陶瓷薄膜电路在T/R组件中应用优势

 陶瓷薄膜电路板精密度高、集成度高，散热性和绝缘性都很好，可以制造精度比较高(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。因此陶瓷薄膜电路在T/R组件中广泛应用。今天小编来分享一下为何陶瓷薄膜电路如此受欢迎呢？

一，薄膜陶瓷电路，不仅可以做精密电路，还可以做多层陶瓷电路技术

     薄膜多层陶瓷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。

薄膜陶瓷多层电路技术，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。

二，薄膜电路技术的优势决定了T/R组件基板应用

1，薄膜陶瓷多层互连基板，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。

2，薄膜陶瓷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。

薄膜陶瓷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，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(4~5)，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。

T/R组件是雷达的核心，一个雷达有成千上万个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。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，采用低温共烧来研制和生产T/R组件成为必然选择。如下图所示。

三，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在T/R组件中应用

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175px×225px×40px,工作频率16.0~16.5GHz,峰值功率3.9~4.4 W,电压调谐范围2.5~2.9,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16.5mm×707.5px×1.8 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)(3.0～6.0GHz)，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30~38 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。

3.3，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9~15μm)，用Ti-Au-Ti或Cr-Au-Cr做导带(Au厚度2~3μm)，制作的4层金属、3层介质的多层互连结构。

3.4，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。

3.5，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。

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。

                                                                                                                                     以上内容大部分来自AET网站