嵌入低温共烧陶瓷多层封装基板的微机械太赫兹波导、波导元件及其工艺研究

申请者在先期研究中发现，借助体型微加工在低温共烧陶瓷（LTCC）SiP多层基板中可制作轴线为任意形状的水平微管道和贯穿单/多层基板的垂直管道、空腔，将其壁面金属化后可构成THz传输波导及其立体网络，以及各种波导元件。本项目拟开展相应研究：1）突破多层基板内嵌的波导及其网络、谐振腔的微机械加工及叠压/烧结成型、壁面金属化等关键工艺，优化出成套工艺；2）探索多层波导网络及折叠波导慢波结构、定向耦合器等元件中的电磁场及其与电子束耦合时的理论解析求解和数值仿真方法；3）设计内嵌于多层基板的新结构THz波导元件，并加工出样品；4）针对THz波导元件特点开展测试方法研究，完成相应测试。研究目的是：掌握相应理论分析方法；为THz传输线和真空微电子THz电路元件提供新结构及其设计、加工、测试方法；使SiP基板具备传输超高速和超大带宽信号能力；为亚毫米波/THz系统集成提供新的途径。

太赫兹信号产生、传输与发射/接收器件与电路系统，是支持太赫兹科学技术发展与应用的重要技术基础，也是目前制约其发展的瓶颈，相应的理论和方法研究具有重要的科学意义和工程价值。低温共烧陶瓷（LTCC）多层基板技术与微纳机电系统及其工艺技术的结合，有望提供一套新的方法和技术途径，实现功耗与传输损耗低、辐射功率密度高、可用性和成本经济性好、可高密度三维集成的太赫兹电路、模块与系统。项目负责人及其团队相应开展了深入、扎实的研究。总体来看，项目组完成了项目计划书预定的全部研究内容，而且随着本项目研究的深入，在不断跟踪该领域国内外发展态势的基础上，根据研究心得和来自工程的需求，适当拓展了部分研究内容。项目组实现了计划书预定的研究目标，在拟解决的若干关键问题上取得了突破，所取得的研究成果全面达到了计划书的预期，部分成果超出了计划书的预期。. 项目的重要进展和成果可以归纳如下：1）突破了多层基板内嵌的波导及其网络、谐振腔的微机械加工及叠压/烧结成型、壁面抛光与金属化、输入/输出端口与外部波导连接、真空封装等关键工艺难点，完成参数优化，集成出成套工艺，该工艺可用于包括项目所研究的波导元件在内的多种微机械功能结构与元件加工，并支持基板内嵌微结构与表面贴装有源器件间的高密度互连和一体化集成封装；2）初步掌握多层波导网络及折叠波导与叉指慢波结构、定向耦合器、滤波器、天线等元件中的电磁场及相应有源结构中电磁波与电子束耦合时的理论解析求解和数值仿真方法，形成了仿真验证流程；3）设计出多种内嵌于多层基板的新结构THz 波导元件，并加工出样品；4）完成了LTCC材料微观结构与微机械特性间关系的研究、真空特性研究、波导腔对结构可靠性的影响等重要基础研究，其结果对基于LTCC的微纳机电系统及器件研究、先进高密度系统级封装研究有重要的参考价值；5）针对THz 波导元件特点开展结构完整性检测方法和特性测试方法研究，完成工艺参数测试和电磁参数测试。在上述工作基础上，结合团队的其他相关研究工作，基于一条LTCC封装试制线建成了初步的“封装－微机械一体化”加工与设计平台，为微机电系统及三维系统级封装技术研发服务。本项目研究为相应技术在雷达、无线通信系统、检测仪器等领域的实用化打下了坚实基础，项目组基于所形成的“封装－微机械一体化”加工与设计平台开展的进一步技术研制工作被国家相关部门列为十二五重点预先研究项目。