微波電路通常頻率較高(1GHz以上),，是微波集成電路器件通過(guò)微帶傳輸線構(gòu)成的一個(gè)平面電路、整個(gè)無(wú)論其圖形如何復(fù)雜,，均可簡(jiǎn)便地用厚,、薄工藝制作在介質(zhì)片上，將基片固定于作為接地板的金屬基座(載體)上就構(gòu)成一個(gè)完整的電路,。這種電路的制作成本比同功能的波導(dǎo)和同軸電路便宜得多,。這種電路由于消除了許多接頭，同時(shí)帶來(lái)了制作重復(fù)性好,、性能優(yōu)良,、調(diào)整方便、體積小,、重量輕,、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛地應(yīng)用,。
微波電路制作一般可分三個(gè)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(dǎo)致功能塊間的串?dāng)_(一般≥0.5dB),，插入損耗增加(一般≥1.4dB),，同時(shí)也帶來(lái)了附加電容與振蕩。L波段以上電路已無(wú)法獲得穩(wěn)定的電路參數(shù),，可靠性低,。目前國(guó)外已普遍使用釬接方法來(lái)實(shí)行“大面積釬接”。國(guó)內(nèi)也開(kāi)始摸索和使用,。大面積釬接的主要難點(diǎn)在于金屬與陶瓷材料的物理,、化學(xué)性能差異太大，易造成陶瓷開(kāi)裂,、不良接頭,、變形等。芯片與微帶線互連的長(zhǎng)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?cè)谶@方面的研究成果,。

1　接地連接的分析和設(shè)計(jì)

　　微波電路的接地連接主要影響電路串?dāng)_和插入損耗,。電路串?dāng)_主要是過(guò)長(zhǎng)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(dǎo)體損耗,、介質(zhì)損耗,、輻射損耗及制作工藝的損耗。
導(dǎo)體損耗指金屬導(dǎo)帶與接地金屬面對(duì)傳輸信號(hào)
所造成的插入損耗,。介質(zhì)損耗指電磁場(chǎng)在金屬導(dǎo)帶和接地面中間的介質(zhì)中傳輸,，由填充介質(zhì)引入的插入損耗。焊接缺陷(空洞,、孔隙)及其它制作缺陷(介質(zhì)板,、導(dǎo)帶¨)均會(huì)增加插入損耗［1］。接地連接的設(shè)計(jì)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^(guò)孔金屬化,、空心鉚釘、連接銷釘?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn),。如圖1所示,。

接地通孔設(shè)計(jì)　　

　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(wǎng)狀孔,，孔金屬化,。
三種方法各有各的技術(shù)難點(diǎn)，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?shù)姆椒ㄗ羁煽?，但空心鉚釘?shù)闹谱麟y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(jìn)行,，而焊接工作也往往只能靠人工進(jìn)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(jiān)固的介質(zhì)基片(陶瓷,、石英……)上用薄膜工藝(蒸發(fā),、濺射……)來(lái)制作。隨著新技術(shù)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(shù)制作，近年來(lái)也出現(xiàn)非Al2O3的軟基片復(fù)合材料作基片的,，但在S波段以上,，往往還無(wú)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(guò)程中容易造成陶瓷基片碎裂外,，它已無(wú)法滿足微波電路的電,、熱性能參數(shù)的要求，近年來(lái)已被軟釬接技術(shù)所替代,。
由于陶瓷與金屬的化學(xué),、物理焊接性差異極大，特別熱膨脹系數(shù)的差異,，造成焊接及使用過(guò)程中瓷片開(kāi)裂,、電路失效。這些問(wèn)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(shí),，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(lái)實(shí)現(xiàn),。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(guò)薄膜、厚膜和LCTT共燒來(lái)實(shí)現(xiàn),。
(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(guò)渡層以提高金屬與陶瓷板的附著強(qiáng)度，Au作為主導(dǎo)層以滿足微波電性能的要求,。
采用Au基釬料可以實(shí)現(xiàn)CrAu膜與載體的焊接,，但Au基釬料價(jià)格昂貴，并要在專門(mén)的氣控爐中進(jìn)行,，工藝復(fù)雜,，為此需研究適合普通Sn-Pb釬料的金屬膜系。
研究設(shè)計(jì)了CrAu,、CrCuAu,、CrAuCuAu三種膜系，并通過(guò)不同工藝手段制作出不同的膜厚,。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(dǎo)帶及接地面金屬化膜,。
(b)厚膜制作
微波電路厚膜制作的關(guān)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(jié)工藝掌握好的話可達(dá)70～80次。Au-Pt膜的可焊性相對(duì)來(lái)說(shuō)差一些,，但經(jīng)過(guò)適當(dāng)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(gè)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(jù)產(chǎn)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(shù)相近的選可伐合金,、42合金等。另外還有與GaAs熱膨脹系數(shù)相近的Mo,，新興的復(fù)合材料AlSiC等,，這些載體材料要通過(guò)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(shù)分配合理的鍍層體系,。
本研究設(shè)計(jì)了不同的鍍層系列。經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)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(nèi)容：熱膨脹系數(shù)相異造成的陶瓷開(kāi)裂,；焊接變形和釬透率(被釬接面積/需焊接面積)。
(1)陶瓷開(kāi)裂問(wèn)題
從結(jié)構(gòu)分析,、設(shè)計(jì),；釬料和緩沖層；釬接工藝等幾個(gè)方面著手研究,。
結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)—通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算,，得出了最佳的結(jié)構(gòu)因素。為計(jì)算簡(jiǎn)便起見(jiàn),，作如下假設(shè)：a)不考慮Y,、Z方面的變化；b)溫度范圍設(shè)定為 20～200℃,，僅考慮彈性變形,；c)中心軸的長(zhǎng)度保持不變?nèi)鐖D3、圖4,、圖5所示,。

圖3　試樣示意圖

圖4　板厚比與po的關(guān)系

圖5　界面應(yīng)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(shí)焊接Al2O3,，并對(duì)應(yīng)力作了測(cè)定結(jié)果。見(jiàn)表2,。

表2　應(yīng)力測(cè)定結(jié)果
   

從表2中也可看出金屬基座愈薄,，對(duì)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(yīng)力緩沖層是防止陶瓷開(kāi)裂的一個(gè)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(jié)構(gòu)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(jù)陶瓷熱性能來(lái)設(shè)計(jì),，選用緩慢加熱、冷卻過(guò)程如圖6所示,。值得提出的是這種工藝對(duì)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(zhì)量,，變形大時(shí)，在最終裝配時(shí)不會(huì)引起開(kāi)裂,。變形必須控制在一定的范圍內(nèi),。
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(shè)計(jì),。
選用夾具,，控制變形，將增加應(yīng)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(zhì)量和減少焊后變形的關(guān)鍵因素,，要在整個(gè)加熱過(guò)程中維護(hù)適當(dāng)?shù)膲毫Γ菉A具設(shè)計(jì)的原則,。
通常設(shè)計(jì)要求為變形小于0.1mm/100mm,，正確設(shè)計(jì)夾具及焊接工藝，研究的實(shí)測(cè)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(gè)技術(shù)的重要指標(biāo)，要在100mm×100mm(研究目標(biāo))內(nèi)達(dá)到高指標(biāo),，是一個(gè)難題,。在焊接預(yù)置、載體開(kāi)槽及打孔,、夾具空隙等方面作了研究,，使釬接率達(dá)到85%以上(一般可達(dá)90%)如載體金屬打工藝孔，可使釬接率從40%～50%上升到90%,。開(kāi)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(wǎng)格載體與電性能的關(guān)系,，如獲得突破,，則釬透率問(wèn)題就將最終獲得解決,。

4　討論與實(shí)例

　　Al2O3— Al產(chǎn)品的實(shí)例，其技術(shù)指標(biāo)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(shù)　≥45次
微波電路組裝技術(shù)的研究,，是一個(gè)電,、結(jié)構(gòu)及工藝的綜合性課題。目前這項(xiàng)研究工作已應(yīng)用于實(shí)踐,，共制作組件2000余件,，并獲得明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。