小型化、高密度微波组件微组装技术

1微波组件小型化、高密度组装技术陈正浩中国电子科技集团公司第十研究所摘要：微组装技术是实现电子整机小型化、轻量化、高性能和高可靠的关键工艺技术。本文详细介绍了微波多芯片组件技术、三维立体组装技术和系统级组装技术及其研究进程，概述了微波组件微组装技术在新一代雷达和通讯系统中的应用。关键词：微波组件微组装技术微波多芯片组件三维立体组装系统级组装引言现代军、民用电子装备，尤其是机载、舰载、星载和车载等雷达和通讯系统，正在向小型化、轻量化、高工作频率、多功能、高可靠和低成本等方向发展，对组装和互联技术提出了越来越高的要求。随着相控阵体制在雷达和通讯等电子整机中的广泛应用，需要研制生产大量小型化、高密度、多功能微波组件。微组装技术是实现电子装备小型化、轻量化、高密度三维互连结构、宽工作频带、高工作频率和高可靠性等目标的重要技术途径。从组装技术发展的规律来看，组装密度每提高10％，电路模块的体积可减少40~50％、重量减少20~30％。微组装技术对减小微波组件的体积和重量，满足现代电子武器装备小型化、轻量化、数字化、低功耗的要求具有重要的意义。微组装技术在航空、航天和船舶等平台的电子装备上得到了越来越广泛的应用。微波组件组装技术经历了从分立电路、到混合微波集成电路（HMIC）、到单片微波集成电路（MMIC）、到微波多芯片模块（MMCM）、再到三维立体组装微波组件和系统级组装的发展过程。目前，小型化、高密度、三维结构、多功能微波组件微组装技术已成为国内外研究和应用的热点。一.板级电路组装技术的发展趋势经过近三十年的迅速发展，SMT已经进入后SMT（post-SMT）。传统的PCBA采用基板和电子元器件分别制作，再利用SMT技术将其组装在一起的安装方式，在实现更高性能，微型化、薄型化等方面，显得有些无能为力。图1传统的SMT组装方式2所谓的post-SMT就是将电子元器件埋置于基板内部，不但将R、C、L等无源元件埋置于基板内部，也将芯片埋置于基板内部，见图2、图3和图4。图2由分立元件到阵列元件再到基板内部埋入无源元件的模块和封装图3内部埋置无源元件的LTCC多层基板图4从基板中埋置无源元件的封装和模块向埋置无源、有源元器件的系统集成模块封装的发展趋势在SMT向post-SMT的过渡阶段，板级电路组装焊接中出现了芯片级堆叠装配技术（PiP）、器件级堆叠装配技术（PoP）、板级堆叠装配技术、“细微焊接”技术和FPC组装技术。航天领域已经把航天遥测和航天外测系统设计在一起；军用通信领域已经把通信、导航、电子对抗、敌我识别和情报侦察系统集成设计在一起。3图5器件内置器件堆叠装配（PiP，PackageinPackage）图6元器件堆叠装配（PoP，PackageonPackage）图7板级堆叠装配板级堆叠装配“沿用”MCM芯片级组装中的垂直互联、侧向互联、凸点互联等多种互联技术，实现电路板之间的堆叠装配，以板级为基础在设备内部空间实现印制电路板之间的堆叠装配，应用板级之间的“错位”设计技术，从而大量减少传输器和连接导线，大幅度缩小设备的体积。板级堆叠装配以表面组装技术为基础技术，其突出标志是在垂直方向（Z方向）上安装高密度元器件，主要应用超薄型SCSP和微小型0201、01005元件。板级堆叠装配的板级间距离视元器件厚度而定，一般小于0.5mm。主要应用回流焊接以及TAB、WB和F4技术。二.微波多芯片组件（MMCM）技术MMCM技术是在HMIC技术基础上发展起来的新一代微波电路封装和互连技术，它是在采用多层微波电路互连基板的基础上，将多个MMIC芯片、专用集成电路（ASIC）芯片和其它元器件高密度组装在微波电路互连基板上，形成高密度、高可靠和多功能的微波电路组4件。由于采用了高密度互连基板和裸芯片组装，有利于实现组件或子系统的高集成化、高频和高速化，以及实现电子组装的高密度、小型化和轻量化。在传统的MMCM中，采用金丝键合来实现MMIC、集总式电阻和电容等元器件与基板上的微波传输线的互连，以及微波传输线之间或与RF接地面的互连。微波电路不同于低频数字电路，金丝键合互连的微波特性是影响MMCM电气性能的一个主要因素，其焊丝长度、拱高和跨距、焊点位置、金丝根数和键合一致性和重复性等参数均对微波传输具有很大影响。目前新一代MMCM技术大量采用MMIC芯片倒装焊接技术。与常规的引线键合（WB）互连技术相比，倒装芯片焊接（FCB）技术利用凸点直接与微波电路基板焊接，如图1所示，具有如下优点：1.互连线短，互连产生的杂散电容、互连电阻及互连电感均比WB小得多，更利于高频高速电子产品的应用；2.芯片安装所占基板面积小，安装密度高；3.芯片安装与互连同时完成，简化了安装工艺。研究采用倒装芯片焊接技术研制成功高密度集成化X波段接收通道，它由两级低噪声放大MMIC芯片、一级电控衰减器MMIC芯片和阻容元件组成。采用了8层低温共烧陶瓷（LTCC）微波多层互连基板，馈电线和10个限流电阻均埋置在LTCC微波多层互连基板的内层。采用环氧导电胶粘接的方法将MMIC芯片粘接到LTCC多层微波基板上。研制出的小型化、高密度倒装芯片X波段接收通道体积仅为12×6×1.5mm3，带宽达到了1.6GHz，增益≥28dB，噪声系数≤2dB，输入/输出驻波≤1.9，而且其增益曲线和噪声系数比较平坦，完全满足技术指标的要求。图8芯片正装焊接/键合（左边）三.微波组件的三维立体组装技术三维立体组装技术是把多块2D-MMCM在垂直方向（Z方向）叠装起来，利用垂直互连技术实现微波和直流信号的互连，从而实现完整的电路功能，构成所谓的3DMMCM。与二维平面组装技术相比，它可以进一步提高组装密度、缩小体积、减轻重量。如图9所示。5图93D-MMCM（左边）与2D-MMCM（右边）1.微波组件的三维立体组装技术的特点微波组件的三维立体组装技术具有如下特点：1）采用三维微波多层LTCC基板技术，可埋入阻容等无源元件、微波传输线、逻辑控制线和电源线混合设计在同一个LTCC三维微波传输结构中。2）可以充分利用层间耦合形成特有的电路元件，实现所需的功能，因而在电路形式上有很大的灵活性。3）采用了垂直微波互连技术，减小了微波电路的平面面积，元器件面积与电路基板面积之比可大于1。4）采用垂直微波互连技术缩短了微波元器件之间的互连长度，减小了寄生效应，提高了电性能。2.三维微波LTCC多层互连基板技术三维微波LTCC互连基板表面传输线一般采用微带线（MS），中间层采用带状线（SL），其三维互连结构如图10所示，中间地层既是微带线地层，也是带状线上层地，带状线下层地即为背面地。图10MS－SL三维互连结构示意图采用三维电磁场仿真软件HFSS连接微带线与带状线的RF孔穿过中间层地时，中间地层需开孔，其直径为d。在RF孔周围设置接地孔，连接中间层微带线地（即带状线上层地）与带状线下层地，可有效抑制辐射损耗，接地孔与RF孔中心距为D。传输线与RF孔相连处为宽度为S的正方形盘，比传输线宽度略宽，以补偿RF通孔带来的电感效应。针对中间地层开孔直径d、接地孔与RF孔中心距D传输线与RF孔相连处宽度S和接地孔6数量进行了仿真和优化。分别改变d、D和S个参数及接地孔数量可以得到一系列仿真结果，经过优化的典型的仿真结果如图11所示。图11优化后的典型仿真结果实物样件照片和实测结果如图12所示。从实测结果来看，与仿真结果基本吻合，而且在13GHz以下损耗均小于1dB，可以满足微波组件的应用要求。图12微带线－带状线三维互联结构实物样件和实测结果3.二维微波多芯片组件之间的三维垂直微波互连技术二维微波多芯片组件之间的三维垂直微波互连技术既要实现二维微波多芯片组件之间在垂直方向的高微波性能互连，又要满足小型化、轻量化和高密度要求。传统的垂直焊接互连方式要求的连接间距很大，而且不易安装和拆卸，不能满足高密度微波组件立体组装的要求。新型的毛钮扣连接器内导体为镀金钨丝，有一定弹性，将其装入支撑介质，与上、下层基板压紧固定，接触电阻仅为1mΩ，是实现多块微波多芯片组件基板上的导体高密度和高质量互连的有效方法。这种毛纽扣连接器不仅是优良的微波连接器，而且是大电流的直流连接器。我们研究采用这一方式实现了二维微波多芯片组件之间的无焊接垂直互连。通过三维电磁场仿真设计软件HFSS建立模型、仿真并优化结构参数，获得了良好的电气性能。仿真模型和毛纽扣三芯和同轴试验件如图13所示。7图13毛纽扣试验件三维模型和毛纽扣三芯和同轴试验件同轴毛纽扣样件测试结果如图14所示。从图中可以看出，在10GHz时同轴毛纽扣插入损耗为0.23dB/cm，满足三维微波组件工程应用的要求。图14毛纽扣试验件实测曲线四.微波组件系统级组装（SIP）技术微波组件系统级组装（SIP，System-in-a-package）技术是在一块多功能电路基板（壳体）上集成包含有微波电路、低频控制电路、数字电路和电源等的系统组装技术。SIP技术在组装中大量采用系统/子系统级多芯片组装等新技术，使微波组件向着具有完整的系统或子系统功能、小型化、高密度、宽工作频带、高速度、较少的外互连线等方向发展。一个完整的SIP方案应当是功能与高密度封装微小型化的整合结果。这个方案中包括超高密度的细线排布和全局互连、新组分基板材料、在一个基板中埋植射频无源器件、SOC及高密度组装。SIP技术是先进新颖的系统级微组装技术，几乎包含了当今全部的先进组装工艺。是“昀好”的芯片集成技术和“昀先进”的封装技术的合成。采用SIP技术研制的数字化接收/发射子系统组件，可以将由混频器、滤波器、放大器和级联在两级功率放大器前的驱动放大器组成的微波接收/发射部分，与由FPGA/ASIC实现的并串转换、串并转换、数模变换发射阵列和接收机AD变换器等数字接收/发射部分集成在一起，使其控制和数据输入输出都是数列式的。数字化接收/发射子系统组件是实现下一代数字阵列雷达（DAR，DigitalArrayRadar）的关键，对于大幅度提高雷达的技术性能和可靠性发挥了重要作用。由于SIP微波组件应用平台的扩展和可靠性要求的提高，对其气密性要求日益迫切，采用的封装形式也呈多样化，如局部气密封装等，如图15所示。8图15SIP组件封装形式多样化五.微波组件微组装技术的应用1.微波多芯片组件技术在微波通讯系统中的应用微波多芯片组件广泛应用在雷达、通讯和导航系统等电子装备的微波/射频前端中，昀典型的应用是在微波通讯系统中的应用。微波通讯系统需要大量微波/射频前端来实现调制微波信号的发射和接收。微波多芯片组件技术以其组装高密度、高工作频率、高可靠性、微小型化外形、模块化功能等优点，成为研制生产微波/射频前端的首选，并得到越来越广发的应用。图16是某微波多芯片组件内部图。图16微波多芯片组件内部图2.三维立体组装技术在新一代机载相控阵雷达中的应用采用三维立体组装技术研制的机载相控阵雷达三维T/R组件，如图17所示；不仅缩短了组件长度，从而大大减小了阵面厚度，减轻了阵面重量，而且减少了有源阵面结构设计的很多限制。例如，天线阵面和冷板可以设计为整体结构，对结构设计和加工制造带来极大的便利，成本也将显著减少。图17三维立体组装T/R组件采用三维T/R组件的新一代先进有源电扫天线阵面如图18所示。图中，利用微波电路三维立体组装技术将辐射单元和众多的有源器件集成在一块基板上，省掉辐射单元和T/R组件之间电气连接，从而减小损耗和噪声。9图18目前雷达有源电扫阵面和新一代先进有源电扫阵面不仅组件的重量可以减轻，而且组件可以贴在天线阵面上，天线阵面和冷板可以设计为整体结构，为结构设计和加工制造带来极大的便利，阵面重量将大大减轻，成本也将显著减少。此外，有源阵面的结构更为紧凑、外形更为灵活，有利于共形、隐身、共口径设计以及实现宽带性能等。3.SIP技术在星载合成孔径相控阵雷达（SAR）中的应用星载SAR具有在太空轨道对地球目标进行观测和成像的功能，在军民用领域得到越来越广泛的应用。新一代星载SAR的分辨率越来越高（已能达到亚米级），功能越来越强，设备体积也越来越庞