基于液晶材料的相控陣天線工藝研究

刁艷美

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇南京，210000）

0 引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)天線行業(yè)的技術(shù)革新提出了更高的要求。對(duì)于移動(dòng)終端來說，天線不僅要滿足高性能，還需要具有平整度好、輪廓低的特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上對(duì)于體積小、低輪廓、電調(diào)控、低成本的新型天線的需求迫在眉睫。

為契合低成本的相控陣天線市場(chǎng)需求，拓寬現(xiàn)有液晶技術(shù)的應(yīng)用范圍，越來越多顯示面板生產(chǎn)廠家紛紛加大了對(duì)天線技術(shù)的研發(fā)投入。相控陣天線可以采用現(xiàn)有的TFTLCD(薄膜晶體管液晶顯示)面板生產(chǎn)線來進(jìn)行大規(guī)模制造。面板越大，成本相對(duì)越低。此外，自動(dòng)化設(shè)備大規(guī)模生產(chǎn)的加工一致性，使相控陣天線出廠調(diào)測(cè)時(shí)間和難度均降低，因而可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品周期。需要指出的是，相控陣天線從研發(fā)設(shè)計(jì)到工程實(shí)施涉及多個(gè)學(xué)科，融合多種技術(shù)，且相控陣天線與傳統(tǒng)顯示面板的研發(fā)、材料、加工工藝也有一定差別，每個(gè)工藝環(huán)節(jié)都要反復(fù)嘗試和測(cè)試，才能具備工程可實(shí)施性。因此，對(duì)應(yīng)用TFT-LCD 產(chǎn)線進(jìn)行相控陣天線制造的工藝研究具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

■1.1 結(jié)構(gòu)

相控陣天線是利用液晶的介電各向異性，通過控制液晶偏轉(zhuǎn)方向來改變移相器的移相大小，從而調(diào)節(jié)相控陣天線的對(duì)準(zhǔn)方向天線。單個(gè)天線單元功率容量小，損耗大，為此，很多場(chǎng)合設(shè)計(jì)成天線方陣，如圖1 所示。天線方陣制作的一致性較好，且易于集成化，因此得到廣泛應(yīng)用。

圖1 天線方陣

圖2 為構(gòu)成天線方陣的相控陣天線單元結(jié)構(gòu)示意圖，可調(diào)諧液晶材料被封裝在上、下介質(zhì)基板中，形成一種三明治結(jié)構(gòu)。天線單元的所有結(jié)構(gòu)都在這三層中集中實(shí)現(xiàn)。它可以利用成熟的液晶顯示自動(dòng)化制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，加工一致性高，成本低。輻射電極的形狀、尺寸可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行相應(yīng)的定制設(shè)計(jì)，將掩膜版圖案“轉(zhuǎn)移”到介質(zhì)基板上。與顯示面板制造不同的是，它不需要偏振片，因?yàn)樘炀€主要是利用液晶分子的電學(xué)特性進(jìn)行射頻傳播，而不是光傳播。

圖2 相控陣天線單元

相控陣天線單元按照功能來分，主要由輻射天線單元、移相單元、饋電網(wǎng)絡(luò)單元三個(gè)主要部分組成。

在輻射天線單元中，地層上有接地電極，與輻射貼片層重疊覆蓋，其上有開孔，以在輻射貼片與地層之間形成耦合。

移相單元中，饋線層與地層加偏壓信號(hào)，控制液晶移相，由饋線層側(cè)邊接入控制信號(hào)。

饋電網(wǎng)絡(luò)單元用來傳輸射頻信號(hào)。

■1.2 輻射原理

輻射的本質(zhì)是電磁泄漏。在頻率較高時(shí)，電磁波會(huì)泄漏（輻射）到導(dǎo)體之外，進(jìn)行能量的傳遞。若導(dǎo)線是用作傳輸線，則希望盡可能地沒有電磁泄漏。而對(duì)于天線來說，應(yīng)該盡量將能量轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去。不同形狀、不同尺寸的導(dǎo)線在發(fā)射和接收某頻率的電磁信號(hào)時(shí)，效率差別較大。在一個(gè)不完全封閉的電路中，電路的不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)成貼片形狀，并處于諧振狀態(tài)，就會(huì)具有一定的輻射功能和輻射效率，成為天線。

■1.3 液晶移相原理

液晶移相單元采用液晶材料作為調(diào)諧介質(zhì)層，通過改變介質(zhì)層的介電常數(shù)，來實(shí)現(xiàn)相位控制。由于液晶分子的結(jié)構(gòu)特性，其電學(xué)特性（介電常數(shù)），具有各向異性的特點(diǎn)。液晶分子的排列會(huì)隨外加電場(chǎng)的改變而發(fā)生變化。主要涉及以下三種情況：

第一種情況，如圖3(a)所示，當(dāng)外加偏置電壓為0，或者外加電壓的值小于液晶分子開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)的開啟電壓時(shí)，在取向?qū)拥淖饔孟?，液晶分子沿著原來取向的方向，即平行于上下介質(zhì)基板的方向排列，記為ε=ε ⊥。

第二種情況，如圖3(b)所示，外界偏置電壓加大，液晶分子開始向電場(chǎng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，相應(yīng)的等效介電常數(shù)也隨之發(fā)生變化。

第三種情況，如圖3(c)所示，繼續(xù)加大外界偏置電壓，當(dāng)達(dá)到一定電壓時(shí)，液晶分子的轉(zhuǎn)向達(dá)到極限狀態(tài)，處于垂直上下介質(zhì)基板的狀態(tài)。此時(shí)液晶層的等效介電常數(shù)也達(dá)到最大，記為ε=ε ∥。液晶材料的可調(diào)諧能力用Δε=ε //-ε ⊥來衡量。

圖3 液晶移相原理圖

2 相控陣天線關(guān)鍵工藝

相控陣天線的工藝過程可采用TFT-LCD 的相關(guān)設(shè)備來進(jìn)行制備。電極的制作采用光刻工藝，液晶的填充采用ODF(液晶滴注技術(shù))成盒設(shè)備進(jìn)行。圖4 為工藝過程的示意圖，生產(chǎn)步驟如下：

圖4 相控振天線工藝過程

（1）介質(zhì)基板

天線單元采用上下平行、結(jié)構(gòu)相同的石英基板作為支撐結(jié)構(gòu)。石英基板有成本低、熱導(dǎo)性能好、可控性和一致性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體器件和集成電路基板中被廣泛應(yīng)用。但其機(jī)械強(qiáng)度較低，在加工時(shí)要注意是否有破損或開裂?；逋度胫瞥讨靶枰谇逑丛O(shè)備進(jìn)行清洗，以免有大顆?；覊m導(dǎo)致的基板不平整而碎片。另外，為減小天線損耗，基板不宜太厚。

（2）成膜工藝

在基板的正反面都需要制備電極，考慮趨膚效應(yīng)，銅厚度應(yīng)不小于2.0μm。因此厚膜成膜和雙面成膜是天線工藝中的難點(diǎn)。在成膜過程中要多關(guān)注生長(zhǎng)膜層后介質(zhì)基板的彎曲變形量，及時(shí)調(diào)整成膜參數(shù)，改善成膜均一性。銅與基板有較差的粘附性，并且銅在一定溫度下易與硅反應(yīng)，形成化合物，產(chǎn)生較高的接觸電阻，可在銅膜與介質(zhì)基板之間增加過渡層金屬鈦、鉬鈮等。

（3）光刻工藝

在液晶相控陣天線的工藝過程中，上下介質(zhì)基板上的電極制備是關(guān)鍵，也是對(duì)工藝制作水準(zhǔn)要求最嚴(yán)格的部分。電極圖形采用曝光刻蝕工藝進(jìn)行制備。首先進(jìn)行光刻掩膜版的設(shè)計(jì)，確定電極形狀、配線的線寬、線距等，其精度對(duì)器件性能有較大影響。如圖5 所示，在覆蓋了金屬膜層的介質(zhì)基板上進(jìn)行光刻膠涂布，使用曝光設(shè)備，通過紫外光的照射，將掩膜版圖案“轉(zhuǎn)移”至光刻膠，被紫外光照射的光刻膠發(fā)生變化而溶解于顯影液。再進(jìn)行電極的刻蝕，被光刻膠覆蓋的金屬不會(huì)被刻蝕，而未被覆蓋的部分會(huì)與刻蝕藥液發(fā)生反應(yīng)而被刻蝕掉?？涛g均一性也是影響器件性能的重要參數(shù)。最后進(jìn)行光刻膠的剝離，形成最終的電極形狀。

圖5 電極制作過程

（4）配向工藝

液晶分子在自由狀態(tài)時(shí)分布較為雜亂，介電常數(shù)介于ε//和ε ⊥之間，會(huì)影響天線調(diào)諧，因此需要對(duì)液晶分子進(jìn)行配向（取向）處理。取向處理分為兩個(gè)步驟：配向膜（PI）工程、配向工程。PI 工程的目的是提供液晶分子所需要的配向基材。配向工程是通過物理或化學(xué)方式，對(duì)PI 膜進(jìn)行處理，使其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到控制液晶分子的排列的目的。

在實(shí)際生產(chǎn)中，如圖6 所示，首先在上下介質(zhì)基板的內(nèi)側(cè)（液晶側(cè)）指定位置均勻地噴涂或印刷一層取向基材，即聚酰亞胺(Polyimide，PI)高分子材料，該材料具有良好的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、耐低溫性，有配向記憶性，與液晶分子具有良好的親和性且不相互反應(yīng)。取向基材印刷之后，經(jīng)過預(yù)干燥、高溫加熱使溶劑全部揮發(fā)，避免出現(xiàn)氣泡，并固化成膜。

圖6 配向過程

然后在PI 膜上利用摩擦配向或光配向技術(shù)進(jìn)行取向處理。以光配向?yàn)槔?，在紫外光的照射下，PI 里的趨光分子會(huì)向光照的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成一定的預(yù)傾角。PI 聚合體和液晶分子之間的作用力比較強(qiáng)，對(duì)液晶分子有錨定作用，在PI 分子和液晶分子長(zhǎng)軸一致的方向，能量最安定，鄰近的液晶分子可以沿此方向穩(wěn)定排列，剩余的液晶分子在分子間相互作用力下，也會(huì)沿著指定方向整齊排列。如果不進(jìn)行取向處理，一是會(huì)降低天線調(diào)諧能力，二是在外加電場(chǎng)撤去時(shí)，液晶分子很難回到初始狀態(tài)。

（5）液晶滴下與框膠涂布

在上介質(zhì)基板的內(nèi)側(cè)（液晶測(cè)），進(jìn)行液晶滴注，要注意液晶滴下量必須適中，滴下量過多、過少都會(huì)導(dǎo)致液晶移相盒出現(xiàn)異常。液晶滴下的位置也要適中。

在下介質(zhì)基板的內(nèi)側(cè)（液晶測(cè)）進(jìn)行框膠（Seal）涂布，涂框膠的目的是使上下介質(zhì)基板緊密粘合，防止液晶泄漏。為保證液晶層厚度均勻，在框膠中添加支撐球（Spacer）。

（6）貼合與固化

在真空狀態(tài)下，將上下介質(zhì)基板進(jìn)行一定精度范圍內(nèi)的貼合。貼合位置是依據(jù)鏡頭在介質(zhì)基板上捕獲的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記（Alignment Mark，在電極制作時(shí)同時(shí)形成的金屬圖案）來進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，精度可以達(dá)到數(shù)微米。貼合過程中需注意真空度、預(yù)應(yīng)力等各種參數(shù)的控制調(diào)整，防止恢復(fù)大氣值時(shí)產(chǎn)生氣泡，或是液晶飛濺到框膠上，導(dǎo)致框膠接觸不良，從而引起液晶泄漏。

完成貼合后還要進(jìn)行框膠的固化。固化是指在紫外線和高溫的作用下，使框膠充分硬化。一方面可以使上下介質(zhì)基板通過框膠緊密、無偏移地粘合，形成穩(wěn)定的液晶移相盒。另一方面，在固化過程中，可以有效防止液晶氣泡的產(chǎn)生，使其均勻擴(kuò)散。

3 工藝過程需要注意的問題

為了提高生產(chǎn)效率，降低成本，一般采用大尺寸的介質(zhì)基板進(jìn)行生產(chǎn)，再根據(jù)相控陣天線尺寸進(jìn)行切割。實(shí)際生產(chǎn)過程中，2μm 厚的銅膜，可能會(huì)因?yàn)槟?yīng)力過大導(dǎo)致介質(zhì)基板彎曲甚至發(fā)生破片，因此介質(zhì)基板的厚度需要在減小彎曲量與減小介質(zhì)損耗中進(jìn)行權(quán)衡。

上介質(zhì)基板的正反面均需要工藝加工，在一面完成之后，再進(jìn)行另外一面的加工，但是在加工介質(zhì)基板的工藝過程中，涉及機(jī)械傳送，容易造成膜面劃傷、銅氧化等現(xiàn)象，因此在介質(zhì)基板完成一面的加工后，可以再加工一層保護(hù)膜，待另一面加工完成后，再移除保護(hù)膜。

4 結(jié)語

綜上所述，基于液晶材料的相控陣天線具有優(yōu)良的調(diào)諧性能，并且可以利用現(xiàn)有的液晶面板生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。從低成本、大規(guī)模量產(chǎn)、產(chǎn)品一致性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、縮短產(chǎn)品調(diào)測(cè)周期等各方面都具備明顯優(yōu)勢(shì)，是推動(dòng)相控陣天線的普及應(yīng)用，大規(guī)模打開用戶市場(chǎng)的重要技術(shù)路線。

將LCD 技術(shù)應(yīng)用于天線制作，可以拓寬LCD 技術(shù)、工藝、設(shè)備的應(yīng)用范疇，對(duì)于工藝過程中遇到的一些待解決的問題，應(yīng)該再進(jìn)行深入鉆研，在實(shí)踐中不斷優(yōu)化提升。