第13章射频电路制造技术无线通信射频电路技术与设计[文光俊]

1、1第13章 射频电路制造技术教学教学重点重点本章重点介绍了射频本章重点介绍了射频/微波电路使用的材料种类、电磁特性微波电路使用的材料种类、电磁特性、生产工艺与成本；介绍了印制电路板制造技术和加工工、生产工艺与成本；介绍了印制电路板制造技术和加工工艺，厚膜艺，厚膜/薄膜混合集成电路、单片集成电路的显著特性、薄膜混合集成电路、单片集成电路的显著特性、典型应用领域、制造技术和生产工艺流程、封装技术。介典型应用领域、制造技术和生产工艺流程、封装技术。介绍了绍了LTCC基基3D集成电路技术，以及集成电路技术，以及MCM技术。技术。 教学教学重点重点教学教学重点重点掌握：印制电路板制造技术和加工工艺，厚膜

2、掌握：印制电路板制造技术和加工工艺，厚膜/薄膜混合集薄膜混合集 成电路、单片集成电路的制造和封装技术。成电路、单片集成电路的制造和封装技术。了解：了解：LTCC基基3D集成电路技术及实现工艺，以及集成电路技术及实现工艺，以及MCM 技术。技术。 熟悉：射频电路使用的材料种类、电磁特性和生产工艺。熟悉：射频电路使用的材料种类、电磁特性和生产工艺。 能力能力要求要求2本章目录v 第一节 微波电路引言v 第二节 印制电路板v 第三节 混合集成电路v 第四节 单片集成电路v 第五节 MCM和3D集成电路 3知识结构射射频频电电路路制制造造技技术术微波电路引言微波电路引言材料与工艺材料与工艺掩模设计掩模

3、设计掩模制造掩模制造印制电路板印制电路板混合集成电路混合集成电路单片集成电路单片集成电路PCB制造制造PCB实例实例薄膜薄膜MIC厚膜工艺厚膜工艺烘烧陶瓷和玻璃陶瓷工艺烘烧陶瓷和玻璃陶瓷工艺MMIC制造制造MMIC例子例子MCM和和3D集成电路集成电路413.1 微波电路引言13.1.1 材料与工艺 制造印制电路以及HMIC的基本材料，可分为四类：基板材料、导体材料、介质薄膜材料、电阻薄膜。1. 基板材料特点：（1）基板表面光洁度应该好，且相应地去除空隙，保持导体 损耗低和保持好的金属薄膜附着力；（2）具有好的机械强度和导热性；（3）在电路加工过程中不变形；（4）应该与固态器件的热膨胀系数匹配

4、，且附上包装材料或避 免用对温度变化敏感的材料，以提高可靠性；（5）基板的价格相对于其应用是合理的；（6）选择厚度和介电常数，以决定阻抗范围及可用频率范围；（7）损耗角正切值应该足够低，以便忽略介质损耗。513.1 微波电路引言HMIC基板的性能基板的性能613.1 微波电路引言2. 导体材料 用作微波IC的导体材料具有以下特点：高导电率，低的电阻温度系数，低RF电阻，对基板强附着力，易蚀性和良好的可焊接性，以及沉积或电镀。导体的厚度应该至少是趋肤深度的34倍。用于用于HMIC导体的性能导体的性能713.1 微波电路引言3. 介质薄膜材料 电容器的绝缘体可用HMIC中的介质薄膜作为材料，HMI

5、C中的介质薄膜还可作为有源器件保护层及无源电路绝缘层。这些介质材料需具有可重复生产性，较高击穿电压，低损耗角及能经受加工过程中不产生针孔的能力。用于用于HMIC的介质薄膜性能的介质薄膜性能813.1 微波电路引言4. 电阻薄膜 终端电阻，衰减器电阻和偏置网络的电阻可用HMIC中的电阻薄膜来制造。对电阻材料所要求的性能应具有好的稳定性，低电阻温度系数，及表面电阻率在102000/平方单位的范围内。用于用于MMIC的电阻薄膜性能的电阻薄膜性能913.1 微波电路引言13.1.2 掩模设计 一般都从电路原理图开始HMIC设计。先进行电路定型，然后画出粗略的布线图，得出一张用于生产HMIC的单层掩膜的

6、精确掩膜版图或一组用于微型MIC和MMIC的掩膜，最后利用这些掩膜对照所需图案，去腐蚀HMIC基板，而对于微型和单片MIC的各种光刻制版步骤要用一组掩膜进行。 充分准备对MIC版图的设计，注意芯片与封装器件的相互影响、微带线和布线的不连续性及可调谐性等。除了人工制作印制电路黏带和红宝石刻印方法外，也广泛应用数控方法。掩膜布图设计单层用于HMIC，多层用于低温共烧陶瓷（LTCC）/单片MIC通过微波CAD和独立的IC设计工具将其电路精确的描述出来，转换成坐标打印列表，电路绘制图，最终以完整电路形式交给掩膜制造厂制造。1013.1 微波电路引言13.1.3 掩模制造 HMIC和MMIC两种电路常常

7、用光学掩膜来实现，在MMIC中新的制版技术（能够加工优质产品和加快周转速度）是以电子注书写为前导的，包括电子注、聚焦离子注和激光电子注等。 单片和混合单片和混合MIC的比较的比较1113.1 微波电路引言 无线通信电路中有以下几种固态器件，硅双极结晶体管、硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）晶体管、MESFET、以HEMT为底的砷化镓和磷化铟两种器件，以及以HBT为底的锗化硅和砷化镓两种器件等。 1/ f根据应用，器件需要有下列一些特性：1低热阻 2高温工作和可靠性3低导通电阻/高的关断电阻4高线性度 5低功耗6低的 噪声 7在截止状态，漏电流

8、小8多功能性 9低的单个电源10半绝缘基板 11成熟工艺12低成本 1 3最小噪声系数 14最大功率增益带宽15最大功率加效率1213.1 微波电路引言 用作有源器件的各种基板材料是硅、硅的碳化物、砷化镓、磷化铟和氮化镓，它们的电气和物理性质在下表中作了比较。 单片集成电路基板的比较单片集成电路基板的比较1313.2 印制电路板13.2.1 PCB制造在PCB制造加工过程中，第一层铜箔叠在介质薄片上，并需要采用光刻技术在整个基板上互连/绘图进行腐蚀。基板则是加热和加压力堆叠起来制成单片板，接着通过在板上打孔制成层间金属化连接。连接采用催化的方法，整个板层无电镀铜。板子为了焊接镀锡或为金线焊接镀

9、镍和金，最后把板切割成所需要大小尺寸。多层多层PCB加工流程图加工流程图1413.2 印制电路板13.2.2 PCB实例 由多层FR-4制成的射频原型PCB，其顶部有10毫英寸厚介质层，顶部金属层是1.4毫英寸铜组成。接地平面10毫英寸，下面是由2.8毫英寸铜组成。在RF层和接地层之间10毫英寸厚设置50 微带线宽度至17.5毫英寸宽，总的板厚调整到62毫英寸与标准RF接头相一致。实际原型测试板如图所示。 进行进行RF测试的功率放大器的测试的功率放大器的PCB实例实例1513.3 混合集成电路13.3.1 薄膜MIC 随着MIC薄膜制造技术在不断地发展，提高工作频率、更高产量及降低成本的要求得

10、以满足。通过以高分辨率光刻为基础的薄膜制造加工可以达到其要求，即在清洁的室内环境中，对光刻进行精心的控制。制造加工中第一步是在基板上沉积第一层金属膜。这层薄膜要对基板有很好的附着力。有些专门对MIC导体的注意事项关系到沉积技术。射频电磁场限定了几种导体趋肤深度。为了降低损耗，高阻材料层必须极薄。为了低损耗传播，主导体必须有低的整体直流电阻率。不适当的加工技术能对薄铬层和较厚的金结构组成的低阻片状电阻材料产生大的RF损耗。在特殊情况下，当基板温度大于300时，基板上会产生喷溅，薄的喷铬层将扩散到镀覆的金膜层上，这就产生了大的高频损耗，甚至表面电阻可能会由于厚的金层而变的很小。因此，这样的喷溅技术

11、对MIC材料必须小心使用。金属膜用真空蒸发、电子注蒸发和溅射三种方法沉积在基板上。1613.3 混合集成电路13.3.2 厚膜工艺 利用各种墨水压到全部版图的丝屏上，可以制造厚膜MIC。在常规厚膜工艺中，多层互接触由依次屏蔽印制线导体、绝缘层及基础基板上的电阻图来形成。这些材料呈墨水或浆糊状。屏蔽印制之后，每层用约150、15 min烘干，再以850、30至60 min烘烤。下图为采用整个掩膜浆糊第一层屏蔽印制加工过程。 材料淀积到基板上的屏蔽印制加工过程材料淀积到基板上的屏蔽印制加工过程1713.3 混合集成电路13.3.3 烘烧陶瓷和玻璃陶瓷工艺 在引入混合小型MIC的前后，同时引入了一种

12、叫做低温共烧陶瓷（LTCC）的厚膜。LTCC制造过程除了它没有基础基板外，其它类似于厚膜加工过程。 烘烧陶瓷和玻璃陶瓷加工的基本步骤烘烧陶瓷和玻璃陶瓷加工的基本步骤1813.3 混合集成电路 LTCC工艺相对于常规薄膜、厚膜和HTCC工艺显示出几种优点，是由于其多层加板工艺过程。元件集成水平更高（即电容器、电阻器、电感传输线及偏置线）是这些优点的主要体现，且能采用不同类型传输线媒体，如微带线、带状线、共面波导和矩形同轴线，实现有着更大设计灵活性。无源元件、匹配网络、偏置线及RF线屏蔽都能利用几何可用陶瓷和金属层组合在LTCC工艺中。最后固态低功率器件附着在顶层表面，实现有源或无源电路。 陶瓷材

13、料的典型电气和热性能陶瓷材料的典型电气和热性能1913.3 混合集成电路 用于制造微波集成电路的典型材料和加工过程一览表用于制造微波集成电路的典型材料和加工过程一览表2013.4 单片集成电路 单片微波集成电路（MMIC）是一种把有源和无源元器件制作在同一块半导体基片上的微波电路，其工作频率从1GHz到100GHz以上，广泛用于各种不同技术及电路中。 MMIC有成本低，尺寸小，重量轻，电路设计灵活，宽频带性能，消除了电路调整，大批量制造的能力，封装简单，提高了重复生产能力，抗辐射好，可靠性提高的优点。 6-18GHz MIC收收/发组件发组件2113.4 单片集成电路13.4.1 MMIC制造

14、 制造MMIC有许多方法。金属半导体氧化物场效应管和高电子迁移晶体管可采用凹槽-栅极加工制造，自对准栅（SAG）加工提高了通用性，因为它能有效地制造不同功能的器件。SAG的加工流程如下图所示： SAG加工加工MMIC的加工流程的加工流程2213.4 单片集成电路13.4.2 MMIC例子DDVdssI 一个MMIC如图所示，12 W X波段高功率放大器相片，该芯片利用三级放大，设计工作电压为 =10 V,静态工作点在25处测得典型输出功率和功率加效率分别为12 W和35，频率范围为8.510.5 GHz。其输出级应用20 mm栅极周长的多功能自动对准栅极（MSAG）MESFET。12W高功率放

15、大器高功率放大器2313.5 MCM和3D集成电路 多芯片模块（MCM）是将系统分为众多单元功能部件，用最好的元件实现最好的分部件，然后通过互连线、偏置电路、滤波器等其它无源元器件，甚至包括平面天线，把这些芯片集成为一个独立功能模块的技术。 现在的多芯片模块技术主要有三种：（1）使用共烧多层陶瓷基片技术的MCM-C。（2）使用薄膜沉积技术的MCM-D。（3）使用层压结构技术的MCM-L。 MCM-D是通过常规旋转、沉积和光刻法程序制造出多层无源元件以及小特征尺寸互连线。如果使用合适的材料，MCM-D技术能提供最好的器件性能以及最合适倒装芯片的装配工艺。 MCM-C技术是一种通过在多层条带上或多层丝网状黏土上使用条形或黏土形烧制的陶瓷材料来构建多层模块，然后将这些层重叠在一起并一同烧制而成的技术。 2413.5 MCM和3D集