轉自高可靠電子裝聯技術 嚴偉

摘要：微組裝技術是實現電子整機小型化、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；系統級組裝

引言

現代軍、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，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展，對組裝和互聯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。從組裝技術的發展的規律來看，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，滿足現代電子武器裝備小型化、輕量化、數字化、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級組裝的發展過程。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，有利于實現組件或子系統的額高集成化、高頻和高速化，以及實現電子組裝的高密度、小型化和輕量化。

在傳統的MMCM中，采用金絲鍵合來實現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、金絲根數和鍵合一致性和重復性等參數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≤2dB，輸入/輸出駐波≤1.9，而且其增益曲線和噪聲系數比較平坦，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微波和直流信號的互連，從而實現完整的電路功能，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多層互連基板表面傳輸線一般采用微帶線（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和接地孔數量進行了仿真和優化。分別改變d、D和S三個參數及接地孔數量可以得到一系列仿真結果，經過優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以下損耗均小于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。傳輸的垂直焊接互連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、微波組件系統級（SIP）技術

微波組件系統級組裝（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、數字電路和電源等的系統組裝技術。SIP技術在組裝中大量采用系統/子系統級多芯片組裝等新技術，使微波組件向著具有完整的系統或子系統功能、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技術研制的數字化接收/發射子系統組件，可以將混頻器、濾波器、放大器和級聯在兩級功率放大器前的驅動放大器組成的微波接收/發射部分，與FPGA/ASIC實現的并串轉換、串并轉換、數模變換發射陣列和接收機AD變換器等數字接收/發射部分集成在一起，使其控制和數據輸入輸出都是數列式的。數字化接收/發射子系統組件是實現下一代數字陣列雷達(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的應用。微波通訊系統需要大量微波/射頻前端來實現調制微波信號的發射和接收，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/發射系統級微波組件成為降低衛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組件。

5、小結

微波組件微組裝技術是實現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級微組裝技術近年來的發展迅速，應用廣泛，并發揮了巨大作用。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揮更大的作用。

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