基于氮化铝基板的功率负载设计与制备

李丰，王志会，常青松，白锐，史光华

中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄，050051

0 引言

功率负载是微波系统中重要的一类通用元件。随着功率器件在系统中的广泛应用以及功率的不断提升，功率负载对整个系统性能的影响就越发突出。微波功率负载在系统中主要起到匹配和吸收功率的作用，要求工作频率更高、承受功率更大、尺寸更小，可靠性更高。传统设计中采用氧化铍陶瓷基板作为负载材料，其具有很高的热导率和绝缘电阻，一直用作微波或射频功率电阻的绝缘基板。但氧化铍粉尘和粉末有害环境，需要特殊的技术处理。随着欧盟Rohs标准的实施，在民用器件中禁止使用有毒性的氧化铍陶瓷基板。近年来，随着氮化铝（AlN）材料的广泛应用，业内已经使用氮化铝陶瓷基板来取代氧化铍陶瓷，制作功率电路和器件。

氮化铝陶瓷基板的介电常数约为8.8MHz，热导率为170W/m·K，热膨胀系数为4.45×10-6/℃，与氧化铝和氧化铍基板比较，其热导率较高，且热膨胀系数较低，适合作微波功率负载基板材料[1-2]。

1 结构设计和版图设计

微波电路在正常工作状态时，功率负载电阻上没有功率或承受很小的泄露功率。但如果系统内信号失配，线路和器件的方向性恶化和不平衡时，就会产生有害功率，需要负载电阻完全将这些有害功率完全吸收，保护系统内的重要电路不被烧毁。为了保证可靠性，负载电阻膜的最高温度不能超过规定值，一般规定为150℃，为了限制电阻膜的最高温度，陶瓷基板的热导率就要高。负载电阻的基板结构如图1所示。

图1 负载电阻的基板结构

负载电阻的一端通过侧面方式与背面接地，另一端有阻抗匹配电路同特定电阻值相匹配，阻值一般为50Ω。大功率负载电阻一般将热沉、陶瓷基板和引线焊接在一起，上面粘附氧化铝（96%）瓷盖，保护引线、印刷标识。

用氮化铝基片制作微波功率负载，目标电性能规格如下：

（1）标准电阻值:50×（1±5%）Ω；

（2）额定功率（峰值）：250W；

（3）频率范围：DC～2GHz；

（4）电压驻波比（VSWR）：1.30:1

（5）额定功率:100%@100℃；

降额到0%@150℃

（6）工作温度范围:-55℃～+150℃

氮化铝功率负载基板的尺寸为9.5mm×9.5mm×1.5mm，利用微波仿真软件对负载版图进行设计，制作版图如图2所示。

图2 微波功率负载的版图设计

2 制备过程

2.1 基板制作

氮化铝基板功率负载的基板制作工艺是关键。基板制作途径通常有薄膜工艺、厚膜工艺、薄厚膜结合工艺[3-4]。

2.1.1 薄膜工艺

薄膜工艺流程：氮化铝基板（50mm×50 mm×1mm）准备→基板清洗→溅射→光刻→电镀（铜/镍/金）→退火→激光调阻→砂轮划片（9.5mm×9.5mm）→印刷电阻保护层[5]。

正式加工过两个批次的产品，经筛选后，通过了规定的例行试验。电阻材料为镍铬或氮化钽，与陶瓷基板匹配良好，阻值稳定，温度系数小，耐高温、耐环境性能好。该工艺的缺点：要进行多次光刻，砂轮划片效率低，上批量困难；侧面接地要在焊接完后用导电胶完成，耐大电流性能、导热性能差。

2.1.2 厚膜工艺

（1）厚膜工艺流程：氮化铝基片（9.5mm×9.5mm）→基板清洗→印刷背面导体→烘干→印刷正面导体→烘干→烧结→侧面接地连线→烧结→负载电阻制作→保护玻璃制作→激光调阻→电阻保护层制作。该途径工艺简单，没有光刻、电镀和砂轮划片工艺，容易批量生产；侧壁接地连线烧结工艺，耐大电流，散热性能好。

（2）氮化铝系导体浆料的选择：氮化铝系基板的导体浆料有ESL公司的9913银浆料和9633-I银钯导体浆料，经过实验发现，9633-I银钯导体浆料烧结膜厚不得超过12μm，否则导体表面会出现龟裂纹，而9633-I银钯导体浆料的性能比较稳定，因此采用9913银浆料。

（3）氮化铝系电阻浆料的选择：氮化铝系电阻浆料需要考察其稳定性、可靠性和匹配性。本方案采用AN615电阻浆料进行实验，在制备过程中应充分考察电阻浆料与陶瓷基板的匹配性是否合适，否则会影响产品质量。主要表现在以下方面：①方阻值对烧结条件非常敏感，不容易稳定控制，烧结膜不够光亮，不致密；②阻值不稳定。在125℃高温储存42天（1000小时），中间抽测，阻值不断增长，阻值共增大5.04%～6.66%。③激光修调困难。在空气气氛中，激光照射下氮化铝容易分解为氧化铝和金属铝，导致修调区不能绝缘。

2.1.3 薄厚膜结合工艺

导体和侧面接地采用厚膜工艺制作，电阻用薄膜工艺制作。加工流程：氮化铝基板（9.5 mm×9.5mm）→印刷背面导体→烘干→印刷正面导体→烘干→烧结→侧面接地连线→烧结→溅射薄膜电阻→激光调阻→印刷电阻保护层。

制作专门的工装、掩膜后，仅将基板上电阻及搭接区露出来，溅射氮化钽/镍铬薄膜电阻。溅射薄膜方阻控制在50×（1±10%）Ω/□以内。薄膜电阻的激光修调功率约为厚膜的十分之一，将电阻膜灼烧干净，氮化铝基板不受影响，仍然为绝缘状态。严格控制各修调参数，阻值控制非常精确。为了保证大功率和高耐压的需要，激光修调时以电阻为中心，从两侧对称修调，修调模式为扫描修调。利用该工艺制作了两个批次的产品，组装后测试产品性能良好，工艺稳定可靠。

2.2 功率负载组装工艺

微波功率负载组装工艺流程：负载基板、热沉和引线准备→焊接→清洗→粘接保护瓷盖→成品。为了符合欧盟Rohs标准和国军标要求，焊料使用无铅焊锡片，焊接牢固可靠。负载散热主要靠热沉传导，焊接面的气孔率要小。

为了将对射频参数的影响降到最小和散热良好，粘接保护瓷盖时胶黏剂的配方要严格控制，瓷盖厚度要薄。实践证明，粘接保护瓷盖后，器件的电压驻波比增加量小于0.05。

3 测试结果和性能分析

3.1 测试结果

利用厚膜导体、薄膜电阻工艺制作微波功率负载，并制作专门测试夹具对其参数进行测试。采用数字多用表测量电阻值，用矢量网络分析仪测量微波参数。其中功率负载的电阻值范围在±5%以内，在频率范围：DC～2GHz内，电压驻波比（VSWR）＜1.3:1，电性能参数达到预期的指标。

氮化铝陶瓷基板选择自制的精磨基板，性能稳定，同一批产品的射频性能一致性非常好。不同批次的材料对工艺兼容性没有任何影响。

3.2 性能分析

电阻膜的电阻温度系数（RTC）是射频功率负载稳定性的一个重要指标。该器件的电阻温度系数计算公式如下：

式中，R1—— 基准温度下的电阻值，Ω；

R2——测试温度下的电阻值，Ω；

t1——基准温度，℃；

t2——测试温度，℃。

当t1为25℃，t2分别为125℃和-55℃。表2是微波功率负载的电阻温度系数。

由表1可见，该薄膜电阻的电阻温度系数为负，在-55℃～125℃范围之内，温度系数基本小于50×10-6/℃,非常稳定。

表1 射频功率负载的电阻温度系数

为了验证该射频功率负载的可靠性，考察了高温贮存、温度循环和高温加电对产品性能的影响。射频功率负载在125℃的高温烘箱中高温贮存1000小时后，测量阻值在高温贮存前后的变化，计算变化率，具体数据见表2。

表2 高温贮存（1000h）功率负载阻值变化

由表2可见，高温储存使功率负载的阻值向正的方向变化，一致性良好，小于0.37%。

在高温储存之后，产品接着进行温度循环试验，检验器件经受环境温度迅速变化的能力。温度循环试验条件为：-55℃～+125℃；试验时间：30分钟，转换时间≤5分钟；循环次数：20次。阻值变化的具体数据见表3。

表3 温度循环功率负载阻值变化

由表3可见，温度循环使功率负载的阻值向负的方向变化，但是变化的比例很小。

高温老炼试验可以验证负载功率在承受功率和散热情况，同时验证阻值恶化趋势。将功率负载安装在散热器上，施加直流功率，功率值为额定功率的25%（约62.5W），试验热沉温度为70℃±5℃；工作时间：168小时。

由表4可见，高温老炼后功率负载的阻值略有增加，增加的幅度小于0.4%，功率负载的稳定性、可靠性良好。

表4 高温老炼功率负载阻值变化

利用厚膜和薄膜工艺相结合的方法，制作的微波功率负载的电阻温度系数很小（＜50×10-6/℃），高温贮存、温度循环和高温老炼对射频功率负载的影响较小。可见该薄膜电阻与厚膜导体之间黏附性良好，与氮化铝陶瓷基板的互相匹配良好，性能稳定。

4 结语

随着环境保护的日益加强，使用氮化铝陶瓷基板来取代氧化铍陶瓷，制作功率电路和器件是大势所趋。

本文将两种工艺结合起来，用厚膜工艺制作导体和侧面接地，用磁控溅射的薄膜工艺制作电阻，制作出了微波功率负载。其额定功率（峰值）：250W，频率范围：DC～2GHz，电压驻波比（VSWR）：1.30:1。

该氮化铝陶瓷基板微波功率负载的电阻温度系数很小（＜50×10-6/℃），高温贮存、温度循环和高温老炼对功率负载的影响较小，工艺简单实用，器件性能稳定可靠。