微波电路的微波性能影响的要素研究分析

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。