基于LTCC基板的K频段多通道发射组件

郝金中，张 瑜

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



基于LTCC基板的K频段多通道发射组件

郝金中，张 瑜

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

介绍了一种基于LTCC基板的K频段多通道发射组件。为了更好地满足散热要求，盒体采用了高导热率的无氧铜材料。针对无氧铜盒体与LTCC基板间热膨胀系数的差异，提出了一种将LTCC基板过渡到钼铜载体，再将钼铜载体烧焊到无氧铜盒体的工艺流程。组件有8个通道，各路通道输出功率为25 dBm，具有6位移相、5位衰减。研制结果表明组件性能优越、尺寸小、散热好，在高温85℃条件下工作时可以保证壳温≤90℃，长期工作可靠性高。

发射组件；K频段；无氧铜；散热

0 引 言

随着现代电子技术的发展，频谱资源越来越拥挤，K频段以及更高频段的微波、毫米波系统将迅速兴起[1]。K频段是目前电子技术发展的主要频段之一，介于微波和毫米波之间，因此它的特性集中反映了毫米波和微波的许多优点，广泛应用于雷达、卫星通信、电子对抗和测试技术等方面[2]。K频段T组件的功能是将发射信号进行配相和高功率放大后，馈送至天线辐射单元。

本文介绍的八通道发射组件，基板采用了低温共烧陶瓷 (LTCC)多层互连基板，不但在基板上实现了K频段一分八功分器，还集成了低频、控制、电源保护等电路，提高了组件的集成度。盒体材料的选取更注重散热性能，选取了高导热率材料无氧铜，末级功率芯片直接安装到盒体上，通过ANSYS等有限元分析软件建立分析模型，进行热仿真，证明其在小尺寸空间内符合长期工作的可靠性要求。由于LTCC基板与无氧铜盒体热膨胀系数的不匹配，文中提出了一种将LTCC基板烧焊到热膨胀系数相近的钼铜载体上进行一次过渡匹配，再将钼铜载体烧焊到无氧铜盒体上的工艺装配方法，研制结果表明，组件微波性能满足要求，散热好，有完善的工艺措施进行保证。

1 组件设计与实现

K频段发射组件用于完成对射频信号的功分、移相、预放大、衰减、末级放大、波束控制等，每个发射组件包括一分八功分网络和8个发射通道，其原理框图如图1所示。射频输入信号后，经过一分八功分网络，分别输入每路发射通道，先后经过数控移相器、数控衰减器、驱动放大器、功率放大器，最后输出。每个通道都有数控衰减器、数控移相器来进行幅度和相位的控制，在组件内采用了串并转换芯片，从而可以使到组件的波控数据信号的数量减少。

图1 发射组件(1×8)原理框图

1.1 指标计算

微波信号传输路线依次为：放大器(在公共通道中)、功分网络、数控移相器、数控衰减器、推动放大器、末级功率放大器。各个元件的具体指标和整个支路的指标分配情况如图2所示，末级功放的饱和输出功率为25 dBm。

图2 指标分配图

1.1.1 功耗计算

公共通道中的第1级放大器工作电压5 V，电流50 mA；第2级放大器工作电压5 V，电流55 mA；第3级放大器按低温26.5 dBm的输出、30%的效率计算，工作电流为298 mA。8个通道的功耗为：

P=(U1I1+U2I2)N=[5×(298+55+50)+ -5×20]×8=15.17 W

(1)

式中：P为组件总功耗；N为通道数，此时N=8；U1为+5 V电源；I1为+5 V电源电流，等于3级放大器的电流之和；U2为5 V电源；I2为-5 V电源电流，数值很小，此处按20 mA估算。

1.1.2 衰减精度

衰减精度公式:

(2)

式中：Paj为衰减量为aj时的衰减精度；A衰减态；fiaj为频率为fi、衰减为aj时的增益(i为在带内所取的频点数)；aj为各态衰减量，aj=0，-0.5dB，-1dB,…,-15.5dB，j=32。

频率为fj时衰减的均方根误差值PRMSfi为：

(3)

将各态衰减下的增益值代入公式(3)中即可得到该发射组件的衰减精度。

1.1.3 移相精度

移相器选用6位移相器芯片，芯片的64态均方根误差≤4°，能够满足指标的要求。移相精度θj为：

(4)

式中：i为在带内所取的频点数;P实际fij为频率为fi时某态的移相值；P理论为该态理论基态值。

频率为fj时移相精度衰减的均方根误差值θRMSfi为：

(5)

将各态移相的实际值代入公式(4)即可得到该发射组件的移相精度。

1.2 LTCC基板的设计

电路基板采用LTCC板，利用多层布线技术，提高了组件布线密度，减小了电路尺寸。选择LTCC多层互连基板，通过合理的走线布局进行数字微波隔离、滤波、电磁屏蔽等来解决信号串扰问题，而且实现了组件的小型化设计。LTCC板不仅大大提高了微波组件的密度；而且采用Au、Ag良导体，导体损耗≤0.002；热膨胀系数(CTE)为4～7 ppm，可以与Si芯片、GaAs芯片达到良好的热匹配。

LTCC板最终加工为8层介质层板，每层厚度约为0.1 mm，板材整体厚度0.8 mm。顶层图形包括微波信号的传输、控制、电源等信号。为了保证微带线的宽度，适当增加微波到地的厚度。将顶层下面的中间1层和中间2层加工成白瓷，中间3层为地层。这样，微波到地的厚度为0.3 mm。LTCC基板的介电常数为5.9，由微带线计算工具得出阻抗为50 Ω的微带线宽度约为0.45 mm。图3为设计的LTCC电路板。

图3 LTCC基板定义及实物

1.3 热设计

热设计首先在保证发射输出功率的情况下，尽量提高组件的发射效率，然后尽可能改善组件的散热环境。为了功率较大的管芯热膨胀系数与盒体匹配得更好，在装配中使用了过渡的载体。管芯烧焊在一个钼铜载体上，载体烧焊在盒体上。

盒体材料选择零号无氧铜，该材料导热性好，可以采用激光封焊工艺；在加工工艺上，对影响接触热阻的表面粗糙度提出严格要求，组件表面平整度需≤1.6。采用热分析软件仿真建立组件的热仿真模型，分析末级功率芯片的稳态温度分布和散热状况，外壳温度≤90℃。

图4 +85℃工作时组件热仿真

2 工艺设计

为了使产品达到小型化，控制电路除阻容元器件及温度监测器件外，其余器件全部为裸芯片，这样大大减小了整个组件的体积和尺寸。根据多年组件研制的经验，把AuSn共晶焊料钎焊、铅锡焊料烧结、环氧树脂导电胶粘接3种工艺固定方式有机结合起来，形成了一套科学合理的工艺装配流程。通过合理地设置工艺流程，解决装配温度梯度的问题。微波接头和馈电用绝缘子均采用烧结工艺，组件整体采用激光封焊工艺，从而保证组件的密封性。

为了使末级放大器具有更好的散热条件，盒体选用一种将LTCC基板先烧焊到钼铜载体，再将载体烧焊到无氧铜盒体上的工艺装配方式。表1给出了各材料的导热率和热膨胀系数，可以看出，无氧铜材料的导热率较高，具有良好的散热性，但与LTCC基板的热膨胀系数差异较大，而钼铜材料的热膨胀系数与LTCC基板相近[3-4]。采用这种工艺方式，可以避免组件由于热胀不均造成的开裂。

表1 各材料的导热率和热膨胀系数

3 研制结果及性能分析

基于以上的设计分析，成功研制出8通道K频段发射组件。该组件结构尺寸为55 mm×73 mm×6 mm，尺寸小，散热性好。图5为产品外形图。图6为该产品某一通道的测试结果，图6(a)为该通道的输出功率，可见整个带内输出功率大于25 dBm，带内平坦度好；图6(b)、图6(c)分别为通道的移相精度和衰减精度曲线，精度较高。

图5 产品外形图

图6 产品测试结果

4 结束语

本文介绍的K频段发射组件体积小,散热好,在电路设计、工艺设计、盒体设计上均采取了先进措施。工艺装配中，提出了一种载体过渡的实现方式，提高了产品的可靠性。目前，该组件在电性能指标和结构性能指标方面都已通过测试，达到了总体技术要求。该组件有完善的工艺措施来保证，性能好,可靠性高，市场前景广阔。

[1] 白明强.K波段LTCC天线技术研究[D].成都:电子科技大学, 2013.

[2] 田兵.K频段八路功率合成器设计[J].数字技术与应用,2014(1):136-138.

[3] 牛通,韩宗杰,张梁娟,等.金刚石/铜复合散热材料的制备和检测[J].电子与封装,2014(2):9-12.

[4] 刘征,高陇桥.俄罗斯真空电子器件用无氧铜的现状和应用[J].真空电子技术,2005(1):62-65.

K-band Multi-channel Transmitting Module Based on LTCC Base Plate

HAO Jin-zhong，ZHANG Yu

(The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)

This paper introduces a K-band multi-channel transmitting module based on LTCC base plate.In order to meet the requirements of heat dissipation,the oxygen-free copper material with high thermal conductivity is adopted for the box.Aiming at the difference of thermal-expansion coefficients between oxygen-free copper box and LTCC base plate,this paper puts forward a process flow that combines LTCC base plate with Mo-Cu carrier,and then sinters the Mo-Cu carrier on oxygen-free copper box.The module has eight channels,and the output power of each channel is 25 dBm.Each channel has 6-bit phase-shift and 5-bit attenuation.The development results indicate that the module has perfect performance,small size and good heat dissipation,when the module works in the condition of 85℃,the shell temperature can be ensured no more than 90℃,and the reliability is good while long-term working.

transmitting module；K-band；oxygen-free copper；heat dissipation

2014-12-18

TN832

B

CN32-1413(2015)01-0114-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.027