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小型化、高密度微波组件微组装技术及其应用
上传更新:2021-11-26

转自高可靠电子装联技术 严伟

 

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及技术、三维立体组装技术和系统及组装技术及其研究进展,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主要应用。

关键词:微波组件;微组装技术;微博多芯片组件;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。从组装技术的发展的规律来看,组装密度没提高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(MMIC)、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。本文详细介绍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等微组装技术的最新研究进展,并简要介绍微波组件微组装技术在新一代雷达和通讯等系统中的主要应用。

 

1、微波多芯片组件(MMCM技术)

MMCM技术是在HMIC技术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板的基础上,将多个MMIC芯片,专用集成电路(ASIC)芯片和其他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额高集成化、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),具有如下特点:1)互连线短,互连产生的杂散电容、互联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。

我们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、以及电控衰减器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12×6×1.5立方毫米,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,完全满足技术指标要求。

 

2、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3D-MMCM。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2所示。

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,减少了微波电路的平面面积,元器件面积与电路板面积之比可大于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,见笑了寄生效应,提高了电性能。

 

2.1三维微波LTCC多层互连基板技术

三维微波LTCC多层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3所示,中间地层既是微带地层,也是带状线上层地,带状线下层地即为背面地。

 

 

采用三维电磁场仿真软件HFSS链接微带线和带状线的RF孔穿过中间层地时,中间层需开孔,其直径为d。在RF孔周围设置接地孔,连接中间层微带状线地(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。

针对中间层地层开孔直径d,接地孔与RF孔中心距D、传输线与RF孔相连处宽度S和接地孔数量进行了仿真和优化。分别改变d、D和S三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4所示。实物样件照片和实测结果如图5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。

 

2.2 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能互连,又要满足小型化、轻量化和高密度要求。传输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。新型的毛纽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、下基板压紧固定,接触电阻仅为1毫欧,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建立模型和毛纽扣三芯和同轴试验件如图6所示。

 

同轴毛纽扣样件测试结果如图7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。

3、微波组件系统级(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“最好”的芯片集成技术和“最先进”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,Digital Array Radar)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,如局部气密性等(如图8所示)。

 

4、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,最典型的应用是在微波通讯系统的应用。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,并得到越来越广泛的应用。图9是某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10所示),不仅缩短了组件长度,从大大减小了阵面重量,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。

采用三维T/R组件的新一代先进有源电扫天线阵面如图11所示。图中,利用微波电路三维立体组装技术将辐射单元和T/R组件之间电气连接,从而减小损耗和噪声。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大。由于卫星有效载荷的体积和重量受到严格限制,采用SIP技术研制生产星载SAR相控阵天线需要的大量多通道集成化接收/发射系统级微波组件成为降低卫星有效载荷体积和重量的有效途径。图12所示是美国采用SIP技术研制的应用于可跟踪地面移动目标的星载GMTI/SAR雷达的多芯片子系统组件。

 

5、小结

微波组件微组装技术是实现雷达和通信等电子整机小型化、轻量化、高性能和高可靠的关键工艺技术,尤其是微波多芯片组件技术、三维立体组装技术和系统级微组装技术近年来的发展迅速,应用广泛,并发挥了巨大作用。随着电子整机不断向小型轻量化、高工作频率、大工作带宽、超高组装密度,多功能集成和高可靠等方面发展,微波组件微组装技术将在新一代信息化电子装备的研制生产中发挥更大的作用。

 

 

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