一種基于HTCC技術的收發組件一體化外殼

周 昊，劉 海，程 凱

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

收發組件可以放大天線接收的信號，提供良好的信號噪聲系數，補償信號損失，防止信號衰減，保證目標信號被檢測和處理，是有源相控雷達的核心組件[1]。目前國內外普遍采用低溫共燒陶瓷（LTCC）技術來制作高密度基板與硅鋁基復合材料金屬外殼封裝，或利用多層印刷線路板(PCB)與鋁合金殼體封裝，實現收發組件的研制，并使之承擔組件的機械防護、電磁屏蔽和氣密封裝的作用[2-5]。

LTCC基板封裝（MCM-LTCC）的信號輸入輸出一般僅依靠平面傳輸，封裝形式較為單一，應用場景受限。其多采用金、銀等貴金屬作為導體漿料與陶瓷在900℃實現共燒，過高的成本限制了其在低成本、工程化領域的應用。采用多層印刷線路板制備基板由于加工成本較低，越來越成為一體化收發組件的主要封裝形式，但是PCB板材料與陶瓷相比，溫度敏感性高，在長期可靠性要求突出的軍用封裝領域仍然受限。

高溫共燒陶瓷（HTCC）主要是以鎢金屬作為導體材料與氧化鋁等陶瓷材料在1600℃左右實現共燒，并通過釬焊、鍍覆等工藝完成不同材料零件連接和表面處理的外殼加工技術。由于鍍覆金厚度遠小于LTCC技術的印刷金厚度，HTCC封裝的成本優勢明顯。針對導體電阻率大引起的高頻封裝損耗過大問題，通過材料、設計和工藝制造等技術突破，HTCC外殼的適用頻率越來越高，平面傳輸型、垂直傳輸型等多種封裝形式的外殼可在18 GHz內實現全覆蓋[6-8]。此外，由于采用了氧化鋁為主材的陶瓷高溫共燒技術，其在長期可靠性方面高于PCB基板。綜上，基于HTCC技術的一體化外殼有望成為未來軍用收發組件封裝在低成本發展方向的主要技術途徑。

為了滿足收發組件工作頻率高、數據傳輸速度快、結構緊湊、集成度高的要求，一體化外殼在設計和工藝方面的難度比一般外殼更高[8]。封裝外殼不僅要評估結構、散熱、絕緣性、導通電阻等常規外殼指標，還需要對端口微波傳輸、信號隔離、高速布線等功能特性進行針對性設計。在工藝方面，組件功能主要由陶瓷基板實現，為了實現組件的復雜功能，陶瓷基板內部在高密度通孔、精細線條和多層結合工藝等方面的制造難度均高于普通外殼。

本文中采用基于HTCC技術的一體化陶瓷外殼封裝，將雙通道收發組件的多功能芯片、無源器件、功率放大器等集成在一個封裝體內，實現收發組件電路模塊封裝的小型化與低成本制造，滿足10 MHz～8 GHz范圍內的微波封裝需求。

2 外殼結構

外殼結構示意如圖1所示。其中，封接框為組件內部電路提供密封環境；陶瓷基板既為組件提供信號傳輸端口和內部電連接布線，又可通過貼裝多功能芯片等電子元器件進一步拓展組件的應用場景。陶瓷基板基于多層HTCC開發與制造。主體結構材料為氧化鋁，通過多層布線的方式實現陶瓷基板射頻傳輸和直流信號的功能；RF1、RF2、RF3、RF4和RF5為平面饋通型射頻端口。熱沉材料是鉬銅，為組件提供散熱通道，同時可通過螺栓與外部散熱器實現可靠連接。

圖1 雙通道收發組件封裝結構示意圖

3 RF信號傳輸設計

外殼傳輸設計包括兩部分，分別是位于殼體左右兩側、編號RF1至RF5的輸入輸出端口和位于殼體內部的異面傳輸線。外殼陶瓷材料為南京電子器件研究所封裝事業部研制的92%低損耗氧化鋁陶瓷，陶瓷介電常數為9.6±0.2（10 MHz～8 GHz），介質損耗角正切為0.001，基板內部金屬化采用鎢漿料，電導率為1.0×107S/m。基板外部金屬化采用鎢漿料，表面鍍覆鎳和金,鎳層厚度為1.3～4.5μm，金層厚度為1.3～3.5μm。

3.1 端口設計

本文設計的RF傳輸通道是平面饋通型。此類結構一般采用微帶線-帶狀線-微帶線的傳輸方式。當收發組件的工作頻率升高至C波段時，輻射損耗會逐漸加大，成為總能量損耗的主要部分。

由于外部微帶線不僅要滿足信號傳輸要求，還要兼顧引線焊接可靠性。設計時需要參照經驗公式，焊盤寬度=引線寬度+0.3 mm，以提高引線與陶瓷外殼金屬化焊盤的焊接強度。以微帶線線寬W1為典型參數，建立參數掃描模型，外殼端口的插入損耗仿真結果如圖2所示。在6 GHz以內，微帶線線寬變化對端口插入損耗的影響較小。當頻率進一步升高時，線寬變化帶來的結果差異較為明顯。分析認為，這主要是與外殼RF端口的微帶線向帶狀線過渡時，上方介質從空氣向陶瓷變化導致的阻抗失配有關。利用HFSS軟件對分布于陶瓷隔墻內外兩側的傳輸線做了漸進匹配優化，可明顯改善上述問題。

圖2 不同線寬傳輸端口的插入損耗仿真結果

僅通過調整線寬優化阻抗匹配，在10 MHz～8 GHz內端口的插入損耗約為0.3 dB，該結果有進一步提高的空間。基于共面波導結構的外殼端口傳輸線區域電磁場為半開放式結構，高頻信號傳輸時會向外輻射能量，增加傳輸結構的損耗。分析7.5 GHz頻點的電場分布，在信號通孔的周圍設置密集的接地金屬通孔，可抑制高頻電磁能量的泄漏，改善微波傳輸性能。增加密集通孔后，信號線周圍的電場強度提高2個數量級，如圖3所示。值得注意的是，在一體化外殼設計時，密集通孔除了需要保障外殼微波垂直信號傳輸，還要兼顧陶瓷基片加工可靠性。設計時需要參照經驗公式，密集通孔間距不大于2.5倍孔徑，以降低陶瓷燒結過程中導致的孔裂紋擴散風險。

圖3 電場強度

圖4為優化后的仿真結果，在10 MHz～8 GHz頻帶內，外殼端口插入損耗約為0.20 dB。

圖4 外殼端口插入損耗仿真結果

3.2 異面傳輸線設計

為了實現多通道或者多芯片之間的微波傳輸，陶瓷基板內部多采用異面傳輸線的設計方式滿足上述要求。本文設計的外殼基板內部在帶狀線兩側做密布接地孔設計，結構如圖5所示。

圖5 外殼異面傳輸線結構

當上下層的信號端口處在非同心位置時，需要在介質層中間增加一段水平傳輸的帶狀線，形成共面波導-類同軸-帶狀線-類同軸-共面波導的彎折異面射頻傳輸結構。其中，通過優化類同軸傳輸線的長度、上下層共面波導的垂直距離和傳輸線寬等參數，實現了10 MHz～8 GHz內陶瓷基板內部不同鍵合區之間的射頻信號傳輸，仿真結果如圖6所示，端口插入損耗小于0.30 dB。

圖6 射頻端口插入損耗仿真結果

4 結構設計

為了給收發組件的環形器留出足夠的安裝空間，本文所列的一體化陶瓷外殼在空間上采用了不對稱結構。為了在單個組件內封裝更多的元件進而實現更多的功能，外殼的尺寸較大，長寬高尺寸約為55 mm×45 mm×3 mm。基于HTCC技術的陶瓷一體化外殼多采用AgCu作為釬料并在800℃左右高溫條件下完成各零部件之間的焊接。因此，需要通過合理的焊接接頭設計減少上述結構帶來的高溫釬焊形變引發的殘余內應力集中問題。

在物理性質差異顯著的兩種材料之間引入一種物理性質介于兩者之間的材料，整個結構的線膨脹系數將呈現梯度過渡狀態。梯度過渡狀態可以在焊接過程中兩側母材劇烈變化的物理性質間形成緩沖。因此，在接頭結構中，引入中間層時接頭內的殘余應力將被緩解為兩部分，峰值應力隨之減小，其結構示意如圖7所示。

圖7 焊接接頭示意

基于圖1的外殼尺寸，利用Abaqus仿真軟件建立有限元分析模型，計算用的各部件材料物理參數如表1所示。通過對中間層結構的材料熱膨脹系數選擇和結構尺寸優化可以降低峰值焊接殘余應力，仿真結果顯示外殼形變量小于100μm，結果如圖8所示。

表1 材料物理性能

圖8 外殼焊接形變仿真計算結果

5 實物與測試

陶瓷外殼由南京電子器件研究所封裝事業部的多層高溫陶瓷生產線制造，圖9為所研制外殼的實物照片。

圖9 雙通道收發組件封裝實物照片

5.1 微波測試

采用安捷倫N5224A型矢量網絡分析儀測量外殼的微波性能。由于外殼傳輸端口及基板內部傳輸線均采用共面波導結構，可直接選用規格匹配的探針進行測試。其生產廠家為Cascade，型號為ACP50-A-GSG-450。

圖10為外殼端口的微波測試結果，從圖中可以看出，在10 MHz～8 GHz的范圍內，插入損耗小于0.30 dB，微波特性與設計相仿，能夠滿足工程應用要求。

圖10 外殼端口微波測試結果

5.2 平面度測試

采用激光反射法測量外殼平面度，儀器型號為德國CYBER公司的CT-300型激光檢查儀。利用激光測試儀，沿外殼特定方向選取目標路徑，獲得記錄數據。基于標準平面，將最大與最小讀數的差值近似作為平面度誤差。測量方法參照國標《形狀和位置公差GB 1958-80》。其中，《半導體集成電路外殼通用規范GJB 1420B-2011》的要求是不大于4μm/mm。外殼外形尺寸為65 mm，實測平面度均值為112μm，計算可得外殼的單位平面度為1.72μm/mm，滿足國軍標要求。

6 總結

設計了一款基于HTCC技術的收發組件一體化陶瓷外殼，在10 MHz～8 GHz的范圍內，外殼的射頻端口插入損耗小于0.30 dB，具有較好的微波特性。此外，在目標組件的封裝尺寸內實現了1.72μm/mm的平面度指標。該外殼的研制為低成本化的一體化收發組件封裝提供了新的方向。