高集成度射頻前端組裝技術(shù)的研究

涂中華 程浩然 王偉

摘 要：本文對(duì)雷達(dá)及其硬件系統(tǒng)組成發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了概述，闡述微組裝技術(shù)是高集成度射頻前端研制的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)論述了微組裝技術(shù)類型和微組裝工序，最后對(duì)射頻前端微組裝的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：射頻前端;雷達(dá);微組裝

0引言

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的快速發(fā)展，以及后摩爾定律的芯片制造工藝的出現(xiàn)，以片上系統(tǒng)（SoC）和系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）等技術(shù)為基礎(chǔ)的電子系統(tǒng)正朝著高密集成、高功率密度、高使用頻帶、多功能等方向快速發(fā)展。作為復(fù)雜電子系統(tǒng)的雷達(dá)，體制、系統(tǒng)架構(gòu)等方面也隨著技術(shù)發(fā)展和作戰(zhàn)需求的變化，向著二維有源相控陣方向發(fā)展。

二維有源相控陣?yán)走_(dá)中，射頻前端通道數(shù)量多，并且雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生和放大、回波信號(hào)的接收和采集均由射頻前端完成，射頻前端直接對(duì)雷達(dá)的性能和成本起著決定性的作用。在二維有源相控陣?yán)走_(dá)中，射頻前端直接安裝在天線陣面上，因而對(duì)射頻前端的體積和重量等方面都提出了很高要求[1]。

1微組裝技術(shù)類型

射頻組件微組裝技術(shù)（Microcircuit Packaging Technology，MPT）是將MMIC、HMIC、ASIC等集成電路裸芯片、薄/厚膜混合電路、微小型表面貼裝元器件等進(jìn)行高密度地安裝和互連，構(gòu)成高密度、高速度/高頻率、高可靠性、小型化、多功能模塊化電子產(chǎn)品[2]。目前高密度射頻前端的裝配均采用了微組裝技術(shù)。微組裝技術(shù)根據(jù)裝配維度可分為平面微組裝技術(shù)和3D微組裝技術(shù)[3]。

1.1平面微組裝技術(shù)

平面微組裝技術(shù)多用于對(duì)散熱量大、需控制成本的小型化射頻前端設(shè)計(jì)制造。平面微組裝是指利用微組裝技術(shù)在二維平面進(jìn)行裝配，將多個(gè)裸芯片，電阻、電容等元器件高密度地安裝并互連在多層布線PCB、厚膜多層陶瓷基板或薄膜多層基板上，整體封裝起來(lái)。

平面微組裝其特點(diǎn)是基板內(nèi)部無(wú)元器件各類元器件均安裝于基板表面，多層基板內(nèi)部印刷或刻蝕用于互連的連線通過(guò)通孔與表面元器件相連以實(shí)現(xiàn)元器件的連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 3D微組裝技術(shù)

3D微組裝技術(shù)多用于對(duì)體積要求較為苛刻的射頻前端設(shè)計(jì)制造。3D微組裝技術(shù)相對(duì)于平面微組裝技術(shù)，其在Z軸進(jìn)行元器件或基板的堆疊裝配，從而具有更高的裝配密度。典型的3D微組裝形式有埋置型、有源基板型和堆疊型三種類型[4]。

1.2.1埋置型3D結(jié)構(gòu)

埋置型3D結(jié)構(gòu)作為后布線的芯片互連技術(shù)，減少焊點(diǎn)，提高電子產(chǎn)品可靠性的電子封裝技術(shù)。其可分為基板開(kāi)槽埋置型和多層布線介質(zhì)埋置型，在混合集成電路的多層布線中埋置R、C元件已經(jīng)普遍，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2有源基板型3D結(jié)構(gòu)

在有源Si基板再多層布線，上面再安裝多芯片，就可形成有源基板型3D微組裝，從而以立體封裝形式達(dá)到了WSI（Wafer Scale Integration晶圓規(guī)模集成）所能實(shí)現(xiàn)的功能。它的主要優(yōu)點(diǎn)，一是工藝與一般半導(dǎo)體IC工藝相同，從而可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn);二是Si基板與其上面安裝的芯片能達(dá)到應(yīng)力完全匹配，從而使電子產(chǎn)品有更高的可靠性。

1.2.3堆疊型3D結(jié)構(gòu)

堆疊型3D，是將芯片、MCM或WSI無(wú)間隙的層層疊裝而成。最常見(jiàn)的裸芯片堆疊3D封裝是先將生長(zhǎng)好凸點(diǎn)的芯片倒扣焊接在薄膜載體上，這種薄膜載體的材質(zhì)為陶瓷或環(huán)氧玻璃，上面有導(dǎo)體布線，內(nèi)部互連焊點(diǎn)，兩側(cè)有外部互連焊點(diǎn)，再把多個(gè)薄膜載體疊裝互連。圖3為典型堆疊型3D微組裝結(jié)構(gòu)圖，POP的兩層器件之間通過(guò)焊接方式連接，省去了中間的引線，實(shí)現(xiàn)整體封裝體積不變的情況下增加封裝密度。

2微組裝工序

微組裝工序分為前道和后道工序，前道工序主要包括材料制備和基板制造（厚膜基板、薄膜基板、混合基板等）;后道工序主要包括元器件焊接、清洗、裝配、殼體密封等工序。

2.1前道工序

前道工序主要為材料制備和基板制造，其中基板制造的技術(shù)主要分為厚膜技術(shù)（絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)等）和薄膜技術(shù)（鍍膜、光刻、刻蝕等），根據(jù)相應(yīng)技術(shù)制作出的基板分別稱為厚膜基板、薄膜基板和混合基板，低溫共燒陶瓷（LTCC）基板是近年來(lái)在高集成度射頻前端中大量應(yīng)用的基板。

LTCC基板是利用陶瓷材料和厚膜集成工藝制成的基板，在多層LTCC基板內(nèi)部可埋置無(wú)源元件、控制信號(hào)線、電源線等，圖4是多層LTCC基板制造的工藝流程，主要有流延、單板處理、層壓、燒結(jié)等。

2.2后道工序

后道工序主要進(jìn)行元器件與基板等的電氣互連與裝備，包括元器件焊接、清洗、殼體密封等工藝。典型微組裝后道工序工藝流程圖如圖5所示，微組裝工藝按照溫度從高逐步到低進(jìn)行操作，對(duì)不同元器件根據(jù)要求不同需采用不同裝配工藝，如散熱要求高的芯片進(jìn)行焊接時(shí)采用共晶焊接，散熱要求低的采用導(dǎo)電膠進(jìn)行粘結(jié)，一般按照共晶焊、粘結(jié)、鍵合、密封的次序，當(dāng)進(jìn)行共晶焊等有助焊劑或殘留物等工藝處理后應(yīng)進(jìn)行清洗，每一種工藝完成后應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)。

3結(jié)語(yǔ)

射頻前端是雷達(dá)整機(jī)企業(yè)生存的支撐點(diǎn)，相控陣?yán)走_(dá)射頻前端通道數(shù)量多，二維相控陣?yán)走_(dá)射頻前端的通道數(shù)量少則數(shù)千，多則上萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)，在雷達(dá)研制的成本中占比達(dá)到50%以上。目前大部分高集成度射頻前端還是采用的平面微組裝技術(shù)，隨著3D微組裝技術(shù)的日漸成熟，高密度組裝散熱技術(shù)難點(diǎn)的突破，射頻前端的體積會(huì)更進(jìn)一步縮小。

參考文獻(xiàn)

[1] 王小謨，張光義，王德純，等.雷達(dá)與探測(cè)（2版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2] 胡明春，周志鵬，高鐵.雷達(dá)微波新技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 李吉浩，戴揚(yáng)，施鶴年，等.微型片式收發(fā)組件技術(shù)研究[J].微波學(xué)報(bào)，2016，32（6）：31-34.

[4] 吳金財(cái)，嚴(yán)偉，韓宗杰.微波毫米波多芯片模塊三維互聯(lián)與封裝技術(shù)[J].微波學(xué)報(bào)，2018，34（2）：61-64.