology Institute，Nanjing 210013，China
Abstract:Microwave circuits differ from lower frequency circuits in ground connection, interconnect and manufacturing of the transmission lines.Manufacturing technologies are a important element of microwave circuits design.In this paper,critical technologies of ground conneetion-soldering crack、stress、deformation and soldering coverage are studied.And other manufacturing technologies-interconnect between the chip and microstrip、manufacture of microstrip、solderability of available materials and soldering process are discussed. Key words:Microwave circuits;Ground connection;Micron-assembly
2 焊接性能研究
陶瓷基片与金属基座焊接时，考虑到陶瓷金属化(薄、厚膜工艺)及MIC器件的特 性，往往采用软钎接办法来实现。陶瓷基片接地面与载体必须具备优良的软钎接性能。 (1)基片接地面的金属化研究 微波电路基片金属化的主要途径是通过薄膜、厚膜和LCTT共烧来实现。 (a)薄膜制作 微波薄膜电路一般采用CrAu膜系统。Cr层作为过渡层以提高金属与陶瓷板的附着 强度，Au作为主导层以满足微波电性能的要求。 采用Au基钎料可以实现CrAu膜与载体的焊接，但Au基钎料价格昂贵，并要在专门 的气控炉中进行，工艺复杂，为此需研究适合普通Sn-Pb钎料的金属膜系。 研究设计了CrAu、CrCuAu、CrAuCuAu三种膜系，并通过不同工艺手段制作出不 同的膜厚。测试结果见表1。
合金 0.50 56000 2.3 42 0.90 90000 1.7
130000 150000
270000 2.1 270000 1.8
可伐合 0.50 11000 2.3 金42 0.90 110000 1.7
160000 190000
270000 1.7 270000 1.4
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图5 界面应力分布
综合考虑，选择r≤1为佳。 WilliamW在42合金和可伐合金上用Au-Ge焊料在400℃时焊接Al2O3，并对应力作了
测定结果。见表2［5］。
表2 应力测定结果
厚度 Al2O3应 应力集 Al2O3最终 Al2O3抗拉 安全 d/mm 力P/Pa 中系数 应力P/Pa 强度P/Pa 系数
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用铜箔(厚0.10～0.20mm)连接面。如图2所示。
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接地通孔设计 空心铆钉 连接销钉
图1 几种典型的接地方式
(a)薄膜接地孔—四周金属化 (b)厚膜接地孔—全孔金属化 (c)多层厚膜，大面积接地， 采用网状孔，孔金属化。 三种方法各有各的技术难点，特别是薄膜金属化孔，目前尚处研究阶段，一次成功 率仅为90%。采用空心铆钉的方法最可靠，但空心铆钉的制作难度较大。 (2)接地包边：为了更大面积的与接地面连接，在条件允许的情况下，可采用直接
图2 包边接地示意图
包边接地比较可靠，但只有在孔径及边带尺寸大的地方进行，而焊接工作也往往只 能靠人工进行，要求操作工人的熟练程度高。 (3)接地面与接地板的大面积焊接：用于替代螺钉连接的大面积焊接，是保证接地 可靠的主要手段。 微波电路中的传输线(微带线)通常在坚固的介质基片(陶瓷、石英……)上用薄膜工 艺(蒸发、溅射……)来制作。随着新技术的发展，微波电路微带线也有用厚膜、LTCC (低温共烧陶瓷)技术制作，近年来也出现非Al2O3的软基片复合材料作基片的，但在S波 段以上，往往还无法替代陶瓷材料。 陶瓷材料与接地板金属的连接，即接地面与接地板的连接。惯用螺钉连接，除去装 配和使用过程中容易造成陶瓷基片碎裂外，它已无法满足微波电路的电、热性能参数的 要求，近年来已被软钎接技术所替代。 由于陶瓷与金属的化学、物理焊接性差异极大，特别热膨胀系数的差异，造成焊接 及使用过程中瓷片开裂、电路失效。这些问题的研究，将在2、3节中叙述。
另外还有与GaAs热膨胀系数相近的Mo，新兴的复合材料AlSiC等，这些载体材料要通 过表面处理才能与陶瓷基片焊接，得到优良的焊接接头。表面处理包括焊接性能良好 的表面镀层和热膨胀系数分配合理的镀层体系。 本研究设计了不同的镀层系列。经环境试验及试样制作，最终选用的体系分别为 ［3］： Al——NiP-Cu-SnPb Cu——Ag Ti——Cu-SnPb 可伐——Ni-Au 42合金——Ni-Au
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1 接地连接的分析和设计
微波电路的接地连接主要影响电路串扰和插入损耗。电路串扰主要是过长的连接线 形成附加电感引起的。插入损耗主要由四分部组成：导体损耗、介质损耗、辐射损耗及 制作工艺的损耗。 导体损耗指金属导带与接地金属面对传输信号 所造成的插入损耗。介质损耗指电磁场在金属导带和接地面中间的介质中传输，由填充 介质引入的插入损耗。焊接缺陷(空洞、孔隙)及其它制作缺陷(介质板、导带¨)均会增 加插入损耗［1］。接地连接的设计原则就是就近接地，大面积(全面积)接地。几种典型 的接地方式是： (1)接地金属化通孔：主要连接微带线与基板接地面。可通过孔金属化、空心铆 钉、连接销钉的方法实现。如图1所示。
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从表2中也可看出金属基座愈薄，对抗裂愈有利。 钎料和缓冲层—选择焊接温度低，塑性好的钎料及应力缓冲层是防止陶瓷开裂的一 个重要手段。研究了多种钎料的可焊性，最终选定In-Sn、Sn-Pb二种钎料作为基本钎 料。［4］［6］缓冲层的结构也很多，材料选择主要是以Mo片、Ti片为主。 钎接工艺—钎接工艺主要根据陶瓷热性能来设计，选用缓慢加热、冷却过程如图6 所示。值得提出的是这种工艺对基片与载体的焊接性能，特别是耐焊性提出了更高的要 求。