微波高頻外殼的設計與制造工藝研究

胡 進，盧會湘，程 凱

（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210016）

1 前言

外殼對于電路而言，在起到機械支撐和環(huán)境保護作用的同時，需要將輸入/輸出信號和電源/地通過封裝上的引線實現(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)，微波高頻外殼的設計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

微波高頻外殼的結構樣式有很多種，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-陶瓷外殼為例進行說明。如圖1所示為某型號金屬-陶瓷外殼的示意圖。

圖1 某型號金屬-陶瓷外殼

2.1 傳輸線特性阻抗的設計

為滿足器件對封裝外殼的要求，我們在外殼設計時必須考慮通過設計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。

對于工程應用中，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，實現(xiàn)信號的最大化傳輸，并且在固態(tài)電路中，由于會應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聯(lián)，減少了由于匹配不當而產(chǎn)生的自激或是信號損耗等現(xiàn)象。如圖2所示為某型號金屬-陶瓷外殼陶瓷零件的示意圖。

圖2 陶瓷零件示意圖

根據(jù)陶瓷零件的相關指標值，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”參考形狀對傳輸線的圖形進行精細的設計，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，要通過進一步的修調(diào)-模擬仿真計算-修調(diào)-再模擬仿真計算，直到滿足50 Ω特性阻抗的設計要求，圖4為陶瓷零件的微波特性。根據(jù)以往的研制經(jīng)驗，圖形中寬度方向尺寸由大到小變化時的緩急是一個非常重要的影響因素，尺寸變化過急是不可取的。當然，即使完成了這樣的設計工作，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，因此也帶來一些負面影響，例如其中的二氧化鈦會導致黑瓷（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

微波設計可用計算機進行模擬設計，但是理論設計與工藝實現(xiàn)的誤差往往不可忽視。

在陶瓷零件的實際制作工藝中，影響微波特性的因素主要有這樣幾點。

2.1.1 陶瓷零件尺寸對微波性能的影響

陶瓷零件的尺寸對微波特性會產(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)細微的誤差是難免的，但厚度的尺寸值不能和設計值相差太大，否則難以實現(xiàn)理論計算的50 Ω阻抗值。要嚴格控制這個尺寸必須在生瓷帶制備（流延）工藝過程中加強控制，其他一些工序工藝也是要重點關注的，例如層壓和燒結等工藝過程中對陶瓷零件尺寸的控制。

2.1.2 生瓷印刷對微波性能的影響

印刷工藝對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，對于圖形模糊、印刷飛邊等問題是要堅決避免的。傳輸線的圖形厚度也要控制，因為陶瓷零件穿墻位置的內(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，控制不好會帶來過大的傳輸損耗。

2.1.3 疊片工藝對微波性能的影響

疊片工藝對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)埋位置就會出現(xiàn)移動，與設計時建立的陶瓷零件模型不一致，結果可想而之。

2.1.4 層壓工藝對微波性能的影響

層壓過程中壓力作用在生瓷片上會產(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，會導致傳輸線在內(nèi)埋圖形的位置出現(xiàn)空間上的下陷，對微波特性的影響很大，所以壓力越小形變越少，越有利于獲得好的微波特性。但是這個問題又很難處理，因為常規(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，對此問題，國外這方面做的很好，我們也在做相關工藝技術的研究工作。

2.1.5 鍍金工藝對微波性能的影響

由于“趨膚”效應的存在，鍍金層的狀態(tài)往往會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 外殼腔體空間結構的設計

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

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

外殼的腔體結構基本上是一個矩形腔，應用時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，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，求出其波導波長λg，再令長度為λg/2的整數(shù)倍，根據(jù)此關系，即可求得諧振頻率。

我們也可以應用軟件HFSS對腔體結構進行仿真，分析和計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，則應修改外殼腔體的尺寸。

對于某型號金屬-陶瓷外殼的諧振頻率仿真設計的過程，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 結構設計

某型號金屬-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，這一點從應力的軟件（ANSYS）仿真上也可以得到驗證，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-可伐框架結構，同時這種結構不易存在裂片問題；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-銅加可伐的結構。需要強調(diào)的有三點：

（1）無氧銅底座-無氧銅框架的結構可能會出現(xiàn)裂片問題，在底座的結構上進行一定的調(diào)整可以有效緩解；

（2）對于裂片問題的出現(xiàn)，設計師對陶瓷基片、芯片三維尺寸、結構甚至是陶瓷基片和芯片襯底的設計也是很重視的；

（3）不同比例的CMC與CPC材料的熱導率和熱膨脹系數(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力分布云圖。

圖6 外殼金屬材料在失配情況下的應力分布云圖

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構設計的因素外，還主要與陶瓷零件三個指標密切相關：

（1）陶瓷零件本身的強度。燒結溫度是關鍵因素，過燒或欠燒都會極大降低陶瓷的強度，嚴重時，焊接過程中的正常焊接應力陶瓷都無法承受，導致“瓷裂”，無法保障外殼的氣密性。

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

（3）陶瓷零件側面金屬化的強度。陶瓷零件側面金屬化的實現(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面涂膠，采用共燒工藝。兩者互有利弊，但是都可以達到較高的金屬化強度，一旦金屬化的強度不過關，側面就很可能漏氣。

3.3 其他指標

外殼的可靠性指標還有很多，類似于外殼鍍層的抗鹽霧能力、金屬化的強度、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 結束語

隨著器件頻率、功率的不斷提升，對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，微波高頻外殼的設計與工藝水平會取得更大的進步。

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