[科普]小型化的微波產(chǎn)品工藝知識

一.小型化微波產(chǎn)品射頻電路的典型結(jié)構(gòu)型式

隨著軍事工業(yè)產(chǎn)品的開展，對于微波產(chǎn)品要求小型化、高可靠性與穩(wěn)定性的要求，微波產(chǎn)品傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)已不能滿足要求；國外在80年代開始開展薄膜技術(shù)、微組裝技術(shù)以及相關(guān)的材料應(yīng)用，使產(chǎn)品小型化完全能夠?qū)崿F(xiàn)，已在國內(nèi)外進(jìn)入大量工業(yè)應(yīng)用階段，其典型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如下：裸裝芯片和薄膜電路、LTCC電路共晶焊在載板上，載板共晶焊在鋁或銅盒體上，熱匹配原因載板材料通常采用可瓦合金、鎢銅合金、鉬銅合金；為了更高的可靠性，可以采用激光封焊技術(shù)對產(chǎn)品盒體進(jìn)行整體封裝。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品有很明顯優(yōu)勢，體積為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分之一屬于常態(tài)、整體材料系導(dǎo)熱性良好、電路及互連線均為純金，所以小型化、高溫可靠性、長期穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性得以保證。

二.薄膜電路（Thin-Fi lm Circuits）

1 產(chǎn)品特性

薄膜電路是在沉積不同金屬膜的絕緣基片上,順利獲得精密光刻和薄膜工藝來制成包含高性能電感、電阻和導(dǎo)線的電路. 將元件和其他所需器件同時放在此電路基片上,即可形成高性能和高可靠性的混合微波集成電路(HMIC)。此電路的優(yōu)點是體積小、重量輕、熱耗散好、高頻率和寬帶性能及高可靠性, 可以工作于1-40GHz直至毫米波、太赫茲波段，對于石英基材的薄膜電路可以工作于太赫茲。適用于無線通信設(shè)備的應(yīng)用。

2 基板類型及材料特性

藍(lán)寶石（sapphire ）：相對介電常數(shù) (εr)-11.5；損耗 (@ 1MHz)—0.00086

材料選用和頻率相關(guān)，推薦如下：

    ＜6～8GHz   0.025”厚度Al2O3   

    ＜12GHz   0.020”厚度Al2O3 

    ＜25～26GHz   0.015”厚度Al2O3 

    ＜30～32GHz   0.010”厚度Al2O3 

    ＜60～70GHz   0.005”厚度Al2O3 

    ＜70～80 GHz   0.010”厚度石英

    ＜130～140 GHz   0.005”厚度石英

    ＞140 GHz     ＜0.005”厚度石英

3 薄膜電路選型

幾點說明

3.1 基板材料

99.6％Al2O3：根據(jù)美國的使用，95%以上的薄膜產(chǎn)品基片材料選用99.6％Al2O3，相比較其它材料，它的損耗較低，彎曲強(qiáng)度特好，熱導(dǎo)率較好，特別是工藝的進(jìn)步,厚度0.254mm/0.127mm的基片質(zhì)量穩(wěn)定，所以大量采用，加之穩(wěn)定的共晶工藝，可以與氧化鈹（BeO）材料的優(yōu)良散熱性媲美。

氮化鋁（AlN）：散熱性較好，但高頻損耗大。

氧化鈹（BeO）：散熱性極好，損耗較?。灰蚱洵h(huán)保問題，逐漸被淘汰，

石英（SiO2）：損耗極小，散熱性差，在毫米波段至太赫茲有應(yīng)用。

3.2 基片表面粗糙度

基片表面粗糙度通常為0.05～0.1μm;較好的解決了損耗和金屬與基板材料結(jié)合性問題。

3.3 電阻

采用TaN，50Ω/方電阻。

TaN電阻值理論可取10～200Ω/方，但其工藝穩(wěn)定區(qū)域為10～100Ω/方；為了標(biāo)化和成本一般取50Ω/方。

NiCr電阻也是可用做電阻薄膜的材料之一，阻值可取40～400Ω/方，但其穩(wěn)定性較TaN差， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 不采用。

3.4 最小電阻尺寸：50μm

20μm也可以制做，但會造成電阻精度較低，所以一般設(shè)計電路時盡量避免。

3.5 電路焊盤

金線焊接通常有兩種方式：楔形焊接（wedge bonding）和球形焊接（ball bonding），給予金線焊接的可靠性，根據(jù)不同工藝焊盤的最小尺寸如下表。

但對于結(jié)構(gòu)需要導(dǎo)線較窄，同時需要金線焊接，例如耦合器，焊盤結(jié)構(gòu)處理見下圖：

3.6 石英基材的薄膜電路。

以石英為基材的薄膜電路可以應(yīng)用到太赫茲，電路厚度最小可以到0.03mm，最常用厚度尺寸：0.05mm；0.076mm；0.127mm；0.254mm；其電路圖形精度同通用電路，外形公差可以精確到0.015mm；本材料的使用需關(guān)注熱變匹配問題。

3.7 電路的接地

電路的接地有兩種方式：電路通孔金屬化接地和金帶焊接（welding）接地。

通孔金屬化接地：主要針對結(jié)構(gòu)空間小同時大電流情況下采用此方案，因其電路制造周期和成本問題，較少采用此方法。

金帶焊接（AU Ribbon Welding）接地：

方法一因組裝簡便可靠，最為常用。方法二組裝繁瑣，僅在結(jié)構(gòu)受限情況下采用。

4 薄膜電路工藝規(guī)范

1.0 目的

1.1本文件定義了薄膜電路的設(shè)計準(zhǔn)則并適用于華誠制造的所有薄膜電路。

1.2本文件有三部分：

        1. 基本設(shè)計原則。

        2. 光刻板的設(shè)計要求。

        3. 電阻設(shè)計原則。

2.0 基本設(shè)計原則

2.1 基板材料、厚度必須確定。

2.2 基板表面金屬必須定義，包括基板兩面的金屬類型、厚度和公差。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 通?；逭鍭u的

厚度為 3.4～4.0μm (135～160 microinches)； ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 通常基板背面Au的厚度為大于1μm (40microinches)。

2.3 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的標(biāo)準(zhǔn)工藝要求電路外形必需為正方形或長方形。

2.4 所有電路的特征形狀需由直線、圓弧、或它們的組合構(gòu)成；不規(guī)則曲線不允許。 

2.5刻蝕法：最小導(dǎo)線的線寬為10μm (約0.0004")，此適用于Au的厚度≤4μm (約160 microinches)。電鍍法：最小導(dǎo)線的線寬為20μm (約0.0004")，此適用于Au的厚度≤4μm (約160 microinches) .

2.6 刻蝕法：導(dǎo)線的間隙最小為20μm (約0.0008"), 此適用于Au的厚度≤4μm (約160 microinches); 15μm (約0.0006”) 的間隙也可達(dá)到。電鍍法：導(dǎo)線的間隙最小可做到10μm (約0.0004")，此適用于Au的厚度≤4μm (約160 microinches)。

2.7關(guān)鍵部位尺寸公差為 ±2.5μm (±0.0001"),此適用于Au的厚度≤4μm (約160 microinches)；非關(guān)鍵部位尺寸公差為±7.6μm (±0.0003")。

2.8 Au的厚度標(biāo)準(zhǔn)公差為±20％。

2.9 電阻的長度、寬度最小值為50.8μm (0.002")。

2.10 TaN電阻有穩(wěn)定的薄膜電阻值為50 ohms/square;如果需要,其它阻值可定制。電阻的標(biāo)準(zhǔn)公差為±10％。

2.11 含有薄膜電阻的電路必需設(shè)計一個獨立的50 ohms 測試電阻，這對于無測試電阻的電路設(shè)計是尤為重要。

2.12 導(dǎo)線和電阻距電路邊沿最小距離為50μm (約0.002")。（見圖1）

2.13 所有電路在導(dǎo)線層應(yīng)有識別標(biāo)示。（見圖1）

2.14 切割標(biāo)記位于導(dǎo)線層，推薦標(biāo)記尺寸為0.1mmx0.5mm (0.004”x0.02”)十字架（見圖2）所示。

2.15 標(biāo)準(zhǔn)的最終電路尺寸公差為±50μm (0.002")。

3.5 電路排布圖

3.5.1 光刻板的排列布置依據(jù)電路的尺寸和定制數(shù)量，排列布置確定基片尺寸、利用率及最后電路的造價。如果用戶自己排列布置光刻板，請聯(lián)系 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 以確定最佳方式。標(biāo)準(zhǔn)的排列尺寸是2.0″×2.0″(50.8 mm×50.8mm),2.25″×2.25″(57.2 mm×57.2 mm)和 3.0″×3.0″(76.2 mm×76.2mm)。

3.6 基片材料

下面是材料系列

其它材料也可以供應(yīng)，包括氧化鈹(BeO)、氮化鋁（AlN）、石英。

4.0 電阻設(shè)計準(zhǔn)測

4.1 電阻的阻值由電阻的長度對寬度比例來決定，并用多少“squares” 來表示。

4.2 計算電阻阻值的方程式：

R = s(L/W)

R=電阻值（單位：ohms）

s=薄膜電阻值（單位:ohms/square）

L=電阻的長度尺寸

W=電阻的寬度尺寸

4.3 電阻的長度永遠(yuǎn)是指平行于電流方向的電阻尺寸。

4.4 電阻在角部（例如：L形或折彎形）的正方形，取薄膜電阻值的二分之一（見圖5）。

4.5 電阻的類型

4.5.1 矩形形狀：最常用類型電阻（見圖6）。

4.5.2 L形或折彎形狀：電阻在角部（例如：L形或折彎形）的正方形，取薄膜電阻值的二分之一。（見圖7）

4.5.3 蛇彎形狀：該形狀通常用于大阻值的電阻，角部的數(shù)量使電阻值計算變得復(fù)雜，電阻在角部（例 如：L形或折彎形）的正方形，取薄膜電阻值的二分之一。（見圖8）

5 薄膜電路制造標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883（美國軍用標(biāo)準(zhǔn)微電子器件試驗方法和程序）規(guī)范

6 薄膜電阻額定功率計算

6.1 簡單計算電阻額定功率

以下計算是基于99.6%AL2O3基片焊接于載體為0.635mm的科瓦合金。

a)以50歐姆/方為例：額定電流和電阻的寬度成正比例，通常計算按每1微米電阻寬度，額定電流為0.5～0.8毫安。

b)AU導(dǎo)線：額定電流和截面積成正比，一平方微米的額定電流為6～8毫安

6.2 精確計算電阻額定功率

電阻額定功率計算是基于熱分析基礎(chǔ)，TaN電阻本身的高溫性能很好，即使在400℃，其物理性能也穩(wěn)定，所以熱分析主要為高溫對系統(tǒng)參數(shù)的影響。

熱分析時主要影響參數(shù)：

功率密度（W/CM2）：功率密度是一個重要參數(shù)。

電阻尺寸：小尺寸的電阻，可以承受更大的功率密度，例如127微米的獨立方阻可以承受的功率密度2300W/CM2。

電路基板：基板的厚度，在大功率情況下對于熱傳導(dǎo)影響巨大。

載體材料：不同的載體材料，會影響電阻的熱傳導(dǎo)，如：鎢銅合金明顯優(yōu)于科瓦合金。 

下圖為電阻的熱分析數(shù)據(jù)：

測試狀態(tài)：0.381MM的99.6%AL2O3基片，電阻功率密度310W/CM2，工作環(huán)境溫度85℃；載體為0.635mm的科瓦合金和鎢銅合金。

三 微組裝工藝技術(shù)

微波行業(yè)的微組裝工藝是基于微波產(chǎn)品小型化過程中，產(chǎn)品組裝特點而形成的一套工藝技術(shù)規(guī)范，相比較傳統(tǒng)電裝工藝，無論從環(huán)境、設(shè)備、輔助材料、工藝方法、人員要求培訓(xùn)等方面完全不同，該工藝技術(shù)在90年代已在國外成熟運(yùn)用，國內(nèi)在最近十年已開始運(yùn)用薄膜電路和LTCC電路制造，現(xiàn)在已有工業(yè)化生產(chǎn)的專業(yè)企業(yè)；盒體、載板及涂敷技術(shù)與原有軍品的盒體及涂敷技術(shù)雷同；對于微波產(chǎn)品制造商而言，建立自己的微組裝工藝體系最為關(guān)鍵，微組裝技術(shù)以工藝過程劃分，主要有如下：

a）清洗

清洗是微組裝過程中關(guān)系到產(chǎn)品可靠性的重要環(huán)節(jié)，原傳統(tǒng)電裝采用的化學(xué)和超聲波清洗不能滿足要求，通常采用合理的化學(xué)和等離子清洗，等離子清洗時介質(zhì)氣體的選擇使用比較關(guān)鍵。

b）器件固定                                   

以采用共晶焊接為主，焊料選擇必須考慮到能滿足整體工藝組裝要求，要考慮器件散熱、金屬系的匹配、浸潤性、合理的焊接溫度匹配，焊料用量的控制和浸潤無空氣穴需加控制；導(dǎo)電膠粘接也是方法之一，接地電阻和可靠凝固需關(guān)注。                                  

c）互連

常用互連方法是金線、金帶焊接（wire bonging、Ribbon welding）；金線互連分為球型焊接和楔型焊接（ball bonding、wedge bonding），焊接過程中建立其一致性的規(guī)范由為重要。

d）監(jiān)控

顯微鏡目測器件及互連可靠性、金線拉力測試、器件固定后的剪切力測試。

e）封焊

是基于上述工藝穩(wěn)定可靠后，對于可靠性要求極高的產(chǎn)品，采用的一種工藝技術(shù)，常用的有平行縫焊和激光焊接技術(shù)。

f）檢漏

基于密封的結(jié)果監(jiān)測，與原密封監(jiān)測的設(shè)備和過程相同。

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