微波電路通常頻率較高（1GHz以上），是微波集成電路器件通過微帶傳輸線構(gòu)成的一個平面電路、整個無論其圖形如何復(fù)雜，均可簡便地用厚、薄工藝制作在介質(zhì)片上，將基片固定于作為接地板的金屬基座（載體）上就構(gòu)成一個完整的電路。這種電路的制作成本比同功能的波導(dǎo)和同軸電路便宜得多。這種電路由于消除了許多接頭，同時帶來了制作重復(fù)性好、性能優(yōu)良、調(diào)整方便、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，得到了廣泛地應(yīng)用。

微波電路制作一般可分三個階段。微波器件制作→基板微帶線制作并組成功能塊→與金屬基座連接組成微波電路。微波電路由于作用頻率高，其接地要求特別高、接地包括功能塊基片接地與功能塊與金屬基座的接地連接。特別是后者，慣用螺釘連接，由于連接間的空隙，導(dǎo)致功能塊間的串?dāng)_（一般≥0.5dB），插入損耗增加（一般≥1.4dB），同時也帶來了附加電容與振蕩。L波段以上電路已無法獲得穩(wěn)定的電路參數(shù)，可靠性低。目前國外已普遍使用釬接方法來實行“大面積釬接”。國內(nèi)也開始摸索和使用。大面積釬接的主要難點在于金屬與陶瓷材料的物理、化學(xué)性能差異太大，易造成陶瓷開裂、不良接頭、變形等。芯片與微帶線互連的長度、拱度，微帶線制作的精度等同樣是影響微波性能的要素。本文主要介紹筆者與同仁們在這方面的研究成果。

1　接地連接的分析和設(shè)計

微波電路的接地連接主要影響電路串?dāng)_和插入損耗。電路串?dāng)_主要是過長的連接線形成附加電感引起的。插入損耗主要由四分部組成：導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、輻射損耗及制作工藝的損耗。

導(dǎo)體損耗指金屬導(dǎo)帶與接地金屬面對傳輸信號

所造成的插入損耗。介質(zhì)損耗指電磁場在金屬導(dǎo)帶和接地面中間的介質(zhì)中傳輸，由填充介質(zhì)引入的插入損耗。焊接缺陷（空洞、孔隙）及其它制作缺陷（介質(zhì)板、導(dǎo)帶¨）均會增加插入損耗［1］。接地連接的設(shè)計原則就是就近接地，大面積（全面積）接地。幾種典型的接地方式是：

（1）接地金屬化通孔：主要連接微帶線與基板接地面?？赏ㄟ^孔金屬化、空心鉚釘、連接銷釘?shù)姆椒▽崿F(xiàn)。如圖1所示。

接地通孔設(shè)計

空心鉚釘

連接銷釘

圖1　幾種典型的接地方式

（a）薄膜接地孔—四周金屬化

（b）厚膜接地孔—全孔金屬化

（c）多層厚膜，大面積接地，

采用網(wǎng)狀孔，孔金屬化。

三種方法各有各的技術(shù)難點，特別是薄膜金屬化孔，目前尚處研究階段，一次成功率僅為90%。采用空心鉚釘?shù)姆椒ㄗ羁煽?，但空心鉚釘?shù)闹谱麟y度較大。

（2）接地包邊：為了更大面積的與接地面連接，在條件允許的情況下，可采用直接用銅箔（厚0.10～0.20mm）連接面。如圖2所示。

圖2　包邊接地示意圖

包邊接地比較可靠，但只有在孔徑及邊帶尺寸大的地方進(jìn)行，而焊接工作也往往只能靠人工進(jìn)行，要求操作工人的熟練程度高。

（3）接地面與接地板的大面積焊接：用于替代螺釘連接的大面積焊接，是保證接地可靠的主要手段。

微波電路中的傳輸線（微帶線）通常在堅固的介質(zhì)基片（陶瓷、石英……）上用薄膜工藝（蒸發(fā)、濺射……）來制作。隨著新技術(shù)的發(fā)展，微波電路微帶線也有用厚膜、LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)制作，近年來也出現(xiàn)非Al2O3的軟基片復(fù)合材料作基片的，但在S波段以上，往往還無法替代陶瓷材料。

陶瓷材料與接地板金屬的連接，即接地面與接地板的連接。慣用螺釘連接，除去裝配和使用過程中容易造成陶瓷基片碎裂外，它已無法滿足微波電路的電、熱性能參數(shù)的要求，近年來已被軟釬接技術(shù)所替代。

由于陶瓷與金屬的化學(xué)、物理焊接性差異極大，特別熱膨脹系數(shù)的差異，造成焊接及使用過程中瓷片開裂、電路失效。這些問題的研究，將在2、3節(jié)中敘述。

2　焊接性能研究

陶瓷基片與金屬基座焊接時，考慮到陶瓷金屬化（薄、厚膜工藝） 及MIC器件的特性，往往采用軟釬接辦法來實現(xiàn)。陶瓷基片接地面與載體必須具備優(yōu)良的軟釬接性能。

（1）基片接地面的金屬化研究

微波電路基片金屬化的主要途徑是通過薄膜、厚膜和LCTT共燒來實現(xiàn)。

（a）薄膜制作

微波薄膜電路一般采用CrAu膜系統(tǒng)。Cr層作為過渡層以提高金屬與陶瓷板的附著強(qiáng)度，Au作為主導(dǎo)層以滿足微波電性能的要求。

采用Au基釬料可以實現(xiàn)CrAu膜與載體的焊接，但Au基釬料價格昂貴，并要在專門的氣控爐中進(jìn)行，工藝復(fù)雜，為此需研究適合普通Sn-Pb釬料的金屬膜系。

研究設(shè)計了CrAu、CrCuAu、CrAuCuAu三種膜系，并通過不同工藝手段制作出不同的膜厚。測試結(jié)果見表1。

表1　不同薄膜體系的工藝性能狀況

考慮微波電路的綜合要求（線厚、精度及焊接性等）選用 CrAuCuAu系統(tǒng)作為微波電路的導(dǎo)帶及接地面金屬化膜。

（b）厚膜制作

微波電路厚膜制作的關(guān)鍵是線條精度，接地面的金屬層一般是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，如燒結(jié)工藝掌握好的話可達(dá)70～80次。Au-Pt膜的可焊性相對來說差一些，但經(jīng)過適當(dāng)處理，也能獲得較好的可焊性。

（c）LTCC共燒制作

各層之間的通孔、接地面均可用Au制作，整個基板的制作與厚膜制作相同，也以采用Au-Pt膜為主。

（2）載體可焊性鍍層研究

根據(jù)產(chǎn)品不同的要求，需選用不同的載體材料，功率大、散熱要求高的選AI、Cu；重量要求輕的選Al、Ti；與Al2O3陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的選可伐合金、42合金等。另外還有與GaAs熱膨脹系數(shù)相近的Mo，新興的復(fù)合材料AlSiC等，這些載體材料要通過表面處理才能與陶瓷基片焊接，得到優(yōu)良的焊接接頭。表面處理包括焊接性能良好的表面鍍層和熱膨脹系數(shù)分配合理的鍍層體系。

本研究設(shè)計了不同的鍍層系列。經(jīng)環(huán)境試驗及試樣制作，最終選用的體系分別為：

Al——NiP-Cu-SnPb

Cu——Ag

Ti——Cu-SnPb

可伐——Ni-Au

42合金——Ni-Au

3　焊接工藝研究

焊接工藝研究主要包括三方面的內(nèi)容：熱膨脹系數(shù)相異造成的陶瓷開裂；焊接變形和釬透率（被釬接面積/需焊接面積）。

（1）陶瓷開裂問題

從結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計；釬料和緩沖層；釬接工藝等幾個方面著手研究。

結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計—通過結(jié)構(gòu)分析和計算，得出了最佳的結(jié)構(gòu)因素。為計算簡便起見，作如下假設(shè)：a）不考慮Y、Z方面的變化；b）溫度范圍設(shè)定為 20～200℃，僅考慮彈性變形；c）中心軸的長度保持不變?nèi)鐖D3、圖4、圖5所示。

圖3　試樣示意圖

圖4　板厚比與po的關(guān)系

圖5　界面應(yīng)力分布

綜合考慮，選擇r≤1為佳。

WilliamW在42合金和可伐合金上用Au-Ge焊料在400℃時焊接Al2O3，并對應(yīng)力作了測定結(jié)果。見表2。

表2　應(yīng)力測定結(jié)果

從表2中也可看出金屬基座愈薄，對抗裂愈有利。

釬料和緩沖層—選擇焊接溫度低，塑性好的釬料及應(yīng)力緩沖層是防止陶瓷開裂的一個重要手段。研究了多種釬料的可焊性，最終選定In-Sn、Sn-Pb二種釬料作為基本釬料。［4］［6］緩沖層的結(jié)構(gòu)也很多，材料選擇主要是以Mo片、Ti片為主。

釬接工藝—釬接工藝主要根據(jù)陶瓷熱性能來設(shè)計，選用緩慢加熱、冷卻過程如圖6所示。值得提出的是這種工藝對基片與載體的焊接性能，特別是耐焊性提出了更高的要求。

圖6　典型溫度曲線（Sn-Pb釬料）

（2）焊接變形

焊接變形主要影響最終裝配質(zhì)量，變形大時，在最終裝配時不會引起開裂。變形必須控制在一定的范圍內(nèi)。

控制變形的方法是載體材料、厚度的正確選擇和焊接夾具的設(shè)計。

選用夾具，控制變形，將增加應(yīng)力，不利于防裂，為此夾具的壓力必須合適。壓力是保證間隙、焊接質(zhì)量和減少焊后變形的關(guān)鍵因素，要在整個加熱過程中維護(hù)適當(dāng)?shù)膲毫Γ菉A具設(shè)計的原則。

通常設(shè)計要求為變形小于0.1mm/100mm，正確設(shè)計夾具及焊接工藝，研究的實測變形一般在0.03～0.05mm之間。

（3）釬透率

釬透率直接反映了接地效果，是整個技術(shù)的重要指標(biāo)，要在100mm×100mm（研究目標(biāo)）內(nèi)達(dá)到高指標(biāo)，是一個難題。在焊接預(yù)置、載體開槽及打孔、夾具空隙等方面作了研究，使釬接率達(dá)到85%以上（一般可達(dá)90%）如載體金屬打工藝孔，可使釬接率從40%～50%上升到90%。開槽可控制被焊接的位置，在電性能上獲得了良好的效果。目前正在研究網(wǎng)格載體與電性能的關(guān)系，如獲得突破，則釬透率問題就將最終獲得解決。

4　討論與實例

Al2O3— Al產(chǎn)品的實例，其技術(shù)指標(biāo)如下：

工作頻率　　1200～1400MHz

組件尺寸　　40mm×90mm

釬透率　　　90.28%

焊后變形　　≤0.01mm

接觸電阻　　≤0.02Ω

插入損耗　　≤0.06db

串　擾　　　≤0.1db

熱循環(huán)次數(shù)　≥45次

微波電路組裝技術(shù)的研究，是一個電、結(jié)構(gòu)及工藝的綜合性課題。目前這項研究工作已應(yīng)用于實踐，共制作組件2000余件，并獲得明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。