薄膜電路

薄膜電路是將整個電路的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件以及它們之間的互連引線，全部用厚度在1微米以下的金屬、半導體、金屬氧化物、多種金屬混合相、合金或絕緣介質薄膜，并通過真空蒸發、濺射和電鍍等工藝制成的集成電路。

薄膜集成電路中的有源器件，即晶體管，有兩種材料結構形式：一種是薄膜場效應硫化鎘或硒化鎘晶體管，另一種是薄膜熱電子放大器。更多的實用化的薄膜集成電路采用混合工藝，即用薄膜技術在玻璃、微晶玻璃、鍍釉和拋光氧化鋁陶瓷基片上制備無源元件和電路元件間的連線，再將集成電路、晶體管、二極管等有源器件的芯片和不使用薄膜工藝制作的功率電阻、大容量的電容器、電感等元件用熱壓焊接、超聲焊接、梁式引線或凸點倒裝焊接等方式，就可以組裝成一塊完整的集成電路。

T/R組件

T/R組件是指一個無線收發系統中視頻與天線之間的部分，即T/R組件一端接天線，一端接中視頻處理單元就構成一個無線收發系統。

T/R是Transmitter and Receiver的縮寫。T/R組件通常意義下是指一個無線收發系統中視頻與天線之間的部分，即T/R組件一端接天線，一端接中頻處理單元就構成一個無線收發系統。其功能就是對信號進行放大、移相、衰減。

T/R組件一般包括收發兩個支路，單元電路應包括：本振、上下變頻、濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、雙工電路等。如下圖中衛星通信系統中的ODU部分即為典型的T/R組件。

薄膜電路技術在T/R組件中的應用

1.引言

采用薄膜技術來制造薄膜電路是薄膜領域中一個重要分支。薄膜電路主要特點：制造精度比較高（薄膜線寬和線間距較小），可實現小孔金屬化，可集成電阻、電容、電感、空氣橋等無源元件，并且根據需要，薄膜電路可以方便地采用介質制造多層電路。薄膜多層電路是指采用真空蒸發、濺射、電鍍等薄膜工藝以及濕法刻蝕和干法刻蝕（反應離子刻蝕、等離子刻蝕、激光刻蝕）等圖形形成技術，在拋光的基板（陶瓷、硅、玻璃等材料）上制作導體（Cu或Au等）布線與絕緣介質膜（PI或BCB等）相互交疊的多層互連結構。

薄膜多層電路技術，由于具有互連密度高、集成度高、可以制造高功率電路、整個封裝結構具有系統級功能等突出特點，在微波領域的應用很有競爭力，特別是在機載、星載或航天領域中，其體積小、重量輕、可靠性高的特點更加突出，是一種非常有潛力的微波電路模塊（低噪聲放大器、濾波器、移相器等）、甚至需求量越來越大的T/R組件基板制造技術。

本文將在分析薄膜電路在T/R組件中應用的特點的基礎上，介紹幾種典型的應用實例，并給出發展建議。

2. 薄膜電路技術在T/R組件中應用的特點分析

隨著雷達技術的發展，有源相控陣雷達成為主流，而其核心則是T/R組件，通常每部雷達含有成千上萬只T/R組件。T/R組件不論其使用頻率是否相同，也不論其使用場合是否相同，其基本構成是相同的，主要是由功率放大器、驅動放大器、T/R開關、移相器、限幅器、低噪聲放大器、環流器、邏輯控制電路等組成，其結構框圖如圖1所示（1）。這些基本構成，在工藝實現時，部分可以直接做在電路板上，如微帶傳輸線、開關、耦合器、濾波器等，部分采用外貼芯片（如功放、驅放等）、電容、環流器等來實現。因此，從使用功能和結構上，T/R組件實際上可以看作是一種具有收發功能的微波多芯片模塊。

受雷達波束柵瓣效應（相鄰兩個輻射單元的中心距小于工作波長的一半）以及重量、成本等限制，T/R組件的小型化、集成化、輕量化將是其發展趨勢。為了滿足其性能要求，采用低溫共燒陶瓷LTCC、高溫共燒陶瓷HTCC、薄膜多層電路技術、多層微波印制電路技術等多層集成技術來研制和生產T/R組件成為必然選擇，幾種多層技術的比較見表1（2~3）。

從表中可以看出，薄膜多層互連基板，具有如下突出優點：

（1）布線密度高，體積可以很小、重量很輕；

（2）集成度高，可以埋置電阻、電感、電容等無源器件以及有源芯片；

（3）高頻特性好，可用于微波及毫米波領域；

（4）承受功率密度高，可選用高導熱的金屬、金剛石、陶瓷或鋁炭化硅復合材料等作基板，制造高密度高功率多層基板。

薄膜多層互連基板與其它類型的基板相比，具有如下明顯的缺點：

（1）工藝采用串形方式，成品率相對低，制造成本高；

（2）制造層數受限制。

薄膜多層電路技術由于具有明顯的優點和缺點，因此在制造T/R組件的選擇上，可以有兩種方案。第一，可以采用薄膜技術在陶瓷基板或金屬基板上直接制造T/R組件（4~5），發揮薄膜高精度、高集成度、高功率的性能，這種方法成本較高； 第二，將薄膜技術和其他多層電路技術（如厚膜技術、HTCC、LTCC等）結合起來（6-8），制造T/R組件，揚長避短，既發揮其他基板容易實現多層的特點，從而克服薄膜技術本身制造層數不足的缺點，又能發揮薄膜技術本身的高精度、高性能特長。

3.2 金屬基板上薄膜混合集成T/R組件

在鋁、鉬等金屬基板上制作T/R組件或多芯片模塊，近年來也有不少報道（4~6）。1995年，澳大利亞的O.Sevimli報導了一種金屬基V波段（可以達110GHz以上）薄膜多層多芯片組件專利技術（5），結構示意圖見圖2。這種技術工藝過程是這樣的：首先是在金屬基板上腐蝕出用于安放芯片的孔，然后把芯片采用導電膠固定在孔內，控制好安裝芯片的孔的深度使芯片與金屬表面在同一平面內并精確定位，表面涂敷一層適于毫米波領域使用的BCB等介質材料，最后在芯片焊盤處刻蝕通孔，進行薄膜多層電路的制作。這種技術的突出優點是所有芯片或無源器件（如耦合器、濾波器等）可以同時裝配，裝配不采用金絲鍵合手段也不用倒裝芯片，以解決毫米波頻段金絲鍵合帶來的一致性控制以及寄生效應難題；同時也可解決采用倒裝芯片帶來的功率耗散問題，芯片的熱量可以通過金屬底板快速散去。

3.3 A l/SiC復合材料基板上HDI技術T/R組件

1997年，Lockheed Martin 公司報道了和GE 公司合作開發的基于Al/SiC材料基板的薄膜多層電路的T/R組件（7），結構圖如圖3所示。采用Al/SiC材料做T/R組件的基板，主要考慮該材料不僅導熱率較高（接近氮化鋁，約160W/moK），而且熱張系數與GaAs或Si有源芯片接近，有利于直接貼裝芯片。此外該材料密度低，有利于降低組件重量。 采用Al/SiC材料作基板，必須預先加工成形并進行鍍Ni/Au金屬化，有源芯片和無源器件可以直接貼裝于凹腔內，并使其與基板表面在同一平面上，其中高功率GaAs芯片采用 AuSn高溫焊料焊于基板凹腔內，以保證熱傳導并降低器件結點溫度；非功率芯片和無源器件可以采用導電膠貼于基板凹腔內。然后在其上實施HDI技術（薄膜高密度多層互連），即采用膠粘劑復合一層聚酰亞胺膜（kapton）， 用激光在對應芯片焊盤以及基板上需要的位置開孔，在孔及基板上采用濺射工藝實現金屬化（Ti/Cu/Ti），然后采用激光或光刻的方法刻出圖形及帶線。以此類推，實現多層。

3.4 薄、厚膜混合集成電路寬帶T/R組件

1992年，通用公司報導了采用薄膜和厚膜混合工藝研制的寬帶S/C波段T/R組件（8）（3.0～6.0GHz），尺寸只有3.3英寸×1.17英寸，S波段輸出功率21W， C波段輸出功率19W，接收增益30~38 dB。其結構示意圖如圖4所示，在同一塊氧化鋁陶瓷基板（厚0.635mm）上，正面采用薄膜技術做微帶電路，背面采用厚膜技術做4層布線，正面薄膜電路和背面厚膜電路之間的互連采用激光打孔的方法實現，芯片和器件埋在陶瓷板孔內。

3.5 半導體硅材料上薄膜多層發射模塊

在半導體硅材料上，采用薄膜多層技術制造T/R組件的優點是可以和半導體技術兼容，可以集成有源芯片、無源器件，組件可以做的很小、并且能夠大批量生產；缺點是由于硅材料導熱率低，在需要高功率或高Q值的場合，高導熱的氮化鋁、氧化鈹陶瓷更有優勢。圖5是美國辛西納底大學研制的薄膜多層發射模塊示意圖，它是在硅基片上，用Dupont公司的聚酰亞胺做介質（每層介質厚度9~15μm），用Ti-Au-Ti或Cr-Au-Cr做導帶（Au厚度2~3μm），制作的4層金屬、3層介質的多層互連結構。

3.6 HTCC基板上薄膜多層 T/R組件

GE 和 Lockheed Martin 等公司合作開發的基于HTCC基板的薄膜多層電路的T/R組件（7），如圖7所示。預先將HTCC基板開槽并金屬化，將功率芯片貼裝預槽內，使之與基板表面持平，然后在其上實施HDI工藝。

采用 HTCC做T/R組件的基板，是充分利用了高溫共燒陶瓷（HTCC）和薄膜多層的優點，而又避開其不足。HTCC的優點是熱導率高、易實現多層；其缺點是由于采用的電阻率高的Mo、W等漿料制作導帶，微波損耗較大。薄膜多層互連技術的優點：線條精度高，采用Cu、Au等電阻率低的材料作導帶，微波損耗小；其缺點是耐功率不足、多層成本高。基于 HTCC的薄膜多層互連技術可以將電源線、地層、信號線布在HTCC中， 以滿足耐功率需要并減少薄膜多層層數。功率芯片可以通過焊接的方式貼在HTCC的凹腔中，有利于散熱。微帶線及芯片精細互連線可以作在少數幾層HDI層中，滿足微波性能的需要。

3.7 LTCC基板上薄膜集成 T/R組件

Reinhardt Microtech公司和Micro Systems Engineering 公司合作開發了一種可用于X波段T/R組件的精細混合（Finebrid）集成技術，這種技術是將LTCC和薄膜技術集成在一起，在采用杜邦951或943生瓷制造的LTCC板上，不用拋光等處理，直接制造精細薄膜電路圖形，結構示意圖見圖8。利用LTCC容易實現多層的特點，把直流電源線、控制信號線做在不同的層上，還可埋置電阻、電容等無源器件。選用杜邦951或943生瓷，是因為制成的LTCC損耗比較小。利用薄膜的高精度特點，把無源器件（如Lange耦合器、濾波器、電阻網絡、衰減器、功率分配器等）集成在LTCC表面。實用中薄膜圖形典型的線條及間距20微米，膜層厚度5微米；NiCr層充當電阻層和粘附層。從結構圖上可以看出，芯片安裝在LTCC表面的凹腔內，可以減小鍵合長度及關聯電感，芯片熱量可通過背面的散熱通孔柱傳到下面的熱沉上，可克服LTCC熱導率低的缺點。經可靠性測試，在LTCC表面實施薄膜工藝與在氧化鋁陶瓷上的可靠性相當。

4. 結語

從以上分析可以看出，與傳統的在陶瓷基板實施薄膜工藝相比，薄膜技術在T/R組件的應用有兩個明顯的新的趨勢，一是，在高導熱的金屬、合金、復合材料（ Al/SiC）上采用多層薄膜工藝，制造T/R組件，提高了組件耐功率性能，并且利于封裝；還可根據設計需要把芯片貼裝在表面的凹腔內，減短了金絲鍵合的長度或者不用鍵合，減小了或克服了寄生效應，改善組件性能；二是在其他多層基板（如HTCC或LTCC）上，實施薄膜工藝制造T/R組件，充分發揮HTCC或LTCC易實現多層及埋置無源器件的優點以及薄膜工藝高精度、低損耗的優點，對減小T/R組件基板尺寸、改善組件的電性能和熱性能有重要意義。