微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱，即波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，通常也稱為"超高頻電磁波".微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。微波的頻率在300MHz-300GHz之間，波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，通常也稱為"超高頻電磁波".微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波量子的能量為1 99×l0 -25~ 1.99×10-22j.

　　微波電路制作一般可分三個(gè)階段。微波器件制作→基板微帶線制作并組成功能塊→與金屬基座連接組成微波電路。微波電路由于作用頻率高，其接地要求特別高、接地包括功能塊基片接地與功能塊與金屬基座的接地連接。特別是后者，慣用螺釘連接，由于連接間的空隙，導(dǎo)致功能塊間的串?dāng)_（一般≥0.5dB），插入損耗增加（一般≥1.4dB），同時(shí)也帶來(lái)了附加電容與振蕩。L波段以上電路已無(wú)法獲得穩(wěn)定的電路參數(shù)，可靠性低。目前國(guó)外已普遍使用釬接方法來(lái)實(shí)行"大面積釬接".國(guó)內(nèi)也開(kāi)始摸索和使用。大面積釬接的主要難點(diǎn)在于金屬與陶瓷材料的物理、化學(xué)性能差異太大，易造成陶瓷開(kāi)裂、不良接頭、變形等。芯片與微帶線互連的長(zhǎng)度、拱度，微帶線制作的等同樣是影響微波性能的要素。本文主要介紹筆者與同仁們?cè)谶@方面的研究成果。

　　1 接地連接的分析和設(shè)計(jì)

　　微波電路的接地連接主要影響電路串?dāng)_和插入損耗。電路串?dāng)_主要是過(guò)長(zhǎng)的連接線形成附加電感引起的。插入損耗主要由四分部組成：導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、輻射損耗及制作工藝的損耗。

　　導(dǎo)體損耗指金屬導(dǎo)帶與接地金屬面對(duì)傳輸信號(hào)所造成的插入損耗。介質(zhì)損耗指電磁場(chǎng)在金屬導(dǎo)帶和接地面中間的介質(zhì)中傳輸，由填充介質(zhì)引入的插入損耗。焊接缺陷（空洞、孔隙）及其它制作缺陷（介質(zhì)板、導(dǎo)帶¨）均會(huì)增加插入損耗[1].接地連接的設(shè)計(jì)原則就是就近接地，大面積（全面積）接地。幾種典型的接地方式是：

　　（1）接地金屬化通孔：主要連接微帶線與基板接地面。可通過(guò)孔金屬化、空心鉚釘、連接銷釘?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)。如圖1所示。

接地通孔設(shè)計(jì)　　

　空心鉚釘　　

　　　連接銷釘

圖1　幾種典型的接地方式

　?。╝）薄膜接地孔-四周金屬化

　　（b）厚膜接地孔-全孔金屬化

　　（c）多層厚膜，大面積接地，

　　采用網(wǎng)狀孔，孔金屬化。

　　三種方法各有各的技術(shù)難點(diǎn)，特別是薄膜金屬化孔，目前尚處研究階段，成功率僅為90%.采用空心鉚釘?shù)姆椒煽浚招你T釘?shù)闹谱麟y度較大。

　?。?）接地包邊：為了更大面積的與接地面連接，在條件允許的情況下，可采用直接用銅箔（厚0.10~0.20mm）連接面。如圖2所示。

圖2　包邊接地示意圖

　　包邊接地比較可靠，但只有在孔徑及邊帶尺寸大的地方進(jìn)行，而焊接工作也往往只能靠人工進(jìn)行，要求操作工人的熟練程度高。

　?。?）接地面與接地板的大面積焊接：用于替代螺釘連接的大面積焊接，是保證接地可靠的主要手段。

　　微波電路中的傳輸線（微帶線）通常在堅(jiān)固的介質(zhì)基片（陶瓷、石英……）上用薄膜工藝（蒸發(fā)、濺射……）來(lái)制作。隨著新技術(shù)的發(fā)展，微波電路微帶線也有用厚膜、LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)制作，近年來(lái)也出現(xiàn)非Al2O3的軟基片復(fù)合材料作基片的，但在S波段以上，往往還無(wú)法替代陶瓷材料。

　　陶瓷材料與接地板金屬的連接，即接地面與接地板的連接。慣用螺釘連接，除去裝配和使用過(guò)程中容易造成陶瓷基片碎裂外，它已無(wú)法滿足微波電路的電、熱性能參數(shù)的要求，近年來(lái)已被軟釬接技術(shù)所替代。

　　由于陶瓷與金屬的化學(xué)、物理焊接性差異極大，特別熱膨脹系數(shù)的差異，造成焊接及使用過(guò)程中瓷片開(kāi)裂、電路失效。這些問(wèn)題的研究，將在2、3節(jié)中敘述。

　　2 焊接性能研究

　　陶瓷基片與金屬基座焊接時(shí)，考慮到陶瓷金屬化（薄、厚膜工藝） 及MIC器件的特性，往往采用軟釬接辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。陶瓷基片接地面與載體必須具備優(yōu)良的軟釬接性能。

　?。?）基片接地面的金屬化研究

　　微波電路基片金屬化的主要途徑是通過(guò)薄膜、厚膜和LCTT共燒來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　（a）薄膜制作

　　微波薄膜電路一般采用CrAu膜系統(tǒng)。Cr層作為過(guò)渡層以提高金屬與陶瓷板的附著強(qiáng)度，Au作為主導(dǎo)層以滿足微波電性能的要求。

　　采用Au基釬料可以實(shí)現(xiàn)CrAu膜與載體的焊接，但Au基釬料價(jià)格昂貴，并要在專門的氣控爐中進(jìn)行，工藝復(fù)雜，為此需研究適合普通Sn-Pb釬料的金屬膜系。

　　研究設(shè)計(jì)了CrAu、CrCuAu、CrAuCuAu三種膜系，并通過(guò)不同工藝手段制作出不同的膜厚。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.

表1　不同薄膜體系的工藝性能狀況

　　考慮微波電路的綜合要求（線厚、及焊接性等）選用 CrAuCuAu系統(tǒng)作為微波電路的導(dǎo)帶及接地面金屬化膜。

　?。╞）厚膜制作

　　微波電路厚膜制作的關(guān)鍵是線條，接地面的金屬層一般是Au基合金，其中以Au-Pt的耐焊性。Au-Pt的耐焊性大于10次，如燒結(jié)工藝掌握好的話可達(dá)70~80次。Au-Pt膜的可焊性相對(duì)來(lái)說(shuō)差一些，但經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，也能獲得較好的可焊性。

　　（c）LTCC共燒制作

　　各層之間的通孔、接地面均可用Au制作，整個(gè)基板的制作與厚膜制作相同，也以采用Au-Pt膜為主。

　?。?）載體可焊性鍍層研究

　　根據(jù)產(chǎn)品不同的要求，需選用不同的載體材料，功率大、散熱要求高的選AI、Cu;重量要求輕的選Al、Ti;與Al2O3陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的選可伐合金、42合金等。另外還有與GaAs熱膨脹系數(shù)相近的Mo,新興的復(fù)合材料AlSiC等，這些載體材料要通過(guò)表面處理才能與陶瓷基片焊接，得到優(yōu)良的焊接接頭。表面處理包括焊接性能良好的表面鍍層和熱膨脹系數(shù)分配合理的鍍層體系。

　　本研究設(shè)計(jì)了不同的鍍層系列。經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)及試樣制作，終選用的體系分別為：

　　Al--NiP-Cu-SnPb

　　Cu--Ag

　　Ti--Cu-SnPb

　　可伐--Ni-Au

　　42合金--Ni-Au

　　3 焊接工藝研究

　　不同的焊接方法有不同的焊接工藝。焊接工藝主要根據(jù)被焊工件的材質(zhì)、牌號(hào)、化學(xué)成分，焊件結(jié)構(gòu)類型，焊接性能要求來(lái)確定。首先要確定焊接方法，如手弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等等，焊接方法的種類非常多，只能根據(jù)具體情況選擇。確定焊接方法后，再制定焊接工藝參數(shù)，焊接工藝參數(shù)的種類各不相同，如手弧焊主要包括：焊條型號(hào)（或牌號(hào)）、直徑、電流、電壓、焊接電源種類、極性接法、焊接層數(shù)、道數(shù)、檢驗(yàn)方法等等。預(yù)熱有利于減低中碳鋼熱影響區(qū)的硬度，防止產(chǎn)生冷裂紋，這是焊接中碳鋼的主要工藝措施，預(yù)熱還能改善接頭塑性，減小焊后殘余應(yīng)力。通常，35和45鋼的預(yù)熱溫度為150~250℃含碳量再高或者因厚度和剛度很大，裂紋傾向大時(shí)，可將預(yù)熱溫度提高至250~400℃。

　　焊接工藝研究主要包括三方面的內(nèi)容：熱膨脹系數(shù)相異造成的陶瓷開(kāi)裂；焊接變形和釬透率（被釬接面積/需焊接面積）。

　　（1）陶瓷開(kāi)裂問(wèn)題

　　從結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)；釬料和緩沖層；釬接工藝等幾個(gè)方面著手研究。

　　結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)-通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，得出了的結(jié)構(gòu)因素。為計(jì)算簡(jiǎn)便起見(jiàn)，作如下假設(shè)：a）不考慮Y、Z方面的變化；b）溫度范圍設(shè)定為 20~200℃，僅考慮彈性變形；c）中心軸的長(zhǎng)度保持不變?nèi)鐖D3、圖4、圖5所示。

圖3　試樣示意圖

圖4　板厚比與po的關(guān)系

圖5　界面應(yīng)力分布

　　綜合考慮，選擇r≤1為佳。

　　WilliamW在42合金和可伐合金上用Au-Ge焊料在400℃時(shí)焊接Al2O3,并對(duì)應(yīng)力作了測(cè)定結(jié)果。見(jiàn)表2.

表2　應(yīng)力測(cè)定結(jié)果
   

　　從表2中也可看出金屬基座愈薄，對(duì)抗裂愈有利。

　　釬料和緩沖層-選擇焊接溫度低，塑性好的釬料及應(yīng)力緩沖層是防止陶瓷開(kāi)裂的一個(gè)重要手段。研究了多種釬料的可焊性，終選定In-Sn、Sn-Pb二種釬料作為基本釬料。緩沖層的結(jié)構(gòu)也很多，材料選擇主要是以Mo片、Ti片為主。

　　釬接工藝-釬接工藝主要根據(jù)陶瓷熱性能來(lái)設(shè)計(jì)，選用緩慢加熱、冷卻過(guò)程如圖6所示。值得提出的是這種工藝對(duì)基片與載體的焊接性能，特別是耐焊性提出了更高的要求。

圖6　典型溫度曲線(Sn-Pb釬料)

　?。?）焊接變形

　　鋼構(gòu)件在未受荷載前，由于施焊電弧高溫引起的變形為焊接變形。包括縮短、角度改變、彎曲變形等。焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)安裝有很大影響，過(guò)大的變形將顯著降低結(jié)構(gòu)的承載能力；利用火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形， 使較長(zhǎng)的金屬在冷卻后縮短來(lái)消除變形。本法簡(jiǎn)單， 機(jī)動(dòng)靈活， 適用面廣。在使用時(shí)應(yīng)控制溫度和加熱位置。對(duì)低碳鋼和普通低合金鋼常采用600~800℃的加熱溫度。由于需再次加熱， 對(duì)合金鋼等慎用。

　　選用夾具，控制變形，將增加應(yīng)力，不利于防裂，為此夾具的壓力必須合適。壓力是保證間隙、焊接質(zhì)量和減少焊后變形的關(guān)鍵因素，要在整個(gè)加熱過(guò)程中維護(hù)適當(dāng)?shù)膲毫Γ菉A具設(shè)計(jì)的原則。

　　通常設(shè)計(jì)要求為變形小于0.1mm/100mm,正確設(shè)計(jì)夾具及焊接工藝，研究的實(shí)測(cè)變形一般在0.03~0.05mm之間。

　?。?）釬透率

　　釬透率直接反映了接地效果，是整個(gè)技術(shù)的重要指標(biāo)，要在100mm×100mm（研究目標(biāo)）內(nèi)達(dá)到高指標(biāo)，是一個(gè)難題。在焊接預(yù)置、載體開(kāi)槽及打孔、夾具空隙等方面作了研究，使釬接率達(dá)到85%以上（一般可達(dá)90%）如載體金屬打工藝孔，可使釬接率從40%~50%上升到90%.開(kāi)槽可控制被焊接的位置，在電性能上獲得了良好的效果。目前正在研究網(wǎng)格載體與電性能的關(guān)系，如獲得突破，則釬透率問(wèn)題就將終獲得解決。

　　4 討論與實(shí)例

　　Al2O3- Al產(chǎn)品的實(shí)例，其技術(shù)指標(biāo)如下：

　　工作頻率  1200~1400MHz

　　組件尺寸  40mm×90mm

　　釬透率   90.28%

　　焊后變形  ≤0.01mm

　　接觸電阻  ≤0.02Ω

　　插入損耗  ≤0.06db

　　串 擾   ≤0.1db

　　熱循環(huán)次數(shù) ≥45次

　　微波電路組裝技術(shù)的研究，是一個(gè)電、結(jié)構(gòu)及工藝的綜合性課題。目前這項(xiàng)研究工作已應(yīng)用于實(shí)踐，共制作組件2000余件，并獲得明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。