王會，徐曉，馮斌，王德苗

（1.浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027；2.昆山萬豐電子有限公司，昆山 215313）

0 引 言

微波腔體耦合器作為重要的微波傳輸器件，在移動通訊領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著民用通信的發(fā)展，對耦合器性能的要求也隨之提高。銀具有良好的電學(xué)性能，常將其鍍層應(yīng)用于微波傳輸器件的內(nèi)表面，以降低損耗，保證傳輸效果［1－2］。目前，制備表面銀膜的方法主要有電鍍法和化學(xué)鍍法等?；瘜W(xué)鍍法由于存在溶液穩(wěn)定性差、反應(yīng)速度慢以及添加劑復(fù)雜等問題，未在微波器加工領(lǐng)域得以普遍應(yīng)用［3］；而電鍍法雖然可以有效解決耦合器內(nèi)表面金屬化問題，但該工藝復(fù)雜，且對環(huán)境污染嚴重。隨著歐盟環(huán)保標準的日趨嚴格，含有汞、六價鉻、鎘、鉛、多溴和多溴二苯醚等六種具有嚴重污染性質(zhì)的產(chǎn)品將嚴禁生產(chǎn)使用［4］，這對耦合器內(nèi)表面金屬化提出了嚴峻挑戰(zhàn)。銀作為一種貴金屬材料，價格較高，如果銀膜太厚，將會直接增加成本。如何在保證耦合腔損耗的前提下，減薄銀膜，是研究者關(guān)心的熱點。

磁控濺射技術(shù)作為一種成熟的工藝，具有沉積效率高、膜層致密度高、鍍層和基體結(jié)合力強、無污染等優(yōu)點?；诖耍髡咴诒ＷC微波腔體耦合器傳輸性能的基礎(chǔ)上，利用磁控濺射技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電鍍技術(shù)在耦合器內(nèi)表面沉積銀／銅雙層膜來代替電鍍單層銀膜，實現(xiàn)了對微波腔體耦合器功能區(qū)內(nèi)表面的金屬化，并對其插入損耗與膜基結(jié)合強度進行了研究。

1 銀／銅雙層膜的設(shè)計

微波腔體耦合器是一種具有方向性的功率分配設(shè)備，如圖1所示，其技術(shù)指標主要有插入損耗、耦合度、隔離度、端口駐波、內(nèi)鍍層與基體的結(jié)合強度以及均勻度等。當(dāng)高頻電磁波通過耦合腔時，主要在耦合腔內(nèi)壁表面空間很薄的鍍層內(nèi)傳播，如圖2所示，其中μi和σi分別為對應(yīng)材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率，εi為對應(yīng)材料的介電常數(shù)，di為對應(yīng)薄膜的厚度。當(dāng)電磁波在耦合腔內(nèi)壁傳播時，不同材料的內(nèi)壁鍍層具有不同的性能參數(shù)，產(chǎn)生的表面阻抗大小也不同，因此耦合腔內(nèi)鍍層的構(gòu)成會直接影響電磁波傳輸過程中所產(chǎn)生的的損耗。作者對內(nèi)鍍層的設(shè)計以插入損耗這一指標作為依據(jù)。

圖1 耦合腔結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of coupled cavity

圖2 對插入損耗產(chǎn)生影響的耦合腔內(nèi)鍍層材料結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Abridged general view of the structure of plating materials having effects on the insertion loss and location on the internal wall of the coupled cavity

考慮到金屬雙層膜間的反射作用可以增強表面銀膜的電性能，故提出在減薄銀膜的同時增加一層導(dǎo)電率僅次于銀的中間層——銅膜，從而在減薄銀膜的同時降低表面阻抗，在保證性能的同時降低損耗。采用磁控濺射技術(shù)，在工作頻率為800～2500MHz之間的6dB鋁合金耦合腔內(nèi)表面沉積銅／銀雙層膜。電鍍純銀膜的厚度通常在3μm以上［5］，采用磁控濺射技術(shù)時減薄銀膜至2μm或1μm厚；而中間層的銅膜即是反射層也是一部分功能層，由復(fù)合薄膜等效表面阻抗的計算［6－7］可知，銅膜的厚度控制在1～3μm比較合適。

2 試樣制備與試驗方法

濺射所用金屬靶材是純度為99.99%的銀靶和銅靶。為保證膜層和基體之間的結(jié)合強度，試驗前需要對耦合腔內(nèi)壁進行表面處理，工藝流程為：表面清洗→去脂→清洗→烘干。

采用實驗室自制的雙靶磁控濺射儀沉積膜層。由于磁控濺射的真空度、濺射功率、靶基距離等工藝參數(shù)均會影響膜層的性能［8－10］，采用課題組前人優(yōu)化之后的工藝參數(shù)進行磁控濺射［9，11］。磁控濺射的具體參數(shù)如下：系統(tǒng)的本底真空度為5.0×10－3Pa，濺射時所采用的氣體為純度高達99.999%的氬氣，濺射氣壓為0.5Pa，基體與靶材的距離為100mm。鍍膜前，用高溫膠帶覆蓋除待沉積內(nèi)表面之外的其余部位，然后置入濺射儀內(nèi)可自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)的基片臺上，如圖3所示。銀膜和銅膜的沉積速率分別為233，88.3nm·min－1。

圖3 磁控濺射加工示意Fig.3 Abridged general view of magnetron sputtering process

根據(jù)GB／T 5270－2005中規(guī)定的拉伸剝離測試方法，采用K－50型手搖式測力計對膜基結(jié)合強度進行測試，取10個分散測點的平均值［9］；采用安捷倫E5071C型網(wǎng)絡(luò)分析儀測鍍膜耦合器的電性能。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 耦合器的電性能

3.1.1 耦合度、隔離度和端口駐波

內(nèi)壁電鍍純銀的6dB耦合器的耦合度、隔離度和端口駐波值標準分別為5.5～6.5dB，20dB和19dB。

由表1可以看出，內(nèi)壁沉積銀／銅雙層膜耦合器的耦合度在5.65～6.27dB以內(nèi)，隔離度均可超過28dB，端口駐波均可超過23dB，其電性能完全可以達到內(nèi)壁電鍍純銀耦合器的性能要求。其中，3號耦合器的端口駐波性能最好，2號耦合器的耦合度和隔離度均優(yōu)于其它耦合器的，但其端口駐波性能略低于3號耦合器的，但均優(yōu)于其它耦合器的。因此綜合來看，2號耦合器的耦合度、隔離度和端口駐波性能最好。

表1 內(nèi)壁沉積銀／銅雙層膜耦合器的電性能Tab.1 Electrical performance of Cu／Ag double－layered coupled cavity

3.1.2 插入損耗

微波腔體耦合器的插入損耗是指在信號傳輸過程中，腔體內(nèi)部電路的傳輸損耗。在試驗中，由于腔體內(nèi)部的介質(zhì)為空氣，其損耗可忽略不計，則插入損耗是對腔體內(nèi)壁傳輸損耗的表征，可直接反映腔體內(nèi)壁膜層性能的優(yōu)劣。

由表2可以看出，內(nèi)壁沉積銀／銅雙層膜的耦合器的插入損耗均在1.36～1.40dB之間，優(yōu)于內(nèi)壁電鍍純銀耦合器的插入損耗要求（1.70dB）［12］。其中，2號耦合器的插入損耗最低，為1.36dB，即在工作頻率范圍內(nèi)，沉積有2μm銀膜／2μm銅膜的2號耦合器的傳輸性能最好。

表2 內(nèi)壁沉積銀／銅雙層膜耦合器的插入損耗和膜基結(jié)合強度Tab.2 Insertion loss and film－substrate adhesion strength of Cu／Ag double－layered coupled cavity

3.2 膜基結(jié)合強度

膜層與基體的結(jié)合強度是評價耦合器性能和品質(zhì)的一個重要指標。

從表2可以看出，內(nèi)壁沉積銀／銅雙層膜的耦合器的膜基結(jié)合強度都集中在5MPa附近，均優(yōu)于內(nèi)壁電鍍純銀膜耦合器的指標（3.8MPa）。這是因為，濺射粒子具有較高的能量，能夠與基體表面的原子產(chǎn)生化學(xué)吸附，所以濺射膜層與基體的結(jié)合強度遠大于電鍍膜層與基體的［12］。此外，銀與鋁合金無論是熱膨脹系數(shù)還是晶格常數(shù)都是不匹配的，而加入的銅層既是功能層也是過渡層，能增強銀層與耦合器基體的結(jié)合強度［13］。

雖然2號耦合器的膜基結(jié)合強度并不是最好的，但其與其它耦合器的差距在10%以內(nèi)。綜合分析認為2號耦合器的膜系配比最優(yōu)，可作為磁控濺射產(chǎn)品加工的指導(dǎo)參考。

3.2 成本和環(huán)保性

與電鍍3μm的純銀膜相比，采用磁控濺射工藝在工作頻率為800～2500MHz的耦合腔內(nèi)壁沉積2μm銅膜／2μm銀膜可以減少銀的用量。更重要的是，現(xiàn)有的電鍍治理系統(tǒng)并不能完全達到零排放，其污染物處理過程也需消耗大量的人力、物力［14－15］。而磁控濺射工藝是一種物理氣相沉積技術(shù)，在生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生有毒、有害的廢液、廢氣，相對于電鍍工藝具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢，同時也在后續(xù)處理上節(jié)省了成本。

4 結(jié) 論

（1）采用濺射工藝沉積在微波腔體耦合器內(nèi)壁沉積了銅／銀雙層膜，膜基結(jié)合強度在5.0MPa左右；其中，內(nèi)壁沉積有2μm銅膜／2μm銀膜的耦合器的插入損耗小于1.70dB，耦合度、隔離度、端口駐波等電性能均能達到電鍍銀膜的指標。

（2）磁控濺射工藝可以避免電鍍工藝帶來的污染問題，可替代電鍍工藝對微波腔體耦合器等通信用微波器件進行內(nèi)表面功能鍍層的制備。

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