CN105304977B - 一种毫米波陶瓷绝缘子及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于高温共烧陶瓷工艺的毫米波陶瓷绝缘子及设计方法，其结构是带有测试点，由上下两片组成，介质材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷，沿信号传输方向长度为1.5mm‑2.5mm，垂直于信号传输方向的绝缘子的宽度小于1.5mm，在其输入、输出端口分别印刷一对测试图形，并通过绝缘子侧面印刷图形与底面地平面相连，形成一种带有接地板的共面波导馈电结构；陶瓷绝缘子的制作基于HTCC工艺，利用高频电磁场仿真软件HFSS进行设计，并可以利用微波探针对其性能进行测试。本发明的有益效果：通过加入测试点，利用微波探针，可以对绝缘子的微波性能快速、无损的精确测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种毫米波陶瓷绝缘子的设计方法，该陶瓷绝缘子多用于封装毫米波单芯片的金属墙型外壳。
背景技术
金属—陶瓷外壳在毫米波封装领域正在得到越来越广泛的应用，陶瓷绝缘子作为其射频传输端子，其结构的设计对金属—陶瓷外壳的微彼性能至关重要。现有的陶瓷绝缘子存在两个问题，一方面测试方法复杂，引入的损耗大，如文献（1）所述通过在陶瓷绝缘子的两侧分别通过金丝或金带连接50欧姆的测试板，然后测试微波性能。然而通过这种方法测得的结果中必然包含有测试板引入的损耗，且较难将其剥离出来，测试结果无法真实反映陶瓷绝缘子真实的微波性能，仿真结果与测试结果相差较大，导致仿真无法有效指导设计，仿真也就失去了其应有的意义；另一方面，现有的陶瓷绝缘子的测试方法为有损检测，无法做到批次逐检，从而无法保证所装配外壳的性能。
发明内容
本发明提出了一种毫米波陶瓷绝缘子及设计方法，在陶瓷绝缘子的两端各加入一对测试点，形成共面波导的馈电结构，利用GSG探针可直接测得陶瓷绝缘子的微波性能，测试均为无损、快速检测，可以实现外壳的批次性逐检。
本发明的技术解决方案：一种基于高温共烧陶瓷工艺的毫米波陶瓷绝缘子，其结构是带有测试点，由上下两片组成，介质材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷，沿信号传输方向长度为1.5mm-2.5mm，垂直于信号传输方向的绝缘子的宽度小于1.5mm，在其输入、输出端口分别印刷一对测试图形，并通过绝缘子侧面印刷图形与底面地平面相连，形成一种带有接地板的共面波导馈电结构。
其设计方法，包括以下步骤：
（1）配料，配料是将陶瓷粉料与有机载体按比例混合，使原料颗粒粉碎，形成具有粘度和触变性的浆料，其中陶瓷粉料的质量分数应在50%至80%之间，中值粒径减小至10微米以内；
（2）成膜，成膜是将配制好的浆料注入流延机料槽，浆料通过刮刀流到基带上，基带承载浆料移动通过烘箱，经过烘箱加热后，浆料中的溶剂挥发，最后形成生瓷膜的过程；
（3）腔体成型，腔体成型是在生瓷膜上通过机械冲制或激光加工的方法去除一部分生瓷形成空腔。空腔的宽度和深度等于或小于引针直径p，空腔的间距等于引线节距D与烧结收缩率的商；
（4）掩膜，掩膜是采用注射或印刷的方式，在覆有模板的生瓷膜上填入共烧金属，共烧金属是以金属化浆料的形式使用，其中含有质量分数不超过20%的有机载体，黏度在10000至100000cps之间；
（5）堆叠层压，堆叠层压是将填入共烧金属的生瓷膜，按设计的层数和次序，依次叠放，在50℃至120℃的温度和1-100MPa的压力下，形成一个完整的多层陶瓷胚体；
（6）裁切，裁切是将堆叠层压后的生瓷切割成单个产品，生瓷切割多采用生瓷切割机进行切割，生瓷切割机上装配有刀片，可将生瓷膜全切，也可以将生瓷膜半切，待烧结后进行裂片；
（7）端涂，端涂的方法与掩膜类似，采用印刷的方式，在覆有模板的生瓷膜上填入共烧金属，共烧金属是以金属化浆料的形式使用，其中含有质量分数不超过20%的有机载体，黏度在10000至100000cps之间；
（8）共烧，将生瓷产品放入烧结炉内，在烧结气氛下，按照设定好的烧结曲线行加热，烧结温度为1500-1600℃，且金属化图形与陶瓷在相同的条件下烧结，整个共烧过程分为两个阶段。
本发明的有益效果：利用GSG探针可直接测得陶瓷绝缘子的微波性能，与传统绝缘子的测试结果相比，不包含测试本身引入的系统误差，从而具有更高的精度。另外，本发明中的陶瓷绝缘子可以实现装配管壳后的精确测试，且测试均为无损、快速检测，可以实现外壳的批次性逐检，从而保证产品的质量。
附图说明
图1为毫米波陶瓷绝缘子的工艺流程示意图；
图1-1是 96%氧化铝陶瓷的典型烧结曲线图。
图2-1是本毫米波陶瓷绝缘子的示意图；
图2-2是现有的陶瓷绝缘子的示意图；
图3为毫米波陶瓷绝缘子的测试方法示意图（侧视图）；
图4为毫米波陶瓷绝缘子的测试方法示意图（俯视图）。
图中的1是信号线、2是印刷的测试点、3是侧面金属化图形、4是陶瓷绝缘子、5是微波探针、6是探针台、7是GSG微波探针。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明。
如图1所示，毫米波陶瓷绝缘子的设计方法，包括以下步骤：
（1）配料，配料是将陶瓷粉料与有机载体按比例混合，使原料颗粒粉碎，形成具有一定粘度和触变性的浆料。其中陶瓷粉料的质量分数应在50%至80%之间，中值粒径减小至10微米以内。
（2）成膜，成膜是将配制好的浆料注入流延机料槽，浆料通过刮刀流到基带上，基带承载浆料移动通过烘箱，经过烘箱加热后，浆料中的溶剂挥发，最后形成生瓷膜的过程。
（3）腔体成型，腔体成型是在生瓷膜上通过机械冲制或激光加工的方法去除一部分生瓷形成空腔。空腔的宽度和深度等于或小于引针直径p，空腔的间距等于引线节距D与烧结收缩率的商。
（4）掩膜，掩膜是采用注射或印刷的方式，在覆有模板的生瓷膜上填入共烧金属。共烧金属是以金属化浆料的形式使用，其中含有质量分数不超过20%的有机载体，黏度在10000至100000cps之间。
（5）堆叠层压，堆叠层压是将填入共烧金属的生瓷膜，按设计的层数和次序，依次叠放，在50℃至120℃的温度和1-100MPa的压力下，形成一个完整的多层陶瓷胚体。
（6）裁切，裁切是将堆叠层压后的生瓷切割成单个产品。生瓷切割多采用生瓷切割机进行切割，生瓷切割机上装配有刀片，可将生瓷膜全切，也可以将生瓷膜半切，待烧结后进行裂片。
（7）端涂，端涂的方法与掩膜类似，采用印刷的方式，在覆有模板的生瓷膜上填入共烧金属。共烧金属是以金属化浆料的形式使用，其中含有质量分数不超过20%的有机载体，黏度在10000至100000cps之间。
（8）共烧，共烧是指将生瓷产品放入烧结炉内，在一定的烧结气氛下，按照设定好的烧结曲线进行加热，以形成致密且具有一定机械强度的熟瓷的过程。由于烧结温度为1500-1600℃左右，且金属化图形与陶瓷在相同的条件下烧结，因而称之为高温共烧陶瓷，整个共烧过程可以分为两个阶段：其中，
第一个阶段称为排胶，排胶是排除有机物的过程，升温过程中首先是溶剂的挥发过程，当温度升到200℃以上，粘结剂开始分解。陶瓷的排胶温度曲线与其所含粘结剂的成分有关，一般升温速度控制为每小时(20～50)℃,升到400℃左右后,保温(3～5)个小时，令其自然冷却；
第二个阶段为烧结，这一阶段在氢气的气氛下进行，以防止金属化图形被氧气氧化，烧结温度为1500-1600℃左右。烧结的关键在于控制烧结曲线与炉膛实际温度曲线的一致性，因为它会直接影响烧结过程的收缩率和平整度。以96%氧化铝陶瓷的烧结为例，其典型的烧结曲线如图1-1所示。
所述的镀覆是指在金属表面上镀覆一定厚度的其他金属的过程，其中镀金作为最常见的镀覆类型，有防止氧化、提高导电性以及增进美观等作用。
如图2-1所示，基于高温共烧陶瓷工艺的毫米波陶瓷绝缘子，其结构在于带有测试点，由上下两片组成，介质材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷，沿信号传输方向长度为1.5mm-2.5mm，垂直于信号传输方向的绝缘子的宽度小于1.5mm，在其输入、输出端口分别印刷一对测试图形，并通过绝缘子侧面印刷图形与底面地平面相连，形成一种带有接地板的共面波导馈电结构。
本申请的陶瓷绝缘子与现有的陶瓷绝缘子相比，本申请的特点是在印刷工艺时加入了测试点的图形，其中测试图形的加入是在图1所示的掩膜工序步骤中与信号线图形同时采用印刷工艺形成的，并通过侧面端涂工艺与底部地平面相连，从而形成共面波导结构的馈电形式，可直接用GSG探针测试其微波性能。
如图3所示，测试时利用探针台6的真空吸附功能将陶瓷绝缘子4绝缘子吸附在探针台6上，并将两侧GSG微波探针7分别扎在陶瓷绝缘子4的两端，使微波探针5的S（信号）与G（地）分别与陶瓷绝缘子4的S（信号）与G（地）相连。
Claims (2)
1.一种基于高温共烧陶瓷工艺的毫米波陶瓷绝缘子，其特征在于带有测试点，由上下两片组成，介质材料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷，沿信号传输方向长度为1.5mm-2.5mm，垂直于信号传输方向的绝缘子的宽度小于1.5mm，在其输入、输出端口分别印刷一对测试图形，并通过绝缘子侧面印刷图形与底面地平面相连，形成一种带有接地板的共面波导馈电结构；
所述的测试图形的尺寸小于0.3mm*0.3mm，印刷图形的中心距信号线的中心为0.3mm-0.6mm，采用间距规格为0.3mm-0.6mm的GSG型探针进行微波性能的测试；
设计毫米波陶瓷绝缘子的方法，包括以下步骤：
（1）配料，配料是将陶瓷粉料与有机载体按比例混合，使原料颗粒粉碎，形成具有粘度和触变性的浆料，其中陶瓷粉料的质量分数应在50%至80%之间，中值粒径减小至10微米以内；
（2）成膜，成膜是将配制好的浆料注入流延机料槽，浆料通过刮刀流到基带上，基带承载浆料移动通过烘箱，经过烘箱加热后，浆料中的溶剂挥发，最后形成生瓷膜的过程；
（3）腔体成型，腔体成型是在生瓷膜上通过机械冲制或激光加工的方法去除一部分生瓷形成空腔，空腔的宽度和深度等于或小于引针直径p，空腔的间距等于引线节距D与烧结收缩率的商；
（4）掩膜，掩膜是采用注射或印刷的方式，在覆有模板的生瓷膜上填入共烧金属，共烧金属是以金属化浆料的形式使用，其中含有质量分数不超过20%的有机载体，黏度在10000至100000cps之间；
（5）堆叠层压，堆叠层压是将填入共烧金属的生瓷膜，按设计的层数和次序，依次叠放，在50℃至120℃的温度和1-100MPa的压力下，形成一个完整的多层陶瓷胚体；
（6）裁切，裁切是将堆叠层压后的生瓷切割成单个产品，生瓷切割多采用生瓷切割机进行切割，生瓷切割机上装配有刀片将生瓷膜全切，或将生瓷膜半切，待烧结后进行裂片；
（7）端涂，端涂的方法与掩膜类似，采用印刷的方式，在覆有模板的生瓷膜上填入共烧金属，共烧金属是以金属化浆料的形式使用，其中含有质量分数不超过20%的有机载体，黏度在10000至100000cps之间；
（8）共烧，将生瓷产品放入烧结炉内，在烧结气氛下，按照设定好的烧结曲线行加热，烧结温度为1500-1600℃，且金属化图形与陶瓷在相同的条件下烧结，整个共烧过程分为两个阶段：其中，
第一个阶段称为排胶，排胶是排除有机物的过程，升温过程中首先是溶剂的挥发过程，当温度升到200℃以上，粘结剂开始分解，陶瓷的排胶温度曲线与其所含粘结剂的成分有关，升温速度控制为每小时20～50℃，升到400℃后，保温3～5个小时，令其自然冷却；
第二个阶段为烧结，以防止金属化图形被氧气氧化，烧结温度为1500-1600℃，控制烧结曲线与炉膛实际温度曲线的一致性，因为它会直接影响烧结过程的收缩率和平整度。
2.如权利要求1所述的一种基于高温共烧陶瓷工艺的毫米波陶瓷绝缘子，其特征是其测试方法为将基于HTCC工艺生产陶瓷绝缘子放于微波探针台上，利用探针台的真空吸附功能将绝缘子吸附在探针台上，将经过校准后的GSG探针分别扎在陶瓷绝缘子的两端的测试图形上；GSG探针型号根据印刷图形中心与信号线中心的距离选取0.3mm-0.6mm间距的探针用于测试；
测试时利用探针台的真空吸附功能将陶瓷绝缘子绝缘子吸附在探针台上，并将两侧GSG微波探针分别扎在陶瓷绝缘子的两端，使微波探针的S信号与G地信号分别与陶瓷绝缘子的S信号与G地信号相连。
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