轉自高可靠電子裝聯(lián)技術 嚴偉

摘要：微組裝技術是實現(xiàn)電子整機小型化、輕量化、高性能和高可靠的關鍵工藝技術。本文詳細介紹了微波多芯片組件及技術、三維立體組裝技術和系統(tǒng)及組裝技術及其研究進展，概述了微波組件微組裝技術在新一代雷達和通訊系統(tǒng)中的主要應用。

關鍵詞：微波組件；微組裝技術；微博多芯片組件；三維立體組裝；系統(tǒng)級組裝

引言

現(xiàn)代軍、民用電子裝備，尤其是機載、艦載、星載和車載等雷達和通訊系統(tǒng)，正在向小型化、輕量化、高工作頻率、多功能、高可靠和低成本等方向發(fā)展，對組裝和互聯(lián)技術提出了越來越高的要求。隨著相控陣體制在雷達和通訊等電子整機中的廣泛應用，需要研制生產大量小型化、高密度、多功能微波組件。微組裝技術是實現(xiàn)裝備小型化、輕量化、高密度三維互連結構、寬工作頻帶、高工作頻率和高可靠性等目標的重要技術途徑。從組裝技術的發(fā)展的規(guī)律來看，組裝密度沒提高10%，電路模塊的體積可減少40-50%，重量減少20-30%。微組裝技術對減小微波組件的體積和重量，滿足現(xiàn)代電子武器裝備小型化、輕量化、數(shù)字化、低功耗的要求具有重要的意義。微組裝技術在航空、航天和船舶等平臺的電子裝備上得到了越來越廣泛的應用。

微波組件組裝技術經(jīng)歷了從分立電路、到混合微波集成電路（HMIC）、到單片微波集成電路（MMIC）、到微波多芯片模塊（MMIC）、再到三維立體組裝微波組件和系統(tǒng)級組裝的發(fā)展過程。目前，小型化、高密度、三維結構、多功能微波組件微組裝技術已成為國內外研究和應用的熱點。本文詳細介紹微波多芯片組件技術，三維立體組裝技術和系統(tǒng)級組裝技術等微組裝技術的最新研究進展，并簡要介紹微波組件微組裝技術在新一代雷達和通訊等系統(tǒng)中的主要應用。

1、微波多芯片組件（MMCM技術）

MMCM技術是在HMIC技術上發(fā)展起來的新一代微波電路封裝和互連技術，它是在采用多層微波電路互連板的基礎上，將多個MMIC芯片，專用集成電路（ASIC）芯片和其他元器件高密度組裝在微波電路互連基板上，形成高密度、高可靠和多功能的微波電路組件。由于采用了高密度互連基板和裸芯片組裝，有利于實現(xiàn)組件或子系統(tǒng)的額高集成化、高頻和高速化，以及實現(xiàn)電子組裝的高密度、小型化和輕量化。

在傳統(tǒng)的MMCM中，采用金絲鍵合來實現(xiàn)MMIC、集總式電阻和電容等元器件與基板上的微波傳輸線的互連，以及微波傳輸線之間或RF接地面的互連。微波電路不同于低頻數(shù)字電路，金絲鍵合互連的微波特性是影響MMCM電氣性能的一個主要因素，其焊絲長度、拱高和跨距、焊點位置、金絲根數(shù)和鍵合一致性和重復性等參數(shù)均對微波傳輸具有很大影響。目前新一代MMCM技術大量采用MMIC芯片倒裝焊接技術。

與常規(guī)的引線鍵合（WB）互連技術相比，倒裝芯片焊接（FCB）技術利用凸點直接與微波電路基板焊接（如圖1所示），具有如下特點：1）互連線短，互連產生的雜散電容、互聯(lián)電阻及互連電感均比WB小得多，更利于高頻高速電子產品的應用；2）芯片安裝所占基板面積小，安裝密度高；3）芯片安裝與互連同時完成，簡化了安裝工藝。

我們研究采用倒裝芯片焊接技術研制成功高密度集成化X波段接收通道，它由兩級低噪聲放大MMIC芯片、以及電控衰減器MMIC芯片和阻容元件組成。采用了8層低溫共燒陶瓷（LTCC）微波多層互連基板，饋電線和10個限流電阻均埋置在LTCC微波多層互連基板的內層。采用環(huán)氧導電膠粘接的方法將MMIC芯片粘接到LTCC多層微波基板上。研制出的小型化、高密度倒裝芯片X波段接收通道體積僅為12×6×1.5立方毫米，帶寬達到了1.6GHz,增益≥28dB，噪聲系數(shù)≤2dB，輸入/輸出駐波≤1.9，而且其增益曲線和噪聲系數(shù)比較平坦，完全滿足技術指標要求。

2、微波組件的三維立體組裝技術

三維立體組裝技術是把多塊2D-MMCM在垂直方向（Z方向）疊裝起來，利用垂直互連技術實現(xiàn)微波和直流信號的互連，從而實現(xiàn)完整的電路功能，構成所謂的3D-MMCM。與二維平面組裝技術相比，它可以進一步提高組裝密度、縮小體積、減輕重量。如圖2所示。

微波組件的三維立體組裝技術具有如下特點：1）采用三維微波多層LTCC基板技術，可埋入阻容等無源元件，微波傳輸線，邏輯控制線和電源混合設計在同一個LTCC三維微波傳輸結構中。2）可以充分利用層間耦合形成特有的電路元件，實現(xiàn)所需的功能，因而在電路形式上有很大的靈活性。3）采用了垂直微波互連技術，減少了微波電路的平面面積，元器件面積與電路板面積之比可大于1.4）采用垂直微波互連技術縮短了微波元器件之間的互連長度，見笑了寄生效應，提高了電性能。

2.1三維微波LTCC多層互連基板技術

三維微波LTCC多層互連基板表面?zhèn)鬏斁€一般采用微帶線（MS），中間層采用帶狀線（SL），其三維互連結構如圖3所示，中間地層既是微帶地層，也是帶狀線上層地，帶狀線下層地即為背面地。

采用三維電磁場仿真軟件HFSS鏈接微帶線和帶狀線的RF孔穿過中間層地時，中間層需開孔，其直徑為d。在RF孔周圍設置接地孔，連接中間層微帶狀線地（即帶狀線上層地）與帶狀線下層地，可有效抑制輻射損耗，接地孔與RF孔中心距為D。傳輸線與孔相連處為寬度為S的正方形盤，比傳輸線寬度略寬，以補償RF通孔帶來的電感效應。

針對中間層地層開孔直徑d，接地孔與RF孔中心距D、傳輸線與RF孔相連處寬度S和接地孔數(shù)量進行了仿真和優(yōu)化。分別改變d、D和S三個參數(shù)及接地孔數(shù)量可以得到一系列仿真結果，經(jīng)過優(yōu)化的典型的仿真結果如圖4所示。實物樣件照片和實測結果如圖5所示。

從實測結果來看，與仿真結果基本吻合，而且在13GHz以下?lián)p耗均小于1dB，可以滿足微波組件的應用要求。

2.2 二維微波多芯片組件之間的三維垂直微波互連技術

二維微波多芯片組件之間的三維垂直微波互連技術既要實現(xiàn)二維微波多芯片組件之間在垂直方向的高微波能互連，又要滿足小型化、輕量化和高密度要求。傳輸?shù)拇怪焙附踊ミB方式要求的連接間距很大，而且不易安裝和拆卸，不能滿足高密度微波組件立體組裝的要求。新型的毛紐扣連接器內導體為鍍金鎢絲，有一定彈性，將其裝入支撐介質，與上、下基板壓緊固定，接觸電阻僅為1毫歐，是實現(xiàn)多塊微波多芯片組件基板上的導體高密度和高質量互連的有效方法，這種毛紐扣連接器不僅是優(yōu)良的微波連接器，而且是大電流的直流連接器。我們研究采用這一方式實現(xiàn)了二維微波多芯片組件之間的無焊接垂直互連。通過三維電磁場仿真設計軟件HFSS建立模型和毛紐扣三芯和同軸試驗件如圖6所示。

同軸毛紐扣樣件測試結果如圖7所示。從圖中可以看出，在10GHz時同軸毛紐扣插入損耗為0.23dB/cm,滿足三維微波組件工程應用的要求。

3、微波組件系統(tǒng)級（SIP）技術

微波組件系統(tǒng)級組裝（SIP，System-in-a-package）技術是在一塊多功能電路基板（殼體）上集成包含有微波電路、低頻控制電路、數(shù)字電路和電源等的系統(tǒng)組裝技術。SIP技術在組裝中大量采用系統(tǒng)/子系統(tǒng)級多芯片組裝等新技術，使微波組件向著具有完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能、小型化、高密度、寬工作頻帶、高速度、較少的外互連線等方向發(fā)展。

一個完整的SIP方案應當是功能與高密度封裝微小型化的整合結果。這個方案中包括超高密度的細線排布和全局互連、新組分基板材料、在一個基板中埋植射頻無源器件、SOC及高密度組裝。SIP技術是先進新穎的系統(tǒng)級微組裝技術，幾乎包含了當今全部的先進組裝工藝。是“最好”的芯片集成技術和“最先進”的封裝技術的合成。

采用SIP技術研制的數(shù)字化接收/發(fā)射子系統(tǒng)組件，可以將混頻器、濾波器、放大器和級聯(lián)在兩級功率放大器前的驅動放大器組成的微波接收/發(fā)射部分，與FPGA/ASIC實現(xiàn)的并串轉換、串并轉換、數(shù)模變換發(fā)射陣列和接收機AD變換器等數(shù)字接收/發(fā)射部分集成在一起，使其控制和數(shù)據(jù)輸入輸出都是數(shù)列式的。數(shù)字化接收/發(fā)射子系統(tǒng)組件是實現(xiàn)下一代數(shù)字陣列雷達(DAR，Digital Array Radar)的關鍵，對于大幅度提高雷達的技術性能和可靠性發(fā)揮了重要作用。

由于SIP微波組件應用平臺的擴展和可靠性要求的提高，對其氣密性要求日益迫切，采用的封裝形式也呈多樣化，如局部氣密性等（如圖8所示）。

4、微波組件微組裝技術的應用

（1）微波多芯片組件技術在微波通訊系統(tǒng)中的應用

微波多芯片組件廣泛應用在雷達、通訊和導航系統(tǒng)等電子裝備的微波/射頻前端中，最典型的應用是在微波通訊系統(tǒng)的應用。微波通訊系統(tǒng)需要大量微波/射頻前端來實現(xiàn)調制微波信號的發(fā)射和接收，微波多芯片組件技術以其組裝高密度、高工作頻率、高可靠性、微小型化外形、模塊化功能等優(yōu)點，成為研制生產微波/射頻前端的首選，并得到越來越廣泛的應用。圖9是某微波多芯片組件內部圖。

（2）三維立體組裝技術在新一代機載相控陣雷達中的應用

采用三維立體組裝技術研制的機載相控陣雷達三維T/R組件（如圖10所示），不僅縮短了組件長度，從大大減小了陣面重量，而且減少了有源陣面結構設計的很多限制。例如，天線陣面和冷板可以設計為整體結構，對結構設計和加工制造帶來極大的便利，成本也將顯著減少。

采用三維T/R組件的新一代先進有源電掃天線陣面如圖11所示。圖中，利用微波電路三維立體組裝技術將輻射單元和T/R組件之間電氣連接，從而減小損耗和噪聲。不僅組件的重量可以減輕，而且組件可以貼在天線陣面上，天線陣面和冷板可以設計為整體結構，為結構設計和加工制造帶來極大的便利，陣面重量將大大減輕，成本也將顯著減少。此外，有源陣面的結構更為緊湊，外形更為靈活，有利于共形、隱身、共口徑設計以及實現(xiàn)寬帶性能等。

（3）SIP技術在星載合成孔徑相控陣雷達（SAR）中的應用

星載SAR具有在太空軌道對地球目標進行觀測和成像的功能，在軍民用領域得到越來越廣泛的應用。新一代星載SAR的分辨率越來越高（已能達到亞米級），功能越來越強，設備體積也越來越龐大。由于衛(wèi)星有效載荷的體積和重量受到嚴格限制，采用SIP技術研制生產星載SAR相控陣天線需要的大量多通道集成化接收/發(fā)射系統(tǒng)級微波組件成為降低衛(wèi)星有效載荷體積和重量的有效途徑。圖12所示是美國采用SIP技術研制的應用于可跟蹤地面移動目標的星載GMTI/SAR雷達的多芯片子系統(tǒng)組件。

5、小結

微波組件微組裝技術是實現(xiàn)雷達和通信等電子整機小型化、輕量化、高性能和高可靠的關鍵工藝技術，尤其是微波多芯片組件技術、三維立體組裝技術和系統(tǒng)級微組裝技術近年來的發(fā)展迅速，應用廣泛，并發(fā)揮了巨大作用。隨著電子整機不斷向小型輕量化、高工作頻率、大工作帶寬、超高組裝密度，多功能集成和高可靠等方面發(fā)展，微波組件微組裝技術將在新一代信息化電子裝備的研制生產中發(fā)揮更大的作用。

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