基于氮化鋁基板的功率負載設(shè)計與制備

李豐，王志會，常青松，白銳，史光華

中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050051

0 引言

功率負載是微波系統(tǒng)中重要的一類通用元件。隨著功率器件在系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用以及功率的不斷提升，功率負載對整個系統(tǒng)性能的影響就越發(fā)突出。微波功率負載在系統(tǒng)中主要起到匹配和吸收功率的作用，要求工作頻率更高、承受功率更大、尺寸更小，可靠性更高。傳統(tǒng)設(shè)計中采用氧化鈹陶瓷基板作為負載材料，其具有很高的熱導率和絕緣電阻，一直用作微波或射頻功率電阻的絕緣基板。但氧化鈹粉塵和粉末有害環(huán)境，需要特殊的技術(shù)處理。隨著歐盟Rohs標準的實施，在民用器件中禁止使用有毒性的氧化鈹陶瓷基板。近年來，隨著氮化鋁（AlN）材料的廣泛應(yīng)用，業(yè)內(nèi)已經(jīng)使用氮化鋁陶瓷基板來取代氧化鈹陶瓷，制作功率電路和器件。

氮化鋁陶瓷基板的介電常數(shù)約為8.8MHz，熱導率為170W/m·K，熱膨脹系數(shù)為4.45×10-6/℃，與氧化鋁和氧化鈹基板比較，其熱導率較高，且熱膨脹系數(shù)較低，適合作微波功率負載基板材料[1-2]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和版圖設(shè)計

微波電路在正常工作狀態(tài)時，功率負載電阻上沒有功率或承受很小的泄露功率。但如果系統(tǒng)內(nèi)信號失配，線路和器件的方向性惡化和不平衡時，就會產(chǎn)生有害功率，需要負載電阻完全將這些有害功率完全吸收，保護系統(tǒng)內(nèi)的重要電路不被燒毀。為了保證可靠性，負載電阻膜的最高溫度不能超過規(guī)定值，一般規(guī)定為150℃，為了限制電阻膜的最高溫度，陶瓷基板的熱導率就要高。負載電阻的基板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 負載電阻的基板結(jié)構(gòu)

負載電阻的一端通過側(cè)面方式與背面接地，另一端有阻抗匹配電路同特定電阻值相匹配，阻值一般為50Ω。大功率負載電阻一般將熱沉、陶瓷基板和引線焊接在一起，上面粘附氧化鋁（96%）瓷蓋，保護引線、印刷標識。

用氮化鋁基片制作微波功率負載，目標電性能規(guī)格如下：

（1）標準電阻值:50×（1±5%）Ω；

（2）額定功率（峰值）：250W；

（3）頻率范圍：DC～2GHz；

（4）電壓駐波比（VSWR）：1.30:1

（5）額定功率:100%@100℃；

降額到0%@150℃

（6）工作溫度范圍:-55℃～+150℃

氮化鋁功率負載基板的尺寸為9.5mm×9.5mm×1.5mm，利用微波仿真軟件對負載版圖進行設(shè)計，制作版圖如圖2所示。

圖2 微波功率負載的版圖設(shè)計

2 制備過程

2.1 基板制作

氮化鋁基板功率負載的基板制作工藝是關(guān)鍵?；逯谱魍緩酵ǔＳ斜∧すに嚒⒑衲すに?、薄厚膜結(jié)合工藝[3-4]。

2.1.1 薄膜工藝

薄膜工藝流程：氮化鋁基板（50mm×50 mm×1mm）準備→基板清洗→濺射→光刻→電鍍（銅/鎳/金）→退火→激光調(diào)阻→砂輪劃片（9.5mm×9.5mm）→印刷電阻保護層[5]。

正式加工過兩個批次的產(chǎn)品，經(jīng)篩選后，通過了規(guī)定的例行試驗。電阻材料為鎳鉻或氮化鉭，與陶瓷基板匹配良好，阻值穩(wěn)定，溫度系數(shù)小，耐高溫、耐環(huán)境性能好。該工藝的缺點：要進行多次光刻，砂輪劃片效率低，上批量困難；側(cè)面接地要在焊接完后用導電膠完成，耐大電流性能、導熱性能差。

2.1.2 厚膜工藝

（1）厚膜工藝流程：氮化鋁基片（9.5mm×9.5mm）→基板清洗→印刷背面導體→烘干→印刷正面導體→烘干→燒結(jié)→側(cè)面接地連線→燒結(jié)→負載電阻制作→保護玻璃制作→激光調(diào)阻→電阻保護層制作。該途徑工藝簡單，沒有光刻、電鍍和砂輪劃片工藝，容易批量生產(chǎn)；側(cè)壁接地連線燒結(jié)工藝，耐大電流，散熱性能好。

（2）氮化鋁系導體漿料的選擇：氮化鋁系基板的導體漿料有ESL公司的9913銀漿料和9633-I銀鈀導體漿料，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，9633-I銀鈀導體漿料燒結(jié)膜厚不得超過12μm，否則導體表面會出現(xiàn)龜裂紋，而9633-I銀鈀導體漿料的性能比較穩(wěn)定，因此采用9913銀漿料。

（3）氮化鋁系電阻漿料的選擇：氮化鋁系電阻漿料需要考察其穩(wěn)定性、可靠性和匹配性。本方案采用AN615電阻漿料進行實驗，在制備過程中應(yīng)充分考察電阻漿料與陶瓷基板的匹配性是否合適，否則會影響產(chǎn)品質(zhì)量。主要表現(xiàn)在以下方面：①方阻值對燒結(jié)條件非常敏感，不容易穩(wěn)定控制，燒結(jié)膜不夠光亮，不致密；②阻值不穩(wěn)定。在125℃高溫儲存42天（1000小時），中間抽測，阻值不斷增長，阻值共增大5.04%～6.66%。③激光修調(diào)困難。在空氣氣氛中，激光照射下氮化鋁容易分解為氧化鋁和金屬鋁，導致修調(diào)區(qū)不能絕緣。

2.1.3 薄厚膜結(jié)合工藝

導體和側(cè)面接地采用厚膜工藝制作，電阻用薄膜工藝制作。加工流程：氮化鋁基板（9.5 mm×9.5mm）→印刷背面導體→烘干→印刷正面導體→烘干→燒結(jié)→側(cè)面接地連線→燒結(jié)→濺射薄膜電阻→激光調(diào)阻→印刷電阻保護層。

制作專門的工裝、掩膜后，僅將基板上電阻及搭接區(qū)露出來，濺射氮化鉭/鎳鉻薄膜電阻。濺射薄膜方阻控制在50×（1±10%）Ω/□以內(nèi)。薄膜電阻的激光修調(diào)功率約為厚膜的十分之一，將電阻膜灼燒干凈，氮化鋁基板不受影響，仍然為絕緣狀態(tài)。嚴格控制各修調(diào)參數(shù)，阻值控制非常精確。為了保證大功率和高耐壓的需要，激光修調(diào)時以電阻為中心，從兩側(cè)對稱修調(diào)，修調(diào)模式為掃描修調(diào)。利用該工藝制作了兩個批次的產(chǎn)品，組裝后測試產(chǎn)品性能良好，工藝穩(wěn)定可靠。

2.2 功率負載組裝工藝

微波功率負載組裝工藝流程：負載基板、熱沉和引線準備→焊接→清洗→粘接保護瓷蓋→成品。為了符合歐盟Rohs標準和國軍標要求，焊料使用無鉛焊錫片，焊接牢固可靠。負載散熱主要靠熱沉傳導，焊接面的氣孔率要小。

為了將對射頻參數(shù)的影響降到最小和散熱良好，粘接保護瓷蓋時膠黏劑的配方要嚴格控制，瓷蓋厚度要薄。實踐證明，粘接保護瓷蓋后，器件的電壓駐波比增加量小于0.05。

3 測試結(jié)果和性能分析

3.1 測試結(jié)果

利用厚膜導體、薄膜電阻工藝制作微波功率負載，并制作專門測試夾具對其參數(shù)進行測試。采用數(shù)字多用表測量電阻值，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量微波參數(shù)。其中功率負載的電阻值范圍在±5%以內(nèi)，在頻率范圍：DC～2GHz內(nèi)，電壓駐波比（VSWR）＜1.3:1，電性能參數(shù)達到預(yù)期的指標。

氮化鋁陶瓷基板選擇自制的精磨基板，性能穩(wěn)定，同一批產(chǎn)品的射頻性能一致性非常好。不同批次的材料對工藝兼容性沒有任何影響。

3.2 性能分析

電阻膜的電阻溫度系數(shù)（RTC）是射頻功率負載穩(wěn)定性的一個重要指標。該器件的電阻溫度系數(shù)計算公式如下：

式中，R1—— 基準溫度下的電阻值，Ω；

R2——測試溫度下的電阻值，Ω；

t1——基準溫度，℃；

t2——測試溫度，℃。

當t1為25℃，t2分別為125℃和-55℃。表2是微波功率負載的電阻溫度系數(shù)。

由表1可見，該薄膜電阻的電阻溫度系數(shù)為負，在-55℃～125℃范圍之內(nèi)，溫度系數(shù)基本小于50×10-6/℃,非常穩(wěn)定。

表1 射頻功率負載的電阻溫度系數(shù)

為了驗證該射頻功率負載的可靠性，考察了高溫貯存、溫度循環(huán)和高溫加電對產(chǎn)品性能的影響。射頻功率負載在125℃的高溫烘箱中高溫貯存1000小時后，測量阻值在高溫貯存前后的變化，計算變化率，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 高溫貯存（1000h）功率負載阻值變化

由表2可見，高溫儲存使功率負載的阻值向正的方向變化，一致性良好，小于0.37%。

在高溫儲存之后，產(chǎn)品接著進行溫度循環(huán)試驗，檢驗器件經(jīng)受環(huán)境溫度迅速變化的能力。溫度循環(huán)試驗條件為：-55℃～+125℃；試驗時間：30分鐘，轉(zhuǎn)換時間≤5分鐘；循環(huán)次數(shù)：20次。阻值變化的具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 溫度循環(huán)功率負載阻值變化

由表3可見，溫度循環(huán)使功率負載的阻值向負的方向變化，但是變化的比例很小。

高溫老煉試驗可以驗證負載功率在承受功率和散熱情況，同時驗證阻值惡化趨勢。將功率負載安裝在散熱器上，施加直流功率，功率值為額定功率的25%（約62.5W），試驗熱沉溫度為70℃±5℃；工作時間：168小時。

由表4可見，高溫老煉后功率負載的阻值略有增加，增加的幅度小于0.4%，功率負載的穩(wěn)定性、可靠性良好。

表4 高溫老煉功率負載阻值變化

利用厚膜和薄膜工藝相結(jié)合的方法，制作的微波功率負載的電阻溫度系數(shù)很?。ǎ?0×10-6/℃），高溫貯存、溫度循環(huán)和高溫老煉對射頻功率負載的影響較小?？梢娫摫∧る娮枧c厚膜導體之間黏附性良好，與氮化鋁陶瓷基板的互相匹配良好，性能穩(wěn)定。

4 結(jié)語

隨著環(huán)境保護的日益加強，使用氮化鋁陶瓷基板來取代氧化鈹陶瓷，制作功率電路和器件是大勢所趨。

本文將兩種工藝結(jié)合起來，用厚膜工藝制作導體和側(cè)面接地，用磁控濺射的薄膜工藝制作電阻，制作出了微波功率負載。其額定功率（峰值）：250W，頻率范圍：DC～2GHz，電壓駐波比（VSWR）：1.30:1。

該氮化鋁陶瓷基板微波功率負載的電阻溫度系數(shù)很?。ǎ?0×10-6/℃），高溫貯存、溫度循環(huán)和高溫老煉對功率負載的影響較小，工藝簡單實用，器件性能穩(wěn)定可靠。