晟元新材研發基於陶瓷電路襯底的密集壓電薄膜基陣聲納成像感測器封裝技術

05-03

聲波在水介質中相對於光波、電磁波有著更小的衰減係數，聲波是目前用來進行偵測水下蛙人、微型潛艇、魚雷、水雷，水底地貌繪製、遠程信息傳播等用途的最佳載體，高頻聲納成像需要相控陣列的密集壓電單元接受基陣，在構成維度上可以有2維或多維度基陣。現有的技術多採用大量的壓電陶瓷片組裝在一起，構成多陣元接收基陣，壓電陶瓷片構成的基陣離散率高、壓電係數低、工藝複雜、生產成本高、陣列數目低。

以PVDF（聚偏氟乙烯）壓電薄膜為代表的新型壓電材料在水下偵聽、醫學超聲成像、醫學壓力檢測等領域有了越來越廣泛的應用。與壓電陶瓷相比，PVDF薄膜具有柔韌性、耐衝擊、頻響範圍寬、靈敏度高、與水接近的聲阻抗等優點。

現有的水下高頻聲納接收陣在技術上有以下技術不足之處：

1、傳統的壓電陶瓷器件在組成陣列數目較多的陣元時，陣元相應靈敏度、相幅一致性差，相控波束旁瓣抑制受限；

2、安裝誤差的面感性使感測器上下頻率受限；

3、信號轉換損耗大，較難從背景雜訊中檢出有價值的弱信號。

現有技術專利文獻中，國內有單位研製以PVDF壓電薄膜為基礎的高頻密排壓電薄膜水下成像基陣，其技術路線為：鈀PVDF壓電薄膜、多層樹脂印製電路板、黃銅聲波反射襯板集成封裝而成，該技術方案帶來的技術優勢：提高了接收靈敏度6dB以上，解決高頻壓電薄膜聲納基陣偏低的困惑。

以上設計把高頻聲納比起原有的壓電陶瓷構成的聲納基陣提高了一個很高的水平，但依舊存在以下技術有待改進之處：

1、樹脂多層電路板構成的位置固定基板存在熱膨脹係數高、陣元間相對距離隨溫度變化較大，信號輸出溫度漂移誤差較大；

2、樹脂印製電路板在震動、潮濕等水下惡劣條件下，電極和樹脂基體的附著力老化速度加快，存在較大運行不可靠因素；

3、樹脂構成的基板材料依舊存在陣元間存在波形串擾等現象。

我們在高頻聲納陣元封裝封方面做的一些創新之處

採用新開發的3D結構陶瓷基板材料，來解決每個感測器之間的聲波串擾問題，是感測器解析度提高；陶瓷基板的線膨脹係數（CTE）為2.0~8ppm，而樹脂印製電路板的線膨脹係數高達17~20多ppm，陶瓷基板相對極低的溫度變形率保證了因封裝材料變形帶來的高頻聲納檢測信號誤差；陶瓷電路板多層電路構成技術，保證了信號傳輸的導體低損耗率；線路導體3d布線設計，減小導體層間電容帶來的誤差；在高陣元數排列的基陣中，導體層間電容溫度變化的誤差不容忽視，這一點在樹脂PCB板封裝中，受材料限制很難解決，而陶瓷材料卻具有這方面的優勢。

技術效果和意義：

本方案有效的解決了高頻聲納基陣的溫度漂移誤差問題和對弱信號的檢出效果，實際應用後可以提高軍用水下聲頻探測設備的技術品質。