本文圍繞高分辨率對地微波成像雷達對天線高效率、低剖面和輕量化的迫切需求 , 分析研究了有源陣列天線的特點、現(xiàn)狀、趨勢和瓶頸技術(shù) , 針對對集成電路后摩爾時代的發(fā)展預測 , 提出了天線陣列微系統(tǒng)概念、內(nèi)涵和若干前沿科學技術(shù)問題 , 分析討論了天線陣列微系統(tǒng)所涉及的微納尺度下多物理場耦合模型、微波半導體集成電路、混合異構(gòu)集成、封裝及功能材料等關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑 , 并對天線陣列微系統(tǒng)在下一代微波成像雷達中的應用進行了展望 。

1、引言

中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項是國家下達的一項重大科研項目 . 高分辨率對地微波成像雷達是高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項重要組成部分 . 微波成像雷達不僅能提供高分辨率的地面靜止目標的結(jié)構(gòu)形狀信息 , 而且能實時探測地面、空中或空間的運動目標 . 微波成像雷達系統(tǒng)能力與目標的電磁特性、天線理論和工程及信號處理技術(shù)等密切相關(guān) 。

相控陣技術(shù)已成為雷達發(fā)展的主流 , 包括高分辨率對地微波成像雷達 . 為了有效地緩解微波成像雷達高分辨率與寬觀測帶之間的矛盾 , 有源陣列天線是理想的選擇 , 并且天線的高效率、大孔徑、低剖面和輕量化是工程應用的急需 , 也是天線工程師永恒的追求 . 天線高效率能讓天線獲得發(fā)射、接收雙程得益 , 是星載微波成像雷達優(yōu)先追求的重要參數(shù) ; 天線大功率孔徑積是微波成像雷達的基本要求 ,天線大孔徑是獲得雷達大功率孔徑積最簡潔的方式 ; 由于衛(wèi)星發(fā)射受到火箭整流罩包絡(luò)的限制 , 只有較低剖面厚度天線的折疊 , 才能得到較大的天線孔徑 ; 有源陣列天線輕量化是降低發(fā)射運載和衛(wèi)星成本最有效最直接的途徑 。

綜上所述 , 高分辨率微波成像雷達的性能參數(shù)與有源陣列天線的頻率特性、帶寬特性和極化特性密切相關(guān) ,如表 1 所示 . 為了提高天線效率、減小天線陣面尺寸 , 采用多波段、多極化共孔徑天線技術(shù) ; 為了緩解高分辨率與寬觀測帶之間的矛盾 , 提高觀測帶寬度 , 采用多通道技術(shù) . 在高效率、低剖面和輕量化條件下 , 實現(xiàn)天線共孔徑和多通道等技術(shù) , 大大地增加有源陣列天線的研究難度 , 需要從有源陣列天線系統(tǒng)架構(gòu)層面進行折衷、分析和優(yōu)化 , 也要從理論和設(shè)計方法上進行研究 。

表 1 天線對微波成像雷達性能影響關(guān)系分析

2、有源陣列天線特點和瓶頸

在集成電路摩爾 (Moore) 時代 , 有源陣列天線技術(shù)是集現(xiàn)代相控陣天線理論、半導體技術(shù)及光電子技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)物 , 例如 , 有源陣列天線中的 T/R 組件、延時放大組件等 . 有源陣列天線有成千上萬個 T/R 組件 , 每個 T/R 組件都是由發(fā)射鏈路中的放大器和接收鏈路中的低噪聲放大器 , 以及移相器等構(gòu)成 . 隨著半導體技術(shù)的發(fā)展 , 單片微波集成電路 (monolithic microwave integrated circuit,MMIC) 技術(shù)、射頻微機械電子系統(tǒng) (radio frequency microelectro mechanical systems, RF MEMS) 技術(shù)和集成封裝技術(shù)為高性能、高可靠、小型化和低成本 T/R 組件的實現(xiàn)提供了技術(shù)途徑 . 尤其是集成電路技術(shù)正在從窄帶單功能向?qū)拵Ф喙δ?、從單片集成電?(monolithic integrated circuit, MIC) 向片上系統(tǒng) (system on chip, SoC), 以及從多芯片組件 (multi-chip module, MCM) 向多功能系統(tǒng)級封裝(system in package, SiP) 方向發(fā)展 , T/R 組件的結(jié)構(gòu)形式由磚塊式 (brick) 發(fā)展到瓦片式 (tile), 這些都極大地推動有源陣列天線技術(shù)的發(fā)展 。

有源陣列天線技術(shù)在高分辨率微波成像雷達應用時 , 特別適合多模式快速切換、波束賦型和波束掃描 , 實現(xiàn)微波成像雷達多種模式工作 , 使雷達具有快速響應、自適應和故障弱化等能力 . 根據(jù)微波成像雷達的特點和技術(shù)的發(fā)展 , 最值得重視的是有源陣列天線以下幾個特征 。

2.1、有源陣列天線技術(shù)是提升微波成像雷達性能的重要途徑

高分辨、多波段、多極化、多平臺是合成孔徑成像雷達的重要發(fā)展方向 , 有源陣列天線技術(shù)在高分辨率成像和多種模式實現(xiàn)上 , 具有顯著的優(yōu)勢 。

不同裝載平臺的微波成像雷達都非常關(guān)注天線孔徑與發(fā)射平均功率乘積 . 眾所周知 , 合成孔徑雷達的方位分辨率是天線方位向尺寸的一半 , 從這點來看 , 天線尺寸越小越好 , 而大天線孔徑是降低合成孔徑雷達造價的重要途徑 , 人們期望天線尺寸盡可能大 , 發(fā)射功率盡可能低 , 因此 , 實現(xiàn)高分辨率和采用大天線孔徑是一對矛盾 . 有源陣列天線有效地緩解了這一矛盾 , 低分辨率時 , 可以有效地利用天線大孔徑 , 高分辨率時 , 通過相位加權(quán)展寬天線波束等效縮短天線孔徑尺寸 。

有源陣列天線的運用 , 使星載微波成像雷達掃描成像 (ScanSAR) 模式距離向的觀測帶寬度、聚束成像 (SpotlightSAR) 模式的波束指向精度都大幅提高 . 有源陣列天線波束掃描靈活、無慣性和速度快的特點使微波成像雷達能夠?qū)崿F(xiàn)精確運動補償 , 保障高分辨率成像的實現(xiàn) , 從而提高雷達成像質(zhì)量 。

2.2、有源陣列天線有利于提高微波成像雷達抗干擾能力

微波成像雷達的目的是獲得被選擇區(qū)域情報信息 , 對雷達干擾的目的是阻止、混淆、或遲時獲得被選擇地域的信息 . 對常規(guī)情報或跟蹤雷達來說 , 干擾機的有效性一般用雷達作用距離的減小量來度量 . 對于微波成像雷達 , 干擾機就是阻止一個區(qū)域圖像信息的偵察 , 干擾機的有效性 , 一般用系統(tǒng)靈敏度的降低量來度量 。

雷達抗干擾目的就是減小對雷達的干擾效果 , 為了提高抗干擾能力 , 通常采用的如提高雷達有效輻射功率、低或超低副瓣天線、大時寬帶寬乘積信號、雙 / 多基地雷達系統(tǒng)等方法 , 這些對提高雷達抗電子干擾能力是至關(guān)重要的 . 對有源陣列天線來說 , 由于空間波束 ( 功率 ) 合成的高效率 , 天線具有高增益、低副瓣電平能力 , 有利于提高天線輻射總功率 ; 由于天線的每個輻射單元的幅度和相位可以獨立控制 , 利用空間濾波技術(shù) , 實現(xiàn)天線自適應副瓣置零 , 抑制干擾與雜波 ; 同時 , 也有利于實現(xiàn)輻射能量管理 , 合理使用輻射能量 , 提高雷達抗干擾自衛(wèi)距離 。

2.3、有源陣列天線有利于實現(xiàn)微波成像雷達的標準化、模塊化

對雷達性能要求的提高和雷達工作環(huán)境的惡化 , 使雷達系統(tǒng)的構(gòu)成越來越復雜 , 研制周期加長 , 研制和生產(chǎn)成本上升 , 技術(shù)風險增加 . 為適應這種形勢 , 有源陣列天線是一條重要的出路 . 有源陣列天線可采用大量一致的標準組件 ( 例如 T/R 組件、延時放大組件等 ), 這利于雷達的標準化、模塊化和降低生產(chǎn)成本 。

誠然 , 有源陣列天線技術(shù)是一種會賦予微波成像雷達 “ 新生 ” 的技術(shù) , 但是 , 就其技術(shù)的本身尚有天線的剖面厚度厚、效率不高和重量較重等諸多難度很大的問題需要解決 , 這些技術(shù)瓶頸必將限制新一代高分辨微波成像雷達技術(shù)的發(fā)展 . 隨著集成電路技術(shù)按照摩爾定律不斷縱深發(fā)展 , 微電子、光電子、微機電等基礎(chǔ)技術(shù)能力得到了快速發(fā)展 , 但是進一步向納米級集成發(fā)展的步伐受到技術(shù)和成本的約束越來越大 ; 有源陣列天線的發(fā)展急需一種新的技術(shù)路線來滿足微波成像雷達對大孔徑、高效率、低剖面和輕量化天線的需求 .與此同時 , 隨著跨界系統(tǒng)架構(gòu)和軟件算法的興起 , 跨界融合形成新型能力以滿足下一代潛在需求成為創(chuàng)新熱點.后摩爾時代的到來 , 需要系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)與微納電子技術(shù)緊密結(jié)合和融合創(chuàng)新 , 因此 , 就有源陣列天線而言 , 天線陣列微系統(tǒng)技術(shù)是一項多學科交叉的前沿新興技術(shù) , 將是后摩爾時代的產(chǎn)物 。

3、有源陣列天線與天線陣列微系統(tǒng)

3.1、有源陣列天線發(fā)展現(xiàn)狀

有源陣列天線技術(shù)的發(fā)展 , 不斷地推動通信、雷達 , 以及個人消費電子等系統(tǒng)小型化、集成化和低功耗 . 傳統(tǒng)的有源陣列天線是磚塊式 (brick) 結(jié)構(gòu) , 它是由無源天線陣面、多種功能模塊與無源天線集成在一起的 . 針對新一代信息系統(tǒng)的微型化、多功能、高性能、低功耗、低成本等多種需求 , 并隨著半導體技術(shù)以及先進封裝工藝的發(fā)展和驅(qū)動 , 出現(xiàn)了片上天線 (antenna on chip, AoC) 、封裝天線(antenna in package, AiP) 、系統(tǒng)級封裝 (SiP) 等新型天線 . AoC 和 AiP 分別屬于 SoC 和 SiP 概念的范疇 . 在這幾種天線形式之外 , 還出現(xiàn)了瓦片式天線 (tiled antenna). 它們之間的關(guān)系如圖 1 所示 。

圖 1 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 幾種有源陣列天線之間的關(guān)系示意圖

AoC 是通過半導體材料與工藝將天線與其他電路集成在同一個芯片上 , 是基于硅基工藝的片上天線 . AoC技術(shù)可以以更低的系統(tǒng)成本來提高天線的性能和功能 , 但是由于使用相同的材料和工藝 ,難以使每個類型的電路性能達到最優(yōu) , 進而導致天線系統(tǒng)性能難以達到最優(yōu) . 同時 , 由于硅片本身的低電阻率、高介電常數(shù)的特性 , 天線輻射時很大一部分能量集中在硅基片內(nèi) , 從而天線輻射效率和增益一般都較低 . 常規(guī)硅基工藝的片上天線的增益一般小于 ?5 dBi, 輻射效率只有 5%, 甚至更低 .采用質(zhì)子注入 、微機械加工、人工磁導體 ,以及介質(zhì)透鏡等技術(shù) , 在一定程度上提高了天線的增益或輻射效率 。

AiP 是通過封裝材料與工藝 , 將天線集成在攜帶芯片的封裝內(nèi) . 封裝天線技術(shù)繼承和發(fā)揚了微帶天線、多芯片電路模塊及瓦片式相控陣天線結(jié)構(gòu)的集成概念 , 將天線觸角伸向集成電路、封裝與新型材料等領(lǐng)域.相比于 AoC, AiP 將多種器件與電路集成在一個封裝內(nèi) , 完成片上天線難以實現(xiàn)的復雜功能和特定的系統(tǒng)級封裝 , 有效避免了半導體襯底的低電阻率帶來的增益損耗問題 , 天線輻射效率一般達到 80% 以上 .封裝形式有芯片直接貼裝 (direct chip attach, DCA) 、焊盤陣列封裝(land grid array, LGA)、四側(cè)無引線扁平封裝(quad flat no lead, QFN) 、嵌入式晶圓級球柵陣列 (embedded wafer level ball grid array, eWLB) 封裝 ,以及基于低溫共燒陶瓷 (low temperature co-fired ceramics, LTCC) 封裝 .將厚膜技術(shù)實現(xiàn)的天線陣列同射頻芯片通過金絲鍵合封裝到一個QFN 封裝里面 , 實現(xiàn)了中心頻率 122 GHz, 帶寬 12 GHz, 最大增益 11.5 dBi 的封裝天線.圖 2 是一種四單元有源陣列封裝天線樣品 , 中心頻率 10 GHz, 帶寬 4 GHz, 單通道脈沖功率 5 W。

圖 2 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 一種封裝天線樣品

SiP 采用絕緣襯底上的硅 (silicon-on-insulator, SOI) 工藝和 QFN 封裝技術(shù) ,將片上天線和封裝天線相結(jié)合 , 在 54.5～63.4 GHz 的頻率范圍內(nèi) , 實現(xiàn)了最大 8 dBi 的天線增益 . 偶極子天線利用eWLB 封裝內(nèi)部的再分布層 (redistribution layer) 來實現(xiàn) , 并在封裝外部設(shè)計了一個介質(zhì)透鏡來提高天線增益 ,該天線在未安裝透鏡時的增益為 5.9 dBi, 安裝上透鏡后 , 增益提升到 13.7 dBi。

瓦片式陣列天線的結(jié)構(gòu)特點是多功能電路板同時作為封裝外殼的主體 , 其往往不使用或很少使用高頻、低頻接插件. 采用瓦片式陣列可以大幅度降低天線系統(tǒng)的厚度 , 極大減少連接器和電纜的使用數(shù)量 . 射頻模塊可選擇商用微波封裝和制造技術(shù) , 進一步降低成本 . 這種瓦片式陣列架構(gòu)采用工業(yè)標準的 QFN 封裝 , 將有源電路層直接焊接在一個廉價印制電路板 (printed circuit board, PCB)上 , 然后再直接焊接到瓦片天線陣面的背部 . 瓦片式陣列天線如圖 3 所示 。

圖 3 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 瓦片式陣列天線示意圖

在集成電路后摩爾時代 , 亞微米、納米技術(shù)的出現(xiàn) , 給有源陣列天線技術(shù)的發(fā)展帶來新的契機 , 一方面高效率、低剖面和輕量化大孔徑陣列天線是微波成像雷達裝備發(fā)展需求 , 具有重大軍事應用前景 ;另一方面 , 天線陣列微系統(tǒng)將電子信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化、低功耗和可靠性水平提高到新的高度 , 對陣列天線技術(shù)的發(fā)展有著重要的促進作用。

3.2、天線陣列微系統(tǒng)概念和內(nèi)涵

未來有源陣列天線的形態(tài)界限將趨于模糊 , 天線將集成越來越多的有源和無源電路 , 朝著天線陣列微系統(tǒng)方向發(fā)展 , 但邏輯界限會越來越清晰 , 實現(xiàn)一體化是必然結(jié)果 . 隨著網(wǎng)絡(luò)信息體系的科學技術(shù)的不斷深入 , 有源陣列天線勢必向集成化、數(shù)字化、多功能一體化方向發(fā)展 ,如圖 4 所示 , 將深刻影響到多平臺高分辨率對地觀測和宇宙探索等方方面面 。

圖 4 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 未來的有源陣列天線

圖 5 展示了常規(guī)有源相控陣天線與天線陣列集成系統(tǒng)兩種構(gòu)型的比較 . 圖 5(a) 是工作在 9.6 GHz有源相控陣天線磚塊式結(jié)構(gòu)形式 , 天線厚度是 155 mm. 圖 5(b) 和 (c) 分別是天線陣列集成系統(tǒng)的輻射面和背面 , 工作在 35 GHz, 瓦片式結(jié)構(gòu)形式 , 天線厚度是 5 mm. 如果按照天線陣列微系統(tǒng)的概念進行研究 , 還可以進一步提高集成度和性能參數(shù) 。

圖 5 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 兩種構(gòu)型天線比較

天線陣列微系統(tǒng)是有源陣列天線發(fā)展的高級階段 , 用較小的天線陣列微系統(tǒng)功能模塊構(gòu)建大型系統(tǒng)可能會更經(jīng)濟 , 這些天線功能模塊可分開集成封裝后再互連 . 天線陣列微系統(tǒng)定義為 , 以微納尺度理論為支撐 , 以電磁場、微電子、光電子、材料和熱力學為基礎(chǔ) , 結(jié)合體系架構(gòu)和機電熱多物理場模型 , 運用微納系統(tǒng)集成技術(shù)和方法 , 將天線陣列、有源收發(fā)通道、功率合成 / 合成網(wǎng)絡(luò)、頻率源、波束控制和電源以及導熱結(jié)構(gòu)等三維異構(gòu)混合集成在一個狹小的封裝體里 , 如圖 6 所示 , 互連線的大幅縮短 , 得到更小的插入損耗和更好的匹配性 。

圖 6 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 天線陣列微系統(tǒng)示意圖

3.3、天線陣列微系統(tǒng)與常規(guī)微系統(tǒng)之間關(guān)系

微系統(tǒng)的概念隨著相關(guān)學科發(fā)展、技術(shù)推動 , 以及應用需求的牽引 , 其內(nèi)涵也在不斷豐富和發(fā)展 . 早期 , 微系統(tǒng) (microsystem) 概念在歐洲同行中使用 , 在美國被稱為 MEMS, 在日本被稱為微機械 (micromachine) 。

1998 年 , 美國國防高級研究計劃局 (The Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) 微系統(tǒng)技術(shù)辦公室 (MTO) 從新的角度提出了微系統(tǒng)概念, 微系統(tǒng)是融合體系架構(gòu)、算法、微電子、微光子、 MEMS 等要素 , 采用新的設(shè)計思想、設(shè)計方法和制造方法 , 將傳感、處理、執(zhí)行、通信、能源等功能集成在一起 , 具有多種功能的微裝置 . DARPA 微系統(tǒng)概念超越了微機電系統(tǒng) (MEMS) 的認識 ,為微系統(tǒng)多學科融合、微小尺度集成、軍事應用創(chuàng)新和電子信息系統(tǒng)小型化及性能提升提供了空間 ,推動了微系統(tǒng)集成方法和技術(shù)的進步 . 2017 年 , 美國 DARPA 微系統(tǒng)辦公室啟動電子復興計劃 (ERI),分別在材料與集成、電路設(shè)計和系統(tǒng)構(gòu)架等三大支柱領(lǐng)域布局六大發(fā)展項目 。

2007 年 , 歐盟在第 7 個科技框架計劃下 , 設(shè)立了 “ 微推進器、可實現(xiàn)宇宙探索用高效和精確控制的化學微推進器 ” 等多個微系統(tǒng)項目 . 2014 年 , 啟動了 “ 地平線 2020” 項目扶持微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展 . 日本依托其電子制造企業(yè) , 在細分領(lǐng)域開展相關(guān)技術(shù)研究 , 索尼的圖像傳感器、東芝的 3D NAND 閃存都具有微系統(tǒng)產(chǎn)品的特征 。

我國已經(jīng)陸續(xù)開展微系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的預先研究 . 國發(fā) (2015) 28 號《中國制造 2025 》 , 將微系統(tǒng)技術(shù)作為提升新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)自主發(fā)展的重要能力 . 國發(fā) (2016) 43 號《 “ 十三五 ” 國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中明確將 “ 微納電子與系統(tǒng)集成技術(shù) ” 作為新一代信息技術(shù)重點發(fā)展 。

從當前國內(nèi)外研究來看 , 微系統(tǒng)是以微納尺度理論為支撐 , 以微電子、光電子、 MEMS 等為基礎(chǔ) ,結(jié)合體系架構(gòu)和算法 , 運用微納系統(tǒng)集成技術(shù)和方法 , 將傳感、通信、處理、控制、微能源等功能單元 ,在微納尺度上采用異構(gòu)、異質(zhì)等方法集成在一起的微型系統(tǒng) 。

天線陣列微系統(tǒng)與常規(guī)微系統(tǒng)共同之處是都具有微型化、集成化、智能化等特點 , 它們都區(qū)別于宏觀系統(tǒng)的關(guān)鍵特征就是采用微納尺度集成方式 , 尤其是三維異構(gòu)混合集成 , 這不僅只是一個物理實現(xiàn)方式從平面式到立體式的變化 , 它們在體積重量大幅度縮小的同時 , 通過系統(tǒng)物理架構(gòu)創(chuàng)新帶來了功能 / 性能上的大幅提升 , 甚至能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能 . 天線陣列微系統(tǒng)和常規(guī)微系統(tǒng)有一定的區(qū)別 , 常規(guī)微系統(tǒng)希望三維尺寸都能夠縮減 , 使其達到最小體積和重量 , 而天線陣列微系統(tǒng)通過三維異構(gòu)集成技術(shù) , 使天線陣列孔徑尺寸不變的情況下 , 盡量減小天線的厚度和重量 . 為了滿足電子信息系統(tǒng)大功率孔徑積的需求 , 天線陣列微系統(tǒng)重點關(guān)注性能 ( 例如降低射頻損耗等 ) 提升和天線剖面厚度的降低 , 實現(xiàn)大孔徑陣列天線可折疊或者可共形 , 在體系架構(gòu)和集成方式上有一定的特殊性 。

未來電子信息系統(tǒng) , 例如微波成像雷達 , 將劃分為兩個物理單元 , 一是數(shù)字計算機單元 , 也就是通用信號處理機 ; 二是天線陣列微系統(tǒng) , 也就是由天線、收發(fā)組件、波束控制、電源、頻率綜合、接收機等傳統(tǒng)分系統(tǒng)組成的微系統(tǒng) . 天線陣列微系統(tǒng)的評價可以用兩個因子來表述 , 效能因子 = 功率 × 孔徑 × 帶寬 ; 尺度因子 = 功耗 × 體積 × 重量 . 效能因子的提高和尺度因子的降低是度量天線陣列微系統(tǒng)性能的重要指標 。

天線陣列微系統(tǒng)與傳統(tǒng)有源相控陣天線在科學理論、仿真分析和設(shè)計制造等方法有很大區(qū)別 , 兩者間的比較如表 2 所示 . 實現(xiàn)天線陣列微系統(tǒng) , 需要解決兩個方面的瓶頸問題 , 一是無源和有源電路芯片化或小型化 ; 二是無源輻射天線單元 , 或者多個輻射天線單元組成小型天線子陣列 , 與多種無源 / 有源電路三維異構(gòu)混合高密度集成 , 形成為一個獨立功能天線微系統(tǒng)封裝體 。

表 2 天線陣列微系統(tǒng)與有源相控陣天線的比較

4、天線陣列微系統(tǒng)的若干前沿科學技術(shù)問題

電磁現(xiàn)象和天線科學技術(shù)的進步是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導性技術(shù) , 承載著軍事裝備系統(tǒng)發(fā)展變革、信息系統(tǒng)智能化小型化、微電子技術(shù)革命性創(chuàng)新的發(fā)展使命 .天線陣列微系統(tǒng)是有源陣列天線和微系統(tǒng)等科學技術(shù)的高度融合 , 面臨的主要科學技術(shù)挑戰(zhàn)如圖 7所示 。

圖 7 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 天線陣列微系統(tǒng)面臨的科學技術(shù)挑戰(zhàn)4.1、多物理場約束下架構(gòu)與拓撲技術(shù)

天線陣列微系統(tǒng)的架構(gòu)突破了微電子技術(shù)范疇 , 無法在功能、性能上分割成簡單單元 , 在力、光、材料、電子、信息等學科均有布局 , 實現(xiàn)了光、機、電、磁、聲等各系統(tǒng)要素間的緊密關(guān)聯(lián) . 天線陣列微系統(tǒng)架構(gòu)既有系統(tǒng)級的架構(gòu)、性能、功能、算法等特征 , 又有元件級電、熱、材料參數(shù)特性 . 天線陣列微系統(tǒng)架構(gòu)在多物理場約束下跨學科、跨專業(yè) , 學科、功能和性能界面的模糊性和交叉性 , 給天線陣列微系統(tǒng)研究帶來很大困難 , 需要研究多物理場約束下架構(gòu)與拓撲技術(shù) , 重點是多物理場相互之間耦合機理、電磁特性模型 , 以及多維度參數(shù)容差分析與評價 。

4.1.1、多物理場耦合機理

大尺度天線與微小尺度芯片集成在同一封裝體內(nèi) , 存在著大尺度天線輻射的電磁場與不同小尺度芯片微觀的糾纏效應 ; 射頻信號與模擬、數(shù)字信號在封裝體內(nèi)的串擾效應 ; 射頻信號在微觀尺度下的趨膚效應等 , 需要研究多物理場耦合機理 . 以多物理場耦合為切入點 , 分析微小尺度下的射頻集成、高密度異構(gòu)、高精度變換、高速信號傳輸互連等的時域和頻率耦合機理 , 指導系統(tǒng)指標的分解與優(yōu)化 , 為構(gòu)建合理有效天線陣列微系統(tǒng)架構(gòu)和拓撲提供科學保證 。

通過提取天線陣列微系統(tǒng)架構(gòu)中的光、機、電、磁、聲等多元參量特征 , 結(jié)合熱、流體、力學、電磁學等 , 開展多物理場在微小尺度下的耦合和互擾研究 , 以解決因多參量間的作用而相互約束問題 。

圍繞射頻、模擬和數(shù)字等復雜信號在三維微小尺度下的傳輸特征 , 從天線陣列微系統(tǒng)的可靠性、可制造性 (design for manufacturing, DFM) 解析 , 并不斷迭代改進 , 重點解決天線陣列微系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與可靠性 , 建立標準模型庫 , 同時梳理機電熱多物理場仿真標準流程 。

4.1.2、異構(gòu)體電磁特性模型

在天線陣列微系統(tǒng)封裝體內(nèi) , 三維微小尺度互連產(chǎn)生電磁場不連續(xù)性 , 造成了電磁場互擾、有害模式寄生輻射 , 引起天線極化失配、工作頻帶內(nèi) / 外隔離特性的變化 . 為了獲得天線較好的工作帶寬、高效率和低交叉極化等性能 , 需要在特定邊界下 , 尤其是在寬帶寬掃描角條件下 , 研究天線口徑場模式匹配技術(shù)、陣列天線輻射單元之間的互耦特性 。

在微小尺度下 , 通過開展異構(gòu)體電磁特性的研究分析 , 建立天線陣列微系統(tǒng)中各功能單元的電磁分布模型 , 并將模型應用于復雜的系統(tǒng)設(shè)計中 , 構(gòu)建系統(tǒng)的多端口特性模型 。

通過分析內(nèi)部復雜信號的傳導變換、空間輻射及阻抗匹配等問題 , 開展三維電磁場提參建模與時頻域分析 , 研究系統(tǒng)級功能單元、互連單元、封裝單元模型 , 得到信號在異構(gòu)體內(nèi)傳輸變換時 , 三維多變量函數(shù)和超高速信號電磁特性模型庫 , 構(gòu)建等效模型 , 解決電磁干擾、串擾誤碼等關(guān)鍵問題 , 并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化天線陣列微系統(tǒng)中異質(zhì)材料和功能異構(gòu)體的分布 , 進一步得到電磁性能最優(yōu)化的特性模型 。

4.1.3、多維度匹配容差適應性

大尺度情況下 , 微波傳輸線的不連續(xù)將產(chǎn)生高次模 , 高次模需要一定長度的傳輸線來衰減和消除 .在微小尺度下 , 微波芯片與傳輸線互連、傳輸線與傳輸線互連等 , 既有平面的 , 也有立體的 , 使微波傳輸線的不連續(xù)點的數(shù)量大幅度增加 , 本征模的特性發(fā)生了變化 , 傳輸線上的工作模式將是主模和寄生效應產(chǎn)生的高次模并存 . 因此需要研究邊界條件強約束下的激勵模式匹配理論 , 仿真分析微小尺度互連產(chǎn)生寄生效應 。

針對微系統(tǒng)高密度封裝中機、電、熱等匹配帶來的功能和性能適應性問題 , 以及工藝制造精度對器件和系統(tǒng)的影響問題 , 開展異質(zhì)異構(gòu)體多維度匹配適應性的研究 , 在此基礎(chǔ)上形成天線陣列微系統(tǒng)異質(zhì)異構(gòu)體中 , 復雜信號傳輸和變換在多個維度 ( 包括機、電、熱等 ) 上的容差評價 。

針對微系統(tǒng)多個維度上的參數(shù)偏差范圍和寄生參數(shù)變量 , 進一步分析功能電路受其影響的機理、環(huán)節(jié)和效應 . 著重分析由于天線陣列微系統(tǒng)剖面厚度減小帶來的功率密度加大 , 以及因熱而產(chǎn)生的機械精度的變化 , 這些物理量進而又影響性能和功能 . 在兼容工藝條件下 , 建立影響復雜信號品質(zhì)、多物理場耦合的多維度函數(shù) , 實現(xiàn)基于不同功能的有源電路 / 無源元件 / 封裝的系統(tǒng)集成 . 以此來指導微系統(tǒng)中三維異質(zhì)異構(gòu)體魯棒性設(shè)計 。

4.2、微波集成電路技術(shù)

天線陣列微系統(tǒng)中包括了大量微波有源集成電路 , 并向著數(shù)字化方向發(fā)展 . 對于天線陣列微系統(tǒng)來說 , 低剖面、高效率和輕量化是非常重要的 , 必須有一個強大的微波集成電路技術(shù)為后盾 。

微波集成電路是指采用先進半導體工藝 , 以放大、變換、校準、比較和傳輸?shù)仁侄翁幚砦⒉?/ 模擬信號的集成電路 . 隨著微波集成電路和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展 , 微波芯片的集成度越來越高 , 集成電路將多個單功能芯片集成在一塊芯片上 , 提高了芯片的性能并降低成本 . 微波單片可集成小信號接收鏈路和發(fā)射鏈路部分電路 , 接收鏈路包括低噪聲放大器、混頻、增益控制等 , 甚至包括高性能模擬 – 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (analog-to-digital converter, ADC) 等 , 發(fā)射鏈路包括信號產(chǎn)生、混頻、功率放大器等 . 不同的半導體材料具有不同的本征參數(shù) , 有著不同的用途 . 幾種半導體材料特征參數(shù)如表 3 所示 . Si 通常用于數(shù)字 / 模擬控制或低波段功率芯片的基礎(chǔ)材料 , GaAs 常用于 Ka 波段以下微波射頻芯片基礎(chǔ)材料 .SiC, GaN 和金剛石 (diamond) 是第 3 代半導體材料 , 可以具有寬禁帶 (WBG) 特點 。

表 3 幾種半導體材料特征參數(shù)

摩爾定律正逼近物理極限, 芯片性能提升的放緩和數(shù)據(jù)需求幾何級數(shù)式的增長之間矛盾將日益凸顯 , 5 nm 技術(shù)的推進中 , 面臨著來自晶體管的結(jié)構(gòu)、掩模版的制造等方面的技術(shù)瓶頸 . 這也意味著 5 nm 技術(shù)節(jié)點的突破 , 將會使得集成電路技術(shù)發(fā)展面臨一系列的新技術(shù)挑戰(zhàn) . 在 SoC 減少特征尺寸 ( 比例縮小 ) 已經(jīng)越來越難 , 而且成本很高. 半導體集成電路重要的發(fā)展趨勢是新型微波、低功耗和智能控制等異質(zhì)多功能集成電路。

4.2.1、第 3 代半導體集成電路技術(shù)

在微波單片集成電路技術(shù)中 , 以氮化鎵 (GaN) 為代表的第 3 代半導體技術(shù) , 因其寬禁帶特性 , 具有高功率密度、高功率附加效率、高增益、大帶寬和小尺寸 , 及較高的可靠性和工作溫度 , 已用于相控陣雷達 , 將會對天線陣列中的射頻前端產(chǎn)生革命性的影響 . 硅基 GaN 異質(zhì)集成可以取得新的、以前無法實現(xiàn)的新的集成電路架構(gòu) , 以達到提高性能、提高可靠性 , 以及降低成本.第 3 代半導體集成電路技術(shù)的發(fā)展 , 將促進天線陣列微系統(tǒng)單通道發(fā)射功率和效率的提高 。

4.2.2、多功能 / 低功耗集成電路技術(shù)

在半導體外延材料技術(shù)和微波單片集成電路工藝不斷進步的推動下 , 微波單片集成電路逐漸向多功能方向發(fā)展 , 由于多功能芯片的不同功能電路之間的互連已在內(nèi)部完成 , 焊點數(shù)量大大減少 , 可大幅度縮減芯片體積 , 降低成本 , 提高集成一致性和可靠性 . 例如微波收發(fā)多功能芯片可以將放大器、移相器、開關(guān)、衰減器等集成在一個芯片內(nèi) , 替代傳統(tǒng)單功能芯片 . 由于多功能芯片的制造大多還沒有專門的工藝平臺 , 對于發(fā)射功率較小的情況 , 采用低噪聲工藝實現(xiàn) , 而功率較大時可采用功率工藝實現(xiàn) ,所以接收或發(fā)射性能可能不能同時達到最佳狀態(tài) , 接收和發(fā)射鏈路的設(shè)計要素常常彼此沖突 , 因此在接收和發(fā)射性能平衡兼顧下 , 進行最優(yōu)化設(shè)計是研究難點 。

低功耗集成電路的實質(zhì)就是在集成電路的基礎(chǔ)上 , 將整個電路系統(tǒng)的能耗降至最低 , 需要解決高K/ 金屬柵技術(shù)、高遷移率溝道材料和超低亞閾值斜率器件等關(guān)鍵技術(shù) , 而要想實現(xiàn)超低功耗集成電路 ,就需要從電路材料的選擇、內(nèi)部元件排列、電源硬件設(shè)計 , 以及系統(tǒng)能耗的控制等技術(shù)方面進行研究 。

4.2.3、智能控制集成電路技術(shù)

以天線陣列微系統(tǒng)體系架構(gòu)需求為導向 , 基于軟件可定義、硬件可重構(gòu)的要求 , 開展基于 IP 模塊的 SOC, 專用集成電路 (application specific integrated circuits, ASIC) 等多功能芯片研究和設(shè)計 , 突破IP 核復用技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、可測試性技術(shù)等 . 同時根據(jù)天線陣列微系統(tǒng)微小尺度下多物理量耦合、多功能集成等特點 , 開展適配的軟件算法的研究 , 重點解決天線陣列微系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計的難題 . 圍繞天線陣列微系統(tǒng)的功能增強和異構(gòu)工藝適配開展芯片設(shè)計研究 , 優(yōu)化控制策略 , 實現(xiàn)智能數(shù)字控制 , 降低系統(tǒng)功耗 , 突破海量數(shù)據(jù)實時處理、超高頻、超高速和超大容量數(shù)據(jù)通信 , 以及高效熱能量傳遞的技術(shù)瓶頸 , 并完善內(nèi)部輔助功能和保護功能 , 實現(xiàn)接口標準化 , 提高天線陣列微系統(tǒng)硬件和軟件的整體適用性和兼容性 。

4.3、多物理場匹配混合集成技術(shù)

混合集成電路 (hybrid integrated circuit, HIC) 技術(shù)是采用厚 / 薄膜技術(shù)、微組裝技術(shù)和封裝技術(shù)將半導體芯片、無源元件等集成于一體來實現(xiàn)既定功能和性能 , 是實現(xiàn)天線陣列微系統(tǒng)的重要途徑之一 . 圖 8 是單片集成和混合集成關(guān)系示意圖 , 單片集成是永恒的追求 , 混合集成是單片集成的二次集成 . 混合集成技術(shù)涉及到一個復雜的多層次多專業(yè)的技術(shù)體系 , 可以分為架構(gòu)設(shè)計技術(shù)、多層互連基板技術(shù)、微互連技術(shù)、高氣密性封裝技術(shù) , 以及可靠性評估與應用等一系列的基礎(chǔ)理論、制造實踐和應用技術(shù) 。

圖 8 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 混合集成與單片集成

多物理場匹配混合集成技術(shù)研究是天線陣列微系統(tǒng)小型化、輕量化、高密度、多功能的需求 , 基于電、光、磁、力等多物理場維度下的混合集成前沿性共性技術(shù)研究 , 重點突破 2.5D/3D 垂直互連、三維異質(zhì)異構(gòu)微組裝和高密度異質(zhì)多層基板等技術(shù) , 解決天線陣列微系統(tǒng)中電磁兼容、高速信號傳輸與串擾、熱管理、應力匹配、光電干涉等技術(shù)難題 。

混合集成技術(shù)的演進經(jīng)歷過四大變革 , 即通孔插裝技術(shù)向表面安裝技術(shù)的變革 , 周邊互連到面陣互連的變革 , 單芯片向多芯片的變革 , 二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的變革 . 正是這些變革使許多新型混合集成技術(shù)不斷涌現(xiàn) , 組裝效率不斷提高 , 推動混合集成電路向 “ 四高一小一輕 ” 方向不斷發(fā)展 . “ 四高 ” 是高組裝密度、高頻、高功率密度、高可靠 ; “ 一小 ” 是體積更小 ; “ 一輕 ” 是重量減輕 。

4.3.1、2.5D/3D 垂直互連技術(shù)

2.5D/3D 垂直互連技術(shù)基于多學科多專業(yè) , 融合了系統(tǒng)設(shè)計和微納集成工藝 , 以實現(xiàn)不同材料、不同結(jié)構(gòu)、不同工藝、不同功能元器件的三維異構(gòu)集成 , 是以突破摩爾定律極限為目的, 重點解決天線陣列微系統(tǒng)內(nèi)部高速、高頻、大功率傳輸下的超高密度互連難題 . 2.5D/3D 互連通過基材過孔金屬化垂直互連技術(shù)和凸點技術(shù)進行電氣垂直互連 . 通過研究各種復合材料導體及介質(zhì)對復雜信號的傳輸與屏蔽適應性和匹配性影響 , 解決微系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的串擾、延遲、能耗等難點 . 同時 , 在工藝研究時 , 充分考慮熱力學和電性能的參數(shù)匹配 , 避免不同材料之間的熱失配和機械應力 。

代表性的疊層型 3D 封裝可以是裸芯片的疊堆 , MCM 的疊層甚至還可以是晶圓片的堆積 . 3D 先進封裝典型結(jié)構(gòu)如圖 9 所示 . 3D-MCM 可以將不同工藝類型的芯片 ( 如模擬、數(shù)字和射頻等功能芯片 ) 在單一封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)實現(xiàn)混合信號的集成化 , 在滿足天線陣列微系統(tǒng)模塊機械性能要求 , 以及在模塊尺寸、重量及功耗極端受限的情況下 , 通過對多功能電路轉(zhuǎn)接板厚度進行最優(yōu)化設(shè)計 , 可以減小天線陣列微系統(tǒng)封裝體的厚度 , 并進一步提高集成密度 . 3D 硅片集成的核心是硅通孔 (TSV) 技術(shù) , 用于互連堆疊的芯片 , 從而增強性能 , 縮短信號傳輸時間 , 解決信號延遲等問題。

圖 9 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 3D 先進封裝典型結(jié)構(gòu)示意圖

4.3.2、三維異質(zhì)異構(gòu)微組裝技術(shù)

異質(zhì)芯片集成扇出型技術(shù)是有別于片上系統(tǒng)和晶圓級封裝的先進技術(shù) , 重點通過晶圓再造和再布線技術(shù)實現(xiàn)異質(zhì)芯片的集成 , 解決異質(zhì)芯片間的高密度互連 , 是實現(xiàn)天線陣列微系統(tǒng)功能模塊集成的關(guān)鍵技術(shù) 。

采用異質(zhì)芯片集成扇出型技術(shù)是通過半導體先進工藝 , 將不同光、電、磁等功能的異質(zhì)芯片整合集成再造成一個晶圓 , 并通過薄膜高密度布線 , 形成具有多功能芯片的集成技術(shù) . 可以達到減小天線陣列微系統(tǒng)功能模塊厚度和體積的要求 . 異質(zhì)芯片扇出晶圓級封裝 (FOWLP) 厚度小、成本低 , 不需要基板 , 不需要在晶圓上打凸點、回流倒裝焊以及助焊劑清洗 , 改善了電性能和熱性能 , 更易于系統(tǒng)級封裝。

三維異構(gòu)微組裝技術(shù)是在多學科系統(tǒng)設(shè)計和微納集成制造工藝的基礎(chǔ)上 , 實現(xiàn)不同材料、結(jié)構(gòu)、功能元件的一體化三維異構(gòu)混合集成 , 解決異構(gòu)材料的機電、熱、力等失配、同時解決并完善系統(tǒng)功能的新型微組裝技術(shù) 。

從科學研究的層面 , 需要研究半導體工藝的局限性及混合集成的攻關(guān)方向 , 例如 , 哪些類芯片、結(jié)構(gòu)體、材料可以進行混合集成 , 哪些類不行 , 并提煉出普適性規(guī)律與方法 .從技術(shù)研究的層面 , 是在系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上 , 通過微焊互連和微封裝等混合集成技術(shù) , 將高集成度的 IC 器件、微結(jié)構(gòu)及其他元器件三維組裝到封裝體內(nèi) , 構(gòu)成高密度、高可靠天線陣列微系統(tǒng)功能模塊 , 是實現(xiàn)芯片功能到系統(tǒng)功能的橋梁 。

4.3.3 高密度異質(zhì)多層基板技術(shù)

天線陣列微系統(tǒng)的研究通常是基于三維異構(gòu)混合集成技術(shù) , 典型是多芯片組件 (MCM) 和系統(tǒng)級封裝 (SiP) 技術(shù) . 進一步來說 , 以上技術(shù)大多數(shù)都是采用疊層型 (MCM-L) 、沉積薄膜型 (MCM-D) 和共燒陶瓷型 (MCM-C) 互連基板技術(shù)。

高密度異質(zhì)多層基板研究是將基板制備技術(shù)、膜集成技術(shù) , 通過多層基板協(xié)同設(shè)計和多物理場耦合分析 , 采用合理的工藝方法進行匹配兼容 , 可制備內(nèi)置阻容元件和感性元件的高密度無源集成異質(zhì)多層基板或集成無源器件 (integrated passive device, IPD). 厚薄膜無源元件集成基板技術(shù)是采用先進微電子技術(shù)和材料 , 在 LTCC 多層基板內(nèi)置電阻、電容、電感等元件 , 如圖 10 所示 , 可縮短分立器件的互連長度 , 降低寄生效應 , 減少互連焊點 , 同時有利于解決多徑衰弱、頻譜擁擠、噪聲干擾等系統(tǒng)問題 。

圖 10 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 基于 LTCC 多層基板內(nèi)置無源元件集成示意圖

混合多層基板是兩種或兩種以上不同材質(zhì)的基板集成制作為多層基板 , 基于不同材質(zhì)基板的物理參數(shù)和特性 , 進一步提高多層基板的性能和布線密度、組裝效率 , 降低成本 . 例如 , 共燒陶瓷 / 薄膜型混合基板 , 其中薄膜多層基板可布置高速信號線、接地線和焊接區(qū) , 充分利用薄膜多層布線的信號傳輸延遲小、布線密度高的特性 , 共燒陶瓷基板上布置電源線、接地線或低速信號線 , 充分利用它易于實現(xiàn)較多布線層數(shù)和適宜于大電流的特性。

4.4、封裝與熱管理技術(shù)

極大功能化、微納尺度、多尺度結(jié)構(gòu)、多類型材料 , 以及有源和無源嵌入式厚薄膜元件是實現(xiàn)天線陣列微系統(tǒng)的重要特征 . 隨著天線陣列微系統(tǒng)向小型化、高性能和高密度集成的發(fā)展 , 多功能器件( 例如 GaN, SoC 芯片 ) 的功耗不斷增大 , 芯片散熱已經(jīng)從小規(guī)模集成電路的幾百毫瓦發(fā)展到上百瓦 .這些將導致功率芯片及無源元件等成為非均勻分布的熱源 , 提升了熱流密度 . 封裝的目的是為天線陣列微系統(tǒng)提供散熱通道 , 還為內(nèi)部芯片、元件和基板提供機械支撐、密封保護和內(nèi)外信號互連等 . 熱管理的目的是通過多種方法導出熱量 , 使封裝體內(nèi)溫度維持在允許的范圍內(nèi) , 避免天線陣列微系統(tǒng)內(nèi)部溫度的逐漸升高 , 超過限定值 , 引起鍵合材料的蠕變、摻雜物的擴散、器件應力上升、結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象 , 導致天線陣列微系統(tǒng)停止工作或喪失其功能 。

4.4.1、多本征參數(shù)適配材料技術(shù)

多本征參數(shù)適配材料技術(shù)重點研究圍繞基板、布線、框架、互連導體、層間介質(zhì)、密封材料和封裝外殼等功能材料 , 針對金屬、陶瓷、聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及多種增強體和材料本體結(jié)合 , 制備出的復合功能材料 , 例如 , 鋁硅、鋁碳化硅復合材料 , 滿足天線陣列微系統(tǒng)封裝輕量化、小型化、低損耗、高導熱等要求 。

針對天線陣列微系統(tǒng)封裝小型化和多功能化的需求 , 新型基板材料、導體漿料、基板制備技術(shù)、膜集成技術(shù)的搭配和融合技術(shù) , 是實現(xiàn)高密度異質(zhì)多層基板技術(shù)的基礎(chǔ) . 例如 , 中溫瓷填孔鎢銅漿料技術(shù)可實現(xiàn)高速 DSP 信號傳輸 ; 單芯片扇出技術(shù)可實現(xiàn)高密度微小間距芯片與陶瓷基板的互連 ; 氮化鋁填銅柱垂直互連技術(shù)可實現(xiàn)大電流傳輸 , 同時滿足大功率器件散熱需求 . 隨著寬禁帶 (WBG) 半導體技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化的來臨 , 研發(fā)新的封裝材料和技術(shù)迫在眉睫。

4.4.2、嵌入式熱管理技術(shù)

基于微納技術(shù)的冷卻器在常規(guī)微系統(tǒng)熱管理中發(fā)揮了日益重要的關(guān)鍵作用 , 目前電子系統(tǒng)的散熱已經(jīng)由傳統(tǒng)的自然對流、金屬導熱和強制風冷散熱發(fā)展到液冷和熱管散熱 , 液冷散熱方式中的微流道散熱是天線陣列微系統(tǒng)的有效和方便的散熱方式 . 例如 , 利用 LTCC 技術(shù)制作的嵌入式微流道液冷基板 , 具有體積小、散熱面積大、功率消耗低、批量制作成本低等特點 .流道冷卻器吸收芯片上的熱量 , 通過液體循環(huán)將熱量傳給外界 , 達到散熱的目 . LTCC 內(nèi)嵌 3D 微流道系統(tǒng)分為多排直槽型、蜿蜒型和分形流道 . 一種典型的 3D 微流道結(jié)構(gòu)示意圖如圖 11 所示 . 利用 LTCC 單張生瓷片可分別加工的優(yōu)勢 , 用沖孔工藝在單張 LTCC 生瓷片上制作二維微流道 , 將所有生瓷片疊片、熱壓、燒結(jié) , 形成完整的 3D 微流道 。

圖 11 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) LTCC 內(nèi)嵌 3D 微流道結(jié)構(gòu)示意圖4.4.3、陶瓷金屬一體化封裝技術(shù)

陶瓷金屬一體化封裝技術(shù) (integral substrate package, ISP) 是將多層基板作為封裝的載體 , 與封裝外殼腔壁相連 , 多層布線基板構(gòu)成外殼整體的一部分 , 在基板上直接引出封裝的外引線 , 是一種氣密性封裝 , 不需要再用全金屬外殼封裝 . 根據(jù)環(huán)境、結(jié)構(gòu)、尺寸等邊界條件 , 開展溫度場分布及不同條件對溫度場的影響、熱阻與散熱路徑、機械承載與結(jié)構(gòu)應力、電磁場等微結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化 . 在提高了封裝密度 , 降低了封裝體厚度 , 減輕了重量的同時 , 一體化封裝技術(shù)也有益于微波信號傳輸和熱管理 。例如 , 一種典型基于 LTCC 工藝的三維異構(gòu)混合集成是將兩個金屬 / 陶瓷模塊通過一塊金屬轉(zhuǎn)接板相互連接在一起。

5、總結(jié)

技術(shù)創(chuàng)新在一定程度上取決于預測技術(shù)方向及它在未來的應用發(fā)展方向 , 并敢于相信那種直覺 .后摩爾時代 , 天線陣列微系統(tǒng)的研究和發(fā)展 , 需要解決兩個非常重要的核心問題 : 一是發(fā)展摩爾定律 ,實現(xiàn)芯片性能進一步提升 , 三維異質(zhì)集成能夠超越摩爾定律 ; 二是實現(xiàn)后摩爾定律追求的多功能三維異構(gòu)集成 , 實現(xiàn)系統(tǒng)性能和能力的提升 . 未來的天線陣列微系統(tǒng)將在體積與重量、性能、效率 , 以及智能化水平方面取得巨大進步 , 必將大大推動下一代更高性能微波成像雷達問世 。

本文針對星載及機載平臺需求，設(shè)計了一種L波段低剖面、輕量化、維修性高的相控陣天線單元，實現(xiàn)了E面掃描±60°，H面掃描±20°的寬角掃描，效率高于83%，具有良好的工程可實現(xiàn)性。