一種基于HTCC技術(shù)的收發(fā)組件一體化外殼

周 昊，劉 海，程 凱

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

收發(fā)組件可以放大天線接收的信號(hào)，提供良好的信號(hào)噪聲系數(shù)，補(bǔ)償信號(hào)損失，防止信號(hào)衰減，保證目標(biāo)信號(hào)被檢測(cè)和處理，是有源相控雷達(dá)的核心組件[1]。目前國內(nèi)外普遍采用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)來制作高密度基板與硅鋁基復(fù)合材料金屬外殼封裝，或利用多層印刷線路板(PCB)與鋁合金殼體封裝，實(shí)現(xiàn)收發(fā)組件的研制，并使之承擔(dān)組件的機(jī)械防護(hù)、電磁屏蔽和氣密封裝的作用[2-5]。

LTCC基板封裝（MCM-LTCC）的信號(hào)輸入輸出一般僅依靠平面?zhèn)鬏?，封裝形式較為單一，應(yīng)用場(chǎng)景受限。其多采用金、銀等貴金屬作為導(dǎo)體漿料與陶瓷在900℃實(shí)現(xiàn)共燒，過高的成本限制了其在低成本、工程化領(lǐng)域的應(yīng)用。采用多層印刷線路板制備基板由于加工成本較低，越來越成為一體化收發(fā)組件的主要封裝形式，但是PCB板材料與陶瓷相比，溫度敏感性高，在長期可靠性要求突出的軍用封裝領(lǐng)域仍然受限。

高溫共燒陶瓷（HTCC）主要是以鎢金屬作為導(dǎo)體材料與氧化鋁等陶瓷材料在1600℃左右實(shí)現(xiàn)共燒，并通過釬焊、鍍覆等工藝完成不同材料零件連接和表面處理的外殼加工技術(shù)。由于鍍覆金厚度遠(yuǎn)小于LTCC技術(shù)的印刷金厚度，HTCC封裝的成本優(yōu)勢(shì)明顯。針對(duì)導(dǎo)體電阻率大引起的高頻封裝損耗過大問題，通過材料、設(shè)計(jì)和工藝制造等技術(shù)突破，HTCC外殼的適用頻率越來越高，平面?zhèn)鬏斝?、垂直傳輸型等多種封裝形式的外殼可在18 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)全覆蓋[6-8]。此外，由于采用了氧化鋁為主材的陶瓷高溫共燒技術(shù)，其在長期可靠性方面高于PCB基板。綜上，基于HTCC技術(shù)的一體化外殼有望成為未來軍用收發(fā)組件封裝在低成本發(fā)展方向的主要技術(shù)途徑。

為了滿足收發(fā)組件工作頻率高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的要求，一體化外殼在設(shè)計(jì)和工藝方面的難度比一般外殼更高[8]。封裝外殼不僅要評(píng)估結(jié)構(gòu)、散熱、絕緣性、導(dǎo)通電阻等常規(guī)外殼指標(biāo)，還需要對(duì)端口微波傳輸、信號(hào)隔離、高速布線等功能特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。在工藝方面，組件功能主要由陶瓷基板實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)組件的復(fù)雜功能，陶瓷基板內(nèi)部在高密度通孔、精細(xì)線條和多層結(jié)合工藝等方面的制造難度均高于普通外殼。

本文中采用基于HTCC技術(shù)的一體化陶瓷外殼封裝，將雙通道收發(fā)組件的多功能芯片、無源器件、功率放大器等集成在一個(gè)封裝體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)收發(fā)組件電路模塊封裝的小型化與低成本制造，滿足10 MHz～8 GHz范圍內(nèi)的微波封裝需求。

2 外殼結(jié)構(gòu)

外殼結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其中，封接框?yàn)榻M件內(nèi)部電路提供密封環(huán)境；陶瓷基板既為組件提供信號(hào)傳輸端口和內(nèi)部電連接布線，又可通過貼裝多功能芯片等電子元器件進(jìn)一步拓展組件的應(yīng)用場(chǎng)景。陶瓷基板基于多層HTCC開發(fā)與制造。主體結(jié)構(gòu)材料為氧化鋁，通過多層布線的方式實(shí)現(xiàn)陶瓷基板射頻傳輸和直流信號(hào)的功能；RF1、RF2、RF3、RF4和RF5為平面饋通型射頻端口。熱沉材料是鉬銅，為組件提供散熱通道，同時(shí)可通過螺栓與外部散熱器實(shí)現(xiàn)可靠連接。

圖1 雙通道收發(fā)組件封裝結(jié)構(gòu)示意圖

3 RF信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)

外殼傳輸設(shè)計(jì)包括兩部分，分別是位于殼體左右兩側(cè)、編號(hào)RF1至RF5的輸入輸出端口和位于殼體內(nèi)部的異面?zhèn)鬏斁€。外殼陶瓷材料為南京電子器件研究所封裝事業(yè)部研制的92%低損耗氧化鋁陶瓷，陶瓷介電常數(shù)為9.6±0.2（10 MHz～8 GHz），介質(zhì)損耗角正切為0.001，基板內(nèi)部金屬化采用鎢漿料，電導(dǎo)率為1.0×107S/m?；逋獠拷饘倩捎面u漿料，表面鍍覆鎳和金,鎳層厚度為1.3～4.5μm，金層厚度為1.3～3.5μm。

3.1 端口設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的RF傳輸通道是平面饋通型。此類結(jié)構(gòu)一般采用微帶線-帶狀線-微帶線的傳輸方式。當(dāng)收發(fā)組件的工作頻率升高至C波段時(shí)，輻射損耗會(huì)逐漸加大，成為總能量損耗的主要部分。

由于外部微帶線不僅要滿足信號(hào)傳輸要求，還要兼顧引線焊接可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)需要參照經(jīng)驗(yàn)公式，焊盤寬度=引線寬度+0.3 mm，以提高引線與陶瓷外殼金屬化焊盤的焊接強(qiáng)度。以微帶線線寬W1為典型參數(shù)，建立參數(shù)掃描模型，外殼端口的插入損耗仿真結(jié)果如圖2所示。在6 GHz以內(nèi)，微帶線線寬變化對(duì)端口插入損耗的影響較小。當(dāng)頻率進(jìn)一步升高時(shí)，線寬變化帶來的結(jié)果差異較為明顯。分析認(rèn)為，這主要是與外殼RF端口的微帶線向帶狀線過渡時(shí)，上方介質(zhì)從空氣向陶瓷變化導(dǎo)致的阻抗失配有關(guān)。利用HFSS軟件對(duì)分布于陶瓷隔墻內(nèi)外兩側(cè)的傳輸線做了漸進(jìn)匹配優(yōu)化，可明顯改善上述問題。

圖2 不同線寬傳輸端口的插入損耗仿真結(jié)果

僅通過調(diào)整線寬優(yōu)化阻抗匹配，在10 MHz～8 GHz內(nèi)端口的插入損耗約為0.3 dB，該結(jié)果有進(jìn)一步提高的空間?；诠裁娌▽?dǎo)結(jié)構(gòu)的外殼端口傳輸線區(qū)域電磁場(chǎng)為半開放式結(jié)構(gòu)，高頻信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)向外輻射能量，增加傳輸結(jié)構(gòu)的損耗。分析7.5 GHz頻點(diǎn)的電場(chǎng)分布，在信號(hào)通孔的周圍設(shè)置密集的接地金屬通孔，可抑制高頻電磁能量的泄漏，改善微波傳輸性能。增加密集通孔后，信號(hào)線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖3所示。值得注意的是，在一體化外殼設(shè)計(jì)時(shí)，密集通孔除了需要保障外殼微波垂直信號(hào)傳輸，還要兼顧陶瓷基片加工可靠性。設(shè)計(jì)時(shí)需要參照經(jīng)驗(yàn)公式，密集通孔間距不大于2.5倍孔徑，以降低陶瓷燒結(jié)過程中導(dǎo)致的孔裂紋擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度

圖4為優(yōu)化后的仿真結(jié)果，在10 MHz～8 GHz頻帶內(nèi)，外殼端口插入損耗約為0.20 dB。

圖4 外殼端口插入損耗仿真結(jié)果

3.2 異面?zhèn)鬏斁€設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多通道或者多芯片之間的微波傳輸，陶瓷基板內(nèi)部多采用異面?zhèn)鬏斁€的設(shè)計(jì)方式滿足上述要求。本文設(shè)計(jì)的外殼基板內(nèi)部在帶狀線兩側(cè)做密布接地孔設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 外殼異面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)

當(dāng)上下層的信號(hào)端口處在非同心位置時(shí)，需要在介質(zhì)層中間增加一段水平傳輸?shù)膸罹€，形成共面波導(dǎo)-類同軸-帶狀線-類同軸-共面波導(dǎo)的彎折異面射頻傳輸結(jié)構(gòu)。其中，通過優(yōu)化類同軸傳輸線的長度、上下層共面波導(dǎo)的垂直距離和傳輸線寬等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了10 MHz～8 GHz內(nèi)陶瓷基板內(nèi)部不同鍵合區(qū)之間的射頻信號(hào)傳輸，仿真結(jié)果如圖6所示，端口插入損耗小于0.30 dB。

圖6 射頻端口插入損耗仿真結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了給收發(fā)組件的環(huán)形器留出足夠的安裝空間，本文所列的一體化陶瓷外殼在空間上采用了不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。為了在單個(gè)組件內(nèi)封裝更多的元件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更多的功能，外殼的尺寸較大，長寬高尺寸約為55 mm×45 mm×3 mm?；贖TCC技術(shù)的陶瓷一體化外殼多采用AgCu作為釬料并在800℃左右高溫條件下完成各零部件之間的焊接。因此，需要通過合理的焊接接頭設(shè)計(jì)減少上述結(jié)構(gòu)帶來的高溫釬焊形變引發(fā)的殘余內(nèi)應(yīng)力集中問題。

在物理性質(zhì)差異顯著的兩種材料之間引入一種物理性質(zhì)介于兩者之間的材料，整個(gè)結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)將呈現(xiàn)梯度過渡狀態(tài)。梯度過渡狀態(tài)可以在焊接過程中兩側(cè)母材劇烈變化的物理性質(zhì)間形成緩沖。因此，在接頭結(jié)構(gòu)中，引入中間層時(shí)接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力將被緩解為兩部分，峰值應(yīng)力隨之減小，其結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 焊接接頭示意

基于圖1的外殼尺寸，利用Abaqus仿真軟件建立有限元分析模型，計(jì)算用的各部件材料物理參數(shù)如表1所示。通過對(duì)中間層結(jié)構(gòu)的材料熱膨脹系數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化可以降低峰值焊接殘余應(yīng)力，仿真結(jié)果顯示外殼形變量小于100μm，結(jié)果如圖8所示。

表1 材料物理性能

圖8 外殼焊接形變仿真計(jì)算結(jié)果

5 實(shí)物與測(cè)試

陶瓷外殼由南京電子器件研究所封裝事業(yè)部的多層高溫陶瓷生產(chǎn)線制造，圖9為所研制外殼的實(shí)物照片。

圖9 雙通道收發(fā)組件封裝實(shí)物照片

5.1 微波測(cè)試

采用安捷倫N5224A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量外殼的微波性能。由于外殼傳輸端口及基板內(nèi)部傳輸線均采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可直接選用規(guī)格匹配的探針進(jìn)行測(cè)試。其生產(chǎn)廠家為Cascade，型號(hào)為ACP50-A-GSG-450。

圖10為外殼端口的微波測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出，在10 MHz～8 GHz的范圍內(nèi)，插入損耗小于0.30 dB，微波特性與設(shè)計(jì)相仿，能夠滿足工程應(yīng)用要求。

圖10 外殼端口微波測(cè)試結(jié)果

5.2 平面度測(cè)試

采用激光反射法測(cè)量外殼平面度，儀器型號(hào)為德國CYBER公司的CT-300型激光檢查儀。利用激光測(cè)試儀，沿外殼特定方向選取目標(biāo)路徑，獲得記錄數(shù)據(jù)。基于標(biāo)準(zhǔn)平面，將最大與最小讀數(shù)的差值近似作為平面度誤差。測(cè)量方法參照國標(biāo)《形狀和位置公差GB 1958-80》。其中，《半導(dǎo)體集成電路外殼通用規(guī)范GJB 1420B-2011》的要求是不大于4μm/mm。外殼外形尺寸為65 mm，實(shí)測(cè)平面度均值為112μm，計(jì)算可得外殼的單位平面度為1.72μm/mm，滿足國軍標(biāo)要求。

6 總結(jié)

設(shè)計(jì)了一款基于HTCC技術(shù)的收發(fā)組件一體化陶瓷外殼，在10 MHz～8 GHz的范圍內(nèi)，外殼的射頻端口插入損耗小于0.30 dB，具有較好的微波特性。此外，在目標(biāo)組件的封裝尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.72μm/mm的平面度指標(biāo)。該外殼的研制為低成本化的一體化收發(fā)組件封裝提供了新的方向。