微波电路微组装技术

殷晓星东南大学毫米波国家重点实验室2014年5月23日微波电路微组装技术主要内容•一、微波微组装技术的发展•二、微组装工艺•三、微组装工艺与微波性能•四、常用微波元器件微组装工艺•五、微组装的有害微波现象与工艺微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-1微组装技术微组装技术(MicrocircuitPackagingTechnology:MPT)是综合运用特种微波互连基板技术、多芯片组装技术、系统/子系统组装技术、三维立体组装技术，将MMIC/ASIC等集成电路裸芯片、薄/厚膜混合电路、微小型表面贴装元器件等进行高密度地安装和互连，构成的高密度、高速度/高频率、高可靠性、小型化、多功能模块化电子产品的一种先进电子装联技术。组成元器件（芯片）分系统模块分机整机微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-2微系统集成组装与互连在多层印制板上组装元器件而成为电路模块的制造，即印制板级芯片电路组装(COB)芯片与芯片或芯片与封装基板的安装互连，包括电子封装和多芯片组装采用多芯片组装和立体组装技术，形成具有子系统甚至系统功能电路模块(SIP)微组装技术主要研究芯片及以上的组装互连技术（不含芯片制造）微组装技术芯片间互连板级电路互连子系统/系统级互连整机/系统级互连微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-3基础科学电磁场与微波技术电子材料微电子技术机械(设计/组装/焊接）测试、控制光学、热学可靠性工程系统工程基本技术材料技术微波元器件微电子器件基板技术微组装工艺微组装设计微组装设备微组装测试微组装系统及管理板级电路互连模块/组级互连分机/子系统级互连整机/系统级互连微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-4与芯片工艺比较•层次不同：芯片低层微组装上层，前者是后者基础•关注点不同：微组装互连（无源）、芯片功能更多（有源）•有共性：1）都有互连、阻抗匹配、抑制避免干扰、散热等功能要求；2）分析建模方法软件工具类似，都是基于电磁波和微波理论•两者的功能界限：模糊、向上发展（芯片进攻，SOC，但复杂多功能系统，还是微组装，而且对功能的需求也在向更复杂综合方向发展•近30年来，随着信息技术的飞速发展，电子装备应用频率越来越高，微电子技术的发展一直遵循摩尔定律和按比例缩小原理，即每隔三年芯片的集成度翻两翻（增加4倍），特征尺寸缩小三分之一。从而推动微组装技术得到飞速发展。微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-5微组装技术是宽带高频军用电子装备研制生产的共性和关键技术。微组装技术对满足高频、极高频（毫米波）和宽带电路模块的组装要求，缩小电路模块的体积和重量，满足现代电子武器装备小型化、轻量化、数字化、低功耗的要求有重要作用。该技术已广泛应用于机载、星载相控阵雷达T/R组件、导弹导引头、航天计算机用存储和处理器，电子信息对抗系统和装备的宽带低噪声固态微波放大器、滤波器、混频器等电路的组装。微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-1微组装前道后道基板制造材料制备芯片安装互连：粘片、引线键合、倒装焊、清洗…等厚膜基板薄膜基板低温共烧陶瓷基板（LTCC）混合基板封装：气密性封焊软基板微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-2微组装技术特种互连基板技术多芯片组装技术系统/子系统级微组装技术微组装组件测试技术微组装设计技术薄膜基板制造技术厚膜基板制造技术LTCC基板制造技术气密封焊技术高精度芯片贴装技术高精度芯片焊接技术高精度金丝键合技术倒装芯片焊接技术三维立体组装技术基板集成微波功能电路技术数模混合集成制造技术钎焊技术平行缝焊技术激光焊接技术KGD芯片测试技术微组装组件自动测试技术电磁兼容设计技术热设计技术布局布线设计技术整机级组件立体组装设计技术微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-3特种互连基板分类按材料分类陶瓷基复合材料基金属芯基等按工艺分类厚膜基板薄膜基板LTCC基板单层板多层板按导体层数微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-4薄膜电路基板是在基材上采用薄膜淀积、光刻、电镀等工艺方法形成的电子电路基板低温共烧陶瓷基板（LTCC）是在陶瓷和玻璃经低温共烧形成的基材上制成的高密度多层电路基板。低温共烧陶瓷基板由于其优越的介质特性和优良的导电性能，集高密度多层互联、埋置无源元件为一体，将传统的二维电路结构变换为三维立体结构,实现了电路结构的立体化以及无源元件的高度集成，提高了布线密度，大幅减少了引线连接和焊点的数目，使得线路的可靠性显著提高，而被广泛应用于微波电路的制造，是发展最为迅速的电子基板技术。同时LTCC综合了HTCC和厚膜技术的优点，减少了昂贵、重复的烧结过程，提高了效率，降低了成本。微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-5•微波电路系统微组装技术构成•主要包括：•a）芯片、片式元件、SMD的安装技术；•b）金丝球引线键合技术；•c）IC裸芯片的金球凸点制作技术；•d）IC芯片的倒装焊接/粘接技术；•e）倒装IC芯片的下填充技术；•f）LTCC基板与外壳腔壁、PGA引线的一体化封装技术；•g）MCM-C气密性金属封装技术；•h）MCM-C的组装封装基本工艺流程；•i）MCM-C组装封装工艺质量检验和可靠性试验方法。微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-1与传统组装技术相比，立体组装的最大特点就是可以大为减少产品的体积和重量（甚至可以减少９０％），同时改善了电路性能，减少了信号延迟、降低了噪声和功率损耗，提高了运算速度和带宽。随着武器装备不断向小型化、轻量化、高速度发展，采用二维组装技术已经无法满足许多武器装备发展的需求。采用立体组装技术可有效的利用电子装备内有限的空间，增加元器件的组装密度，达到进一步缩小武器装备体积和重量，提高性能的目的。目前已在机载、星载相控阵雷达的接收机模块，以及新型飞机机载电台上获得应用。微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-2LTCC在军事电子领域应用的最大优势：提高频率：较低的介电常数，3.5～5.9，当介电常数减小到4左右，信号延迟时间就可以减小33%以上。增加可靠性：热膨胀系数与GaAs近似，可减小芯片与基板间的热应力，提高组件的可靠性。实现无源集成：可提高组装密度，对于满足高频、高速要求、提高可靠性、降低组装成本都有重要作用。微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-3典型的MCM微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-4立体组装实例微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-5典型微组装产品X波段收发（T/R）组件微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-6武器装备多功能、高性能、高可靠、高机动性要求电子装备小型化、轻量化、多功能、高可靠需求对微组装技术需求迫切微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-7美国“铺路爪”战略目标测量与跟踪相控阵雷达由数万套L波段T/R组件构成的战略目标测量与跟踪相控阵天线可检测数千公里内的各种目标。微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-8星载合成孔径成像雷达(SAR)由数百套L波段T/R组件构成的相控阵天线实现对地目标的成像。微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-9美国导弹驱逐舰载“宙斯盾”系统中的AN/SPY-1多功能相控阵雷达由数千套S波段T/R组件构成的四面阵相控阵天线实现对多批次目标的探测、跟踪及引导打击。微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-10美国第四代战斗机载火控相控阵雷达由数千套X波段T/R组件构成的相控阵天线实现对多批次目标的远距离探测、跟踪。微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-11美国导弹防御系统大型目标搜索与跟踪相控阵雷达由数万套X波段T/R组件构成的球形相控阵天线实现对数千公里外多批次目标的探测、跟踪。微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-1美国Raytheon公司机载有源相控阵天线近15年来采用微组装技术实现小型化发展的历程微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-2基板向具有完整微波电路功能的集成互连基板发展特点：高密度三维结构工作频率扩展到微波/毫米波具有完整电路功能（SIW）带功分器网络的新型高密度互联基板带波导电路的新型高密度互联基板微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-3从单一功能组装向系统级组装（SIP）发展特点：具有完整的系统/子系统功能小型化、高密度工作频带宽、速度快外互连线较少美国Raytheon公司用于地球观察和通讯的SIP组件微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-4从二维平面组装向三维立体组装发展特点：三维高密度互联结构宽频带、多用途具有完整系统/子系统功能相同功能二维和三维微波组件比较图S波段三维T/R组件微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-5从二维平面组装向三维立体组装发展目前雷达有源电扫阵面新一代先进有源电扫阵面微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-6从单通道组装向多通道集成组装发展ActivePanelArray(2010)128ElementTileSubarray微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-7从集成微波组装（IMA）向晶圆级组装（WLP）发展微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-8基于多片MMIC晶圆键合工艺的WLP技术微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-9微组装技术的绿色制造组装与封装技术融合组装与基板技术融合二维组装向三维立体组装的演变与突进具体体现纵观21世纪微组装技术的发展绿色融合三维微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-10绿色清洗、绿色封装、无铅组装等绿色制造技术涉及的应用范围较广，凡是具有电子电路组装、封装和电子元器件加工的单位均需要该技术的有效支撑，大到雷达、导弹、卫星，小到数字化单兵装备等信息化装备，其所应用的元器件和电子电路的制造均急需采用绿色制造技术，绿色制造技术已成为发展的主流。•电子绿色清洗工艺技术是在保证电子元器件、电子电路模块的功能、质量、性能，特别是可靠性的前提下，采用无污染的工艺技术完成产品对清洗工艺的要求。•绿色封装工艺技术是在保证军用大规模集成电路、微波大功率器件、红外焦平面及多芯片组件等军用核心元器件的性能和可靠性的基础上，实现剧毒的流延工艺无害化，减少对人员和环境的危害。绿色清洗绿色封装无铅组装•在电子装备的生产过程中，均大量采用了以Sn/Pb和Sn/Pb合金为基的焊料。铅及其化合物属于有毒物质，从环境保护的责任和市场竞争的需要出发，电子电路组装中无铅化是未来发展的必然趋势。绿色制造是制造技术发展的大趋势。微组装的绿色制造当前优先发展微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-11SOP是芯片上系统（SystemonachipSOC）的‘简化设计’和‘实用设计’，它包含了多芯片组件（multichipmoduleMCM）、多芯片封装（multichippackageMCP）的内容。SOP是二十世纪九十年代提出的一个新概念。这种组装方式有可能导致微小型化，把包含微电子、光电子、数字、模拟、射频、微机电系统集成为单一的组件系统。SOP技术在系统/子系统级组装中大量采用多芯片组件等新技术，使微组装电路组件向着具有完整的系统功能、小型化、高密度、速度快、外互连线少的方向发展。晶圆级封装技术：利用TSV技术和晶圆键合技术实现晶圆级芯片的三维集成，用组装的方法来扩展芯片的功能近年来发展迅猛，也是近几年来组装的热门话题。倒装芯片技术是一种把组装技术融入芯片封装技术的方法，现今已经很难区分倒装芯片制作是封装还是组装工艺技术。微组装技术系统封装技术SystemonapackageSOP晶圆级封装技术WaferLevelPackagingWLP组装与芯片封装的技术融合是一个大的趋势微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-12基板除作为组装载体外，同时承担着传热、导电等作用。目前‘基板’的慨念有拓展，己不是传统意义上的多