本文圍繞高分辨率對(duì)地微波成像雷達(dá)對(duì)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(diǎn)、現(xiàn)狀、趨勢(shì)和瓶頸技術(shù) , 針對(duì)對(duì)集成電路后摩爾時(shí)代的發(fā)展預(yù)測(cè) , 提出了天線陣列微系統(tǒng)概念、內(nèi)涵和若干前沿科學(xué)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(chǎng)耦合模型、微波半導(dǎo)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(duì)天線陣列微系統(tǒng)在下一代微波成像雷達(dá)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望 。

1、引言

中國高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)是國家下達(dá)的一項(xiàng)重大科研項(xiàng)目 . 高分辨率對(duì)地微波成像雷達(dá)是高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)重要組成部分 . 微波成像雷達(dá)不僅能提供高分辨率的地面靜止目標(biāo)的結(jié)構(gòu)形狀信息 , 而且能實(shí)時(shí)探測(cè)地面、空中或空間的運(yùn)動(dòng)目標(biāo) . 微波成像雷達(dá)系統(tǒng)能力與目標(biāo)的電磁特性、天線理論和工程及信號(hào)處理技術(shù)等密切相關(guān) 。

相控陣技術(shù)已成為雷達(dá)發(fā)展的主流 , 包括高分辨率對(duì)地微波成像雷達(dá) . 為了有效地緩解微波成像雷達(dá)高分辨率與寬觀測(cè)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(yīng)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(dá)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(dá)的基本要求 ,天線大孔徑是獲得雷達(dá)大功率孔徑積最簡(jiǎn)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(yùn)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(dá)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(cè)帶之間的矛盾 , 提高觀測(cè)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(shí)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(jìn)行折衷、分析和優(yōu)化 , 也要從理論和設(shè)計(jì)方法上進(jìn)行研究 。

表 1 天線對(duì)微波成像雷達(dá)性能影響關(guān)系分析

2、有源陣列天線特點(diǎn)和瓶頸

在集成電路摩爾 (Moore) 時(shí)代 , 有源陣列天線技術(shù)是集現(xiàn)代相控陣天線理論、半導(dǎo)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(shí)放大組件等 . 有源陣列天線有成千上萬個(gè) T/R 組件 , 每個(gè) 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(dǎo)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(jī)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(shí)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堋膯纹呻娐?(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(jí)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(dòng)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(dá)應(yīng)用時(shí) , 特別適合多模式快速切換、波束賦型和波束掃描 , 實(shí)現(xiàn)微波成像雷達(dá)多種模式工作 , 使雷達(dá)具有快速響應(yīng)、自適應(yīng)和故障弱化等能力 . 根據(jù)微波成像雷達(dá)的特點(diǎn)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(gè)特征 。

2.1、有源陣列天線技術(shù)是提升微波成像雷達(dá)性能的重要途徑

高分辨、多波段、多極化、多平臺(tái)是合成孔徑成像雷達(dá)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(shí)現(xiàn)上 , 具有顯著的優(yōu)勢(shì) 。

不同裝載平臺(tái)的微波成像雷達(dá)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(dá)的方位分辨率是天線方位向尺寸的一半 , 從這點(diǎn)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(dá)造價(jià)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(shí)現(xiàn)高分辨率和采用大天線孔徑是一對(duì)矛盾 . 有源陣列天線有效地緩解了這一矛盾 , 低分辨率時(shí) , 可以有效地利用天線大孔徑 , 高分辨率時(shí) , 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(yùn)用 , 使星載微波成像雷達(dá)掃描成像 (ScanSAR) 模式距離向的觀測(cè)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(diǎn)使微波成像雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 , 保障高分辨率成像的實(shí)現(xiàn) , 從而提高雷達(dá)成像質(zhì)量 。

2.2、有源陣列天線有利于提高微波成像雷達(dá)抗干擾能力

微波成像雷達(dá)的目的是獲得被選擇區(qū)域情報(bào)信息 , 對(duì)雷達(dá)干擾的目的是阻止、混淆、或遲時(shí)獲得被選擇地域的信息 . 對(duì)常規(guī)情報(bào)或跟蹤雷達(dá)來說 , 干擾機(jī)的有效性一般用雷達(dá)作用距離的減小量來度量 . 對(duì)于微波成像雷達(dá) , 干擾機(jī)就是阻止一個(gè)區(qū)域圖像信息的偵察 , 干擾機(jī)的有效性 , 一般用系統(tǒng)靈敏度的降低量來度量 。

雷達(dá)抗干擾目的就是減小對(duì)雷達(dá)的干擾效果 , 為了提高抗干擾能力 , 通常采用的如提高雷達(dá)有效輻射功率、低或超低副瓣天線、大時(shí)寬帶寬乘積信號(hào)、雙 / 多基地雷達(dá)系統(tǒng)等方法 , 這些對(duì)提高雷達(dá)抗電子干擾能力是至關(guān)重要的 . 對(duì)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(gè)輻射單元的幅度和相位可以獨(dú)立控制 , 利用空間濾波技術(shù) , 實(shí)現(xiàn)天線自適應(yīng)副瓣置零 , 抑制干擾與雜波 ; 同時(shí) , 也有利于實(shí)現(xiàn)輻射能量管理 , 合理使用輻射能量 , 提高雷達(dá)抗干擾自衛(wèi)距離 。

2.3、有源陣列天線有利于實(shí)現(xiàn)微波成像雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化

對(duì)雷達(dá)性能要求的提高和雷達(dá)工作環(huán)境的惡化 , 使雷達(dá)系統(tǒng)的構(gòu)成越來越復(fù)雜 , 研制周期加長(zhǎng) , 研制和生產(chǎn)成本上升 , 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)增加 . 為適應(yīng)這種形勢(shì) , 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(biāo)準(zhǔn)組件 ( 例如 T/R 組件、延時(shí)放大組件等 ), 這利于雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)賦予微波成像雷達(dá) “ 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(dá)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(jī)電等基礎(chǔ)技術(shù)能力得到了快速發(fā)展 , 但是進(jìn)一步向納米級(jí)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(dá)對(duì)大孔徑、高效率、低剖面和輕量化天線的需求 .與此同時(shí) , 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(diǎn).后摩爾時(shí)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(xiàng)多學(xué)科交叉的前沿新興技術(shù) , 將是后摩爾時(shí)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(dòng)通信、雷達(dá) , 以及個(gè)人消費(fèi)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(duì)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(dǎo)體技術(shù)以及先進(jìn)封裝工藝的發(fā)展和驅(qū)動(dòng) , 出現(xiàn)了片上天線 (antenna on chip, AoC) 、封裝天線(antenna in package, AiP) 、系統(tǒng)級(jí)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(dǎo)體材料與工藝將天線與其他電路集成在同一個(gè)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(gè)類型的電路性能達(dá)到最優(yōu) , 進(jìn)而導(dǎo)致天線系統(tǒng)性能難以達(dá)到最優(yōu) . 同時(shí) , 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(shí)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(jī)械加工、人工磁導(dǎo)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(yáng)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(gè)封裝內(nèi) , 完成片上天線難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能和特定的系統(tǒng)級(jí)封裝 , 有效避免了半導(dǎo)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(dá)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(jí)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(shí)現(xiàn)的天線陣列同射頻芯片通過金絲鍵合封裝到一個(gè)QFN 封裝里面 , 實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn) , 并在封裝外部設(shè)計(jì)了一個(gè)介質(zhì)透鏡來提高天線增益 ,該天線在未安裝透鏡時(shí)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(diǎn)是多功能電路板同時(shí)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(jìn)一步降低成本 . 這種瓦片式陣列架構(gòu)采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 QFN 封裝 , 將有源電路層直接焊接在一個(gè)廉價(jià)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(shí)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(jī) , 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(dá)裝備發(fā)展需求 , 具有重大軍事應(yīng)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(duì)陣列天線技術(shù)的發(fā)展有著重要的促進(jìn)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(huì)越來越清晰 , 實(shí)現(xiàn)一體化是必然結(jié)果 . 隨著網(wǎng)絡(luò)信息體系的科學(xué)技術(shù)的不斷深入 , 有源陣列天線勢(shì)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(tái)高分辨率對(duì)地觀測(cè)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(jìn)行研究 , 還可以進(jìn)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(jí)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(huì)更經(jīng)濟(jì) , 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(chǎng)、微電子、光電子、材料和熱力學(xué)為基礎(chǔ) , 結(jié)合體系架構(gòu)和機(jī)電熱多物理場(chǎng)模型 , 運(yùn)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(dǎo)熱結(jié)構(gòu)等三維異構(gòu)混合集成在一個(gè)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(xué)科發(fā)展、技術(shù)推動(dòng) , 以及應(yīng)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(jī)械 (micromachine) 。

1998 年 , 美國國防高級(jí)研究計(jì)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(jì)思想、設(shè)計(jì)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(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的認(rèn)識(shí) ,為微系統(tǒng)多學(xué)科融合、微小尺度集成、軍事應(yīng)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(dòng)了微系統(tǒng)集成方法和技術(shù)的進(jìn)步 . 2017 年 , 美國 DARPA 微系統(tǒng)辦公室啟動(dòng)電子復(fù)興計(jì)劃 (ERI),分別在材料與集成、電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)架等三大支柱領(lǐng)域布局六大發(fā)展項(xiàng)目 。

2007 年 , 歐盟在第 7 個(gè)科技框架計(jì)劃下 , 設(shè)立了 “ 微推進(jìn)器、可實(shí)現(xiàn)宇宙探索用高效和精確控制的化學(xué)微推進(jìn)器 ” 等多個(gè)微系統(tǒng)項(xiàng)目 . 2014 年 , 啟動(dòng)了 “ 地平線 2020” 項(xiàng)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(xì)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(yù)先研究 . 國發(fā) (2015) 28 號(hào)《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(hào)《 “ 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(diǎn)發(fā)展 。

從當(dāng)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(yùn)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(diǎn) , 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(gè)物理實(shí)現(xiàn)方式從平面式到立體式的變化 , 它們?cè)隗w積重量大幅度縮小的同時(shí) , 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(shí)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(dá)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(diǎn)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(shí)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(dá) , 將劃分為兩個(gè)物理單元 , 一是數(shù)字計(jì)算機(jī)單元 , 也就是通用信號(hào)處理機(jī) ; 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(jī)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(píng)價(jià)可以用兩個(gè)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(biāo) 。

天線陣列微系統(tǒng)與傳統(tǒng)有源相控陣天線在科學(xué)理論、仿真分析和設(shè)計(jì)制造等方法有很大區(qū)別 , 兩者間的比較如表 2 所示 . 實(shí)現(xiàn)天線陣列微系統(tǒng) , 需要解決兩個(gè)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(gè)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(gè)獨(dú)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(xué)技術(shù)問題

電磁現(xiàn)象和天線科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)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(xué)技術(shù)的高度融合 , 面臨的主要科學(xué)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(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)4.1、多物理場(chǎng)約束下架構(gòu)與拓?fù)浼夹g(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(jiǎn)單單元 , 在力、光、材料、電子、信息等學(xué)科均有布局 , 實(shí)現(xiàn)了光、機(jī)、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(jí)的架構(gòu)、性能、功能、算法等特征 , 又有元件級(jí)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(chǎng)約束下跨學(xué)科、跨專業(yè) , 學(xué)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(chǎng)約束下架構(gòu)與拓?fù)浼夹g(shù) , 重點(diǎn)是多物理場(chǎng)相互之間耦合機(jī)理、電磁特性模型 , 以及多維度參數(shù)容差分析與評(píng)價(jià) 。

4.1.1、多物理場(chǎng)耦合機(jī)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(chǎng)與不同小尺度芯片微觀的糾纏效應(yīng) ; 射頻信號(hào)與模擬、數(shù)字信號(hào)在封裝體內(nèi)的串?dāng)_效應(yīng) ; 射頻信號(hào)在微觀尺度下的趨膚效應(yīng)等 , 需要研究多物理場(chǎng)耦合機(jī)理 . 以多物理場(chǎng)耦合為切入點(diǎn) , 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(hào)傳輸互連等的時(shí)域和頻率耦合機(jī)理 , 指導(dǎo)系統(tǒng)指標(biāo)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?fù)涮峁┛茖W(xué)保證 。

通過提取天線陣列微系統(tǒng)架構(gòu)中的光、機(jī)、電、磁、聲等多元參量特征 , 結(jié)合熱、流體、力學(xué)、電磁學(xué)等 , 開展多物理場(chǎng)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(fù)雜信號(hào)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(jìn) , 重點(diǎn)解決天線陣列微系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與可靠性 , 建立標(biāo)準(zhǔn)模型庫 , 同時(shí)梳理機(jī)電熱多物理場(chǎng)仿真標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)不連續(xù)性 , 造成了電磁場(chǎng)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(chǎng)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(yīng)用于復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 , 構(gòu)建系統(tǒng)的多端口特性模型 。

通過分析內(nèi)部復(fù)雜信號(hào)的傳導(dǎo)變換、空間輻射及阻抗匹配等問題 , 開展三維電磁場(chǎng)提參建模與時(shí)頻域分析 , 研究系統(tǒng)級(jí)功能單元、互連單元、封裝單元模型 , 得到信號(hào)在異構(gòu)體內(nèi)傳輸變換時(shí) , 三維多變量函數(shù)和超高速信號(hào)電磁特性模型庫 , 構(gòu)建等效模型 , 解決電磁干擾、串?dāng)_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(jìn)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(yīng)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(zhǎng)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(diǎn)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(yīng)產(chǎn)生的高次模并存 . 因此需要研究邊界條件強(qiáng)約束下的激勵(lì)模式匹配理論 , 仿真分析微小尺度互連產(chǎn)生寄生效應(yīng) 。

針對(duì)微系統(tǒng)高密度封裝中機(jī)、電、熱等匹配帶來的功能和性能適應(yīng)性問題 , 以及工藝制造精度對(duì)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(yīng)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(fù)雜信號(hào)傳輸和變換在多個(gè)維度 ( 包括機(jī)、電、熱等 ) 上的容差評(píng)價(jià) 。

針對(duì)微系統(tǒng)多個(gè)維度上的參數(shù)偏差范圍和寄生參數(shù)變量 , 進(jìn)一步分析功能電路受其影響的機(jī)理、環(huán)節(jié)和效應(yīng) . 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(jī)械精度的變化 , 這些物理量進(jìn)而又影響性能和功能 . 在兼容工藝條件下 , 建立影響復(fù)雜信號(hào)品質(zhì)、多物理場(chǎng)耦合的多維度函數(shù) , 實(shí)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(dǎo)微系統(tǒng)中三維異質(zhì)異構(gòu)體魯棒性設(shè)計(jì) 。

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(duì)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(gè)強(qiáng)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(jìn)半導(dǎo)體工藝 , 以放大、變換、校準(zhǔn)、比較和傳輸?shù)仁侄翁幚砦⒉?/ 模擬信號(hào)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(gè)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(hào)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(hào)產(chǎn)生、混頻、功率放大器等 . 不同的半導(dǎo)體材料具有不同的本征參數(shù) , 有著不同的用途 . 幾種半導(dǎo)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(dǎo)體材料 , 可以具有寬禁帶 (WBG) 特點(diǎn) 。

表 3 幾種半導(dǎo)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(jí)數(shù)式的增長(zhǎng)之間矛盾將日益凸顯 , 5 nm 技術(shù)的推進(jìn)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(diǎn)的突破 , 將會(huì)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(dǎo)體集成電路重要的發(fā)展趨勢(shì)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(dǎo)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(dǎo)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?yán)走_(dá) , 將會(huì)對(duì)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(shí)現(xiàn)的新的集成電路架構(gòu) , 以達(dá)到提高性能、提高可靠性 , 以及降低成本.第 3 代半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展 , 將促進(jìn)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(dǎo)體外延材料技術(shù)和微波單片集成電路工藝不斷進(jìn)步的推動(dòng)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(diǎn)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(gè)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(tái) , 對(duì)于發(fā)射功率較小的情況 , 采用低噪聲工藝實(shí)現(xiàn) , 而功率較大時(shí)可采用功率工藝實(shí)現(xiàn) ,所以接收或發(fā)射性能可能不能同時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài) , 接收和發(fā)射鏈路的設(shè)計(jì)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(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)是研究難點(diǎn) 。

低功耗集成電路的實(shí)質(zhì)就是在集成電路的基礎(chǔ)上 , 將整個(gè)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(shí)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(jì) , 以及系統(tǒng)能耗的控制等技術(shù)方面進(jìn)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(dǎo)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(jì) , 突破IP 核復(fù)用技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、可測(cè)試性技術(shù)等 . 同時(shí)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(diǎn) , 開展適配的軟件算法的研究 , 重點(diǎn)解決天線陣列微系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的難題 . 圍繞天線陣列微系統(tǒng)的功能增強(qiáng)和異構(gòu)工藝適配開展芯片設(shè)計(jì)研究 , 優(yōu)化控制策略 , 實(shí)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(shí)時(shí)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(hù)功能 , 實(shí)現(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)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(dǎo)體芯片、無源元件等集成于一體來實(shí)現(xiàn)既定功能和性能 , 是實(shí)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(gè)復(fù)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(jì)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(píng)估與應(yīng)用等一系列的基礎(chǔ)理論、制造實(shí)踐和應(yīng)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(chǎng)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(chǎng)維度下的混合集成前沿性共性技術(shù)研究 , 重點(diǎn)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(hào)傳輸與串?dāng)_、熱管理、應(yīng)力匹配、光電干涉等技術(shù)難題 。

混合集成技術(shù)的演進(jìn)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(dòng)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(xué)科多專業(yè) , 融合了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和微納集成工藝 , 以實(shí)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(diǎn)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(diǎn)技術(shù)進(jìn)行電氣垂直互連 . 通過研究各種復(fù)合材料導(dǎo)體及介質(zhì)對(duì)復(fù)雜信號(hào)的傳輸與屏蔽適應(yīng)性和匹配性影響 , 解決微系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的串?dāng)_、延遲、能耗等難點(diǎn) . 同時(shí) , 在工藝研究時(shí) , 充分考慮熱力學(xué)和電性能的參數(shù)匹配 , 避免不同材料之間的熱失配和機(jī)械應(yīng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)混合信號(hào)的集成化 , 在滿足天線陣列微系統(tǒng)模塊機(jī)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(duì)多功能電路轉(zhuǎn)接板厚度進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì) , 可以減小天線陣列微系統(tǒng)封裝體的厚度 , 并進(jìn)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(qiáng)性能 , 縮短信號(hào)傳輸時(shí)間 , 解決信號(hào)延遲等問題。

圖 9 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖) 3D 先進(jìn)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(jí)封裝的先進(jìn)技術(shù) , 重點(diǎn)通過晶圓再造和再布線技術(shù)實(shí)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(shí)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(dǎo)體先進(jìn)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(gè)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(dá)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(jí)封裝 (FOWLP) 厚度小、成本低 , 不需要基板 , 不需要在晶圓上打凸點(diǎn)、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(jí)封裝。

三維異構(gòu)微組裝技術(shù)是在多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)和微納集成制造工藝的基礎(chǔ)上 , 實(shí)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(jī)電、熱、力等失配、同時(shí)解決并完善系統(tǒng)功能的新型微組裝技術(shù) 。

從科學(xué)研究的層面 , 需要研究半導(dǎo)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(jìn)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(shí)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(jí)封裝 (SiP) 技術(shù) . 進(jìn)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(jì)和多物理場(chǎng)耦合分析 , 采用合理的工藝方法進(jìn)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(jìn)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(zhǎng)度 , 降低寄生效應(yīng) , 減少互連焊點(diǎn) , 同時(shí)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(jìn)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(hào)線、接地線和焊接區(qū) , 充分利用薄膜多層布線的信號(hào)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(hào)線 , 充分利用它易于實(shí)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(shí)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(dǎo)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(jī)械支撐、密封保護(hù)和內(nèi)外信號(hào)互連等 . 熱管理的目的是通過多種方法導(dǎo)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(kuò)散、器件應(yīng)力上升、結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象 , 導(dǎo)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(diǎn)研究圍繞基板、布線、框架、互連導(dǎo)體、層間介質(zhì)、密封材料和封裝外殼等功能材料 , 針對(duì)金屬、陶瓷、聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及多種增強(qiáng)體和材料本體結(jié)合 , 制備出的復(fù)合功能材料 , 例如 , 鋁硅、鋁碳化硅復(fù)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(dǎo)熱等要求 。

針對(duì)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(dǎo)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(shí)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(shí)現(xiàn)高速 DSP 信號(hào)傳輸 ; 單芯片扇出技術(shù)可實(shí)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(shí)現(xiàn)大電流傳輸 , 同時(shí)滿足大功率器件散熱需求 . 隨著寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)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(duì)流、金屬導(dǎo)熱和強(qiáng)制風(fēng)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(diǎn) .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(dá)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(shì) , 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(chǎng)分布及不同條件對(duì)溫度場(chǎng)的影響、熱阻與散熱路徑、機(jī)械承載與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、電磁場(chǎng)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(shí) , 一體化封裝技術(shù)也有益于微波信號(hào)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(gè)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(yù)測(cè)技術(shù)方向及它在未來的應(yīng)用發(fā)展方向 , 并敢于相信那種直覺 .后摩爾時(shí)代 , 天線陣列微系統(tǒng)的研究和發(fā)展 , 需要解決兩個(gè)非常重要的核心問題 : 一是發(fā)展摩爾定律 ,實(shí)現(xiàn)芯片性能進(jìn)一步提升 , 三維異質(zhì)集成能夠超越摩爾定律 ; 二是實(shí)現(xiàn)后摩爾定律追求的多功能三維異構(gòu)集成 , 實(shí)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(jìn)步 , 必將大大推動(dòng)下一代更高性能微波成像雷達(dá)問世 。

本文針對(duì)星載及機(jī)載平臺(tái)需求，設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)性。