薄膜电路的特点详解及其案例分析

本文在分析薄膜电路的特点的基础上，介绍了几种典型的薄膜电路在T/R组件中应用实例，分析指出薄膜技术在T/R组件中应用的两个新的趋势，并给出发展建议。

　　1.引言

　　采用薄膜技术来制造薄膜电路是薄膜领域中一个重要分支。薄膜电路主要特点：制造精度比较高（薄膜线宽和线间距较小），可实现小孔金属化，可集成电阻、电容、电感、空气桥等无源元件，并且根据需要，薄膜电路可以方便地采用介质制造多层电路。薄膜多层电路是指采用真空蒸发、溅射、电镀等薄膜工艺以及湿法刻蚀和干法刻蚀（反应离子刻蚀、等离子刻蚀、激光刻蚀）等图形形成技术，在抛光的基板（陶瓷、硅、玻璃等材料）上制作导体（Cu或Au等）布线与绝缘介质膜（PI或BCB等）相互交叠的多层互连结构。

　　薄膜多层电路技术，由于具有互连密度高、集成度高、可以制造高功率电路、整个封装结构具有系统级功能等突出特点，在微波领域的应用很有竞争力，特别是在机载、星载或航天领域中，其体积小、重量轻、可靠性高的特点更加突出，是一种非常有潜力的微波电路模块（低噪声放大器、滤波器、移相器等）、甚至需求量越来越大的T/R组件基板制造技术。

　　本文将在分析薄膜电路在T/R组件中应用的特点的基础上，介绍几种典型的应用实例，并给出发展建议。

　　2. 薄膜电路技术在T/R组件中应用的特点分析

　　随着雷达技术的发展，有源相控阵雷达成为主流，而其核心则是T/R组件，通常每部雷达含有成千上万只T/R组件。T/R组件不论其使用频率是否相同，也不论其使用场合是否相同，其基本构成是相同的，主要是由功率放大器、驱动放大器、T/R开关、移相器、限幅器、低噪声放大器、环流器、逻辑控制电路等组成，其结构框图如图1所示（1）。这些基本构成，在工艺实现时，部分可以直接做在电路板上，如微带传输线、开关、耦合器、滤波器等，部分采用外贴芯片（如功放、驱放等）、电容、环流器等来实现。因此，从使用功能和结构上，T/R组件实际上可以看作是一种具有收发功能的微波多芯片模块。

　　受雷达波束栅瓣效应（相邻两个辐射单元的中心距小于工作波长的一半）以及重量、成本等限制，T/R组件的小型化、集成化、轻量化将是其发展趋势。为了满足其性能要求，采用低温共烧陶瓷LTCC、高温共烧陶瓷HTCC、薄膜多层电路技术、多层微波印制电路技术等多层集成技术来研制和生产T/R组件成为必然选择，几种多层技术的比较见表1（2~3）。

　　从表中可以看出，薄膜多层互连基板，具有如下突出优点：

　　（1）布线密度高，体积可以很小、重量很轻；

　　（2）集成度高，可以埋置电阻、电感、电容等无源器件以及有源芯片；

　　（3）高频特性好，可用于微波及毫米波领域；

　　（4）承受功率密度高，可选用高导热的金属、金刚石、陶瓷或铝炭化硅复合材料等作基板，制造高密度高功率多层基板。

　　薄膜多层互连基板与其它类型的基板相比，具有如下明显的缺点：

　　（1）工艺采用串形方式，成品率相对低，制造成本高；

　　（2）制造层数受限制。

　　薄膜多层电路技术由于具有明显的优点和缺点，因此在制造T/R组件的选择上，可以有两种方案。第一，可以采用薄膜技术在陶瓷基板或金属基板上直接制造T/R组件（4~5），发挥薄膜高精度、高集成度、高功率的性能，这种方法成本较高； 第二，将薄膜技术和其他多层电路技术（如厚膜技术、HTCC、LTCC等）结合起来（6-8），制造T/R组件，扬长避短，既发挥其他基板容易实现多层的特点，从而克服薄膜技术本身制造层数不足的缺点，又能发挥薄膜技术本身的高精度、高性能特长。

　　3. 薄膜技术在T/R组件中应用实例

　　3.1 陶瓷基板上薄膜混合集成T/R组件

　　RCA实验室在1985年报道了在高导热陶瓷BeO基板上采用薄膜工艺制造的T/R组件（3），尺寸为7.0cm×9.0cm×1.6cm，工作频率16.0~16.5GHz，峰值功率3.9~4.4 W，电压调谐范围2.5~2.9，噪声系数5dB。

　　Martin Marietta实验室，1995年首次报道了采用薄膜技术制造了频率高达94GHz 的W波段的8单元T/R组件（4），如图3所示。组件的尺寸16.5mm×28.3cm×1.8 cm，最大增益47.8 dB。主要工艺为：先在0.5毫米厚的钼基片上，采用铜导体和聚酰亚胺的薄膜多层工艺制造直流和控制信号主板，然后在0.125mm厚的低损耗Al2O3陶瓷板上用薄膜工艺制造RF传输线，最后将RF部分和芯片、电容等装配在低频主板上。

　　3.2 金属基板上薄膜混合集成T/R组件

　　在铝、钼等金属基板上制作T/R组件或多芯片模块，近年来也有不少报道（4~6）。1995年，澳大利亚的O.Sevimli报导了一种金属基V波段（可以达110GHz以上）薄膜多层多芯片组件专利技术（5），结构示意图见图2。这种技术工艺过程是这样的：首先是在金属基板上腐蚀出用于安放芯片的孔，然后把芯片采用导电胶固定在孔内，控制好安装芯片的孔的深度使芯片与金属表面在同一平面内并精确定位，表面涂敷一层适于毫米波领域使用的BCB等介质材料，最后在芯片焊盘处刻蚀通孔，进行薄膜多层电路的制作。这种技术的突出优点是所有芯片或无源器件（如耦合器、滤波器等）可以同时装配，装配不采用金丝键合手段也不用倒装芯片，以解决毫米波频段金丝键合带来的一致性控制以及寄生效应难题；同时也可解决采用倒装芯片带来的功率耗散问题，芯片的热量可以通过金属底板快速散去。