基于LTCC基板的K頻段多通道發(fā)射組件

郝金中，張 瑜

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

?

基于LTCC基板的K頻段多通道發(fā)射組件

郝金中，張 瑜

(中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051)

介紹了一種基于LTCC基板的K頻段多通道發(fā)射組件。為了更好地滿足散熱要求，盒體采用了高導(dǎo)熱率的無氧銅材料。針對無氧銅盒體與LTCC基板間熱膨脹系數(shù)的差異，提出了一種將LTCC基板過渡到鉬銅載體，再將鉬銅載體燒焊到無氧銅盒體的工藝流程。組件有8個通道，各路通道輸出功率為25 dBm，具有6位移相、5位衰減。研制結(jié)果表明組件性能優(yōu)越、尺寸小、散熱好，在高溫85℃條件下工作時可以保證殼溫≤90℃，長期工作可靠性高。

發(fā)射組件；K頻段；無氧銅；散熱

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，頻譜資源越來越擁擠，K頻段以及更高頻段的微波、毫米波系統(tǒng)將迅速興起[1]。K頻段是目前電子技術(shù)發(fā)展的主要頻段之一，介于微波和毫米波之間，因此它的特性集中反映了毫米波和微波的許多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于雷達、衛(wèi)星通信、電子對抗和測試技術(shù)等方面[2]。K頻段T組件的功能是將發(fā)射信號進行配相和高功率放大后，饋送至天線輻射單元。

本文介紹的八通道發(fā)射組件，基板采用了低溫共燒陶瓷 (LTCC)多層互連基板，不但在基板上實現(xiàn)了K頻段一分八功分器，還集成了低頻、控制、電源保護等電路，提高了組件的集成度。盒體材料的選取更注重散熱性能，選取了高導(dǎo)熱率材料無氧銅，末級功率芯片直接安裝到盒體上，通過ANSYS等有限元分析軟件建立分析模型，進行熱仿真，證明其在小尺寸空間內(nèi)符合長期工作的可靠性要求。由于LTCC基板與無氧銅盒體熱膨脹系數(shù)的不匹配，文中提出了一種將LTCC基板燒焊到熱膨脹系數(shù)相近的鉬銅載體上進行一次過渡匹配，再將鉬銅載體燒焊到無氧銅盒體上的工藝裝配方法，研制結(jié)果表明，組件微波性能滿足要求，散熱好，有完善的工藝措施進行保證。

1 組件設(shè)計與實現(xiàn)

K頻段發(fā)射組件用于完成對射頻信號的功分、移相、預(yù)放大、衰減、末級放大、波束控制等，每個發(fā)射組件包括一分八功分網(wǎng)絡(luò)和8個發(fā)射通道，其原理框圖如圖1所示。射頻輸入信號后，經(jīng)過一分八功分網(wǎng)絡(luò)，分別輸入每路發(fā)射通道，先后經(jīng)過數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器、驅(qū)動放大器、功率放大器，最后輸出。每個通道都有數(shù)控衰減器、數(shù)控移相器來進行幅度和相位的控制，在組件內(nèi)采用了串并轉(zhuǎn)換芯片，從而可以使到組件的波控數(shù)據(jù)信號的數(shù)量減少。

圖1 發(fā)射組件(1×8)原理框圖

1.1 指標(biāo)計算

微波信號傳輸路線依次為：放大器(在公共通道中)、功分網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器、推動放大器、末級功率放大器。各個元件的具體指標(biāo)和整個支路的指標(biāo)分配情況如圖2所示，末級功放的飽和輸出功率為25 dBm。

圖2 指標(biāo)分配圖

1.1.1 功耗計算

公共通道中的第1級放大器工作電壓5 V，電流50 mA；第2級放大器工作電壓5 V，電流55 mA；第3級放大器按低溫26.5 dBm的輸出、30%的效率計算，工作電流為298 mA。8個通道的功耗為：

P=(U1I1+U2I2)N=[5×(298+55+50)+ -5×20]×8=15.17 W

(1)

式中：P為組件總功耗；N為通道數(shù)，此時N=8；U1為+5 V電源；I1為+5 V電源電流，等于3級放大器的電流之和；U2為5 V電源；I2為-5 V電源電流，數(shù)值很小，此處按20 mA估算。

1.1.2 衰減精度

衰減精度公式:

(2)

式中：Paj為衰減量為aj時的衰減精度；A衰減態(tài)；fiaj為頻率為fi、衰減為aj時的增益(i為在帶內(nèi)所取的頻點數(shù))；aj為各態(tài)衰減量，aj=0，-0.5dB，-1dB,…,-15.5dB，j=32。

頻率為fj時衰減的均方根誤差值PRMSfi為：

(3)

將各態(tài)衰減下的增益值代入公式(3)中即可得到該發(fā)射組件的衰減精度。

1.1.3 移相精度

移相器選用6位移相器芯片，芯片的64態(tài)均方根誤差≤4°，能夠滿足指標(biāo)的要求。移相精度θj為：

(4)

式中：i為在帶內(nèi)所取的頻點數(shù);P實際fij為頻率為fi時某態(tài)的移相值；P理論為該態(tài)理論基態(tài)值。

頻率為fj時移相精度衰減的均方根誤差值θRMSfi為：

(5)

將各態(tài)移相的實際值代入公式(4)即可得到該發(fā)射組件的移相精度。

1.2 LTCC基板的設(shè)計

電路基板采用LTCC板，利用多層布線技術(shù)，提高了組件布線密度，減小了電路尺寸。選擇LTCC多層互連基板，通過合理的走線布局進行數(shù)字微波隔離、濾波、電磁屏蔽等來解決信號串?dāng)_問題，而且實現(xiàn)了組件的小型化設(shè)計。LTCC板不僅大大提高了微波組件的密度；而且采用Au、Ag良導(dǎo)體，導(dǎo)體損耗≤0.002；熱膨脹系數(shù)(CTE)為4～7 ppm，可以與Si芯片、GaAs芯片達到良好的熱匹配。

LTCC板最終加工為8層介質(zhì)層板，每層厚度約為0.1 mm，板材整體厚度0.8 mm。頂層圖形包括微波信號的傳輸、控制、電源等信號。為了保證微帶線的寬度，適當(dāng)增加微波到地的厚度。將頂層下面的中間1層和中間2層加工成白瓷，中間3層為地層。這樣，微波到地的厚度為0.3 mm。LTCC基板的介電常數(shù)為5.9，由微帶線計算工具得出阻抗為50 Ω的微帶線寬度約為0.45 mm。圖3為設(shè)計的LTCC電路板。

圖3 LTCC基板定義及實物

1.3 熱設(shè)計

熱設(shè)計首先在保證發(fā)射輸出功率的情況下，盡量提高組件的發(fā)射效率，然后盡可能改善組件的散熱環(huán)境。為了功率較大的管芯熱膨脹系數(shù)與盒體匹配得更好，在裝配中使用了過渡的載體。管芯燒焊在一個鉬銅載體上，載體燒焊在盒體上。

盒體材料選擇零號無氧銅，該材料導(dǎo)熱性好，可以采用激光封焊工藝；在加工工藝上，對影響接觸熱阻的表面粗糙度提出嚴(yán)格要求，組件表面平整度需≤1.6。采用熱分析軟件仿真建立組件的熱仿真模型，分析末級功率芯片的穩(wěn)態(tài)溫度分布和散熱狀況，外殼溫度≤90℃。

圖4 +85℃工作時組件熱仿真

2 工藝設(shè)計

為了使產(chǎn)品達到小型化，控制電路除阻容元器件及溫度監(jiān)測器件外，其余器件全部為裸芯片，這樣大大減小了整個組件的體積和尺寸。根據(jù)多年組件研制的經(jīng)驗，把AuSn共晶焊料釬焊、鉛錫焊料燒結(jié)、環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠粘接3種工藝固定方式有機結(jié)合起來，形成了一套科學(xué)合理的工藝裝配流程。通過合理地設(shè)置工藝流程，解決裝配溫度梯度的問題。微波接頭和饋電用絕緣子均采用燒結(jié)工藝，組件整體采用激光封焊工藝，從而保證組件的密封性。

為了使末級放大器具有更好的散熱條件，盒體選用一種將LTCC基板先燒焊到鉬銅載體，再將載體燒焊到無氧銅盒體上的工藝裝配方式。表1給出了各材料的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)，可以看出，無氧銅材料的導(dǎo)熱率較高，具有良好的散熱性，但與LTCC基板的熱膨脹系數(shù)差異較大，而鉬銅材料的熱膨脹系數(shù)與LTCC基板相近[3-4]。采用這種工藝方式，可以避免組件由于熱脹不均造成的開裂。

表1 各材料的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)

3 研制結(jié)果及性能分析

基于以上的設(shè)計分析，成功研制出8通道K頻段發(fā)射組件。該組件結(jié)構(gòu)尺寸為55 mm×73 mm×6 mm，尺寸小，散熱性好。圖5為產(chǎn)品外形圖。圖6為該產(chǎn)品某一通道的測試結(jié)果，圖6(a)為該通道的輸出功率，可見整個帶內(nèi)輸出功率大于25 dBm，帶內(nèi)平坦度好；圖6(b)、圖6(c)分別為通道的移相精度和衰減精度曲線，精度較高。

圖5 產(chǎn)品外形圖

圖6 產(chǎn)品測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹的K頻段發(fā)射組件體積小,散熱好,在電路設(shè)計、工藝設(shè)計、盒體設(shè)計上均采取了先進措施。工藝裝配中，提出了一種載體過渡的實現(xiàn)方式，提高了產(chǎn)品的可靠性。目前，該組件在電性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)方面都已通過測試，達到了總體技術(shù)要求。該組件有完善的工藝措施來保證，性能好,可靠性高，市場前景廣闊。

[1] 白明強.K波段LTCC天線技術(shù)研究[D].成都:電子科技大學(xué), 2013.

[2] 田兵.K頻段八路功率合成器設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2014(1):136-138.

[3] 牛通,韓宗杰,張梁娟,等.金剛石/銅復(fù)合散熱材料的制備和檢測[J].電子與封裝,2014(2):9-12.

[4] 劉征,高隴橋.俄羅斯真空電子器件用無氧銅的現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].真空電子技術(shù),2005(1):62-65.

K-band Multi-channel Transmitting Module Based on LTCC Base Plate

HAO Jin-zhong，ZHANG Yu

(The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper introduces a K-band multi-channel transmitting module based on LTCC base plate.In order to meet the requirements of heat dissipation,the oxygen-free copper material with high thermal conductivity is adopted for the box.Aiming at the difference of thermal-expansion coefficients between oxygen-free copper box and LTCC base plate,this paper puts forward a process flow that combines LTCC base plate with Mo-Cu carrier,and then sinters the Mo-Cu carrier on oxygen-free copper box.The module has eight channels,and the output power of each channel is 25 dBm.Each channel has 6-bit phase-shift and 5-bit attenuation.The development results indicate that the module has perfect performance,small size and good heat dissipation,when the module works in the condition of 85℃,the shell temperature can be ensured no more than 90℃,and the reliability is good while long-term working.

transmitting module；K-band；oxygen-free copper；heat dissipation

2014-12-18

TN832

B

CN32-1413(2015)01-0114-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.027