微波高頻外殼的設(shè)計(jì)與制造工藝研究

胡 進(jìn)，盧會(huì)湘，程 凱

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210016）

1 前言

外殼對(duì)于電路而言，在起到機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)作用的同時(shí)，需要將輸入/輸出信號(hào)和電源/地通過封裝上的引線實(shí)現(xiàn)芯片與外部電子系統(tǒng)的互連。這種作用在微波高頻外殼上得到了較為充分的體現(xiàn)，微波高頻外殼的設(shè)計(jì)與工藝往往影響著被封裝系統(tǒng)的微波性能，例如駐波比、插入損耗、隔離度等。微波高頻外殼的可靠性也直接影響到整個(gè)封裝系統(tǒng)的可靠性。

2 微波高頻外殼的微波性能

微波高頻外殼的結(jié)構(gòu)樣式有很多種，但是以金屬-陶瓷外殼和金屬-玻璃外殼較為常見，本文章以金屬-陶瓷外殼為例進(jìn)行說明。如圖1所示為某型號(hào)金屬-陶瓷外殼的示意圖。

圖1 某型號(hào)金屬-陶瓷外殼

2.1 傳輸線特性阻抗的設(shè)計(jì)

為滿足器件對(duì)封裝外殼的要求，我們?cè)谕鈿ぴO(shè)計(jì)時(shí)必須考慮通過設(shè)計(jì)外殼微波帶線使其特性阻抗等于單片的特性阻抗Z0，從而達(dá)到阻抗匹配之目的，以保證封裝外殼上插入損耗最小，駐波比最低。

對(duì)于工程應(yīng)用中，一般希望外殼內(nèi)的連接部分是在工作頻段內(nèi)成50 Ω的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最大化傳輸，并且在固態(tài)電路中，由于會(huì)應(yīng)用到很多的外殼封裝的模塊電路，管腿為50 Ω阻抗的模塊電路更利于模塊間的級(jí)聯(lián)，減少了由于匹配不當(dāng)而產(chǎn)生的自激或是信號(hào)損耗等現(xiàn)象。如圖2所示為某型號(hào)金屬-陶瓷外殼陶瓷零件的示意圖。

圖2 陶瓷零件示意圖

根據(jù)陶瓷零件的相關(guān)指標(biāo)值，例如陶瓷材料的介電常數(shù)、上下陶瓷材料的厚度、微帶線傳輸面的長與寬等。按照“啞鈴”參考形狀對(duì)傳輸線的圖形進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)，圖3為陶瓷零件傳輸線圖形的示意圖。

最終傳輸線圖形的確定，要通過進(jìn)一步的修調(diào)-模擬仿真計(jì)算-修調(diào)-再模擬仿真計(jì)算，直到滿足50 Ω特性阻抗的設(shè)計(jì)要求，圖4為陶瓷零件的微波特性。根據(jù)以往的研制經(jīng)驗(yàn)，圖形中寬度方向尺寸由大到小變化時(shí)的緩急是一個(gè)非常重要的影響因素，尺寸變化過急是不可取的。當(dāng)然，即使完成了這樣的設(shè)計(jì)工作，陶瓷材料本身的介質(zhì)損耗也是非常重要的因素。通常由于黑瓷（Al2O3）材料中添加了多種金屬氧化物用于著色，因此也帶來一些負(fù)面影響，例如其中的二氧化鈦會(huì)導(dǎo)致黑瓷（Al2O3）材料的介質(zhì)損耗要明顯大于白瓷（Al2O3），這也是絕大多數(shù)微波高頻外殼采用白色氧化鋁陶瓷研制微波陶瓷零件的重要原因。

圖3 傳輸圖形

圖4 陶瓷零件的微波特性

微波設(shè)計(jì)可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，但是理論設(shè)計(jì)與工藝實(shí)現(xiàn)的誤差往往不可忽視。

在陶瓷零件的實(shí)際制作工藝中，影響微波特性的因素主要有這樣幾點(diǎn)。

2.1.1 陶瓷零件尺寸對(duì)微波性能的影響

陶瓷零件的尺寸對(duì)微波特性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，尤其是陶瓷零件上、下片的厚度，盡管出現(xiàn)細(xì)微的誤差是難免的，但厚度的尺寸值不能和設(shè)計(jì)值相差太大，否則難以實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算的50 Ω阻抗值。要嚴(yán)格控制這個(gè)尺寸必須在生瓷帶制備（流延）工藝過程中加強(qiáng)控制，其他一些工序工藝也是要重點(diǎn)關(guān)注的，例如層壓和燒結(jié)等工藝過程中對(duì)陶瓷零件尺寸的控制。

2.1.2 生瓷印刷對(duì)微波性能的影響

印刷工藝對(duì)陶瓷零件微波特性的影響是顯而易見的，印刷精度的高低在很大程度上決定了傳輸線的傳輸特性，對(duì)于圖形模糊、印刷飛邊等問題是要堅(jiān)決避免的。傳輸線的圖形厚度也要控制，因?yàn)樘沾闪慵ξ恢玫膬?nèi)埋圖形表層是沒有鍍金層覆蓋的，完全依靠金屬化圖形傳輸，圖形厚度影響這部分傳輸線的線阻，控制不好會(huì)帶來過大的傳輸損耗。

2.1.3 疊片工藝對(duì)微波性能的影響

疊片工藝對(duì)微波性能的影響在于疊片出現(xiàn)了較大的位置偏移，金屬化“啞鈴”形狀圖形的內(nèi)埋位置就會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)，與設(shè)計(jì)時(shí)建立的陶瓷零件模型不一致，結(jié)果可想而之。

2.1.4 層壓工藝對(duì)微波性能的影響

層壓過程中壓力作用在生瓷片上會(huì)產(chǎn)生一定程度的形變，尤其在內(nèi)埋圖形的位置，由于受到上瓷片（工藝上我們俗稱“筋”）的壓力作用，會(huì)導(dǎo)致傳輸線在內(nèi)埋圖形的位置出現(xiàn)空間上的下陷，對(duì)微波特性的影響很大，所以壓力越小形變?cè)缴伲接欣讷@得好的微波特性。但是這個(gè)問題又很難處理，因?yàn)槌Ｒ?guī)工藝下，壓力的大小和陶瓷零件氣密性的好壞聯(lián)系密切，對(duì)此問題，國外這方面做的很好，我們也在做相關(guān)工藝技術(shù)的研究工作。

2.1.5 鍍金工藝對(duì)微波性能的影響

由于“趨膚”效應(yīng)的存在，鍍金層的狀態(tài)往往會(huì)直接影響到外殼的微波特性，尤其是微波傳輸線條上的鍍金層狀態(tài)。從微波特性的角度來說，對(duì)于鍍金層的要求通常是鍍金層的厚度、鍍金層的表面平坦度，甚至是鍍金層金的純度。

2.2 外殼腔體空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

外殼內(nèi)部的腔壁會(huì)對(duì)腔內(nèi)電路中電場(chǎng)產(chǎn)生干擾，當(dāng)腔體尺寸選擇不合適時(shí)，可能會(huì)在某一頻率發(fā)生衰減的尖峰，這是屏蔽盒的諧振效應(yīng)所引起的。當(dāng)工作頻率接近此種“屏蔽盒空腔”的諧振頻率時(shí)，部分能量被吸收，因而產(chǎn)生了衰減的尖峰，導(dǎo)致在工作頻段內(nèi)信號(hào)工作不正常，甚至出現(xiàn)自激現(xiàn)象。

為了避免外殼腔體的壁對(duì)電路中電場(chǎng)的擾動(dòng)，殼帽離電路的距離應(yīng)在（5～10）h以上（h為基板厚度）。最靠近邊緣的導(dǎo)體帶條距屏蔽盒側(cè)壁的距離應(yīng)在3h以上。在工程應(yīng)用中，h的值一般選擇在0.2mm～0.5mm間。

外殼的腔體結(jié)構(gòu)基本上是一個(gè)矩形腔，應(yīng)用時(shí)只是在底部有一層厚度為h、介電常數(shù)為ε的介質(zhì)基片，因此是一部分填充介質(zhì)的矩形諧振腔，其長、寬、高各為L、a、b。在其諧振頻率時(shí)，和一般的矩形腔相同，先將其看成一段橫截面尺寸為a×b的矩形波導(dǎo)，求出其波導(dǎo)波長λg，再令長度為λg/2的整數(shù)倍，根據(jù)此關(guān)系，即可求得諧振頻率。

我們也可以應(yīng)用軟件HFSS對(duì)腔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，分析和計(jì)算出不同腔體尺寸及介質(zhì)基片的參數(shù)的“屏蔽盒空腔”諧振頻率，檢查其是否落于適用的微帶電路的工作頻帶內(nèi)，如果存在諧振現(xiàn)象，則應(yīng)修改外殼腔體的尺寸。

對(duì)于某型號(hào)金屬-陶瓷外殼的諧振頻率仿真設(shè)計(jì)的過程，如圖5（a）所示為外殼的諧振頻率仿真（修調(diào)前），如圖5（b）所示為外殼的諧振頻率仿真（修調(diào)后）。

圖5 諧振頻率仿真

3 微波高頻外殼的可靠性

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某型號(hào)金屬-陶瓷外殼的金屬零件常見的搭配如表1所示。

表1 常見的金屬零件中搭配

這些金屬材料的線性膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率如表2所示。

表2 金屬材料參數(shù)列表

從這些金屬材料的熱膨脹系數(shù)上來看，搭配在一起的兩種金屬是匹配的，這一點(diǎn)從應(yīng)力的軟件（ANSYS）仿真上也可以得到驗(yàn)證，使用了這樣的材料搭配，可靠性才能得到先期的保障。如果沒有芯片散熱的問題存在，可以采用可伐底座-可伐框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)不易存在裂片問題；如果存在一定的芯片散熱需求，可以采用無氧銅底座-無氧銅框架、鎢銅-可伐、鉬銅-可伐、銅鉬銅-可伐或者銅-鉬銅-銅加可伐的結(jié)構(gòu)。需要強(qiáng)調(diào)的有三點(diǎn)：

（1）無氧銅底座-無氧銅框架的結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)裂片問題，在底座的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一定的調(diào)整可以有效緩解；

（2）對(duì)于裂片問題的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)師對(duì)陶瓷基片、芯片三維尺寸、結(jié)構(gòu)甚至是陶瓷基片和芯片襯底的設(shè)計(jì)也是很重視的；

（3）不同比例的CMC與CPC材料的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)不同，尤其是CPC材料的熱膨脹系數(shù)比較特殊，在X、Y方向上有差異。

如圖6所示為外殼的金屬材料在失配情況下的應(yīng)力分布云圖。

圖6 外殼金屬材料在失配情況下的應(yīng)力分布云圖

3.2 氣密可靠性

影響這類金屬-陶瓷外殼氣密性因素除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素外，還主要與陶瓷零件三個(gè)指標(biāo)密切相關(guān)：

（1）陶瓷零件本身的強(qiáng)度。燒結(jié)溫度是關(guān)鍵因素，過燒或欠燒都會(huì)極大降低陶瓷的強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)，焊接過程中的正常焊接應(yīng)力陶瓷都無法承受，導(dǎo)致“瓷裂”，無法保障外殼的氣密性。

（2）陶瓷零件疊層處的結(jié)合度。這個(gè)位置很特殊，既有金屬化與陶瓷的結(jié)合，又存在陶瓷與陶瓷的結(jié)合，兩種結(jié)合都需要相當(dāng)牢固，才能確保外殼產(chǎn)品的氣密性與長期可靠性。

（3）陶瓷零件側(cè)面金屬化的強(qiáng)度。陶瓷零件側(cè)面金屬化的實(shí)現(xiàn)常有兩種工藝：一種是采用后燒工藝，另一種是生瓷階段側(cè)面涂膠，采用共燒工藝。兩者互有利弊，但是都可以達(dá)到較高的金屬化強(qiáng)度，一旦金屬化的強(qiáng)度不過關(guān)，側(cè)面就很可能漏氣。

3.3 其他指標(biāo)

外殼的可靠性指標(biāo)還有很多，類似于外殼鍍層的抗鹽霧能力、金屬化的強(qiáng)度、引線的抗疲勞彎曲能力等等，涉及到電鍍的方式、金屬化漿料配方、燒結(jié)溫度曲線、金屬材料的熱處理等多種工藝，國內(nèi)外殼行業(yè)的技術(shù)同行們已經(jīng)做了大量、深入的研究，在此就不一一贅述了。

4 結(jié)束語

隨著器件頻率、功率的不斷提升，對(duì)微波高頻外殼也提出了越來越高的要求。相信在不久的未來，在我們的持續(xù)探索下，微波高頻外殼的設(shè)計(jì)與工藝水平會(huì)取得更大的進(jìn)步。

［1］Charles A.Harper.電子封裝材料與工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.