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、導引頭等裝備的關(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)計制造過程中面臨著諸多實際問題，例如，如何實現(xiàn)在設(shè)備功率成倍增長的同時減小設(shè)備的體積；如何解決電子器件高密度集成設(shè)計以及產(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現(xiàn)不僅取決于射頻前端的設(shè)計要素，而且在更大的程度上取決于這些設(shè)計要素的工藝集成方式。有源相控陣射頻前端制造工藝復雜，具有極強的集成制造特點，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、控制以及光學接口等組件，整個厚度100mm，重量尚不足8kg，達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)進展方面，歐洲于2005年曾提出將多個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物理與電子實驗室此前開發(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)濟性較好[6]。

2006年，Raytheon公司研制成功一款擁有600個發(fā)射單元、35GHz、低成本的二維有源相控陣導引頭樣機，它采用單片集成TR組件，單個有源發(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，以及面臨的實際工程問題，將多種MMICs芯片進一步集成，進而使TR組件中的芯片種類、數(shù)量減少，從而達到增加系統(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，冷卻液進出口、直流電源連接器位于最底層，中間層則針對每一個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)用難點在于多層電路內(nèi)部陶瓷腔體的制備工藝十分復雜而精細。特別是當射頻前端中的多數(shù)元器件需要預埋在多層電路中時，鋪層之間的壓力、燒結(jié)時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，并把每個天線單元下面的信號傳輸通道與射頻芯片之間進行微組裝，經(jīng)封裝實現(xiàn)射頻前端的立體組裝。

2.2 先進封裝材料

金屬基復合材料既可以發(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)用的鋁基復合材料主要有Al/SiC復合材料和Al/Si復合材料。

Al/SiC復合材料由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的含量進行調(diào)節(jié)。當SiC含量達到70%時，復合材料的CTE為7.0×10-6（K-1）左右、 TC（導熱系數(shù)）為 170W（m-1k-1）左右，與芯片或陶瓷基片的熱匹配性良好，同時提供了十分優(yōu)異的導熱能力。由于鋁和SiC的密度都很小，所以其復合材料的密度也很小，Al/70%SiC的密度僅為2.79g/cm3。但是Al/SiC復合材料加工工藝性差是工程應(yīng)用的障礙

Al/Si復合材料的 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，這無疑會增加工藝復雜度，不利于節(jié)約成本。

射頻前端工作環(huán)境相當復雜，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

在射頻前端中，由于受到相控陣天線 “半個波長陣元間距”的限制，TR組件結(jié)構(gòu)尺寸有限，內(nèi)部布局十分緊湊，工作時組件的熱流密度非常大。據(jù)報道，功率晶體管的結(jié)溫每增加10℃，其可靠性就會下降60%。因此，科學的熱路設(shè)計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，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)計十分關(guān)鍵，需要利用計算機模擬技術(shù)簡化冷卻系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，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行氣密性檢驗和耐壓測試，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，液冷接頭選擇不當增加了冷卻液腐蝕射頻前端的可能性。經(jīng)嚴格的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性驗證，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力機構(gòu)，達到進一步減輕系統(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。由于多個芯片互聯(lián)時組裝連線的損耗、電磁耦合效應(yīng)等對單個芯片的指標要求較高，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，節(jié)約了研發(fā)成本。所以，開發(fā)能夠?qū)⒍鄠€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)價值。

將多種專用芯片高度集成為多功能芯片的工藝難點在于：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。實際上，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)電路性能上進行綜合考量，進而權(quán)衡出一種折中方案。在這種前提下實現(xiàn)芯片性能的優(yōu)化是十分困難的。同時，由于集成密度更高，設(shè)計困難也更大。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)對有源相控陣雷達、導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)、先進封裝材料應(yīng)用、熱路設(shè)計等關(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標準封裝件。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可以實現(xiàn)不同工藝、材料制作的芯片封裝形成一個系統(tǒng)，它具有良好的抗機械和化學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)目標是實現(xiàn)毫米波電路、組件乃至整機的模塊化、固態(tài)化、小型化和高性能化。而未來更先進的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功能基板技術(shù)，實現(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。

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，以有效地利用空間，提高系統(tǒng)的兼容性，實現(xiàn)有源相控陣射頻前端的高度集成化，并達到合理安排制造過程中焊接、組裝等工藝流程，進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)達國家各種高性能相控陣雷達、導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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