1.引言

　　采用薄膜技术来制造薄膜电路是薄膜领域中一个重要分支。薄膜电路主要特点：制造比较高(薄膜线宽和线间距较小)，可实现小孔金属化，可集成电阻、电容、电感、空气桥等无源元件，并且根据需要，薄膜电路可以方便地采用介质制造多层电路。薄膜多层电路是指采用真空蒸发、溅射、电镀等薄膜工艺以及湿法刻蚀和干法刻蚀(反应离子刻蚀、等离子刻蚀、激光刻蚀)等图形形成技术，在抛光的基板(陶瓷、硅、玻璃等材料)上制作导体(Cu或Au等)布线与绝缘介质膜(PI或BCB等)相互交叠的多层互连结构。

　　薄膜多层电路技术，由于具有互连密度高、集成度高、可以制造高功率电路、整个封装结构具有系统级功能等突出特点，在微波领域的应用很有竞争力，特别是在机载、星载或航天领域中，其体积小、重量轻、可靠性高的特点更加突出，是一种非常有潜力的微波电路模块(低噪声放大器、滤波器、移相器等)、甚至需求量越来越大的T/R组件基板制造技术。

　　本文将在分析薄膜电路在T/R组件中应用的特点的基础上，介绍几种典型的应用实例，并给出发展建议。

　　2. 薄膜电路技术在T/R组件中应用的特点分析

　　随着雷达技术的发展，有源相控阵雷达成为主流，而其则是T/R组件，通常每部雷达含有成千上万只T/R组件。T/R组件不论其使用频率是否相同，也不论其使用场合是否相同，其基本构成是相同的，主要是由功率放大器、驱动放大器、T/R开关、移相器、限幅器、低噪声放大器、环流器、逻辑控制电路等组成，其结构框图如图1所示(1)。这些基本构成，在工艺实现时，部分可以直接做在电路板上，如微带传输线、开关、耦合器、滤波器等，部分采用外贴芯片(如功放、驱放等)、电容、环流器等来实现。因此，从使用功能和结构上，T/R组件实际上可以看作是一种具有收发功能的微波多芯片模块。

　　受雷达波束栅瓣效应(相邻两个辐射单元的中心距小于工作波长的一半)以及重量、成本等限制，T/R组件的小型化、集成化、轻量化将是其发展趋势。为了满足其性能要求，采用低温共烧陶瓷LTCC、高温共烧陶瓷HTCC、薄膜多层电路技术、多层微波印制电路技术等多层集成技术来研制和生产T/R组件成为必然选择，几种多层技术的比较见表1(2~3)。

　　从表中可以看出，薄膜多层互连基板，具有如下突出优点：

　　(1)布线密度高，体积可以很小、重量很轻；

　　(2)集成度高，可以埋置电阻、电感、电容等无源器件以及有源芯片；

　　(3)高频特性好，可用于微波及毫米波领域；

　　(4)承受功率密度高，可选用高导热的金属、金刚石、陶瓷或铝炭化硅复合材料等作基板，制造高密度高功率多层基板。

　　薄膜多层互连基板与其它类型的基板相比，具有如下明显的缺点：

　　(1)工艺采用串形方式，成品率相对低，制造成本高；

　　(2)制造层数受限制。

　　薄膜多层电路技术由于具有明显的优点和缺点，因此在制造T/R组件的选择上，可以有两种方案。，可以采用薄膜技术在陶瓷基板或金属基板上直接制造T/R组件(4~5)，发挥薄膜高、高集成度、高功率的性能，这种方法成本较高； 第二，将薄膜技术和其他多层电路技术(如厚膜技术、HTCC、LTCC等)结合起来(6-8)，制造T/R组件，扬长避短，既发挥其他基板容易实现多层的特点，从而克服薄膜技术本身制造层数不足的缺点，又能发挥薄膜技术本身的高、高性能特长。

　　3. 薄膜技术在T/R组件中应用实例

　　3.1 陶瓷基板上薄膜混合集成T/R组件

　　RCA实验室在1985年报道了在高导热陶瓷BeO基板上采用薄膜工艺制造的T/R组件(3)，尺寸为7.0cm×9.0cm×1.6cm,工作频率16.0~16.5GHz,峰值功率3.9~4.4 W,电压调谐范围2.5~2.9,噪声系数5dB。

　　Martin Marietta实验室,1995年首次报道了采用薄膜技术制造了频率高达94GHz 的W波段的8单元T/R组件(4)，如图3所示。组件的尺寸16.5mm×28.3cm×1.8 cm,增益47.8 dB。主要工艺为：先在0.5毫米厚的钼基片上，采用铜导体和聚酰亚胺的薄膜多层工艺制造直流和控制信号主板，然后在0.125mm厚的低损耗Al2O3陶瓷板上用薄膜工艺制造RF传输线，将RF部分和芯片、电容等装配在低频主板上。

　　3.2 金属基板上薄膜混合集成T/R组件

　　在铝、钼等金属基板上制作T/R组件或多芯片模块，近年来也有不少报道(4~6)。1995年，澳大利亚的O.Sevimli报导了一种金属基V波段(可以达110GHz以上)薄膜多层多芯片组件技术(5)，结构示意图见图2。这种技术工艺过程是这样的：首先是在金属基板上腐蚀出用于安放芯片的孔，然后把芯片采用导电胶固定在孔内，控制好安装芯片的孔的深度使芯片与金属表面在同一平面内并定位，表面涂敷一层适于毫米波领域使用的BCB等介质材料，在芯片焊盘处刻蚀通孔，进行薄膜多层电路的制作。这种技术的突出优点是所有芯片或无源器件(如耦合器、滤波器等)可以同时装配，装配不采用金丝键合手段也不用倒装芯片，以解决毫米波频段金丝键合带来的一致性控制以及寄生效应难题；同时也可解决采用倒装芯片带来的功率耗散问题，芯片的热量可以通过金属底板快速散去。

　　3.3 A l/SiC复合材料基板上HDI技术T/R组件

　　1997年，Lockheed Martin 公司报道了和GE 公司合作开发的基于Al/SiC材料基板的薄膜多层电路的T/R组件(7)，结构图如图3所示。采用Al/SiC材料做T/R组件的基板，主要考虑该材料不仅导热率较高(接近氮化铝，约160W/moK),而且热张系数与GaAs或Si有源芯片接近，有利于直接贴装芯片。此外该材料密度低，有利于降低组件重量。 采用Al/SiC材料作基板，必须预先加工成形并进行镀Ni/Au金属化，有源芯片和无源器件可以直接贴装于凹腔内，并使其与基板表面在同一平面上，其中高功率GaAs芯片采用 AuSn高温焊料焊于基板凹腔内，以保证热传导并降低器件结点温度；非功率芯片和无源器件可以采用导电胶贴于基板凹腔内。然后在其上实施HDI技术(薄膜高密度多层互连)，即采用胶粘剂复合一层聚酰亚胺膜(kapton), 用激光在对应芯片焊盘以及基板上需要的位置开孔，在孔及基板上采用溅射工艺实现金属化(Ti/Cu/Ti)，然后采用激光或光刻的方法刻出图形及带线。以此类推，实现多层。

　　3.4 薄、厚膜混合集成电路宽带T/R组件

　　1992年，通用公司报导了采用薄膜和厚膜混合工艺研制的宽带S/C波段T/R组件(8)(3.0～6.0GHz)，尺寸只有3.3英寸×1.17英寸，S波段输出功率21W, C波段输出功率19W,接收增益30~38 dB。其结构示意图如图4所示,在同一块氧化铝陶瓷基板(厚0.635mm)上，正面采用薄膜技术做微带电路，背面采用厚膜技术做4层布线，正面薄膜电路和背面厚膜电路之间的互连采用激光打孔的方法实现，芯片和器件埋在陶瓷板孔内。

　　3.5 半导体硅材料上薄膜多层发射模块

　　在半导体硅材料上，采用薄膜多层技术制造T/R组件的优点是可以和半导体技术兼容，可以集成有源芯片、无源器件，组件可以做的很小、并且能够大批量生产；缺点是由于硅材料导热率低，在需要高功率或高Q值的场合，高导热的氮化铝、氧化铍陶瓷更有优势。图5是美国辛西纳底大学研制的薄膜多层发射模块示意图，它是在硅基片上，用Dupont公司的聚酰亚胺做介质(每层介质厚度9~15μm)，用Ti-Au-Ti或Cr-Au-Cr做导带(Au厚度2~3μm)，制作的4层金属、3层介质的多层互连结构。

　　3.6 HTCC基板上薄膜多层 T/R组件

　　GE 和 Lockheed Martin 等公司合作开发的基于HTCC基板的薄膜多层电路的T/R组件(7)，如图7所示。预先将HTCC基板开槽并金属化，将功率芯片贴装预槽内，使之与基板表面持平，然后在其上实施HDI工艺。

　　采用 HTCC做T/R组件的基板，是充分利用了高温共烧陶瓷(HTCC)和薄膜多层的优点，而又避开其不足。HTCC的优点是热导率高、易实现多层；其缺点是由于采用的电阻率高的Mo、W等浆料制作导带，微波损耗较大。薄膜多层互连技术的优点：线条高，采用Cu、Au等电阻率低的材料作导带，微波损耗小；其缺点是耐功率不足、多层成本高。基于 HTCC的薄膜多层互连技术可以将电源线、地层、信号线布在HTCC中, 以满足耐功率需要并减少薄膜多层层数。功率芯片可以通过焊接的方式贴在HTCC的凹腔中，有利于散热。微带线及芯片精细互连线可以作在少数几层HDI层中，满足微波性能的需要。

　　3.7 LTCC基板上薄膜集成 T/R组件

　　Reinhardt Microtech公司和Micro Systems Engineering 公司合作开发了一种可用于X波段T/R组件的精细混合(Finebrid)集成技术，这种技术是将LTCC和薄膜技术集成在一起，在采用杜邦951或943生瓷制造的LTCC板上，不用抛光等处理，直接制造精细薄膜电路图形，结构示意图见图8。利用LTCC容易实现多层的特点，把直流电源线、控制信号线做在不同的层上，还可埋置电阻、电容等无源器件。选用杜邦951或943生瓷，是因为制成的LTCC损耗比较小。利用薄膜的高特点，把无源器件(如Lange耦合器、滤波器、电阻网络、衰减器、功率分配器等)集成在LTCC表面。实用中薄膜图形典型的线条及间距20微米，膜层厚度5微米；NiCr层充当电阻层和粘附层。从结构图上可以看出，芯片安装在LTCC表面的凹腔内，可以减小键合长度及关联电感，芯片热量可通过背面的散热通孔柱传到下面的热沉上，可克服LTCC热导率低的缺点。经可靠性测试，在LTCC表面实施薄膜工艺与在氧化铝陶瓷上的可靠性相当。

　　4. 结语

　　从以上分析可以看出，与传统的在陶瓷基板实施薄膜工艺相比，薄膜技术在T/R组件的应用有两个明显的新的趋势，一是，在高导热的金属、合金、复合材料( Al/SiC)上采用多层薄膜工艺，制造T/R组件，提高了组件耐功率性能，并且利于封装；还可根据设计需要把芯片贴装在表面的凹腔内，减短了金丝键合的长度或者不用键合，减小了或克服了寄生效应，改善组件性能；二是在其他多层基板(如HTCC或LTCC)上，实施薄膜工艺制造T/R组件，充分发挥HTCC或LTCC易实现多层及埋置无源器件的优点以及薄膜工艺高、低损耗的优点，对减小T/R组件基板尺寸、改善组件的电性能和热性能有重要意义。

　　国内，在T/R组件的制造领域，尚未见相关应用报导，可加以重视，开展相关跟进研究工作。