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LCP基板制作工艺及其在微波无源电路中的应用(en)

2020-05-12 来源:上海联净 浏览数:578

现代军用和民用电子装备正在向小型化、轻量化、高可靠、多功能和低成本方向发展,尤其对机载、舰载和星载等电子装备更为关键。作为电子装备前端的微波电路与系统,其电气性能和物理结构对整个电子装备的性能有着举足轻重的影响。如有源相控阵雷达上大量使用的发/收(T/R)组件,其微波电路系统的功能越来越复杂、电性能指标越来越高,而要求体积越来越小、重量越来越轻,在满足微波电路系统电气性能指标要求的前提下,尽可能提高微波电路与系统的集成水平、减小其体积和重量。基于液晶聚合物(LCP)技术的SOP(系统级封装)、MCM(多芯片组装)和三维集成微波电路技术是实现上述目标的有效途径。

LCP是一种由刚性分子链构成的、在一定物理条件下既有液体的流动性又有晶体的物理性能各向异性(此状态称为液晶态)的高分子物质。它被认为是继低温共烧陶瓷(LTCC)后的下一代微波毫米波的基板和微组装材料,具有许多独特的优点,例如损耗小、成本低、使用频率范围大(DC,110GHz)、强度高、重量轻、耐热性和阻燃性强、线膨胀系数小、耐腐蚀性和耐辐射性能好、CP薄膜的成型温度低,具有可弯曲性和可折叠性的优良成型加工性能,可用于各种带弧形和弯曲等复杂形状的制品。目前使用的LTCC的成形温度是850℃左右,LCP的成形温度可以低到285℃,这样不仅无源器件,而且有源芯片都有可能一起封装,减小了安装位置和数量的限制,这将大大提高军用和民用电子系统的可靠性,降低成本,减小体积。同时LTCC横向尺寸一般不能大于5in×5in,而LCP的尺寸可以大得多。此外LCP没有LTCC烧结过程中产生的收缩,有助于提高加工精度和成品率。

LCP相对介电常数在2.90~3.16之间,介电常数随温度的变化小,其应用领域覆盖了从民用的各频段无线网、Ka波段的卫星通信、气象雷达,到各种频带的军用雷达及通信、导航、定位、侦察、电子对抗和敌我识别系统。

1LCP制作工艺

1.1单层LCP基板传输线制作工艺

单层LCP基板传输线的制作直接选用双面覆铜的商用LCP板,首先用异丙醇清洗并作干燥处理,在其一面直接用标准的“半加成法”工艺即可制作传输线,由于铜在空气中易于氧化,且考虑到表面键合的需要,其表面需要电镀一层金,具体工艺流程如图1所示。

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图1单层LCP基板传输线工艺流程

1.2多层LCP基板传输线制作工艺由于LCP板很薄,通常低于0.1mm,因此单层LCP板的高频传输线很窄,不利于电性能的提高,因此需要增加LCP板的厚度,同时,厚的LCP板能提供更好的机械强度。多层LCP板上每层传输线的制作工艺与前述单层LCP板制作工艺相同,制作过程见图2,其中迭片热压粘合和通孔及金属化是多层LCP基板制作工艺的关键。

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图2多层LCP基板传输线工艺流程

钻通孔时,由于LCP材料在355nm紫外波段具有强吸收,因此采用YAG紫外激光打孔是在LCP基板上制作互连孔的有效方法,孔径可容易地做到50μm以下。激光打孔后孔边沿会留下灰烬,用氧等离子体处理可容易地去除该灰烬,同时对孔壁具有清洁和活化作用,有利于随后的孔金属化质量。为了最大限度减少孔内产生的热量,尺寸小的孔和较深的孔要采用峰值钻井技术并利用阻隔材料来防止制作小孔时产生过热。

在通孔的金属化方面,实验表明采用传统的化学沉铜/电镀铜和影子进程公司的直接电镀工艺均能获得良好的金属化孔。由于LCP材料良好的抗化学腐蚀性,传统化学沉铜工艺中高锰酸钾粗化对LCP材料不起作用,因此该工艺需用氧等离子体处理替代。

在迭片热压方面,LCP基板材料与LCP粘合薄层组合,才可以构成真正无黏合剂的液晶多层电路板结构。在一个全部采用LCP基板的结构中,制造鲁棒性在很大程度上由粘合工艺过程中达到统一面板温度的控制能力决定。一般情况下,面板上的温差越大,LCP多层电路板内的树脂流和内层粘合的变化就越大,稳定性就越差。为了获得较好的效果,压合过程中可以采用热油印或高压的方法,并遵循如图3所示温度、压力随时间的变化,一般热压峰值温度选用285℃,压力300psi保持30min。

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图3温度、压力随时间变化曲线

2LCP基板的微波性能研究及应用

2.1LCP微波平面传输线实物及其基本特性

在微波介质基板上,起到连接和集成各种无源和有源微波器件的平面传输线使用最为广泛,用LCP基板材料制作适用于X波段的微带线、共面波导以及共面波导和微带线的过渡结构,并对其复杂过渡结构的微波性能进行了测试,见图4和图5,其中微带线导带宽度是0.2mm,共面波导导带宽度是0.15mm,槽的宽度是0.04mm。由图5可见,在8~12GHz频段内驻波<1.28,插损<0.1dB/cm,指标完全符合工程应用要求。去除测试夹具高频特性稍差的影响,LCP基板平面传输线本身的微波性能更优良。

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图4平面线实物

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图5过渡线性能测试

<!--[if !supportLists]-->2. <!--[endif]-->2LCP基板介电常数参数的验证

通过实验验证了LCP基板平面传输线的微波特性后,开始检测LCP基板材料介电常数的准确性。根据厂家提供的参数,先设计出一些性能对介电常数敏感的简单器件,然后测量出器件实物的S参数。再通过电磁仿真软件建立实物模型进行仿真,不断改变模型中对应板材的介电常数,使仿真的S参数和实测的S参数尽可能一致,这时仿真用的介电常数就可以看作是实际介电常数。

本文设计了性能受介电常数影响较大的平行耦合线滤波器。因为耦合线滤波器谐振频率点由微带线所形成的电感值和线线之间的电容值所决定,在微带线长度、宽度和线线之间的距离已确定的情况下,电感值和电容值由微带线的有效介电常数εe决定,

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式中:d为基板厚度;W为导带宽度;εr是基板的介电常数。可见,当d、W一定时,要检测基板的介电常数εr,只需关注S曲线的谐振点频率即可。为此,设计了如图6所示的平行耦合线滤波器,其中心频率为10GHz,通带带宽为20%。

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图6平行耦合线滤波器实物图

用矢量网络分析仪实际测量滤波器的S参数,测量结果如图7所示。利用商用电磁仿真软件CSTMicrowaveStudio按照设计的贴片天线和平行耦合线滤波器的实际尺寸建立模型。改变LCP板材的介电常数,使仿真结果和实测结果最接近。当基片的介电常数εr=2.9时,仿真结果如图8所示。

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图7平行耦合线滤波器S参数测试

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图8平行耦合线滤波器仿真结果

比较反射系数的仿真结果和测试结果,发现两者谐振点的频率均在9.7GHz处,虽然幅值相差较大,但是介电常数对谐振频率最敏感。而幅值则与更多因素相关,对介电常数不敏感;滤波器的中心频率及通带实测与仿真结果的一致性也很好,这说明可以确定基板的相对介电常数为2.9,一致性非常好。2.321dB微带定向耦合器的设计为了将LCP基板应用于无源器件的设计,设计了X波段双层基板的LCP微带定向耦合器,见图9,中心频率是10GHz,每层基板厚度为0.1mm,LCP基板中间通过0.05mm粘接层粘合,基板的总厚度为0.205mm。其中1、2端口是直通端,3端口是耦合端,4端口是隔离端。按照版图所示模型用电磁仿真软件HFSS仿真,可得图10所示仿真结果,可见在8~12GHz频段内,驻波<23dB(即1.18),直通损耗约为0.11dB,耦合度为(21±0.4)dB,完全能达到工程应用要求。

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9耦合器版图 

 

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