【经验】罗杰斯RO4003C板材结合氧化铝陶瓷石英实现毫米波功能电路

时间： 2019-06-26 来源：世强

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集成电路概念中的薄膜电路工艺是指采用真空蒸发、溅射、电镀、蚀刻等手段，在抛光的基板上制作导体布线、电阻与绝缘介质膜的工艺，其特点是制作精度高，金属线宽和间距可做到10um（对应地，大部分PCB制版厂所实现的最小线宽和间距为100um），可集成电阻、电容、电感、空气桥等无源元件，主要应用于微波毫米波等高频电路领域。薄膜电路中最常用的基板材料为陶瓷、蓝宝石、石英、玻璃等，由于其具有较高的介电常数和频率稳定性，非常适用于小型化电路和宽频电路。以高频板为基板的PCB用作电子元器件电气连接的载体，不仅可以作为信号传输线（微带线、带状线、共面波导等）的基质，提供高密度的有源器件的载体支撑，还可结合薄膜电路工艺，将薄膜电路引入到PCB电路中，结合二者优势，拓宽电路的应用范围。本人尝试将薄膜工艺制作的陶瓷基板，嵌入高频板RO４００３C制作的微波电路板，实现了对尺寸要求更精细的无源器件，并使之能够使用ｃｈｉｐ封装器件。

在氧化铝陶瓷或石英基板上采用薄膜工艺可以轻松实现毫米波频段的无源类电路器件（包括滤波器、功分器、耦合器等），可制作焊盘焊接表贴或倒装器件，并可减小尺寸。由于在毫米波频段对平面电路的高度差异常敏感，制备有无源电路器件的陶瓷和石英等基板不能直接用于PCB板，而是采用在PCB板上沉槽处理方式，在PCB板上挖出合适大小形状的槽（相当于盲孔），将槽的底部作为陶瓷基板的电气地参考面，然后将陶瓷基板镶嵌到槽中，固定方式为环氧导电胶粘接。采用此方式，本人成功实现过频率范围35-67GHz的开关滤波组件，其中滤波器是在石英片上实现，合路后的输入输出信号走的是PCB板上的接地共面波导传输线（GCPW），PCB板材质是罗杰斯板材4003C。石英片和PCB二者信号连接部分采用金丝键合互联。

采用环氧导电胶将氧化铝陶瓷或石英粘接到PCB板上需要考虑两种不同材料的热膨胀系数，否则在高低温过程中会产生应力损坏。罗杰斯板材4003C是微波领域中广泛应用的板材，其X/Y/Z轴向的热膨胀系数分别为11/14/46（ppm/℃），与氧化铝陶瓷较为接近，二者粘接后具有较好的机械强度。RO4003C具有较低的介质损耗（tanδ约为0.0024），介电常数随温度和频率变化不明显，且吸水率仅有0.04%，这些性能保证了可以应用到毫米波频段。传输线采用接地共面波导形式更能最大限度地减小介电常数变化带来的影响，在本人做的最高频率到67GHz的项目中，传输线参数如下图所示，点测其插损和带内平坦度指标较为理想。

图1 67GHz传输线参数（GCPW）

另在陶瓷基片上制作的成品器件（比如Marki公司的混频器、倍频器等）也可方便应用于沉槽后的PCB板，如下图的IO混频器安装方式，图中IQ混频器采用环氧导电胶粘接到PCB板上的槽中，输入输出信号采用金丝键合和PCB部分的带线互联。

图2 陶瓷基板混频器和PCB安装互联实物图

将薄膜工艺的介质板用于PCB中，需要注意高频信号接口处的匹配处理。一般建议在信号连接处，两种介质间的缝隙保证在0.1mm以内使互联金丝尽量短，因此对PCB板的开槽尺寸精度有所要求。对于高频电路关于PCB板沉槽加工方式可参考https://www.sekorm.com/news/68869200.html

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