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小型化、高密度微波组件微组装技术.pdf

上传人:HR专家 文档编号:5900676 上传时间:2019-03-20 格式:PDF 页数:11 大小:1.01MB
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1、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

2、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4050 、重量减少2030 。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

3、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

4、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、5 器件内置器件堆叠装配(PiP ,Packagein Package ) 图6 元器件堆叠装配(PoP ,Package on Package ) 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 、0100

6、5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MMC

7、M 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W

8、B 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1261.5mm 3 , 带宽达到了1.6GH

9、z,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9 3D-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

10、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

11、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10 MS 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。

12、 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

13、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1m , 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

14、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S

15、IP 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

16、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15 SIP 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, 最 典型的应用是在微波通讯系统中的应

17、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

18、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

19、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 射系统及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19 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。 图19

20、应用于星载MTI/SAR 雷达的多芯片子系统 组件 4. 微组装技术在电子整机中的应用 微组装技术是在SMT 和混合集成技术基础上发展起来的新一代电子组装和互联技术, 即以多芯片组件(MCM )和3D 组装技术为代表的新一代微组装技术,是电子整机实现模 块化、智能化、复合化、高频率和在有限空间内实现组装功能高度综合集成的的根本途径。 微组装技术是综合应用高密度互联基板技术、 多芯片组件技术、 系统/ 子系统组装技术、 3D 组装技术等关键工艺技术,把构成电子电路的各种微型元器件(集成电路芯片和片式元 器件) 组装起来, 形成3D 结构的高密度、 高性能、 高可靠、 微小型和模块化电路产品的先

21、进电子装联技术。 图20 是多层多功能LTCC-M 电路。体积为25203mm 3 ,实现自直流电源至高速数字10 逻辑电路、 模拟电路 (包括中频电路) 、射 频/ 微波元件, 直至天线的全集成。 能在金属板的 两侧分别烧结陶瓷电路板; 射频元器件、 部件 (包括贴片天线) 位于顶部, 低频、 直流及控 制电路制于底部,实现收发(分系统)的全集成,工作频率可达毫米波段。 图20 多层多功能LTCC-M 电路 图21 是工作于V 波段(60GHz )的HTCC-MCM 电路,由四层金属化电路层(厚度均 为1.05mm ) 和三层氮化铝 (AlN ) 组成。 图14 所示多功能HTCC-MCM

22、电路的AlN 介于电 路层之间。每层面积均为2116mm 2 。最上层电路层为发射组件,包含X 波段、Ka 波段 和 V 波段放大器(均为MMIC ) 、 X 波段压控振荡器、X 波段到Ka 波段的三倍频器以及Ka 波段到V 波段的谐波混频器等; 第三层电路层为接收组件,包含V 波段低噪声放大器、 镜 频抑制分谐波平衡混频器和中频放大器等; 第二层为射频接地, 隔离、 屏蔽收、 发层。 每层 电路的连接点均引于该层边缘,通过边缘局部较高温度烧结,获得可靠的连接。 图21 多功能HTCC-MCM 电路 MEMS 把硅/ 锗有源器件 、 微加工元件与MEMS 器件集成到一块晶片中, 将集成电路和

23、单片微波集成电路相兼容, 广泛应用于无线通信领域, 诸如手机、 无线接入、 全球定位系统 和蓝牙技术。在美国被国防部先进技术署(DARPA )确定为美国高技术领域的优先发展的 新技术。 目前很多电子研究所把微组装技术(MPT )作为电子产品小型化的关键技术予以突破, 这无疑是正确的。 微组装技术通常应用于高频和超高频以上的板级电路模块, 一则并不能完 全替代全部的板级电路组装技术和整机与系统的装联技术, 例如射频电缆组件和多芯电缆组 件,二则周期长成本高;把MPT 和“ 微焊接” 在DFM 的构架下进行有机的整合,从而实现11 电子产品高密度、高性能、高可靠、微小型和模块化不失为最佳途径。 图

24、22 微波接收机 六.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 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向发展, 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。 引用文件及参考文献: 【1 】 仲里等 中国电子科技集团公司 电子装联焊接工艺质量控制要求 (GF 报告) , 2011.12 . 【2 】陈正浩 等.微波电路电气互联新技术研究(GF 报告).中国国防科工委,2003 . 【3 】严伟等.DefenseManufacturingTechnology 小型化、高密度微波组件微组装技术及其应 用2009.10. 第5 期.

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