基于液晶材料的相控阵天线工艺研究

刁艳美

（南京工业大学浦江学院，江苏南京，210000）

0 引言

随着通信技术的飞速发展，对天线行业的技术革新提出了更高的要求。对于移动终端来说，天线不仅要满足高性能，还需要具有平整度好、轮廓低的特点。目前市场上对于体积小、低轮廓、电调控、低成本的新型天线的需求迫在眉睫。

为契合低成本的相控阵天线市场需求，拓宽现有液晶技术的应用范围，越来越多显示面板生产厂家纷纷加大了对天线技术的研发投入。相控阵天线可以采用现有的TFTLCD(薄膜晶体管液晶显示)面板生产线来进行大规模制造。面板越大，成本相对越低。此外，自动化设备大规模生产的加工一致性，使相控阵天线出厂调测时间和难度均降低，因而可以提高产品质量，缩短产品周期。需要指出的是，相控阵天线从研发设计到工程实施涉及多个学科，融合多种技术，且相控阵天线与传统显示面板的研发、材料、加工工艺也有一定差别，每个工艺环节都要反复尝试和测试，才能具备工程可实施性。因此，对应用TFT-LCD 产线进行相控阵天线制造的工艺研究具有重要意义。

1 结构与工作原理

■1.1 结构

相控阵天线是利用液晶的介电各向异性，通过控制液晶偏转方向来改变移相器的移相大小，从而调节相控阵天线的对准方向天线。单个天线单元功率容量小，损耗大，为此，很多场合设计成天线方阵，如图1 所示。天线方阵制作的一致性较好，且易于集成化，因此得到广泛应用。

图1 天线方阵

图2 为构成天线方阵的相控阵天线单元结构示意图，可调谐液晶材料被封装在上、下介质基板中，形成一种三明治结构。天线单元的所有结构都在这三层中集中实现。它可以利用成熟的液晶显示自动化制造技术进行生产，加工一致性高，成本低。辐射电极的形状、尺寸可以根据不同的应用需求进行相应的定制设计，将掩膜版图案“转移”到介质基板上。与显示面板制造不同的是，它不需要偏振片，因为天线主要是利用液晶分子的电学特性进行射频传播，而不是光传播。

图2 相控阵天线单元

相控阵天线单元按照功能来分，主要由辐射天线单元、移相单元、馈电网络单元三个主要部分组成。

在辐射天线单元中，地层上有接地电极，与辐射贴片层重叠覆盖，其上有开孔，以在辐射贴片与地层之间形成耦合。

移相单元中，馈线层与地层加偏压信号，控制液晶移相，由馈线层侧边接入控制信号。

馈电网络单元用来传输射频信号。

■1.2 辐射原理

辐射的本质是电磁泄漏。在频率较高时，电磁波会泄漏（辐射）到导体之外，进行能量的传递。若导线是用作传输线，则希望尽可能地没有电磁泄漏。而对于天线来说，应该尽量将能量转换为电磁波发射出去。不同形状、不同尺寸的导线在发射和接收某频率的电磁信号时，效率差别较大。在一个不完全封闭的电路中，电路的不连续处会产生电磁辐射，经过特殊设计成贴片形状，并处于谐振状态，就会具有一定的辐射功能和辐射效率，成为天线。

■1.3 液晶移相原理

液晶移相单元采用液晶材料作为调谐介质层，通过改变介质层的介电常数，来实现相位控制。由于液晶分子的结构特性，其电学特性（介电常数），具有各向异性的特点。液晶分子的排列会随外加电场的改变而发生变化。主要涉及以下三种情况：

第一种情况，如图3(a)所示，当外加偏置电压为0，或者外加电压的值小于液晶分子开始发生偏转的开启电压时，在取向层的作用下，液晶分子沿着原来取向的方向，即平行于上下介质基板的方向排列，记为ε=ε ⊥。

第二种情况，如图3(b)所示，外界偏置电压加大，液晶分子开始向电场方向发生偏转，相应的等效介电常数也随之发生变化。

第三种情况，如图3(c)所示，继续加大外界偏置电压，当达到一定电压时，液晶分子的转向达到极限状态，处于垂直上下介质基板的状态。此时液晶层的等效介电常数也达到最大，记为ε=ε ∥。液晶材料的可调谐能力用Δε=ε //-ε ⊥来衡量。

图3 液晶移相原理图

2 相控阵天线关键工艺

相控阵天线的工艺过程可采用TFT-LCD 的相关设备来进行制备。电极的制作采用光刻工艺，液晶的填充采用ODF(液晶滴注技术)成盒设备进行。图4 为工艺过程的示意图，生产步骤如下：

图4 相控振天线工艺过程

（1）介质基板

天线单元采用上下平行、结构相同的石英基板作为支撑结构。石英基板有成本低、热导性能好、可控性和一致性好等诸多优点，在半导体器件和集成电路基板中被广泛应用。但其机械强度较低，在加工时要注意是否有破损或开裂。基板投入制程之前需要在清洗设备进行清洗，以免有大颗粒灰尘导致的基板不平整而碎片。另外，为减小天线损耗，基板不宜太厚。

（2）成膜工艺

在基板的正反面都需要制备电极，考虑趋肤效应，铜厚度应不小于2.0μm。因此厚膜成膜和双面成膜是天线工艺中的难点。在成膜过程中要多关注生长膜层后介质基板的弯曲变形量，及时调整成膜参数，改善成膜均一性。铜与基板有较差的粘附性，并且铜在一定温度下易与硅反应，形成化合物，产生较高的接触电阻，可在铜膜与介质基板之间增加过渡层金属钛、钼铌等。

（3）光刻工艺

在液晶相控阵天线的工艺过程中，上下介质基板上的电极制备是关键，也是对工艺制作水准要求最严格的部分。电极图形采用曝光刻蚀工艺进行制备。首先进行光刻掩膜版的设计，确定电极形状、配线的线宽、线距等，其精度对器件性能有较大影响。如图5 所示，在覆盖了金属膜层的介质基板上进行光刻胶涂布，使用曝光设备，通过紫外光的照射，将掩膜版图案“转移”至光刻胶，被紫外光照射的光刻胶发生变化而溶解于显影液。再进行电极的刻蚀，被光刻胶覆盖的金属不会被刻蚀，而未被覆盖的部分会与刻蚀药液发生反应而被刻蚀掉。刻蚀均一性也是影响器件性能的重要参数。最后进行光刻胶的剥离，形成最终的电极形状。

图5 电极制作过程

（4）配向工艺

液晶分子在自由状态时分布较为杂乱，介电常数介于ε//和ε ⊥之间，会影响天线调谐，因此需要对液晶分子进行配向（取向）处理。取向处理分为两个步骤：配向膜（PI）工程、配向工程。PI 工程的目的是提供液晶分子所需要的配向基材。配向工程是通过物理或化学方式，对PI 膜进行处理，使其分子结构发生变化，进而达到控制液晶分子的排列的目的。

在实际生产中，如图6 所示，首先在上下介质基板的内侧（液晶侧）指定位置均匀地喷涂或印刷一层取向基材，即聚酰亚胺(Polyimide，PI)高分子材料，该材料具有良好的机械性能、热稳定性、耐低温性，有配向记忆性，与液晶分子具有良好的亲和性且不相互反应。取向基材印刷之后，经过预干燥、高温加热使溶剂全部挥发，避免出现气泡，并固化成膜。

图6 配向过程

然后在PI 膜上利用摩擦配向或光配向技术进行取向处理。以光配向为例，在紫外光的照射下，PI 里的趋光分子会向光照的方向发生偏转，形成一定的预倾角。PI 聚合体和液晶分子之间的作用力比较强，对液晶分子有锚定作用，在PI 分子和液晶分子长轴一致的方向，能量最安定，邻近的液晶分子可以沿此方向稳定排列，剩余的液晶分子在分子间相互作用力下，也会沿着指定方向整齐排列。如果不进行取向处理，一是会降低天线调谐能力，二是在外加电场撤去时，液晶分子很难回到初始状态。

（5）液晶滴下与框胶涂布

在上介质基板的内侧（液晶测），进行液晶滴注，要注意液晶滴下量必须适中，滴下量过多、过少都会导致液晶移相盒出现异常。液晶滴下的位置也要适中。

在下介质基板的内侧（液晶测）进行框胶（Seal）涂布，涂框胶的目的是使上下介质基板紧密粘合，防止液晶泄漏。为保证液晶层厚度均匀，在框胶中添加支撑球（Spacer）。

（6）贴合与固化

在真空状态下，将上下介质基板进行一定精度范围内的贴合。贴合位置是依据镜头在介质基板上捕获的对准标记（Alignment Mark，在电极制作时同时形成的金属图案）来进行相应调整，精度可以达到数微米。贴合过程中需注意真空度、预应力等各种参数的控制调整，防止恢复大气值时产生气泡，或是液晶飞溅到框胶上，导致框胶接触不良，从而引起液晶泄漏。

完成贴合后还要进行框胶的固化。固化是指在紫外线和高温的作用下，使框胶充分硬化。一方面可以使上下介质基板通过框胶紧密、无偏移地粘合，形成稳定的液晶移相盒。另一方面，在固化过程中，可以有效防止液晶气泡的产生，使其均匀扩散。

3 工艺过程需要注意的问题

为了提高生产效率，降低成本，一般采用大尺寸的介质基板进行生产，再根据相控阵天线尺寸进行切割。实际生产过程中，2μm 厚的铜膜，可能会因为膜应力过大导致介质基板弯曲甚至发生破片，因此介质基板的厚度需要在减小弯曲量与减小介质损耗中进行权衡。

上介质基板的正反面均需要工艺加工，在一面完成之后，再进行另外一面的加工，但是在加工介质基板的工艺过程中，涉及机械传送，容易造成膜面划伤、铜氧化等现象，因此在介质基板完成一面的加工后，可以再加工一层保护膜，待另一面加工完成后，再移除保护膜。

4 结语

综上所述，基于液晶材料的相控阵天线具有优良的调谐性能，并且可以利用现有的液晶面板生产线设备进行自动化生产。从低成本、大规模量产、产品一致性好、结构稳定、缩短产品调测周期等各方面都具备明显优势，是推动相控阵天线的普及应用，大规模打开用户市场的重要技术路线。

将LCD 技术应用于天线制作，可以拓宽LCD 技术、工艺、设备的应用范畴，对于工艺过程中遇到的一些待解决的问题，应该再进行深入钻研，在实践中不断优化提升。