1、1第13章 射頻電路制造技術教學教學重點重點本章重點介紹了射頻本章重點介紹了射頻/微波電路使用的材料種類、電磁特性微波電路使用的材料種類、電磁特性、生產工藝與成本；介紹了印制電路板制造技術和加工工、生產工藝與成本；介紹了印制電路板制造技術和加工工藝，厚膜藝，厚膜/薄膜混合集成電路、單片集成電路的顯著特性、薄膜混合集成電路、單片集成電路的顯著特性、典型應用領域、制造技術和生產工藝流程、封裝技術。介典型應用領域、制造技術和生產工藝流程、封裝技術。介紹了紹了LTCC基基3D集成電路技術，以及集成電路技術，以及MCM技術。技術。 教學教學重點重點教學教學重點重點掌握：印制電路板制造技術和加工工藝，厚膜

2、掌握：印制電路板制造技術和加工工藝，厚膜/薄膜混合集薄膜混合集 成電路、單片集成電路的制造和封裝技術。成電路、單片集成電路的制造和封裝技術。了解：了解：LTCC基基3D集成電路技術及實現工藝，以及集成電路技術及實現工藝，以及MCM 技術。技術。 熟悉：射頻電路使用的材料種類、電磁特性和生產工藝。熟悉：射頻電路使用的材料種類、電磁特性和生產工藝。 能力能力要求要求2本章目錄v 第一節 微波電路引言v 第二節 印制電路板v 第三節 混合集成電路v 第四節 單片集成電路v 第五節 MCM和3D集成電路 3知識結構射射頻頻電電路路制制造造技技術術微波電路引言微波電路引言材料與工藝材料與工藝掩模設計掩模

3、設計掩模制造掩模制造印制電路板印制電路板混合集成電路混合集成電路單片集成電路單片集成電路PCB制造制造PCB實例實例薄膜薄膜MIC厚膜工藝厚膜工藝烘燒陶瓷和玻璃陶瓷工藝烘燒陶瓷和玻璃陶瓷工藝MMIC制造制造MMIC例子例子MCM和和3D集成電路集成電路413.1 微波電路引言13.1.1 材料與工藝 制造印制電路以及HMIC的基本材料，可分為四類：基板材料、導體材料、介質薄膜材料、電阻薄膜。1. 基板材料特點：（1）基板表面光潔度應該好，且相應地去除空隙，保持導體 損耗低和保持好的金屬薄膜附著力；（2）具有好的機械強度和導熱性；（3）在電路加工過程中不變形；（4）應該與固態器件的熱膨脹系數匹配

4、，且附上包裝材料或避 免用對溫度變化敏感的材料，以提高可靠性；（5）基板的價格相對于其應用是合理的；（6）選擇厚度和介電常數，以決定阻抗范圍及可用頻率范圍；（7）損耗角正切值應該足夠低，以便忽略介質損耗。513.1 微波電路引言HMIC基板的性能基板的性能613.1 微波電路引言2. 導體材料 用作微波IC的導體材料具有以下特點：高導電率，低的電阻溫度系數，低RF電阻，對基板強附著力，易蝕性和良好的可焊接性，以及沉積或電鍍。導體的厚度應該至少是趨膚深度的34倍。用于用于HMIC導體的性能導體的性能713.1 微波電路引言3. 介質薄膜材料 電容器的絕緣體可用HMIC中的介質薄膜作為材料，HMI

5、C中的介質薄膜還可作為有源器件保護層及無源電路絕緣層。這些介質材料需具有可重復生產性，較高擊穿電壓，低損耗角及能經受加工過程中不產生針孔的能力。用于用于HMIC的介質薄膜性能的介質薄膜性能813.1 微波電路引言4. 電阻薄膜 終端電阻，衰減器電阻和偏置網絡的電阻可用HMIC中的電阻薄膜來制造。對電阻材料所要求的性能應具有好的穩定性，低電阻溫度系數，及表面電阻率在102000/平方單位的范圍內。用于用于MMIC的電阻薄膜性能的電阻薄膜性能913.1 微波電路引言13.1.2 掩模設計 一般都從電路原理圖開始HMIC設計。先進行電路定型，然后畫出粗略的布線圖，得出一張用于生產HMIC的單層掩膜的

6、精確掩膜版圖或一組用于微型MIC和MMIC的掩膜，最后利用這些掩膜對照所需圖案，去腐蝕HMIC基板，而對于微型和單片MIC的各種光刻制版步驟要用一組掩膜進行。 充分準備對MIC版圖的設計，注意芯片與封裝器件的相互影響、微帶線和布線的不連續性及可調諧性等。除了人工制作印制電路黏帶和紅寶石刻印方法外，也廣泛應用數控方法。掩膜布圖設計單層用于HMIC，多層用于低溫共燒陶瓷（LTCC）/單片MIC通過微波CAD和獨立的IC設計工具將其電路精確的描述出來，轉換成坐標打印列表，電路繪制圖，最終以完整電路形式交給掩膜制造廠制造。1013.1 微波電路引言13.1.3 掩模制造 HMIC和MMIC兩種電路常常

7、用光學掩膜來實現，在MMIC中新的制版技術（能夠加工優質產品和加快周轉速度）是以電子注書寫為前導的，包括電子注、聚焦離子注和激光電子注等。 單片和混合單片和混合MIC的比較的比較1113.1 微波電路引言 無線通信電路中有以下幾種固態器件，硅雙極結晶體管、硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）晶體管、MESFET、以HEMT為底的砷化鎵和磷化銦兩種器件，以及以HBT為底的鍺化硅和砷化鎵兩種器件等。 1/ f根據應用，器件需要有下列一些特性：1低熱阻 2高溫工作和可靠性3低導通電阻/高的關斷電阻4高線性度 5低功耗6低的 噪聲 7在截止狀態，漏電流

8、小8多功能性 9低的單個電源10半絕緣基板 11成熟工藝12低成本 1 3最小噪聲系數 14最大功率增益帶寬15最大功率加效率1213.1 微波電路引言 用作有源器件的各種基板材料是硅、硅的碳化物、砷化鎵、磷化銦和氮化鎵，它們的電氣和物理性質在下表中作了比較。 單片集成電路基板的比較單片集成電路基板的比較1313.2 印制電路板13.2.1 PCB制造在PCB制造加工過程中，第一層銅箔疊在介質薄片上，并需要采用光刻技術在整個基板上互連/繪圖進行腐蝕。基板則是加熱和加壓力堆疊起來制成單片板，接著通過在板上打孔制成層間金屬化連接。連接采用催化的方法，整個板層無電鍍銅。板子為了焊接鍍錫或為金線焊接鍍

9、鎳和金，最后把板切割成所需要大小尺寸。多層多層PCB加工流程圖加工流程圖1413.2 印制電路板13.2.2 PCB實例 由多層FR-4制成的射頻原型PCB，其頂部有10毫英寸厚介質層，頂部金屬層是1.4毫英寸銅組成。接地平面10毫英寸，下面是由2.8毫英寸銅組成。在RF層和接地層之間10毫英寸厚設置50 微帶線寬度至17.5毫英寸寬，總的板厚調整到62毫英寸與標準RF接頭相一致。實際原型測試板如圖所示。 進行進行RF測試的功率放大器的測試的功率放大器的PCB實例實例1513.3 混合集成電路13.3.1 薄膜MIC 隨著MIC薄膜制造技術在不斷地發展，提高工作頻率、更高產量及降低成本的要求得

10、以滿足。通過以高分辨率光刻為基礎的薄膜制造加工可以達到其要求，即在清潔的室內環境中，對光刻進行精心的控制。制造加工中第一步是在基板上沉積第一層金屬膜。這層薄膜要對基板有很好的附著力。有些專門對MIC導體的注意事項關系到沉積技術。射頻電磁場限定了幾種導體趨膚深度。為了降低損耗，高阻材料層必須極薄。為了低損耗傳播，主導體必須有低的整體直流電阻率。不適當的加工技術能對薄鉻層和較厚的金結構組成的低阻片狀電阻材料產生大的RF損耗。在特殊情況下，當基板溫度大于300時，基板上會產生噴濺，薄的噴鉻層將擴散到鍍覆的金膜層上，這就產生了大的高頻損耗，甚至表面電阻可能會由于厚的金層而變的很小。因此，這樣的噴濺技術

11、對MIC材料必須小心使用。金屬膜用真空蒸發、電子注蒸發和濺射三種方法沉積在基板上。1613.3 混合集成電路13.3.2 厚膜工藝 利用各種墨水壓到全部版圖的絲屏上，可以制造厚膜MIC。在常規厚膜工藝中，多層互接觸由依次屏蔽印制線導體、絕緣層及基礎基板上的電阻圖來形成。這些材料呈墨水或漿糊狀。屏蔽印制之后，每層用約150、15 min烘干，再以850、30至60 min烘烤。下圖為采用整個掩膜漿糊第一層屏蔽印制加工過程。 材料淀積到基板上的屏蔽印制加工過程材料淀積到基板上的屏蔽印制加工過程1713.3 混合集成電路13.3.3 烘燒陶瓷和玻璃陶瓷工藝 在引入混合小型MIC的前后，同時引入了一種

12、叫做低溫共燒陶瓷（LTCC）的厚膜。LTCC制造過程除了它沒有基礎基板外，其它類似于厚膜加工過程。 烘燒陶瓷和玻璃陶瓷加工的基本步驟烘燒陶瓷和玻璃陶瓷加工的基本步驟1813.3 混合集成電路 LTCC工藝相對于常規薄膜、厚膜和HTCC工藝顯示出幾種優點，是由于其多層加板工藝過程。元件集成水平更高（即電容器、電阻器、電感傳輸線及偏置線）是這些優點的主要體現，且能采用不同類型傳輸線媒體，如微帶線、帶狀線、共面波導和矩形同軸線，實現有著更大設計靈活性。無源元件、匹配網絡、偏置線及RF線屏蔽都能利用幾何可用陶瓷和金屬層組合在LTCC工藝中。最后固態低功率器件附著在頂層表面，實現有源或無源電路。 陶瓷材

13、料的典型電氣和熱性能陶瓷材料的典型電氣和熱性能1913.3 混合集成電路 用于制造微波集成電路的典型材料和加工過程一覽表用于制造微波集成電路的典型材料和加工過程一覽表2013.4 單片集成電路 單片微波集成電路（MMIC）是一種把有源和無源元器件制作在同一塊半導體基片上的微波電路，其工作頻率從1GHz到100GHz以上，廣泛用于各種不同技術及電路中。 MMIC有成本低，尺寸小，重量輕，電路設計靈活，寬頻帶性能，消除了電路調整，大批量制造的能力，封裝簡單，提高了重復生產能力，抗輻射好，可靠性提高的優點。 6-18GHz MIC收收/發組件發組件2113.4 單片集成電路13.4.1 MMIC制造

14、 制造MMIC有許多方法。金屬半導體氧化物場效應管和高電子遷移晶體管可采用凹槽-柵極加工制造，自對準柵（SAG）加工提高了通用性，因為它能有效地制造不同功能的器件。SAG的加工流程如下圖所示： SAG加工加工MMIC的加工流程的加工流程2213.4 單片集成電路13.4.2 MMIC例子DDVdssI 一個MMIC如圖所示，12 W X波段高功率放大器相片，該芯片利用三級放大，設計工作電壓為 =10 V,靜態工作點在25處測得典型輸出功率和功率加效率分別為12 W和35，頻率范圍為8.510.5 GHz。其輸出級應用20 mm柵極周長的多功能自動對準柵極（MSAG）MESFET。12W高功率放

15、大器高功率放大器2313.5 MCM和3D集成電路 多芯片模塊（MCM）是將系統分為眾多單元功能部件，用最好的元件實現最好的分部件，然后通過互連線、偏置電路、濾波器等其它無源元器件，甚至包括平面天線，把這些芯片集成為一個獨立功能模塊的技術。 現在的多芯片模塊技術主要有三種：（1）使用共燒多層陶瓷基片技術的MCM-C。（2）使用薄膜沉積技術的MCM-D。（3）使用層壓結構技術的MCM-L。 MCM-D是通過常規旋轉、沉積和光刻法程序制造出多層無源元件以及小特征尺寸互連線。如果使用合適的材料，MCM-D技術能提供最好的器件性能以及最合適倒裝芯片的裝配工藝。 MCM-C技術是一種通過在多層條帶上或多層絲網狀黏土上使用條形或黏土形燒制的陶瓷材料來構建多層模塊，然后將這些層重疊在一起并一同燒制而成的技術。 2413.5 MCM和3D集