國產(chǎn)LTCC微流道集成T/R組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

? ? 為快速推進(jìn)低溫共燒陶瓷（LTCC）材料的國產(chǎn)化進(jìn)程，推動(dòng)自研LTCC材料早日投入應(yīng)用，以某型國產(chǎn)LTCC材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款單通道T/R組件，組件內(nèi)部埋置集成微流道用于功放芯片快速散熱。在組件及微流道設(shè)計(jì)仿真、基板制造加工和膜層化鍍改性方面進(jìn)行了研究，對組件進(jìn)行了裝配和測試。結(jié)果顯示，采用自研LTCC材料制作的單通道T/R組件工藝指標(biāo)合格，裝配適應(yīng)性良好，微流道散熱高效，主要電性能指標(biāo)滿足要求。該型國產(chǎn)LTCC材料實(shí)用性良好，具有明確的工程應(yīng)用前景。

圖2 微系統(tǒng)模塊三維集成形態(tài)

完整的LTCC材料包含生瓷和系列化功能漿料。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外能夠提供完整LTCC原材料的廠家眾多，如日本NEC、京瓷、美國Ferro、DuPont、ESL、德國Heraeus和韓國RN2。國內(nèi)對LTCC原材料的研究工作起步較晚，進(jìn)展有限，目前尚無成熟的覆蓋LTCC完整應(yīng)用需求的商業(yè)化原材料供國內(nèi)用戶選擇。因此，盡快研制國產(chǎn)LTCC原材料并完成材料工程化應(yīng)用驗(yàn)證，打破國外技術(shù)壟斷現(xiàn)狀具有重要意義。

本文提出的T/R組件實(shí)現(xiàn)接收信號的低噪聲放大、發(fā)射信號的功率放大及波束控制功能，其原理如圖3所示。組件由收發(fā)支路組成，收發(fā)通過天線端和網(wǎng)絡(luò)端的兩個(gè)開關(guān)切換。接收狀態(tài)時(shí)，天線接收的信號經(jīng)由開關(guān)、限幅器、低噪放、多功能芯片處理后輸出。發(fā)射狀態(tài)時(shí)，激勵(lì)信號經(jīng)由多功能芯片、GaAs驅(qū)放和GaN功放放大后輸出。電源管理電路實(shí)現(xiàn)組件內(nèi)接收和發(fā)射時(shí)的電源調(diào)制，波束控制電路實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換、幅相控制等功能，開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路作用于GaN開關(guān)的驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)壓電路提供組件內(nèi)部所需的供電電壓。

綜合考慮T/R組件收發(fā)通路、散熱結(jié)構(gòu)、可制造性因素，對LTCC基板進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)，包括功能結(jié)構(gòu)布局、布版規(guī)格、材料選擇和加工流程。LTCC基板共20層，功能布局上1~4層傳輸微波信號，第4層為微波地層；5~12層傳輸?shù)皖l控制信號；13~20層主要用于基板結(jié)構(gòu)布置和整體厚度調(diào)控；20層背面為實(shí)際地層。采用全銀系漿料保證良好燒結(jié)收縮均勻性，基板表面膜層化鍍改性以兼容后道組裝工藝，基板右下角區(qū)域布置共燒集成電阻。在基板右上部開矩形淺腔用于安裝幅相控制多功能芯片，基板中上部開單層腔用于放置限幅器、低噪放和均衡器芯片，其余管芯、驅(qū)動(dòng)模塊、電容等器件通過粘接集成。

圖4 LTCC埋置微流道設(shè)計(jì)圖

圖5 LTCC微流道分布示意圖

設(shè)計(jì)組裝方案為：將LTCC基板焊接在專用的封裝盒體上，封裝盒體內(nèi)部制備供液分流通路，微流道進(jìn)/出液口與盒體的供液/出液口對準(zhǔn)，盒體通過側(cè)面的液冷連接器與外部供液系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)冷卻液在基板內(nèi)部的流動(dòng)，微流道的組裝截面如圖6所示。

圖6 LTCC埋置微流道截面圖

基板制造中所用到的生瓷和漿料見表1，所有材料均為國產(chǎn)LTCC材料。考慮組裝環(huán)節(jié)將涉及多種組裝工藝，單一金導(dǎo)體無法全面兼容，在LTCC基板表面采用高固含量銀漿布線，燒結(jié)之后在銀導(dǎo)體上化學(xué)鍍鎳鈀金（ENEPIG），替代原基板的金導(dǎo)體。鎳鈀金鍍層中的Ni層與Ag層結(jié)合緊密并作為焊接功能層發(fā)揮作用。Pd層作為Ni和Au中間層能有效防止Ni的擴(kuò)散、遷移，阻擋浸金化學(xué)溶液對鎳層的攻擊，同時(shí)Pd層硬度較高，可使頂部較薄的Au層獲得良好的金線鍵合能力。采用化學(xué)鍍鎳鈀金技術(shù)使基板能良好兼容粘接、絲焊、帶焊、共晶、錫鉛焊等多種組裝工藝，提高基板封裝可靠性，并同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

表1 國產(chǎn)LTCC原材料使用情況

基板化學(xué)鍍過程中，銀基底層的狀態(tài)是決定鍍層質(zhì)量好壞的先決條件和關(guān)鍵因素。本研究中通過對國產(chǎn)銀漿固含量的合理調(diào)控和印刷工藝的優(yōu)化，制備出質(zhì)量優(yōu)異的銀基底層，銀基底層的狀態(tài)如圖8所示，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高致密性的鎳鈀金鍍層。優(yōu)化前基底層銀顆粒呈離散分布，銀顆粒間夾雜大量的暗灰色玻璃相，表明銀漿料未形成有效的連續(xù)金屬層。優(yōu)化后基底層銀顆粒飽滿完整，排布緊密，顆粒間夾雜的玻璃相極少，無明顯空洞，這表明銀漿在LTCC基板表面鋪展充分形成連續(xù)的金屬層，有利于后續(xù)化學(xué)鍍層的致密化。

圖8 銀基底優(yōu)化前優(yōu)化后狀態(tài)對比

完成化鍍鎳鈀金的LTCC基板以及微流道細(xì)節(jié)如圖9所示?；邋兘饘由珴擅髁辆鶆?，微流道結(jié)構(gòu)布局合理，無坍塌和形變發(fā)生，在基板上的集成效果良好。

圖9 化鍍鎳鈀金LTCC基板及微流道細(xì)節(jié)圖

對采用國產(chǎn)材料制備的LTCC基板進(jìn)行了測試，表2、圖10~圖12為翹曲度、化學(xué)鍍金屬層的金絲鍵合強(qiáng)度、可焊性及耐焊性測試結(jié)果。LTCC基板的通斷連接良好，基板翹曲度<0.35%，化鍍金層色澤光亮，均勻致密，無明顯色差和漏鍍?；邋儗咏鸾z鍵合強(qiáng)度均≥0.05 N（3σ），失效模式均為金絲斷裂?；邋儗泳哂辛己玫目珊感院湍秃感?，在相應(yīng)的測試溫度條件下，焊料在焊盤上鋪展均勻，有效覆蓋率達(dá)到100%，焊盤無塌縮現(xiàn)象。上述測試結(jié)果均滿足LTCC基板工程化應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

表2 國產(chǎn)LTCC材料制備基板翹曲度測試結(jié)果

圖10 國產(chǎn)LTCC材料制備基板化鍍鎳鈀金表面鍍層狀態(tài)

圖11 國產(chǎn)LTCC材料制備基板鍍層絲焊拉力測試結(jié)果

T/R組件的組裝過程包括供水盒體背面激光封焊流道成型、芯片載板與基板金錫共晶焊接，基板與封裝盒體焊接、芯片/元器件粘接、絲焊/帶焊級聯(lián)等組裝工序，部分組裝細(xì)節(jié)如圖13所示。在組裝過程中，采用國產(chǎn)材料制備的LTCC基板對組裝各環(huán)節(jié)涉及的材料和工藝都表現(xiàn)出良好的兼容性。

搭建T/R組件測試平臺如圖14所示，通過封裝盒體上的SMP射頻連接器實(shí)現(xiàn)T/R組件與外部電路的微波傳輸，組件工作控制信號通過盒體上集成的低頻連接器實(shí)現(xiàn)與外部電路的互聯(lián)。開啟蠕動(dòng)泵將冷卻液通入T/R組件并維持循環(huán)穩(wěn)定流動(dòng)，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試組件的輸出功率結(jié)果如圖15所示，在2~18 GHz寬頻率范圍內(nèi)，T/R組件的輸出功率均大于36 dBm，其中在10.32 GHz頻點(diǎn)處，T/R組件達(dá)到最大輸出功率41.5 dBm，采用測溫?zé)犭娕紲y得T/R組件飽和輸出時(shí)功放芯片載板溫度穩(wěn)定在40.5±2.0 ℃，芯片全程工作正常。組件測試結(jié)果表明，本研究所采用的國產(chǎn)LTCC材料完全適用于埋置集成微流道T/R組件的研制應(yīng)用。

圖14 2 18 GHz T/R組件測試圖

作者：徐洋，余雷，張劍，陳春梅，岳帥旗