CN102332414A - 一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，包括混合集成电路技术、薄膜加工工艺、引线键合技术、平行封焊工艺、平衡电路设计、功率限幅设计等。本发明的实施使薄膜限幅低噪声放大器的体积更小，集成度更高。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，薄膜限幅低噪声放大器（以下简称“薄膜放大器”）可广泛应用于通信、雷达接收、电子对抗、电子仪器、航天电子产品等各个领域，功能为对微波小信号进行放大。
背景技术
当前微波器件的趋势是向小型化和集成化发展，元件的尺寸、重量和可靠性已成为电子系统中设计的重要因素，薄膜放大器正是顺应了这个发展要求，它在传统微带板设计的基础上进行改进，采用薄膜工艺设计，具有体积小、集成度高的特点。
目前常用微波有源器件设计时通常采用微带板作为信号传输的介质，这些器件指标已经达到较高的水平，具有生产调试方便、一致性好及可靠性高的特点，但随着微波器件小型化和集成化发展趋势的愈演愈烈，这些器件已不能满足未来微波系统的使用要求，例如安徽四创电子股份有限公司研制生产的某型号开关限幅低噪声放大器技术指标优异，经大批量生产及试验验证表明，该型号放大器指标及可靠性已达到国内领先水平，但受到体积太大的限制，目前市场需求已大幅度降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺。
本发明所采取的技术解决方案如下：
一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，所述薄膜限幅低噪声放大器的设计采用了混合集成电路（HMIC）技术，即在氧化铝陶瓷介质基片上采用薄膜工艺制作出无源元件和微带线路，再利用微组装技术将微波固体器件如FET管芯装配到电路中，最后用金属外壳将整个电路封装好。
薄膜限幅低噪声放大器选择散热较好的氧化铝陶瓷基板以满足器件的散热条件。
薄膜限幅低噪声放大器采用薄膜加工工艺，将微带线、无源元器件成膜至氧化铝陶瓷基板上，同时用钎焊技术将氧化铝陶瓷基板焊接到壳体内，以提高产品的接地性能，减小产品的体积。
薄膜限幅低噪声放大器芯片与微带线的互联采用引线键合技术，装配中为了更好地匹配电性指标。引线键合的直径选用18μm、25μm、75μm, 这大大降低了高频下的寄生效应。
薄膜限幅低噪声放大器封装工艺采用平行封焊工艺。
薄膜限幅低噪声放大器采用平衡电路设计，前端设计为3db Langer电桥，采用18μm金丝键合，键合时将金丝两端稍微倾斜，适当增加金丝的长度以减少键合难度。
薄膜限幅低噪声放大器放大芯片采用TC1102，在TC1102放大管芯片采用金丝键合时，压点尽量靠近芯片各级的边缘处。这样键合后金丝压点变形，也不会延伸至芯片中间部位而引起短路。
薄膜限幅低噪声放大器功率限幅器的第一级限幅管选用MA4L032-134芯片，第二级限幅管选用两只MA4L021-134芯片，两只芯片正反向并联在一起，用以等分射频电流，功率承受能力也将提高。
薄膜限幅低噪声放大器的匹配网络采用拓扑结构工艺。
本发明的积极效果是：根据本发明提供的薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺使薄膜放大器体积更小，集成度更高。
附图说明
图1为本发明的TC1102尺寸图。
图2 为本发明的薄膜仿真拓扑图。
图3为本发明的放大器前端限幅二极管连接示意图。
图4为本发明薄膜放大器生产版图。
图5为本发明基板粘接后视图。
图6本发明芯片粘接后视图。
图7为本发明金丝键合装配图。
具体实施方式
下面结合图1—图7对本发明做进一步说明。
1、薄膜放大器工艺设计上首先考虑到器件的散热条件，从基板材料上选择了散热较好的氧化铝陶瓷基板。
2、该产品采用薄膜加工工艺，将微带线、无源元器件成膜至氧化铝陶瓷基板上，同时用钎焊技术将氧化铝陶瓷基板焊接到壳体内，这不仅提高了产品的接地性能，还减小了产品的体积。
3、芯片与微带线的互联采用引线键合技术，装配中为了更好的匹配电性指标，引线键合的直径选用18u、25u及75u，这大大降低了高频下的寄生效应，也提高了射频性能。
4、封装工艺采用平行封焊工艺，替代了传统的螺钉式封装形式，平行封焊工艺是目前最主流的一种气密性封装方法； 实践证明这种安装工艺，电学上性能优良、力学上稳定性高、热学上可靠性好。
5、3dB Langer电桥设计及金丝键合
为了减小电路的尺寸，提高放大器的稳定性，放大器采用的是平衡电路设计，前端设计为3dB Langer电桥，受陶瓷基板的介电常数以及基板厚度影响，电桥的尺寸很小，线宽以及线间距都为50um，若采用25um金丝进行键合，键合后金丝直径变化范围为1.2倍～1.5倍，也就是说键合在焊盘上的金丝直径将变为30um～37.5um，很容易导致相邻的微带线之间短路，若出现短路，则会影响放大器的技术指标，增加了返修工序，大大降低了产品的直通率，为降低短路情况出现的几率，首先将键合金丝变为18um，减小金丝键合后的直径，其次键合时，键合金丝的两端稍微倾斜一点，适当增加金丝的长度，因为从工艺上分析，金丝越短，键合的难度越大，适当增加金丝的长度，对性能指标不会有影响，也可以减少键合难度。
6、放大管芯片的金丝键合
放大管芯片选用Transcom公司的TC1102，具有噪声系数小，增益高，稳定性好的特点，但是金丝键合难度较大，具体芯片尺寸图如下：
如图1，芯片的栅极、源级、漏极的宽度为55um，尺寸较小，而且芯片中间有较小的细线，如果金丝键合时压点不对，键合后压点变形，很容易导致各级短路，影响键合速度，而且TC1102各级短路后，由于尺寸较小，很难进行维修，只能更换芯片，增加了器件成本。为避免出现短路，金丝键合时压点都要尽量靠近芯片各极的边缘处，这样即使键合后金丝压点变形，也不会延伸至芯片中间部位而引起短路。
7、匹配网络的设计
为提高放大器的可制造性，经电路设计与工艺设计相结合后，其电路的拓扑结构如图2所示。
8、功率限幅的设计
第一级限幅管选用MA4L032-134，第二级限幅管选用两只MA4L021-134，两只正反向并联在一起，二极管并联可以等分射频电流，功率承受能力也将提高；
输入微波信号功率46dBm（40W，占空比10％）经过电桥等分成两路，每路功率为43dBm（40W，占空比10％），参照图3所示限幅曲线可以看出，经过第一级限幅管MA4L032-134，将功率限幅至27dBm，经过第二级限幅管MA4L021-134再将信号功率限幅至18dBm，经过最后一级限幅管MA4L021-134将信号功率限幅至13dBm；
由于二极管工作受到耗散功率的限制，在PIN二极管上的实际微波功耗不能大于二极管的最大耗散功率Pdiss 。耗散功率：Pdiss=（175-周围环境温度）/热阻。为保证二极管的正常工作，二极管的极限工作环境温度为85℃。允许二极管最大耗散功率为：
第一级MA4L032-134最大耗散功率Pdiss=（175-85）/150=90/150=0.6W
第二、三级MA4L022-134最大耗散功率Pdiss=（175-85）/175=90/175=0.51W
第一级采用MA4L032-134，当MA4L032-134导通时，其电阻为2.5Ω。由I2=P/R=0.6/2.5=0.2可得到I=0.49A，微带线通过的电流为导通二极管的一半，即0.49/2=0.245A，在这种情况下允许最大输入功率为P= I2×Z0=0.245×0.245×50=3W这是按照平均功率计算，换算成占空比为10﹪脉冲射频峰值为3W*10=30W。满足指标要求最大输入功率≥40W（占空比10%，功分后20W）的要求。
9、薄膜放大器陶瓷基板采用导电胶粘接在壳体中，经高温120℃烘烤2小时后，导电胶凝固，粘接组装图如图5所示：
然后将电阻、电容、限幅二极管、场效应管、开关等器件用导电胶粘接在陶瓷基板上，经高温120℃烘烤2小时后，芯片与基板连接牢固，粘接组装图如图6所示：
最后对整个电路进行金丝键合，金丝键合都采用25um金丝，键合组装图7如下图所示：
金丝键合后，薄膜放大器已完整，然后进行调试，指标合格后采用平行封焊技术将盖板与壳体焊接在一起，以保证其气密性，环境试验后，指标合格的薄膜放大器可以交付用使用。
Claims (9)
1.一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器的设计采用了混合集成电路技术，即在氧化铝陶瓷介质基片上采用薄膜工艺制作出无源元件和微带线路，再利用微组装技术将微波固体器件如FET管芯装配到电路中，最后用金属外壳将整个电路封装好。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器选择散热较好的氧化铝陶瓷基板以满足器件的散热条件。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是： 所述薄膜限幅低噪声放大器采用薄膜加工工艺，将微带线、无源元器件成膜至氧化铝陶瓷基板上，同时用钎焊技术将氧化铝陶瓷基板焊接到壳体内，以提高产品的接地性能，减小产品的体积。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器芯片与微带线的互联采用引线键合技术，装配中为了更好地匹配电性指标；引线键合的直径选用18μm、25μm、75μm, 这大大降低了高频下的寄生效应。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器封装工艺采用平行封焊工艺。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器采用平衡电路设计，前端设计为3db Langer电桥，采用18μm金丝键合，键合时将金丝两端稍微倾斜，适当增加金丝的长度以减少键合难度。
7.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器放大芯片采用TC1102，在TC1102放大管芯片采用金丝键合时，压点尽量靠近芯片各级的边缘处；这样键合后金丝压点变形，也不会延伸至芯片中间部位而引起短路。
8.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器功率限幅器的第一级限幅管选用MA4L032-134芯片，第二级限幅管选用两只MA4L021-134芯片，两只芯片正反向并联在一起，用以等分射频电流，功率承受能力也将提高。
9.根据权利要求1所述的一种薄膜限幅低噪声放大器小型化方法和工艺，其特征是：所述薄膜限幅低噪声放大器的匹配网络采用拓扑结构工艺。
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