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1、LTCC多层微波互连基板布局布线设计及制造技术 姜伟卓,严 伟,谢廉忠 (信息产业部电子14所,南京 210013) 摘 要:采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术制造多层微波互连基板,可以研制出高密度的T/ R组 件。讨论了多层基板中微带线和带状线的结构及其优化设计技术,介绍了制造工艺流程和关键工 艺难点。 关键词:低温共烧陶瓷;多层微波互连基板;微带线;带状线;T/ R组件 中图分类号:TN405.97 文献标识码:A 文章编号:1001 - 3474(2000)02 - 0081 - 03 Design and Manufacturing Technology of LTCC Multilay
2、er Microwave Substrate JIANG Wei - zhuo,YAN Wei, XIE Lian - zhong ( Electronics 14th Research Institute of Ministry of Information Industry, N anjing 210013,China) Abstract :The low temperature co - fired ceramic(LTCC) technology has been used in the multilayer sub2 strate in microwave frequency. It
3、 can be used to develop the high density T/ R modules. In this paper ,the structure and its design optimization of microstrip line and stripline in the multilayer substrate are discussed , the manufacturing process and its key technology are also introduced. Key words :Low temperature co - fired cer
4、amic(LTCC) ;Multilayer substrate in microwave frequency;Mi2 crostrip line ;Stripline ;T/ R module Document Code :A Article ID :1001 - 3474(2000)02 - 0081 - 03 固态相控阵雷达是新一代雷达的发展趋势,正 得到越来越广泛的应用。一部相控阵雷达是由成千 上万个收/发组件组成,因此其核心T/ R组件的性 能直接关系到整机性能的好坏。随着雷达技术和战 术指标要求的不断提高及元器件集成度的不断提 高,对T/ R组件的电性能、 体积、 重量和幅相一致性
5、 等提出了更高的要求,尤其对机载、 星载和舰载T/ R 组件,因其工作频率越来越高 (S 或X波段 ) , 对体 积、 质量的要求就更为苛刻。为了研制出体积小、 重 量轻、 可靠性高、 幅相一致性好的高密度T/ R组件, 满足机载、 星载和舰载相控阵雷达的需要,我们研究 采用将数字电路多芯片组件(MCM)中常用的低温 共烧陶瓷(LTCC)技术应用到T/ R组件多层微波互 连基板研制中,并针对微波电路的特点,对LTCC微 带线的布局布线结构和电性能进行了优化设计,研 究突破了关键的制造工艺研制出了满足机载相控阵 雷达要求的小型化T/ R组件。 1 互连基板微带结构和电性能优化技术 LTCC多层微
6、波基板的技术基础是50线,包 括50微带和50带状线,以及微带线至带状线 的过渡。为此,我们对LTCC多层微波互连基板微 带线结构和电性能进行了优化试验研究。测试仪表 采用矢量网络分析仪HP8510C ,其频率范围为45 20 GHz ,并具有时域功能,能够进行50线的阻抗 姜伟卓(1968 - ) ,女,1990年毕业于东南大学,工程师,现主要从事微电路总体设计和测试技术研究。 18 第21卷第2期 2000年3月 电 子 工 艺 技 术 Electronics Process Technology 测量。测试夹具为WILTRON的Model 3680 - 20 ,配 有专用校准件,可以校准
7、至与50线相连的两个端 口,避免了一般夹具的插座引入的测试误差。 微带线特性阻抗Z0与基板的介电常数r、 板 厚H、 微带线宽W等满足下列等式(假设导带厚度 T/ H= 0) : 当W/ H 1/ 2 时 ,W/ H=W/ H+ (T/H) (1 + ln2H/ T)(5) 当W/ H 1/ 2 时 ,W/ H=W/ H+ (T/H) (1 + ln4W/ T)(6) 式(5)和(6)的限定条件是TH和TW/ 2 LTCC的材料采用r为5. 25. 9的生坯材料。 制作工艺对r有影响,为精确确定 r,对制作的几 组微带线在HP8510C上采用时域Low Pass - Step(阶 跃响应法)测
8、试其抗阻Z0,并根据H和W,用EEsof - Linecalc软件推出r,对5层和13层两种LTCC上 的微带线进行测试,数据见表1。 表1 两种LTCC上的微带线测试数据 基板层数 板厚H/ mm线宽W/ mmZ测R/ r(推导出) 5层0.450.6355.756.8 5.55.7 13层1.131.57555.75.8 多层微带线结构如图1所示,基板表面印刷导 带,线宽为W,板厚应为中间层微波地与表面的距 离H1。阻抗一定时,W与H1成正比,为得到较小的 W,H1一般控制在2层(H10. 278) ,在第2层或第 3层背面印刷大面积地,做为微带线的地。第2或 第3层以下可以进行低频信号和
9、直流电源和地的布 线,基板背面印刷大面积地,两层大面积地之间通过 接地通孔相连。 图1 多层微带线结构 最初设计的50微带线,由于接地通孔设置不 合理,使中间层地不能成为真正的微波信号地,两层 地之间形成谐振腔,微带线性能极差,随着频率增 高,产生大量谐振峰。 我们对接地通孔的设计进行了研究试验,增加 通孔数量和密度,并合理设置通孔与微带线的间距, 测试结果证明,微波性能大大改善,谐振现象没有 了,图3为一段3. 6 cm长的微带线的损耗曲线(在 13 GHz以下,频率为3 GHz时插入损耗约0. 1 dB/ cm ,6 GHz时插入损耗约0. 150. 2 dB/ cm ,10 GHz 时插
10、入损耗约0.30.35 dB/ cm)。 多层带状结构如图1所示,图2为微带线和带 状线的剖面示意图。根据T/ R组件布线设计的需 要,微带线地以下取10层,高度H2= 0. 927 ,在第9 层正面印制带状线。带状线的性能也受接地通孔的 影响,同样需增加通孔数量和密度,合理设置通孔与 带状线的间距,测试结果如图3所示。 不论是测试带状线性能还是设计T/ R组件,每 根带状线的两端都必须经过渡转换与微带线相连。 由于H1与H2均很小,将这一过渡按同轴线设计。 同轴线特性阻抗Z0与同轴线的内径即通孔柱直径 d和同轴线外径D有关。在制作过程中,打孔精度、 通孔柱印刷时的对位精度以及LTCC的收缩率
11、,对 Z0均有影响,从而影响其微波性能。实测证明,按 此设计方法和目前的工艺制作的过渡通孔,对带状 28 电 子 工 艺 技 术 第21卷第2期 图2 微带线和带状线的剖面示意图 图3 带状线性能 线和微带线性能没有破坏性影响,基本能满足T/ R 组件的要求,在研制出的T/ R组件中,引入两段带 状线,共有四个过渡通孔,组件性能符合设计要求。 从过渡通孔的微观结构看,并不是理想的同轴 线模型,事实上,仅中间接地层上的通孔为同轴线。 因此,为提高LTCC微带线、 带状线的性能,挖掘其 潜力,应对这一特殊的过渡结构进行深入研究。 2 LTCC多层微波互连基板制造技术研究 制作工艺流程如图4所示。
12、图4 制作工艺流程图 其关键工艺难点有以下几方面: (1)打孔及通孔填充 多层微波互连基板与普通的用于数字电路的多 层互连基板相比有本质的不同,除了需考虑电性能 通路孔以外,还得安排大量的通孔用于元器件及芯 片的接地,另外还得考虑一些用于功率元器件散热 的导热孔,所以在23 mm100 mm的生瓷带上平均 有200300个通孔,组件共有13层,共有3 000个 通孔左右。所以如何在生瓷带上打出这么多高精度 的通孔以及如何进行高精度的通孔填充就成了多层 微波互连基板的关键工艺之一。 (2)对位精度 如此高密度的基板,如何来保证通孔打孔、 通孔 填充、 布线、 金属化叠层的对位精度是制造高质量基
13、板的关键因素之一。 对位包括印刷时丝网与生瓷之间的对位和叠片 时生瓷片与生瓷片之间的对位,对位精度高低直接 影响基板的电性能,如精度太差会引起布线网络间 的短路或断路。因没有定位孔,叠层之间的精度较 高,一般能满足设计要求,最关键的是印刷定位,影 响对位精度的主要因素有:打孔精度误差,照相制版 精度误差和印刷机手动调节对位视觉误差,其中数 控钻孔打孔精度误差为 50m ,两项系统累计误差 为 80m ,所以为了保证微带线与微波通孔间的可 靠互连,应尽可能减少印刷过程中对位视觉误差,目 前我们的布线密度为线宽0. 2 mm ,线间距0. 2 mm , 孔D0.3 mm ,孔中心距0.6 mm。对
14、位精度能满足需 求,如要进一步提高布线密度,则必须提高打孔、 制 版和印刷对位精度。 (3)布线设计及金属化 在进行CAD布线设计时,必须根据对位精度及 工艺水平、 电路性能要求来确定通孔尺寸、 线宽、 线 间距及其他参数,才能保证基板的成品率。对于高 频微波组件,微带线、 带状线的精度对微波性能有影 响,所以应该根据工艺过程中的误差在设计时对线 宽进行补偿。另外,还必须有充分数量的接地孔以 保证元器件及芯片的接地要求,以及一定数量的导 热孔以保证功率器件的散热要求。 我们采用325400目不锈钢丝网来实现金属 化保证印刷出的微带线和带状线边缘平整、 表面致 密、 膜层均匀,以满足微波性能的要
15、求。 (下转第90页) 382000年3月 姜伟卓等:LTCC多层微波互连基板布局布线设计及制造技术 控制; (e)事故水投入控制,当结晶器冷却水流量压力 下降时,自动投入事故水,确保安全和可靠。 (5)各种气体调节控制 (a)煤气、 炳烷、 压缩空气、 氧气、 氩气、 氮气、 煤 气的压力、 流量检测和报警; (b)上述各种气体的阀门开闭控制。 (6)在线火焰切割 根据过程监控计算机下达 的自动定尺指令和跟踪信号,由PLC3控制实现火 焰切割机行走和在线切割控制。 (7)斜出坯控制 当在线火焰切割完成后,由接 坯小车接收切割后的定尺坯,先垂直下行,再经斜出 坯装置把铸坯运送到水平辊道。整个过
16、程实现位置 检测和自动控制。 (8)水平辊道及二次火焰切割 在水平辊道上 进行二次切割,切割长度为成品坯,再经辊道输出, 由PLC5完成控制。 4 主要控制技术的实现 4.1 托辊控制 在浇钢过程中,铸坯拉速由控制托辊速度完成。 共有3对托辊装置。与弧形连铸及立弯形连铸不同 的是,立式板坯连铸机中,长度多达20 m ,重量达几 十吨的铸坯,全靠托辊装置来支撑。由液压系统驱 动托辊夹紧铸坯。每对托辊分别有2台交流电机驱 动,速度的同步由变频器完成。为实现三对托辊的 负荷平衡,在PLC2中编制负荷平衡算法软件,使三 对托辊电机实现负荷平衡。 4.2 信号接口设计 为实现全自动浇钢,需实现各子系统之
17、间的信 号传递,主要是: (1)拉坯位置跟踪由托辊脉冲发生器完成,斜出 坯跟踪由接坯小车卷扬电机脉冲发生器完成。二者 之间的信号衔接在接坯小车接到铸坯时,跟踪卷扬 电机负荷变化以确定接到铸坯。 (2)立式火焰切割机的启动由铸坯跟踪系统发 出信号。当铸坯开始切割时,应确保接坯小车到达 接坯位置才能切断铸坯,以防铸坯自由落下。当接 坯小车接到铸坯时,应向切割控制子系统发出 “接到 铸坯” 信号;当火焰切割机切断铸坯时,应向斜出坯 系统发出 “切割完成” 信号。 5 结束语 这台连铸机于1999年下半年完成改造。改造 后的连铸机是我国唯一的一台在线立式切割、 斜出 坯型不锈钢板坯连铸机。控制系统于1
18、999年顺利 投入。投产后运行稳定可靠,各种控制功能均已实 现。 收稿日期:1999 - 12 - 25 (上接第83页) (4)LTCC基板收缩率的控制 LTCC基板收缩率的控制是LTCC基板制作过 程中最为关键的工艺之一。收缩率不一致影响组装 产品的性能,严重时甚至无法在其表面组装芯片,还 会影响到后道工艺的一致性。 影响基板烧结收缩率的主要因素有热压叠片的 压力、 烧结曲线等,均必须进行严格的工艺控制。 3 应用实例 我们将LTCC多层微波互连基板技术应用到X 波段机载T/ R组件样品研制中,将T/ R组件中的微 波电路部分(三级功率放大器、 低噪声放大器、 衰减 器、 移相器、T/ R
19、开关等)以及低频控制和驱动电路 部分制作在一块13层的LTCC多层基板上,采用共 晶焊接技术将9块MMIC(单片微波集成电路)和4 块ASIC芯片焊接到LTCC基板上,构成完整的T/ R 组件,其输出功率达到5 W ,噪声系数 7 dB ,接收 增益 20 dB ,输入驻波 1. 4 ,外形尺寸仅18 mm 10 mm70 mm ,达到了机载T/ R组件的技术要求。 4 结论 采用LTCC技术研制多层微波互连基板具有结 构紧凑、 多层微带电路之间屏蔽好、 可将高频和低频 电路集成在同一块基板上等优点,研制出的T/ R组 件也具有体积小、 重量轻、 电性能好、 可靠性高等优 点,在机载、 星载和舰载相控阵雷达上具有广泛的应 用前景。 收稿日期:2000 - 01 - 28 09 电 子 工 艺 技 术 第21卷第2期