侯清健，張兆華，胡永芳，崔 凱，謝廉忠

導(dǎo)體厚度對(duì)LTCC電路微波性能的影響

侯清健，張兆華，胡永芳，崔 凱，謝廉忠

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

貴金屬導(dǎo)體占據(jù)低溫共燒陶瓷(LTCC)成本的主要部分，降低貴金屬導(dǎo)體用量是控制LTCC成本的重要途徑之一。采用不同目數(shù)的絲網(wǎng)印刷獲得了不同厚度的金屬導(dǎo)體，研究了不同厚度導(dǎo)體對(duì)帶狀線的微波性能影響；制作了低膜層厚度的T/R組件，并測(cè)試了其的微波性能。研究結(jié)果表明，導(dǎo)體厚度控制在5 μm以上對(duì)帶狀線的插入損耗和回波損耗影響較小，對(duì)T/R組件輸出功率和接收增益等關(guān)鍵指標(biāo)影響也不大。通過(guò)控制導(dǎo)體厚度可以有效降低LTCC成本，并且不影響LTCC電路的微波性能。

低溫共燒陶瓷；微波電路；帶狀線；導(dǎo)體厚度；T/R組件

低溫共燒陶瓷(LTCC)微波多層電路具有體積小、重量輕、可靠性高、高頻特性好等優(yōu)點(diǎn)，在通信、航空航天、軍事、汽車電子、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛引用[1-3]。LTCC電路主要是通過(guò)印刷金、銀鈀等貴金屬漿料，并經(jīng)過(guò)層壓和燒結(jié)形成的。由于銀離子遷移問(wèn)題的影響，目前在軍事和航空航天領(lǐng)域，一般不以銀漿料作為導(dǎo)體，而是使用穩(wěn)定性更好的金作為導(dǎo)體。但是由于金的價(jià)格較高，加上金價(jià)常年上漲，因此LTCC成本越來(lái)越高，嚴(yán)重限制了LTCC在軍事、航空航天，尤其是民用領(lǐng)域的使用。為了控制LTCC成本，降低金導(dǎo)體厚度是重要的途徑之一。但是降低金導(dǎo)體厚度將導(dǎo)致電阻的增加，加上趨膚效應(yīng)的存在，可能會(huì)影響微波電路傳輸性能。

為了獲得導(dǎo)體厚度對(duì)微波傳輸性能的影響規(guī)律，本文采用LTCC工藝制作了不同膜層厚度的帶狀線以及低膜層厚度的收/發(fā)組件(T/R組件)，并測(cè)試了帶狀線和組件的微波性能，從而為微波電路的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 原理和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 電路原理

為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高密度、小型化、高可靠，相控陣?yán)走_(dá)T/R組件多采用基于LTCC的多芯片微組裝工藝技術(shù)。典型多通道T/R組件的原理框圖如圖1所示[4-5]。

圖1 典型T/R組件原理框圖

射頻經(jīng)過(guò)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)至每個(gè)收發(fā)通道，進(jìn)行功率放大后經(jīng)過(guò)環(huán)形器輸出至天線單元，天線單元接收的微弱回波信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器后在接收通道限幅放大，通過(guò)功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)合成后輸出，其中LTCC基板中集成了多功能芯片、波束控制電路及電源管理電路。為了便于芯片及阻容器件的貼裝，降低數(shù)模信號(hào)的相關(guān)干擾，射頻功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)及傳輸線多采用帶狀線形式集成到LTCC基板中。本文針對(duì)LTCC基板在收發(fā)組件中的應(yīng)用情況，評(píng)估基板導(dǎo)體厚度對(duì)微波傳輸性能的影響，從帶狀線、T/R組件兩個(gè)層級(jí)開(kāi)展相關(guān)對(duì)比驗(yàn)證。

1.2 電路設(shè)計(jì)

試驗(yàn)首先設(shè)計(jì)專門(mén)的帶狀傳輸線，評(píng)價(jià)不同導(dǎo)體厚度電路的回波損耗和插入損耗。在此基礎(chǔ)上，采用不同膜層厚度LTCC基板制作某型雷達(dá)X波段T/R組件，測(cè)試組件的輸出功率和接收增益。帶狀傳輸線如圖2所示。樣品尺寸為40 mm×16 mm，中間為帶狀線，長(zhǎng)25 mm，寬0.32 mm，兩端變換為帶地共面波導(dǎo)傳輸線以方便測(cè)試。共面波導(dǎo)傳輸線兩端長(zhǎng)度各為7.5 mm，傳輸線總長(zhǎng)度40 mm。

1.3 工藝流程及試驗(yàn)方法

帶狀線和組件基板采用LTCC工藝流程制作，工藝流程如圖3所示。電路導(dǎo)體膜層厚度主要是由絲印網(wǎng)版、印刷參數(shù)、漿料決定的。在試驗(yàn)過(guò)程中，固定印刷參數(shù)和漿料，通過(guò)調(diào)節(jié)絲印網(wǎng)版來(lái)控制膜層厚度。絲網(wǎng)采用300、400和500目不銹鋼絲網(wǎng)，并組合不同的乳膠厚度進(jìn)行電路印刷。絲網(wǎng)主要指標(biāo)列于表1。

實(shí)驗(yàn)用生瓷帶采用目前市面上常用的一款進(jìn)口LTCC生瓷帶，其介電常數(shù)為5.7±0.2(@10 GHz)，

圖2 評(píng)價(jià)電路示意圖

圖3 LTCC工藝流程

表1 絲網(wǎng)參數(shù)

Tab.1 Screen parameters

并使用其配套金漿料進(jìn)行導(dǎo)體印刷，印刷后在70℃、15 min烘干。對(duì)樣品進(jìn)行層壓和燒結(jié)，用砂輪切割機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行切割，用掃描電子顯微鏡測(cè)量電路膜層厚度。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及商用的Soutwest測(cè)試夾具測(cè)量電路的微波傳輸性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 帶狀線

不同絲網(wǎng)印刷導(dǎo)體厚度及電阻如表2所列。

表2 不同絲網(wǎng)膜層厚度和電阻

Tab.2 Conductor thickness and resistance with different screen

由表2可知，隨著絲網(wǎng)目數(shù)增加，膜層厚度不斷下降。這主要是由于隨著絲網(wǎng)目數(shù)的提高，絲印網(wǎng)版的總厚度變薄，通過(guò)網(wǎng)版擠壓下去的漿料數(shù)量(即過(guò)墨量)下降造成的。500目絲網(wǎng)，其膜層厚度為5.65 μm，而常用的400目絲網(wǎng)，其膜層厚度為8.5 μm。相比400目絲網(wǎng)，500目絲網(wǎng)印刷其膜層厚度可降低33%。電阻與膜層的關(guān)系如下[6]：

=/() (1)

其中為導(dǎo)體的阻值，為電阻率，為被測(cè)導(dǎo)體線的線長(zhǎng)，為被測(cè)導(dǎo)體的寬度，為被測(cè)導(dǎo)體厚度。由式(1)可以看出，電阻與膜層厚度呈反比，因此膜層厚度降低，電阻阻值增加。3種電路回波損耗和插入損耗如圖4～圖6所示。1～26 GHz的回波損耗以及8 GHz和20 GHz的插入損耗列于表3。

表3 不同膜層厚度回波損耗和插入損耗

Tab.3 Return loss and insertion loss with different conductor thickness

圖4 300目樣品測(cè)試結(jié)果

圖5 400目樣品測(cè)試結(jié)果

圖6 500目樣品測(cè)試結(jié)果

電路損耗與材料介電性能、傳輸電路的電阻直接相關(guān)[7]。在傳輸線阻抗不變的情況下，介電常數(shù)越大，損耗越大，電阻越大，損耗也越大。而電阻又與膜層厚度呈反比，因此膜層厚度降低，電路損耗增加是正?，F(xiàn)象。由圖4～6以及表3可以看出，絲網(wǎng)目數(shù)從300目到500目，回波損耗在1～26 GHz范圍內(nèi)變化不明顯，并且均小于﹣4.5 dB/cm，插入損耗在8 GHz和20 GHz均隨絲網(wǎng)目數(shù)的提高而變大，但在8 GHz測(cè)試時(shí)僅變大了0.02 dB/cm；在20 GHz測(cè)試時(shí)僅變大了0.05 dB/cm。導(dǎo)體膜層變化引起的單位長(zhǎng)度損耗變化較小，不同膜層厚度都能滿足帶狀線的設(shè)計(jì)要求。

2.2 X波段T/R組件

隨著頻率的升高，導(dǎo)體中的交流電流趨向于分布在導(dǎo)體表面的現(xiàn)象稱之為趨膚效應(yīng)[8]。趨膚效應(yīng)導(dǎo)致導(dǎo)體等效橫截面積變小，等效交流電阻增加，損耗功率也相應(yīng)增加。趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流分布于導(dǎo)體表面的厚度稱為趨膚深度。電流密度()與趨膚深度()的關(guān)系為：

=0e-(d/δ)(2)

0為直流電流密度，為導(dǎo)體厚度。由式(2)可知，63%的電流被限制在一倍的趨膚深度以內(nèi)，99%的電流被限制在五倍的趨膚深度以內(nèi)，因此當(dāng)導(dǎo)體厚度大于5倍深度時(shí)，電流近似無(wú)耗傳輸。對(duì)于金導(dǎo)體，趨膚深度與頻率的關(guān)系如圖7所示[9]。

圖7 趨膚深度與頻率的關(guān)系

在X波段(8～12GHz)，電路趨膚深度約0.8 μm，要使射頻電流近似無(wú)耗傳輸，根據(jù)5倍趨膚深度的設(shè)計(jì)要求[10]，金屬膜層的厚度應(yīng)至少達(dá)到4 μm以上。采用300、400和500目印刷的電路其膜層分別為10.34、8.5和5.65 μm，均在4 μm以上，因此從理論上來(lái)說(shuō)對(duì)組件的微波傳輸性能影響不大。

采用不同導(dǎo)體膜層厚度的LTCC基板裝配X波段四通道T/R組件，進(jìn)行輸出功率、接收增益等關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 不同絲網(wǎng)印刷電路T/R組件輸出功率

圖9 不同絲網(wǎng)印刷電路T/R組件接收增益

由圖8和圖9可知，絲網(wǎng)目數(shù)從300目到500目，T/R組件輸出功率變化不到1 W，并且均大于8 W；接收增益變化不到0.5 dB，并且均大于30 dB，由導(dǎo)體膜層變化引起的T/R組件輸出功率和接收增益變化較小，因此適當(dāng)降低LTCC導(dǎo)體厚度對(duì)T/R組件的關(guān)鍵性能指標(biāo)影響不大，可以滿足使用要求。

3 結(jié)論

1) 用3種不同參數(shù)的絲印網(wǎng)版制作的帶狀線測(cè)試結(jié)果表明，網(wǎng)版參數(shù)對(duì)膜層厚度和電阻阻值有較大影響，對(duì)電路損耗也有一定影響。隨著絲網(wǎng)目數(shù)的增加，絲印網(wǎng)版的厚度變薄，過(guò)墨量下降，因此導(dǎo)體膜層下降，電阻阻值增加。同時(shí)隨著膜層厚度下降，電路損耗有一定的增加，但總的變化幅度較小，可以滿足帶狀線的設(shè)計(jì)要求。

2) 由于趨膚效應(yīng)的影響，3種不同參數(shù)的絲印網(wǎng)版制作的T/R組件，其輸出功率變化不到1 W，接收增益變化不到0.5 dB。適當(dāng)降低導(dǎo)體厚度，保證膜層厚度5倍于趨膚深度，不會(huì)影響T/R組件的關(guān)鍵性能指標(biāo)和使用要求。

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Effect of conductor thickness on microwave properties of LTCC circuits

HOU Qing-jian, ZHANG Zhao-hua, HU Yong-fang, CUI Kai, XIE Lian-zhong

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China)

Precious metal conductor is the main part of low temperature co-fired ceramic (LTCC) cost, so reducing the amount of precious metal conductor is one of the important ways to control the cost of LTCC. Metal conductors of different thickness were obtained by screen printing with different mesh count. The influence of different conductor thickness on the microwave properties of stripline was studied. The T/R module with low thickness was prepared and its microwave properties was tested. The results showed that the conductor thickness control above 5 μm has little effect on the insertion loss and return loss of the stripline, and has little effect on the key indicators such as the output power and receiving gain of the T/R module. Controlling the thickness of conductor film can effectively reduce the cost of LTCC without affecting the microwave properties of LTCC circuit.

LTCC; microwave circuit; stripline; conductor thickness; T/R module

TN61

A

1004-0676(2021)04-0027-05

2021-03-29

侯清健，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：LTCC/HTCC工藝技術(shù)。E-mail：ltcc2009@sina.com