毫米波有源相控陣射頻前端集成制造技術(shù)

謝義水

（中國電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

有源相控陣射頻前端是毫米波雷達(dá)、導(dǎo)引頭等裝備的關(guān)鍵部件，包括相控陣天線陣面、TR組件、控制電路以及散熱系統(tǒng)等。在有源相控陣射頻前端設(shè)計(jì)制造過程中面臨著諸多實(shí)際問題，例如，如何實(shí)現(xiàn)在設(shè)備功率成倍增長的同時(shí)減小設(shè)備的體積；如何解決電子器件高密度集成設(shè)計(jì)以及產(chǎn)生的熱量通過何種方式散失等。有源相控陣射頻前端的功能實(shí)現(xiàn)不僅取決于射頻前端的設(shè)計(jì)要素，而且在更大的程度上取決于這些設(shè)計(jì)要素的工藝集成方式。有源相控陣射頻前端制造工藝復(fù)雜，具有極強(qiáng)的集成制造特點(diǎn)，更高效的集成制造技術(shù)開發(fā)和新型材料的合理應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)一體化有源相控陣射頻前端的關(guān)鍵。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國、德國、法國等發(fā)達(dá)國家在有源相控陣射頻前端集成制造技術(shù)上居于領(lǐng)先地位。美國德州儀器公司曾開發(fā)出了Ka頻段4×4發(fā)射子陣，陣元間距為0.8倍發(fā)射波長，結(jié)果顯示其4位PIN二極管移相器插損4.5dB，陣元發(fā)射功率100mW，饋電網(wǎng)絡(luò)的插損5dB[1]。德國IMST公司開發(fā)的基于LTCC的Ka頻段8×8瓦片式智能天線終端，共17層，其中11層集成了混頻器、濾波器以及功放等，其余6層主要為液體冷卻系統(tǒng)，封裝結(jié)構(gòu)合理，集成制造方式有效[2]。法國Thales公司開發(fā)的8×8數(shù)字接收瓦片模塊，包括電源、控制以及光學(xué)接口等組件，整個(gè)厚度100mm，重量尚不足8kg，達(dá)到了小型化集成制造技術(shù)上的領(lǐng)先水平[3]。

在多功能芯片集成制造技術(shù)進(jìn)展方面，歐洲于2005年曾提出將多個(gè)MMICs和數(shù)字控制電路集成于一體，并研制通用性良好的 “內(nèi)核模塊”，集中完成傳統(tǒng)TR組件的收發(fā)開關(guān)、幅相控制等功能[4]。另外，荷蘭TNO物理與電子實(shí)驗(yàn)室此前開發(fā)出了一款X波段TR芯片，集成了衰減器、移相器、射頻開關(guān)、功放等功能，采用的是0.2μmpHEMT工藝，達(dá)到了較高的集成水平[5]；諾格與雷聲公司先后開發(fā)出了各自的Ka波段多功能芯片，集成度較高，經(jīng)濟(jì)性較好[6]。

2006年，Raytheon公司研制成功一款擁有600個(gè)發(fā)射單元、35GHz、低成本的二維有源相控陣導(dǎo)引頭樣機(jī)，它采用單片集成TR組件，單個(gè)有源發(fā)射單元的成本只需要30美元[7]。

綜合國外相關(guān)射頻前端集成制造技術(shù)研究成果和未來技術(shù)發(fā)展趨勢，以及面臨的實(shí)際工程問題，將多種MMICs芯片進(jìn)一步集成，進(jìn)而使TR組件中的芯片種類、數(shù)量減少，從而達(dá)到增加系統(tǒng)集成度的要求；開發(fā)更有效的立體封裝技術(shù)和進(jìn)行相關(guān)新型材料的研究，從而解決射頻前端高性能和小型化的矛盾；采用低成本材料和工藝，降低價(jià)格，從而拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域等等，是毫米波有源相控陣射頻前端集成制造的關(guān)鍵技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 立體組裝技術(shù)

在毫米波有源相控陣陣射頻前端中，“磚塊式”和“瓦片式”是兩種典型的相控陣天線集成形式。其中， “瓦片式”集成的相控陣天線陣列采用分層結(jié)構(gòu)，利用垂直互聯(lián)技術(shù)，熱設(shè)計(jì)空間大，熱沉空間充足，集成度可以做到很高。目前，采用 “瓦片式”相控陣天線形式已成為毫米波有源相控陣射頻前端的主流，主要通過立體組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)其集成制造[8]。

基本 “瓦片”層包括天線陣面層、RF饋電層、DC與控制電路層、冷卻層以及GaAs層。實(shí)現(xiàn) “瓦片式”集成制造的主要工藝是LTCC技術(shù)，利用經(jīng)過預(yù)先加工、具有特定形狀的生瓷片，層層鋪疊，等靜壓壓合，經(jīng)過最終燒結(jié)制得內(nèi)部含復(fù)雜腔體的多層垂直互聯(lián)射頻電路。LTCC腔體可以為射頻電路模塊中的元器件提供物理支撐和傳熱通道，并具有良好的高頻性能。

LTCC封裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)射頻前端集成制造的有效途徑，例如，德國IMST公司利用LTCC技術(shù)制造了復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的8×8共64單元Ka頻段有源相控陣天線，天線陣面位于最上層，冷卻液進(jìn)出口、直流電源連接器位于最底層，中間層則針對每一個(gè)天線子陣安置有射頻芯片組、功放、混頻器和濾波器。

LTCC封裝技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)在于多層電路內(nèi)部陶瓷腔體的制備工藝十分復(fù)雜而精細(xì)。特別是當(dāng)射頻前端中的多數(shù)元器件需要預(yù)埋在多層電路中時(shí)，鋪層之間的壓力、燒結(jié)時(shí)間和溫度都需慎重考量，以防止對元器件造成破壞。更為重要的是，垂直互聯(lián)層與層之間需要保持較高的匹配精度。

在LTCC封裝體制備完成以后，將中頻、直流電源依次焊接組裝，并把每個(gè)天線單元下面的信號傳輸通道與射頻芯片之間進(jìn)行微組裝，經(jīng)封裝實(shí)現(xiàn)射頻前端的立體組裝。

2.2 先進(jìn)封裝材料

金屬基復(fù)合材料既可以發(fā)揮基體材料的優(yōu)良性能，又可以兼具其組元材料的特性，充分發(fā)揮各組元材料的協(xié)同作用，材料的設(shè)計(jì)自由度很大。常用的基體包括銅和銅合金以及鋁和鋁合金。目前，為滿足裝備輕量化要求，擬可應(yīng)用的鋁基復(fù)合材料主要有Al/SiC復(fù)合材料和Al/Si復(fù)合材料。

Al/SiC復(fù)合材料由30%～70%的SiC顆粒和鋁或鋁合金組合而成，其CTE（熱膨脹系數(shù)）可以通過SiC的含量進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)SiC含量達(dá)到70%時(shí)，復(fù)合材料的CTE為7.0×10-6（K-1）左右、 TC（導(dǎo)熱系數(shù)）為 170W（m-1k-1）左右，與芯片或陶瓷基片的熱匹配性良好，同時(shí)提供了十分優(yōu)異的導(dǎo)熱能力。由于鋁和SiC的密度都很小，所以其復(fù)合材料的密度也很小，Al/70%SiC的密度僅為2.79g/cm3。但是Al/SiC復(fù)合材料加工工藝性差是工程應(yīng)用的障礙

Al/Si復(fù)合材料的 CTE 在 7.4×10-6（K-1）左右、 25℃下TC為120W（m-1K-1）左右，密度約為2.4g/cm3，完全滿足輕質(zhì)化的要求。高硅含量的Al/Si復(fù)合材料制備技術(shù)起步較晚，工藝技術(shù)不夠成熟。通常情況下，經(jīng)過噴射沉積成型以后并不能直接獲得結(jié)構(gòu)致密的產(chǎn)品，需要后續(xù)的熱等靜壓處理后才能消除，這無疑會(huì)增加工藝復(fù)雜度，不利于節(jié)約成本。

射頻前端工作環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，其封裝材料除了具備基本的物理性能、加工性能以外，還要能夠抵御各種環(huán)境條件（濕熱、鹽霧等）的侵蝕，以滿足裝備的環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.3 熱路設(shè)計(jì)

在射頻前端中，由于受到相控陣天線 “半個(gè)波長陣元間距”的限制，TR組件結(jié)構(gòu)尺寸有限，內(nèi)部布局十分緊湊，工作時(shí)組件的熱流密度非常大。據(jù)報(bào)道，功率晶體管的結(jié)溫每增加10℃，其可靠性就會(huì)下降60%。因此，科學(xué)的熱路設(shè)計(jì)在射頻前端集成制造中占有重要的地位。目前，使用較多的是液冷傳熱模式，具體可以分為浸沒冷卻和間接流體冷卻等方式，考慮設(shè)備使用壽命和液體對組件的腐蝕作用，間接流體冷卻更為流行。其中最經(jīng)濟(jì)有效的冷卻液是水，但通常在需水中加入不同比例的乙二醇，降低冷卻液的冰點(diǎn)，以滿足裝備低溫工作環(huán)境適應(yīng)性要求。

液冷技術(shù)發(fā)展較為成熟，很多項(xiàng)目中都已經(jīng)處于使用階段。相控陣射頻前端TR組件冷卻液流道優(yōu)化設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，需要利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)簡化冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體的冷卻液流量需要綜合考慮散熱需求和液泵功率來確定。TR組件殼體和冷板在同一塊基板上數(shù)控銑削而成，從易于加工的角度考慮，冷板的冷卻液流道一般選擇方形結(jié)構(gòu)，位置選在熱源下方，并采用蛇形走向，以降低冷卻劑壓力損失。冷卻液蓋板采用精密焊接封裝并進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)和耐壓測試，以防止冷卻液泄露腐蝕設(shè)備。

目前，液冷技術(shù)面臨的問題主要有冷卻液對設(shè)備的腐蝕和冷卻液泄漏問題，影響了射頻前端的可靠性和使用壽命。值得注意的是，液冷接頭選擇不當(dāng)增加了冷卻液腐蝕射頻前端的可能性。經(jīng)嚴(yán)格的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證，國產(chǎn)液冷接頭的密封性尤其是低溫密封性優(yōu)、綜合性能好，已取得了良好的工程應(yīng)用效果，替代了進(jìn)口器件。

未來，需要自主開發(fā)應(yīng)用新的自冷卻技術(shù)，以完全取消射頻前端笨重的冷卻液動(dòng)力機(jī)構(gòu)，達(dá)到進(jìn)一步減輕系統(tǒng)重量，提高射頻前端可靠性和降低生產(chǎn)成本的綜合要求。

2.4 芯片技術(shù)

相控陣射頻前端需要應(yīng)用多種專用芯片（MMICs），來完成諸如收發(fā)放大、收發(fā)切換、幅相控制以及數(shù)字移相等重要功能。由于多個(gè)芯片互聯(lián)時(shí)組裝連線的損耗、電磁耦合效應(yīng)等對單個(gè)芯片的指標(biāo)要求較高，需要相應(yīng)的余量；而且不同功能的芯片之間互聯(lián)需要消耗大量的輔助材料，微組裝工序復(fù)雜，組裝成本較高；另外，相控陣射頻前端需求的芯片數(shù)量大，裝備成本權(quán)重大。因此，若能將多種芯片進(jìn)一步集成，形成多功能芯片，便可使相控陣射頻前端TR組件中芯片種類、數(shù)量減少，從而達(dá)到增加系統(tǒng)集成度的要求。

多功能芯片通過避免芯片間互聯(lián)、減少芯片數(shù)量的方式可以節(jié)約空間；由于不需要考慮芯片間連線損耗、電磁耦合效應(yīng)的影響，所以不用為芯片設(shè)定過高的技術(shù)指標(biāo)，節(jié)約了研發(fā)成本。所以，開發(fā)能夠?qū)⒍鄠€(gè)芯片功能集成于一體的多功能芯片技術(shù)，尤其對于毫米波相控陣射頻前端具有巨大的技術(shù)價(jià)值。

將多種專用芯片高度集成為多功能芯片的工藝難點(diǎn)在于：需要在同種工藝條件下，在同種基片材料上完成多種芯片結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)。實(shí)際上，針對不同的芯片功能，傳統(tǒng)工藝總是選擇最佳的工藝條件以及基片材料。這就意味著多功能芯片的集成需要在工藝選擇和相關(guān)電路性能上進(jìn)行綜合考量，進(jìn)而權(quán)衡出一種折中方案。在這種前提下實(shí)現(xiàn)芯片性能的優(yōu)化是十分困難的。同時(shí)，由于集成密度更高，設(shè)計(jì)困難也更大。為了解決這一矛盾，未來的發(fā)展趨勢在于開發(fā)新的兼具較高功率性能和低噪聲性能的材料，同時(shí)綜合應(yīng)用多種相容工藝在同一基片上制作功能器件，如在GaAs襯底上制作pHEMT管芯和MEMS元件[9]。

3 發(fā)展與展望

為應(yīng)對有源相控陣?yán)走_(dá)、導(dǎo)引頭等毫米波裝備向多功能、高性能、大功率、小型化方向發(fā)展需求和裝備高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性總體要求，在解決好立體組裝技術(shù)、先進(jìn)封裝材料應(yīng)用、熱路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)封裝和綜合集成將成為毫米波有源相控陣射頻前端集成制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3.1 系統(tǒng)封裝

系統(tǒng)封裝（system in package，SIP）是指將多個(gè)具有不同功能的電子元器件，組裝成為可以提供多種功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件。所以，對于SIP而言，在單一的模塊內(nèi)需要集成不同的有源芯片和無源元件、非硅器件、MEMS元件等。

SIP可以實(shí)現(xiàn)不同工藝、材料制作的芯片封裝形成一個(gè)系統(tǒng)，它具有良好的抗機(jī)械和化學(xué)腐蝕的能力以及高的可靠性[9]。面向有源相控陣射頻前端需求，SIP的技術(shù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)毫米波電路、組件乃至整機(jī)的模塊化、固態(tài)化、小型化和高性能化。而未來更先進(jìn)的SIP，將可以利用窄節(jié)距的倒裝芯片以及穿透硅片的互連（TWEI）形成新的一級互連；可以利用高性能的新型高密度有機(jī)功能基板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維芯片堆疊和封裝堆疊以及芯片、封裝和基板的SIP共同設(shè)計(jì)。

3.2 綜合集成

有源相控陣射頻前端需要多種集成技術(shù)。例如，多功能芯片集成技術(shù)，可以將多種功能集成在一塊芯片上，提高了空間利用率并且降低了成本；通過垂直互聯(lián)技術(shù)將整個(gè)天線發(fā)射單元和TR組件、回饋電路等集成在一起，提高了可靠性。

為更好地解決好有源相控陣射頻前端高性能與小型化間的矛盾，保證裝備可靠性，應(yīng)采用綜合集成制造方式將相控陣天線、TR組件和冷卻裝置等統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，以有效地利用空間，提高系統(tǒng)的兼容性，實(shí)現(xiàn)有源相控陣射頻前端的高度集成化，并達(dá)到合理安排制造過程中焊接、組裝等工藝流程，進(jìn)一步降低成本的綜合要求[10]。

4 結(jié)束語

近年來，美國、德國、法國等發(fā)達(dá)國家各種高性能相控陣?yán)走_(dá)、導(dǎo)引頭等裝備不斷問世，其在有源相控陣射頻前端技術(shù)領(lǐng)域取得了極大發(fā)展。毫米波有源相控陣射頻前端制造工藝集成度高，其中多功能芯片技術(shù)、立體組裝技術(shù)、熱路設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)制約著裝備性能和可靠性的提高。多功能、高性能、集成化和高可靠的有源相控陣裝備總體要求，的系統(tǒng)級封裝、一體化綜合集成制造技術(shù)是有源相控陣射頻前端新的需求。

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