微波電路通常頻率較高(1GHz以上)，是微波集成電路器件通過微帶傳輸線構成的一個平面電路,、整個無論其圖形如何復雜,，均可簡便地用厚、薄工藝制作在介質片上,，將基片固定于作為接地板的金屬基座(載體)上就構成一個完整的電路,。這種電路的制作成本比同功能的波導和同軸電路便宜得多,。這種電路由于消除了許多接頭,，同時帶來了制作重復性好、性能優(yōu)良,、調整方便,、體積小、重量輕,、可靠性高等優(yōu)點,，得到了廣泛地應用。
微波電路制作一般可分三個階段,。微波器件制作→基板微帶線制作并組成功能塊→與金屬基座連接組成微波電路,。微波電路由于作用頻率高，其接地要求特別高,、接地包括功能塊基片接地與功能塊與金屬基座的接地連接,。特別是后者,，慣用螺釘連接，由于連接間的空隙,，導致功能塊間的串擾(一般≥0.5dB),，插入損耗增加(一般≥1.4dB)，同時也帶來了附加電容與振蕩,。L波段以上電路已無法獲得穩(wěn)定的電路參數,，可靠性低。目前國外已普遍使用釬接方法來實行“大面積釬接”,。國內也開始摸索和使用,。大面積釬接的主要難點在于金屬與陶瓷材料的物理、化學性能差異太大,，易造成陶瓷開裂,、不良接頭、變形等,。芯片與微帶線互連的長度,、拱度，微帶線制作的精度等同樣是影響微波性能的要素,。本文主要介紹筆者與同仁們在這方面的研究成果,。

1　接地連接的分析和設計

　　微波電路的接地連接主要影響電路串擾和插入損耗。電路串擾主要是過長的連接線形成附加電感引起的,。插入損耗主要由四分部組成：導體損耗,、介質損耗、輻射損耗及制作工藝的損耗,。
導體損耗指金屬導帶與接地金屬面對傳輸信號
所造成的插入損耗,。介質損耗指電磁場在金屬導帶和接地面中間的介質中傳輸，由填充介質引入的插入損耗,。焊接缺陷(空洞,、孔隙)及其它制作缺陷(介質板、導帶¨)均會增加插入損耗［1］,。接地連接的設計原則就是就近接地,，大面積(全面積)接地。幾種典型的接地方式是：
(1)接地金屬化通孔：主要連接微帶線與基板接地面,?？赏ㄟ^孔金屬化、空心鉚釘,、連接銷釘的方法實現,。如圖1所示。

接地通孔設計　　

　空心鉚釘　　

　　　連接銷釘

圖1　幾種典型的接地方式

　　(a)薄膜接地孔—四周金屬化
(b)厚膜接地孔—全孔金屬化
(c)多層厚膜,，大面積接地,，
采用網狀孔,，孔金屬化。
三種方法各有各的技術難點,，特別是薄膜金屬化孔,，目前尚處研究階段，一次成功率僅為90%,。采用空心鉚釘的方法最可靠,，但空心鉚釘的制作難度較大。
(2)接地包邊：為了更大面積的與接地面連接,，在條件允許的情況下,，可采用直接用銅箔(厚0.10～0.20mm)連接面。如圖2所示,。

圖2　包邊接地示意圖

　　包邊接地比較可靠,，但只有在孔徑及邊帶尺寸大的地方進行，而焊接工作也往往只能靠人工進行,，要求操作工人的熟練程度高,。
(3)接地面與接地板的大面積焊接：用于替代螺釘連接的大面積焊接，是保證接地可靠的主要手段,。
微波電路中的傳輸線(微帶線)通常在堅固的介質基片(陶瓷,、石英……)上用薄膜工藝(蒸發(fā)、濺射……)來制作,。隨著新技術的發(fā)展,，微波電路微帶線也有用厚膜、LTCC(低溫共燒陶瓷)技術制作,，近年來也出現非Al2O3的軟基片復合材料作基片的,，但在S波段以上，往往還無法替代陶瓷材料,。
陶瓷材料與接地板金屬的連接,，即接地面與接地板的連接。慣用螺釘連接,，除去裝配和使用過程中容易造成陶瓷基片碎裂外,，它已無法滿足微波電路的電、熱性能參數的要求,，近年來已被軟釬接技術所替代。
由于陶瓷與金屬的化學,、物理焊接性差異極大,，特別熱膨脹系數的差異，造成焊接及使用過程中瓷片開裂,、電路失效,。這些問題的研究,，將在2、3節(jié)中敘述,。

2　焊接性能研究

　　陶瓷基片與金屬基座焊接時,，考慮到陶瓷金屬化(薄、厚膜工藝) 及MIC器件的特性,，往往采用軟釬接辦法來實現,。陶瓷基片接地面與載體必須具備優(yōu)良的軟釬接性能。
(1)基片接地面的金屬化研究
微波電路基片金屬化的主要途徑是通過薄膜,、厚膜和LCTT共燒來實現,。
(a)薄膜制作
微波薄膜電路一般采用CrAu膜系統(tǒng)。Cr層作為過渡層以提高金屬與陶瓷板的附著強度,，Au作為主導層以滿足微波電性能的要求,。
采用Au基釬料可以實現CrAu膜與載體的焊接，但Au基釬料價格昂貴,，并要在專門的氣控爐中進行,，工藝復雜，為此需研究適合普通Sn-Pb釬料的金屬膜系,。
研究設計了CrAu,、CrCuAu、CrAuCuAu三種膜系,，并通過不同工藝手段制作出不同的膜厚,。測試結果見表1。

表1　不同薄膜體系的工藝性能狀況

　　考慮微波電路的綜合要求(線厚,、精度及焊接性等)選用 CrAuCuAu系統(tǒng)作為微波電路的導帶及接地面金屬化膜,。
(b)厚膜制作
微波電路厚膜制作的關鍵是線條精度，接地面的金屬層一般是Au基合金,，其中以Au-Pt的耐焊性最好,。Au-Pt的耐焊性大于10次，如燒結工藝掌握好的話可達70～80次,。Au-Pt膜的可焊性相對來說差一些,，但經過適當處理，也能獲得較好的可焊性,。
(c)LTCC共燒制作
各層之間的通孔,、接地面均可用Au制作，整個基板的制作與厚膜制作相同,，也以采用Au-Pt膜為主,。
(2)載體可焊性鍍層研究
根據產品不同的要求，需選用不同的載體材料,，功率大,、散熱要求高的選AI,、Cu；重量要求輕的選Al,、Ti,；與Al2O3陶瓷熱膨脹系數相近的選可伐合金、42合金等,。另外還有與GaAs熱膨脹系數相近的Mo,，新興的復合材料AlSiC等，這些載體材料要通過表面處理才能與陶瓷基片焊接,，得到優(yōu)良的焊接接頭,。表面處理包括焊接性能良好的表面鍍層和熱膨脹系數分配合理的鍍層體系。
本研究設計了不同的鍍層系列,。經環(huán)境試驗及試樣制作,，最終選用的體系分別為：
Al——NiP-Cu-SnPb
Cu——Ag
Ti——Cu-SnPb
可伐——Ni-Au
42合金——Ni-Au

3　焊接工藝研究

　　焊接工藝研究主要包括三方面的內容：熱膨脹系數相異造成的陶瓷開裂；焊接變形和釬透率(被釬接面積/需焊接面積),。
(1)陶瓷開裂問題
從結構分析,、設計；釬料和緩沖層,；釬接工藝等幾個方面著手研究,。
結構分析與設計—通過結構分析和計算，得出了最佳的結構因素,。為計算簡便起見,，作如下假設：a)不考慮Y、Z方面的變化,；b)溫度范圍設定為 20～200℃,，僅考慮彈性變形；c)中心軸的長度保持不變如圖3,、圖4,、圖5所示。

圖3　試樣示意圖

圖4　板厚比與po的關系

圖5　界面應力分布

　　綜合考慮,，選擇r≤1為佳,。
WilliamW在42合金和可伐合金上用Au-Ge焊料在400℃時焊接Al2O3，并對應力作了測定結果,。見表2,。

表2　應力測定結果
   

從表2中也可看出金屬基座愈薄，對抗裂愈有利,。
釬料和緩沖層—選擇焊接溫度低,，塑性好的釬料及應力緩沖層是防止陶瓷開裂的一個重要手段。研究了多種釬料的可焊性,，最終選定In-Sn,、Sn-Pb二種釬料作為基本釬料。［4］［6］緩沖層的結構也很多,，材料選擇主要是以Mo片,、Ti片為主。
釬接工藝—釬接工藝主要根據陶瓷熱性能來設計,，選用緩慢加熱,、冷卻過程如圖6所示。值得提出的是這種工藝對基片與載體的焊接性能,，特別是耐焊性提出了更高的要求,。

圖6　典型溫度曲線(Sn-Pb釬料)

　　(2)焊接變形
焊接變形主要影響最終裝配質量，變形大時,，在最終裝配時不會引起開裂,。變形必須控制在一定的范圍內。
控制變形的方法是載體材料,、厚度的正確選擇和焊接夾具的設計,。
選用夾具，控制變形,，將增加應力,，不利于防裂，為此夾具的壓力必須合適,。壓力是保證間隙,、焊接質量和減少焊后變形的關鍵因素，要在整個加熱過程中維護適當的壓力,，是夾具設計的原則,。
通常設計要求為變形小于0.1mm/100mm，正確設計夾具及焊接工藝,，研究的實測變形一般在0.03～0.05mm之間,。
(3)釬透率
釬透率直接反映了接地效果，是整個技術的重要指標,，要在100mm×100mm(研究目標)內達到高指標,，是一個難題。在焊接預置,、載體開槽及打孔,、夾具空隙等方面作了研究，使釬接率達到85%以上(一般可達90%)如載體金屬打工藝孔,，可使釬接率從40%～50%上升到90%,。開槽可控制被焊接的位置，在電性能上獲得了良好的效果。目前正在研究網格載體與電性能的關系,，如獲得突破,，則釬透率問題就將最終獲得解決。

4　討論與實例

　　Al2O3— Al產品的實例,，其技術指標如下：
工作頻率　　1200～1400MHz
組件尺寸　　40mm×90mm
釬透率　　　90.28%
焊后變形　　≤0.01mm
接觸電阻　　≤0.02Ω
插入損耗　　≤0.06db
串　擾　　　≤0.1db
熱循環(huán)次數　≥45次
微波電路組裝技術的研究,，是一個電、結構及工藝的綜合性課題,。目前這項研究工作已應用于實踐,，共制作組件2000余件，并獲得明顯的技術和經濟效益,。