一種新穎的Ka頻段T／R組件立體混合集成封裝?

何毅龍

一種新穎的Ka頻段T／R組件立體混合集成封裝?

何毅龍

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

介紹了一種新穎的Ka頻段T／R組件立體混合集成封裝。針對Ka頻段T／R組件高頻率和高密度的特點(diǎn)，提出了一種新穎的多層組裝和雙面密封的立體電路結(jié)構(gòu)，采用軟基片、FR-4等簡單成熟工藝，實(shí)現(xiàn)了Ka頻段M-MCM的混合集成。該封裝具有集成度高、散熱性好和可靠性高等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于Ka頻段二維有源相控陣T／R子陣的工程研制。

Ka頻段；有源相控陣；T／R組件；立體混合集成封裝

1 引言

由于毫米波系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)［1］，近年來，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、制導(dǎo)、通信、識別等領(lǐng)域，其中，Ka頻段二維有源相控陣是應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，相關(guān)文獻(xiàn)報道很多［2-4］。由于頻率極高，天線陣元間距極小，Ka頻段二維有源相控陣T／R組件在電路布局、信號隔離、信號互聯(lián)、熱設(shè)計(jì)、封裝等方面都面臨著嚴(yán)峻的問題［5］。因此，Ka頻段T／R組件的集成封裝一直是Ka頻段二維有源相控陣領(lǐng)域應(yīng)用研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在Ka頻段T／R組件的集成封裝方面，國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)報道很少，主要是一維相控陣T／R組件的相關(guān)報道［6］；國外相關(guān)文獻(xiàn)報道很多，1993年，文獻(xiàn)［7］報道了采用多層陶瓷技術(shù)實(shí)現(xiàn)多芯片集成（MCM -C），給出了6～18 GHz的實(shí)物照片和Ka頻段的封裝模型。該封裝作為典型的平面集成封裝（2D Integrated Packaging），也稱縱向集成封裝（Longitudinally Integrated Packaging），已被廣泛應(yīng)用。2005年，文獻(xiàn)［8-9］報道了采用沉積薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)多芯片集成（MCM-D），給出了封裝模型和20 GHz產(chǎn)品實(shí)物照片。隨著高頻率高性能垂直互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，該封裝作為立體集成封裝（3D Integrated Packaging），也稱橫向集成（Transversely Integrated Packaging），具有廣泛的應(yīng)用前景。

從兩種集成封裝來看，Ka頻段T／R組件的集成封裝對基礎(chǔ)工藝能力和技術(shù)水平要求很高，在國內(nèi)的發(fā)展一直受其制約。為了突破這一技術(shù)“瓶頸”，一方面，需要緊跟國外技術(shù)發(fā)展，大力提升基礎(chǔ)工藝能力和技術(shù)水平；另一方面，也需要創(chuàng)新思路，利用國內(nèi)現(xiàn)有成熟工藝技術(shù)條件，破解Ka頻段T／R組件集成封裝難題，以盡快適應(yīng)國內(nèi)對Ka頻段二維相控陣的迫切要求。因此，本文提出了新穎的多層組裝和雙面密封的立體電路結(jié)構(gòu)，采用軟基片、FR-4等簡單成熟工藝進(jìn)行混合集成，在Ka頻段T／R組件立體混合集成封裝方面，進(jìn)行了一次成功的探索。

2 立體混合集成封裝模型

根據(jù)Ka頻段二維相控陣T／R組件高頻率和高密度的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)工藝發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種立體混合集成封裝（3D Compound-Integrated Packaging），如圖1所示，主要包括管殼、毫米波基板、低頻基板、砷化鎵單片集成電路芯片（GaAs MMIC）、微帶電路、貼片元件（SMT）、多芯片單元模塊（MCM）、蓋板等。

該封裝模型在空間分布方面，通過管殼、毫米波基板、低頻基板和雙蓋板，形成了單層射頻電路、多層低頻電路和多層元器件的空間立體分布，從而形成了多層組裝和雙面密封的立體電路結(jié)構(gòu)。同時，也形成了多個獨(dú)立的屏蔽腔，能有效降低因輻射引起的各種信號干擾，具有集成密度高、隔離度好等特點(diǎn)。

該封裝模型在層間互聯(lián)方面，可以通過金絲鍵合、基板層間過孔、絕緣子引線、SMT貼片焊接等實(shí)現(xiàn)射頻電路之間、射頻和低頻電路之間以及低頻電路之間的互聯(lián)，具有連接簡單、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

該封裝模型在材料方面，管殼可以選用可伐合金、10#鋼、石墨鋁、鋁、銅等金屬材料，毫米波基板可以選用軟基片、陶瓷薄膜、低溫共燒陶瓷（LTCC）等介質(zhì)基板，低頻基板可以選用FR-4多層印制板、低溫共燒陶瓷（LTCC）等介質(zhì)基板，元器件以選用砷化鎵、硅等單片電路，也可以選用陶瓷封裝、塑封或金屬封裝的元器件以及多芯片單元模塊，具有電路性能好、成本低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、散熱性能好等特點(diǎn)。

該封裝模型在工藝方面，可以選用陶瓷薄膜、低溫共燒陶瓷、印制板、微組裝、共晶焊接、貼片焊接、砷化鎵芯片和硅芯片等工藝進(jìn)行混合集成，具有工藝成熟度高、設(shè)計(jì)簡單，工藝難度小、可靠性高等特點(diǎn)。

綜上所述，并結(jié)合文獻(xiàn)［7-9］進(jìn)行綜合對比分析，得到3種封裝模型的技術(shù)特點(diǎn)，詳見表1。在可行性方面，立體混合集成封裝模型比平面集成封裝模型和立體集成封裝模型工藝難度和設(shè)計(jì)難度都更低；在電路結(jié)構(gòu)和綜合性能方面，優(yōu)于平面集成封裝模型，略遜于立體集成封裝模型；在集成度方面，遠(yuǎn)遜于立體集成封裝模型，與平面集成封裝模型相當(dāng)。

3 立體混合集成封裝應(yīng)用

3.1 應(yīng)用需求

某Ka頻段相控陣擬采用縱向集成橫向組裝（Longitudinally Integrated and Transversely Assembled，LITA），需前期研制Ka頻段T／R子陣。該子陣由1× 8的T／R組成，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻段為Ka頻段；工作帶寬1 GHz；陣列間距5.8 mm×5.0 mm；單路發(fā)射功率大于等于20 dBm；等效噪聲系數(shù)小于等于5.0 dB；單路接收增益24±2 dB；單路發(fā)射增益22± 2 dB；移相位數(shù)為5位；衰減位數(shù)為5位；平均功耗小于等于12 W；發(fā)射占空比大于等于30%。

該Ka頻段T／R子陣的電路原理圖如圖2所示，主要包括射頻電路和低頻控制電路兩部分。射頻電路包括功分（合成）網(wǎng)絡(luò)和8個射頻支路，其中，每個射頻支路都包括獨(dú)立的移相器、衰減器、功率放大器、低噪聲放大器、驅(qū)動放大器、開發(fā)等電路。低頻控制電路包括電源脈沖調(diào)制、幅相控制、開關(guān)控制、控制轉(zhuǎn)換和控制驅(qū)動等功能電路。在接口方面，射頻電路采用同軸接口，低頻電路采用低頻插座。

3.2 應(yīng)用方案

由于該Ka頻段相控陣T／R單元間距極小，具有電性能指標(biāo)高、功耗大、集成度高等技術(shù)特點(diǎn)，因此，該Ka頻段T／R子陣選用立體混合集成封裝技術(shù)。

Ka頻段T／R子陣的立體組裝模型如圖3所示，管殼和蓋板都選用鋁材，既能滿足散熱要求，又能通過激光縫焊實(shí)現(xiàn)氣密封，還可以顯著減少重量；射頻器件都是選用砷化鎵芯片（GaAs MMIC），其中，5位移相器和5位衰減器選用國產(chǎn)芯片，功放、低噪放、開關(guān)和驅(qū)動放大器選用成熟的商用芯片，既可以提高T／R的技術(shù)性能指標(biāo)，又可以降低成本；毫米波基板選用軟基片RT5880和陶瓷薄膜，工藝成熟簡單，既能實(shí)現(xiàn)射頻電路高性能平面集成，又能通過芯片直接接觸管殼改善T／R的散熱條件。電源調(diào)制器和控制驅(qū)動器都選用硅芯片，并進(jìn)行多芯片集成，形成獨(dú)立MCM單元模塊。低頻基板選用FR-4印制板，工藝成熟簡單，既能夠?qū)崿F(xiàn)低頻電路間的多層互聯(lián)，又能通過絕緣子實(shí)現(xiàn)與射頻電路間的互聯(lián)。

Ka頻段TR子陣實(shí)現(xiàn)立體混合集成封裝的工藝流程圖如圖4所示，主要由管殼加工、電路組裝、測試和封帽4個工藝流程組成，其中，包括軟基片和FR-4印制板加工、陶瓷薄膜、釬焊、SMT電裝、微組裝、激光縫焊等工藝。

3.3 應(yīng)用效果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，完成了一套Ka頻段T／R子陣的研制，實(shí)物測試照片如5所示，實(shí)物照片如圖6所示，Ka頻段相控陣陣列模型圖如圖7所示。其主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果如下：單路發(fā)射功率不小于20.8 dBm；等效噪聲系數(shù)不大于4.1 dB；單路接收增益22.8～24.1 dB；單路發(fā)射增益20.9～22.4 dB；平均功耗小于等于11.2 W；體積55 mm×41 mm× 5 mm；重量不大于65 g。由此可見，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

該立體混合集成封裝能夠?qū)崿F(xiàn)Ka頻段T／R子陣的高頻率和高密度集成，具有集成度高、設(shè)計(jì)難度小、工藝成熟簡單、研制成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)引頭、通信、識別等領(lǐng)域Ka頻段二維相控陣T／R子陣的工程研制。

該立體混合集成封裝還可以結(jié)合多功能芯片技術(shù)，進(jìn)一步提高集成度，實(shí)現(xiàn)Ka頻段T／R子陣的超小型化，可以開展其在彈載、星載等小平臺Ka頻段二維相控陣領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

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A Novel 3D Compound-integrated Packaging of Ka-band T／R Module

HE Yi-long
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A 3D compound-integrated packaging of Ka-band T／R module is described in this paper.According to the high frequency and high density features of the Ka-band T／R module，a novel multilayer-assembled and double-sided-sealing 3D circuit-structure is provided.By adopting some simple manufacturing methods such as soft-substrate and FR-4，the compound-integrated Ka-band Multifunction Multi-chip Module（M-MCM）is realized.The packaging is featured by high integration，good heat dissipation and high reliability and can be applied in the engineering development of the Ka-band Adaptive Phase Array Radar（APAR）T／R subarray.

Ka-band；adaptive phase array radar；T／R module；3D compound-integrated packaging

the B.S.degree in Electromagnetic Field and Microwave Technology from University of Electronic Science and Technology of China in 2002.He is now an engineer.His research concerns microwave and millimeter-wave technology.

1001-893X（2012）07-1160-04

2012-05-16；

2012-06-13

TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.023

何毅龍（1980—），男，四川武勝人，2002年于電子科技大學(xué)獲電磁場與微波技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事毫米波技術(shù)方面的研究。

Email：walkman3000＠sohu.com

HE Yi-long was born in Wusheng，Sichuan Province，in 1980.He