一种新型ALN陶瓷大功率射频负载的研制

打开文本图片集

摘 要：本文介绍了新一代无线移动通信用一种新型ALN陶瓷大功率微波负载。该射频负载通过浆料重烧和电镀方式，实现了大功率膜阻值精度控制、导体耐焊接性和低驻波比的要求。该元件具有小型片式化、低成本、阻抗匹配性好等特点，可以应用于4G/4.5G新一代无线移动通信系统。

关键词：大功率；射频负载；浆料；厚膜印刷；阻抗；阻值精度

中图分类号：TN61 文献标识码： A 文章编号： 2095-8595 （2016） 04-379-03

电子科学技术 URL： http//.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2016.04.002

Abstract： This paper introduces a new type of high power microwave load of ALN ceramic for new generation wireless mobile communication. The RF load by slurry burning and plating method， to achieve the precision control of high power membrane resistance and conductor resistance welding and low VSWR requirements. It has the characteristics of small size， low cost and good impedance matching. It can be used in the next generation wireless mobile communication system of 4G/4.5G.

Key words： High Power； RF Load； Paste； Thick Film Printing； Impedance； Resistance Value Precision

引言

为了使新一代无线移动通信网络基站具有小型化、宽容量、多系统等特点，在基站设计时必须大量使用一种吸收微波功率的射频负载元件。HR050L150S2型射频功率负载与传统无线通信用射频负载元件相比，具有环保性、小型片式化、低成本、阻抗匹配性好等优点，非常适合作为吸收射频大功率元件用于新一代无线移动通信网络基站。

1 产品设计

1.1 设计原理

产品设计原理见图1，由一个电阻R和一段匹配电阻的微带线Z1组成，微带线用来补偿电阻所产生的寄生电容，使得RF INPUT端口的阻抗在工作频带内能达到50Ω左右。

1.2 设计方案

该型产品由于使用频率高、功率大、频带宽、驻波要求高，设计时遵循可靠、够用、简洁的原则，利用导体的宽度、长度和形状来进行阻抗的变换，实现射频输入端口阻抗50Ω，保证了产品优良的驻波比性能。采用厚膜混合集成电路成膜工艺技术进行产品的制造，可以大大提高产品的生产效率和降低生产成本。

1.2.1 材料体系

ALN陶瓷具有高热导率170 W/m·k～200W/m·k和优良的电气机械性能，比AL2O3陶瓷热导率（29W/m·k）高约6倍，接近于BeO陶瓷的导热性能，却不像BeO陶瓷那样具有毒性，是一种性价比很好的环保型高热导率材料，近年发展速度很快，在IGBT和LED等行业得到了越来越多的应用。ALN陶瓷基体符合了高热导性能和成本的要求，并且能够满足厚膜印刷工艺要求，所以选择该基片作为产品基体材料。导体浆料的选取须在ALN基板上具有良好的附着力、可焊性、耐焊性，以确保产品稳定的性能。电阻浆料将低温度系数、高热容量、大功率负荷作为选择依据，这样将大大提高该系列功率容量，有效改善产品功率可靠性。

1.2.2 电路及结构设计

ALN基体正面导体层的设计：在负载输入端加一段阻抗变换微带线来补偿电阻膜所产生的寄生电容，通过对微带线进行调试达到最佳匹配，确定了微带线的形状和尺寸。ALN基体背面导体层的设计：为了使产品热量散出，其背面全部设计成导体层，尽可能增加熱传导面积。背面导体层与正面导体层利用侧面印刷导体层的方式实现连通。电阻层的设计：在ALN基体正面依据大量的实验数据计算出理论电阻面积，并将电阻图形设计为长、宽比接近1，以便驻波比性能更好。在电阻层上印刷相应的树脂保护层，实现对电阻膜层的保护功能。

2 关键技术和工艺

2.1 膜层版图

该产品导体膜层和电阻膜层的尺寸和形状对高频信号比较敏感，为了缩短研制周期，该产品设计时利用HFSS软件和ePhysics软件进行了完整的电磁及热场分析[1]，并结合每次实验结果，进行不断的优化，最终确定导体和电阻膜层的尺寸和形状。HR050L150S2型射频功率负载的导体和电阻膜层版图见图2。

2.2 阻值精度

HR050L150S2型射频功率负载产品采用ALN陶瓷作为基体， ALN陶瓷基体在经过激光调阻时，调阻口边沿会发生基体变性，并且大功率的电阻在激光调阻口会产生电荷的聚集效应，极大地降低了产品的功率。如何在不采用激光调阻的方法下，能使电阻成膜的阻值精度达到±5%以内。该产品在研制过程中，通过分析材料在不同温度下的变化特性和大量的实验数据，寻求到利用烧结炉不同烧结温度曲线和重烧次数对阻值变化特性来控制阻值精度的方法，并通过工艺不断摸索，总结出该产品烧结和重烧的温度曲线，使得在不采用激光调阻的方法下电阻成膜的阻值精度达到±5%以内，提高了产品的额定功率。

2.3 导体耐焊性

HR050L150S2型射频功率负载产品的装配焊盘面积大，且不同于一般的厚膜混合电路的装配流程，对焊盘的抗侵蚀和抗氧化性要求苛刻，直接印刷的导体无法满足这样的要求，因此必须通过后期的相关技术工艺处理。通过查阅资料[2]，咨询专家，并进行大量实验，最终寻找到不影响产品性能并与产品原材料相匹配的电镀工艺方法和材料体系，这样既解决了产品焊盘氧化的问题，又提高了产品的可焊性，大大提高了产品的可靠性。

2.4 引线强度

由于HR050L150S2型射频功率负载产品的功率大、工作温度可以达到170℃之高，传统的锡焊工艺难以满足要求。为此，该产品采用了超声波金属焊接技术方案，设计制作了专用的焊接平台，确定了产品引线焊接的工艺参数，并使用B型高温环氧进行加固，完全解决了高温下引线强度不高的问题。

3 试验结果

利用HFSS仿真，在DC-4GHz频带内最大驻波比达到1.15左右，见图3。按照仿真版图进行了HR050L150S2型射频功率负载样品的生产，在DC-4GHz频带内实测最大驻波比达到1.15，见图4，与仿真结果接近。

成膜阻值计划控制在（50±5%）Ω范围，通过调节温烧结炉不同烧结温度曲线和重烧次数，实际生产时阻值精度已能精确控制在（50±2%）Ω范围内。阻值测试数据：50.5Ω、50.2Ω、49.8Ω、50.1Ω、49.9Ω、49.8Ω、50.2Ω。

按射频功率负载装配方法将产品装配在散热板上，输入端接电源+极，地接电源负-极，加直流功率150W，并打开风扇并调整风扇位置使其有利于产品的散热。经过2小时功率老化试验，阻值变化率"△R|（1%R+0.05Ω） ，符合设计规范要求。

4 结论

HR050L150S2型射频功率负载产品与传统无线通信用射频负载元件相比，具有环保、小型片式化、低成本、阻抗匹配性好等优点，并满足SMT贴装， 符合环境保护的发展要求，顺应了无线移动通信系统宽带化、多模化、小型化和低成本的行业发展要求，可以广泛应用于移动通信、微波测量、军工通信、导航、电子对抗等领域，具有良好的市场应用前景。

参考文献

李明洋.HFSS电磁仿真设计应用详解[M].北京：人民邮电出版社，2015.

徐立信. 现代膜技术与应用丛书，现代膜技术与制膜工艺实例[M].北京：化学工业出版社，2016.

推荐访问:射频 负载 研制 陶瓷 ALN