微波电路组装研究

　微波电路通常频率较高(1GHz以上)，是微波集成电路器件通过微带传输线构成的一个平面电路、整个无论其图形如何复杂，均可简便地用厚、薄工艺制作在介质片上，将基片固定于作为接地板的金属基座(载体)上就构成一个完整的电路。这种电路的制作成本比同功能的波导和同轴电路便宜得多。这种电路由于消除了许多接头，同时带来了制作重复性好、性能优良、调整方便、体积小、重量轻、可靠性高等优点，得到了广泛地应用。
微波电路制作一般可分三个阶段。微波器件制作→基板微带线制作并组成功能块→与金属基座连接组成微波电路。微波电路由于作用频率高，其接地要求特别高、接地包括功能块基片接地与功能块与金属基座的接地连接。特别是后者，惯用螺钉连接，由于连接间的空隙，导致功能块间的串扰(一般≥0.5dB)，插入损耗增加(一般≥1.4dB)，同时也带来了附加电容与振荡。L波段以上电路已无法获得稳定的电路参数，可靠性低。目前国外已普遍使用钎接方法来实行"大面积钎接"。国内也开始摸索和使用。大面积钎接的主要难点在于金属与陶瓷材料的物理、化学性能差异太大，易造成陶瓷开裂、不良接头、变形等。芯片与微带线互连的长度、拱度，微带线制作的精度等同样是影响微波性能的要素。本文主要介绍笔者与同仁们在这方面的研究成果。

1　接地连接的分析和设计

　　微波电路的接地连接主要影响电路串扰和插入损耗。电路串扰主要是过长的连接线形成附加电感引起的。插入损耗主要由四分部组成：导体损耗、介质损耗、辐射损耗及制作工艺的损耗。
导体损耗指金属导带与接地金属面对传输信号
所造成的插入损耗。介质损耗指电磁场在金属导带和接地面中间的介质中传输，由填充介质引入的插入损耗。焊接缺陷(空洞、孔隙)及其它制作缺陷(介质板、导带¨)均会增加插入损耗［1］。接地连接的设计原则就是就近接地，大面积(全面积)接地。几种典型的接地方式是：
(1)接地金属化通孔：主要连接微带线与基板接地面。可通过孔金属化、空心铆钉、连接销钉的方法实现。如图1所示。

接地通孔设计　　

　空心铆钉　　

　　　连接销钉

图1　几种典型的接地方式

　　(a)薄膜接地孔-四周金属化
(b)厚膜接地孔-全孔金属化
(c)多层厚膜，大面积接地，
采用网状孔，孔金属化。
三种方法各有各的技术难点，特别是薄膜金属化孔，目前尚处研究阶段，一次成功率仅为90%。采用空心铆钉的方法最可靠，但空心铆钉的制作难度较大。
(2)接地包边：为了更大面积的与接地面连接，在条件允许的情况下，可采用直接用铜箔(厚0.10～0.20mm)连接面。如图2所示。

图2　包边接地示意图

　　包边接地比较可靠，但只有在孔径及边带尺寸大的地方进行，而焊接工作也往往只能靠人工进行，要求操作工人的熟练程度高。
(3)接地面与接地板的大面积焊接：用于替代螺钉连接的大面积焊接，是保证接地可靠的主要手段。
微波电路中的传输线(微带线)通常在坚固的介质基片(陶瓷、石英……)上用薄膜工艺(蒸发、溅射……)来制作。随着新技术的发展，微波电路微带线也有用厚膜、LTCC(低温共烧陶瓷)技术制作，近年来也出现非Al2O3的软基片复合材料作基片的，但在S波段以上，往往还无法替代陶瓷材料。
陶瓷材料与接地板金属的连接，即接地面与接地板的连接。惯用螺钉连接，除去装配和使用过程中容易造成陶瓷基片碎裂外，它已无法满足微波电路的电、热性能参数的要求，近年来已被软钎接技术所替代。
由于陶瓷与金属的化学、物理焊接性差异极大，特别热膨胀系数的差异，造成焊接及使用过程中瓷片开裂、电路失效。这些问题的研究，将在2、3节中叙述。

2　焊接性能研究

　　陶瓷基片与金属基座焊接时，考虑到陶瓷金属化(薄、厚膜工艺) 及MIC器件的特性，往往采用软钎接办法来实现。陶瓷基片接地面与载体必须具备优良的软钎接性能。
(1)基片接地面的金属化研究
微波电路基片金属化的主要途径是通过薄膜、厚膜和LCTT共烧来实现。
(a)薄膜制作
微波薄膜电路一般采用CrAu膜系统。Cr层作为过渡层以提高金属与陶瓷板的附着强度，Au作为主导层以满足微波电性能的要求。
采用Au基钎料可以实现CrAu膜与载体的焊接，但Au基钎料价格昂贵，并要在专门的气控炉中进行，工艺复杂，为此需研究适合普通Sn-Pb钎料的金属膜系。
研究设计了CrAu、CrCuAu、CrAuCuAu三种膜系，并通过不同工艺手段制作出不同的膜厚。测试结果见表1。

表1　不同薄膜体系的工艺性能状况

考虑微波电路的综合要求(线厚、精度及焊接性等)选用 CrAuCuAu系统作为微波电路的导带及接地面金属化