小型化混合微波集成电路制造技术

　　微波电路的趋势是向小型化和集成化发展。在相控阵雷达系统、电子战、卫星通讯和其他机载应用中，元器件尺寸和重量已成为电子系统设计考虑的主要因素。随着单片微波集成电路（MMIC）技术和混合微波集成电路（HMIC）技术的发展，小型化混合微波集成电路（MHMIC）技术较好地满足了电子装备在体积和重量方面的需求，它在平面微带电路的基础上，采用多层集成元件，如金属-绝缘-金属（MIM）电容、螺旋电感、电阻和分布参数电路元件等淀积在衬底上，而有源器件（主要采用MMIC芯片）是外接在陶瓷衬底上。由于使用了MMIC和其他小型化元器件（如梁式引线PIN管），并采用了多层制造工艺，MHMIC比常规的HMIC要小得多。
　　由于微波电路工作频率高（通常在1 000 MHz以上），寄生参数对电路性能影响大，MHMIC本身体积小、组装密度高，因此对电路基板的图形、元器件贴装和丝焊互连等都有很高的精度要求和一致性要求，在设计和制造工艺中要专门加以考虑。
1　MHMIC制造工艺
　　在MHMIC制造过程中，将无源电路制作在介质基板上，包括传输线、电感、电容、电阻、空气桥和分析参数元件；将有源器件（以芯片形式或小型封装形式）贴装在电路基板上。MHMIC制造工艺流程如图1所示。

图1　MHMIC制造工艺流程

1.1　无源电路基板制作
　　无源电路基板采用薄膜或厚膜工艺制作。薄膜工艺具有图形精度高的特点，尤其适合高频电路（可达18 GHz）；厚膜电路图形精度虽稍低，但适合大批量生产且成本低廉，被广泛用于微波低端（一般在4 GHz左右）。
1.1.1　薄膜电路基板制作
　　薄膜工艺是采用光刻、蒸发和溅射等工艺将薄膜电感、电容、电阻、空气桥和传输线等制作在介质基板上。选用高纯Al₂O₃作为介质基板，铬/金作为薄膜导带材料，钽系电阻作为薄膜电阻材料。薄膜电容制作的关键是介质层的制作。在MHMIC中薄膜电容介质材料通常有SiO、SiO₂、Ta₂O₅、TiO₂等，其性能各有优劣。考虑到与电阻工艺兼容，选定以Ta₂O₅和SiO₂复合介质来构成电容器，既可简化工艺，又可在一定程度上控制电容量。薄膜微波电路基板制作工艺流程如图2所示。

图2　薄膜微波电路基板制作工艺流程

　　薄膜电路基板制作的关键是电阻和电容的制作。Ta系电阻工艺比较成熟，为了兼顾电容的制作，电阻膜层厚度为400～500 nm，其方阻R_S为6～10 Ω，电阻图形可据此算出。电阻修调时，采用阳极氧化调阻，精度可达5%；采用激光调阻，精度可达1%甚至更佳。薄膜电容采用的是Ta-Ta₂O₅-SiO₂-Cr、Au结构，底层Ta作下电极，阳极氧化的Ta₂O₅与射频溅射的SiO₂为介质，顶层Cr、Au为上电极，电容量大小取决于Ta₂O₅与SiO₂的膜厚以及电极面积大小。这里的Ta₂O₅膜是通过射频溅射Ta膜再经阳极氧化制成。该工艺具有可与电阻制作工艺兼容，在同一基板上易实现电阻、电容同时形成以使工序减少的优点，且成膜的均匀性与可重复性非常好，膜的缺陷和空隙少，能使膜层在较薄的情况下，获得较好的电容特性。
1.1.2　厚膜微波电路基板制作
　　厚膜工艺是采用传统的丝网印刷的方法在介质基板上制作传输线、电阻和电容等。由于高频电路对线条精度要求非常高，因此必须制作图形精度高的漏印网版。选用Al₂O₃作为介质基板材料，杜邦公司产Dupont 5715金浆料作为导带材料，Dupont 1700系列电阻浆料作为电阻材料，电容介质浆料自己配制，介电常数ε_r约为100。厚膜微波电路基板制作工艺流程如图3所示。

图3　厚膜微波电路基板制作工艺流程

　　厚膜微波电路制作的关键在于精细的传输线和电感的制作。丝网印刷和烧结的特点决定了设计出的微波电路图形很难精确地转移为厚膜图形。在图形转移的整个过程中，可以划分为三个过程：(1)设计图形→模版图形；(2)模版图形→网版图形；(3)网版图形→厚膜图形。在这三个转移过程中，过程(1)中的转移精度很高，图形转移的偏差主要来源于过程(2)和(3)。经过反复试验、分析总结，过程(2)和(3)的偏差是有规律可循的。通过补偿和工艺控制，能将全过程偏差控制在±15 μm或±20 μm之内，电感线圈的线宽和间距为0.2 mm，最小线宽和间距可达到0.15 mm。
　　如何控制厚膜图形表面网纹和边缘的锯齿是厚膜微波电路制作的另一关键工艺。首先丝网要清洗干净，乳胶膜曝光时间要恰当，网版冲洗干净；其次要掌握好印刷参数（压力、速度、脱网高度、浆料的黏度等），并自然流平。
1.2　微波元器件的高精度贴装和焊接技术
　　MHMIC工作频率高、体积小、组装密度高，元器件的贴装精度和一致性对MHMIC的电性能有较大影响。在MHMIC中，由于大量采用GaAs MMIC芯片，使元器件数目和元器件间互连线数目减少，提高了MHMIC的集成度和可靠性。由于GaAs MMIC芯片非常薄，且质脆易碎裂，又增加了芯片装配的难度。在MHMIC中采用的元器件尺寸比传统的HMIC中的元器件要小得多，如梁式引线器件尺寸只有0.15～0.25 mm²，GaAs MMIC芯片尺寸也只有0.8～9.0 mm²。为保证MHMIC达到电性能要求，元器件的装配精度应达到0.025～0.050 mm，高于传统的HMIC的贴装精度。因此在MHMIC中微波元器件的装配需要采用专用的自动/半自动高精度贴片机，如Hugh 2500（全自动）和West Bond 7200 AT（半自动），在电路基板上还要设计高精度的图形识别标志，以满足微波元器件高精度的装配要求。在装配过程中应严格控制元件取放吸力、取放速度和装配位置等工艺参数，实现"软着陆"，在保证装配精度的同时，避免GaAs MMIC芯片等微波元器件的损坏。
　　微波芯片等元器件的粘接工艺必须满足MHMIC的散热和环境要求，主要工艺方法有环氧导电胶粘接和焊料粘接两种。环氧导电胶粘接工艺已比较成熟，关键在于胶点控制和固化时的芯片污染控制。在小功率元器件粘接和元器件与基板存在热膨胀系数α失配的情况下，常采用该工艺。先后选用过国产环氧导电胶（上海合成胶研究所）、中外合资乐泰3880环氧导电胶及美国EPO—TEK H20E环氧导电胶。经筛选，确定采用H20E胶。经-62～+125℃ 5次热循环无损坏，电阻率不大于0.000 4 Ω*cm，剪切强度E为10 MPa。
　　由于GaAs MMIC 芯片的热导率K较低，因此对于有较高散热要求的功率GaAs器件必须采用焊料焊接（即共晶焊接）。焊料必须满足散热和环境要求。
　　通过固体的稳态传导热流可用一维傅里叶方程表示：
　　　　　　　　　Q=KA（T₁-T₂）/L　(1)
式中：Q为每单位时间热流；A为与热流方向垂直的截面积；L为热流路径的长度；T₁-T₂为L两端的温差。
　　焊料焊接中常用的焊料特性如表1所示。

表1　焊料特性