毫米波有源相控阵射频前端集成制造技术

谢义水

（中国电子科技集团公司 第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

有源相控阵射频前端是毫米波雷达、导引头等装备的关键部件，包括相控阵天线阵面、TR组件、控制电路以及散热系统等。在有源相控阵射频前端设计制造过程中面临着诸多实际问题，例如，如何实现在设备功率成倍增长的同时减小设备的体积；如何解决电子器件高密度集成设计以及产生的热量通过何种方式散失等。有源相控阵射频前端的功能实现不仅取决于射频前端的设计要素，而且在更大的程度上取决于这些设计要素的工艺集成方式。有源相控阵射频前端制造工艺复杂，具有极强的集成制造特点，更高效的集成制造技术开发和新型材料的合理应用是实现一体化有源相控阵射频前端的关键。

1 国外发展现状

美国、德国、法国等发达国家在有源相控阵射频前端集成制造技术上居于领先地位。美国德州仪器公司曾开发出了Ka频段4×4发射子阵，阵元间距为0.8倍发射波长，结果显示其4位PIN二极管移相器插损4.5dB，阵元发射功率100mW，馈电网络的插损5dB[1]。德国IMST公司开发的基于LTCC的Ka频段8×8瓦片式智能天线终端，共17层，其中11层集成了混频器、滤波器以及功放等，其余6层主要为液体冷却系统，封装结构合理，集成制造方式有效[2]。法国Thales公司开发的8×8数字接收瓦片模块，包括电源、控制以及光学接口等组件，整个厚度100mm，重量尚不足8kg，达到了小型化集成制造技术上的领先水平[3]。

在多功能芯片集成制造技术进展方面，欧洲于2005年曾提出将多个MMICs和数字控制电路集成于一体，并研制通用性良好的 “内核模块”，集中完成传统TR组件的收发开关、幅相控制等功能[4]。另外，荷兰TNO物理与电子实验室此前开发出了一款X波段TR芯片，集成了衰减器、移相器、射频开关、功放等功能，采用的是0.2μmpHEMT工艺，达到了较高的集成水平[5]；诺格与雷声公司先后开发出了各自的Ka波段多功能芯片，集成度较高，经济性较好[6]。

2006年，Raytheon公司研制成功一款拥有600个发射单元、35GHz、低成本的二维有源相控阵导引头样机，它采用单片集成TR组件，单个有源发射单元的成本只需要30美元[7]。

综合国外相关射频前端集成制造技术研究成果和未来技术发展趋势，以及面临的实际工程问题，将多种MMICs芯片进一步集成，进而使TR组件中的芯片种类、数量减少，从而达到增加系统集成度的要求；开发更有效的立体封装技术和进行相关新型材料的研究，从而解决射频前端高性能和小型化的矛盾；采用低成本材料和工艺，降低价格，从而拓宽其应用领域等等，是毫米波有源相控阵射频前端集成制造的关键技术。

2 关键技术

2.1 立体组装技术

在毫米波有源相控阵阵射频前端中，“砖块式”和“瓦片式”是两种典型的相控阵天线集成形式。其中， “瓦片式”集成的相控阵天线阵列采用分层结构，利用垂直互联技术，热设计空间大，热沉空间充足，集成度可以做到很高。目前，采用 “瓦片式”相控阵天线形式已成为毫米波有源相控阵射频前端的主流，主要通过立体组装技术实现其集成制造[8]。

基本 “瓦片”层包括天线阵面层、RF馈电层、DC与控制电路层、冷却层以及GaAs层。实现 “瓦片式”集成制造的主要工艺是LTCC技术，利用经过预先加工、具有特定形状的生瓷片，层层铺叠，等静压压合，经过最终烧结制得内部含复杂腔体的多层垂直互联射频电路。LTCC腔体可以为射频电路模块中的元器件提供物理支撑和传热通道，并具有良好的高频性能。

LTCC封装技术是实现射频前端集成制造的有效途径，例如，德国IMST公司利用LTCC技术制造了复杂功能结构的8×8共64单元Ka频段有源相控阵天线，天线阵面位于最上层，冷却液进出口、直流电源连接器位于最底层，中间层则针对每一个天线子阵安置有射频芯片组、功放、混频器和滤波器。

LTCC封装技术的应用难点在于多层电路内部陶瓷腔体的制备工艺十分复杂而精细。特别是当射频前端中的多数元器件需要预埋在多层电路中时，铺层之间的压力、烧结时间和温度都需慎重考量，以防止对元器件造成破坏。更为重要的是，垂直互联层与层之间需要保持较高的匹配精度。

在LTCC封装体制备完成以后，将中频、直流电源依次焊接组装，并把每个天线单元下面的信号传输通道与射频芯片之间进行微组装，经封装实现射频前端的立体组装。

2.2 先进封装材料

金属基复合材料既可以发挥基体材料的优良性能，又可以兼具其组元材料的特性，充分发挥各组元材料的协同作用，材料的设计自由度很大。常用的基体包括铜和铜合金以及铝和铝合金。目前，为满足装备轻量化要求，拟可应用的铝基复合材料主要有Al/SiC复合材料和Al/Si复合材料。

Al/SiC复合材料由30%～70%的SiC颗粒和铝或铝合金组合而成，其CTE（热膨胀系数）可以通过SiC的含量进行调节。当SiC含量达到70%时，复合材料的CTE为7.0×10-6（K-1）左右、 TC（导热系数）为 170W（m-1k-1）左右，与芯片或陶瓷基片的热匹配性良好，同时提供了十分优异的导热能力。由于铝和SiC的密度都很小，所以其复合材料的密度也很小，Al/70%SiC的密度仅为2.79g/cm3。但是Al/SiC复合材料加工工艺性差是工程应用的障碍

Al/Si复合材料的 CTE 在 7.4×10-6（K-1）左右、 25℃下TC为120W（m-1K-1）左右，密度约为2.4g/cm3，完全满足轻质化的要求。高硅含量的Al/Si复合材料制备技术起步较晚，工艺技术不够成熟。通常情况下，经过喷射沉积成型以后并不能直接获得结构致密的产品，需要后续的热等静压处理后才能消除，这无疑会增加工艺复杂度，不利于节约成本。

射频前端工作环境相当复杂，其封装材料除了具备基本的物理性能、加工性能以外，还要能够抵御各种环境条件（湿热、盐雾等）的侵蚀，以满足装备的环境适应性要求。

2.3 热路设计

在射频前端中，由于受到相控阵天线 “半个波长阵元间距”的限制，TR组件结构尺寸有限，内部布局十分紧凑，工作时组件的热流密度非常大。据报道，功率晶体管的结温每增加10℃，其可靠性就会下降60%。因此，科学的热路设计在射频前端集成制造中占有重要的地位。目前，使用较多的是液冷传热模式，具体可以分为浸没冷却和间接流体冷却等方式，考虑设备使用寿命和液体对组件的腐蚀作用，间接流体冷却更为流行。其中最经济有效的冷却液是水，但通常在需水中加入不同比例的乙二醇，降低冷却液的冰点，以满足装备低温工作环境适应性要求。

液冷技术发展较为成熟，很多项目中都已经处于使用阶段。相控阵射频前端TR组件冷却液流道优化设计十分关键，需要利用计算机模拟技术简化冷却系统设计和优化结构设计，具体的冷却液流量需要综合考虑散热需求和液泵功率来确定。TR组件壳体和冷板在同一块基板上数控铣削而成，从易于加工的角度考虑，冷板的冷却液流道一般选择方形结构，位置选在热源下方，并采用蛇形走向，以降低冷却剂压力损失。冷却液盖板采用精密焊接封装并进行气密性检验和耐压测试，以防止冷却液泄露腐蚀设备。

目前，液冷技术面临的问题主要有冷却液对设备的腐蚀和冷却液泄漏问题，影响了射频前端的可靠性和使用寿命。值得注意的是，液冷接头选择不当增加了冷却液腐蚀射频前端的可能性。经严格的可靠性和环境适应性验证，国产液冷接头的密封性尤其是低温密封性优、综合性能好，已取得了良好的工程应用效果，替代了进口器件。

未来，需要自主开发应用新的自冷却技术，以完全取消射频前端笨重的冷却液动力机构，达到进一步减轻系统重量，提高射频前端可靠性和降低生产成本的综合要求。

2.4 芯片技术

相控阵射频前端需要应用多种专用芯片（MMICs），来完成诸如收发放大、收发切换、幅相控制以及数字移相等重要功能。由于多个芯片互联时组装连线的损耗、电磁耦合效应等对单个芯片的指标要求较高，需要相应的余量；而且不同功能的芯片之间互联需要消耗大量的辅助材料，微组装工序复杂，组装成本较高；另外，相控阵射频前端需求的芯片数量大，装备成本权重大。因此，若能将多种芯片进一步集成，形成多功能芯片，便可使相控阵射频前端TR组件中芯片种类、数量减少，从而达到增加系统集成度的要求。

多功能芯片通过避免芯片间互联、减少芯片数量的方式可以节约空间；由于不需要考虑芯片间连线损耗、电磁耦合效应的影响，所以不用为芯片设定过高的技术指标，节约了研发成本。所以，开发能够将多个芯片功能集成于一体的多功能芯片技术，尤其对于毫米波相控阵射频前端具有巨大的技术价值。

将多种专用芯片高度集成为多功能芯片的工艺难点在于：需要在同种工艺条件下，在同种基片材料上完成多种芯片结构集成设计。实际上，针对不同的芯片功能，传统工艺总是选择最佳的工艺条件以及基片材料。这就意味着多功能芯片的集成需要在工艺选择和相关电路性能上进行综合考量，进而权衡出一种折中方案。在这种前提下实现芯片性能的优化是十分困难的。同时，由于集成密度更高，设计困难也更大。为了解决这一矛盾，未来的发展趋势在于开发新的兼具较高功率性能和低噪声性能的材料，同时综合应用多种相容工艺在同一基片上制作功能器件，如在GaAs衬底上制作pHEMT管芯和MEMS元件[9]。

3 发展与展望

为应对有源相控阵雷达、导引头等毫米波装备向多功能、高性能、大功率、小型化方向发展需求和装备高可靠性和环境适应性总体要求，在解决好立体组装技术、先进封装材料应用、热路设计等关键技术基础上，系统封装和综合集成将成为毫米波有源相控阵射频前端集成制造技术的发展趋势。

3.1 系统封装

系统封装（system in package，SIP）是指将多个具有不同功能的电子元器件，组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件。所以，对于SIP而言，在单一的模块内需要集成不同的有源芯片和无源元件、非硅器件、MEMS元件等。

SIP可以实现不同工艺、材料制作的芯片封装形成一个系统，它具有良好的抗机械和化学腐蚀的能力以及高的可靠性[9]。面向有源相控阵射频前端需求，SIP的技术目标是实现毫米波电路、组件乃至整机的模块化、固态化、小型化和高性能化。而未来更先进的SIP，将可以利用窄节距的倒装芯片以及穿透硅片的互连（TWEI）形成新的一级互连；可以利用高性能的新型高密度有机功能基板技术，实现三维芯片堆叠和封装堆叠以及芯片、封装和基板的SIP共同设计。

3.2 综合集成

有源相控阵射频前端需要多种集成技术。例如，多功能芯片集成技术，可以将多种功能集成在一块芯片上，提高了空间利用率并且降低了成本；通过垂直互联技术将整个天线发射单元和TR组件、回馈电路等集成在一起，提高了可靠性。

为更好地解决好有源相控阵射频前端高性能与小型化间的矛盾，保证装备可靠性，应采用综合集成制造方式将相控阵天线、TR组件和冷却装置等统筹设计，以有效地利用空间，提高系统的兼容性，实现有源相控阵射频前端的高度集成化，并达到合理安排制造过程中焊接、组装等工艺流程，进一步降低成本的综合要求[10]。

4 结束语

近年来，美国、德国、法国等发达国家各种高性能相控阵雷达、导引头等装备不断问世，其在有源相控阵射频前端技术领域取得了极大发展。毫米波有源相控阵射频前端制造工艺集成度高，其中多功能芯片技术、立体组装技术、热路设计等关键技术制约着装备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阵装备总体要求，的系统级封装、一体化综合集成制造技术是有源相控阵射频前端新的需求。

[1]Caekenberghe K V,et al.Ka-band MEMS TTD passive electronically scanned array(ESA).Proceedings of IEEE Symposium on Antenna and Propagation.Albuquerque,NM:IEEE,2006.

[2]Holzwarth S.Highly integrated 8×8 antenna array demonstrator on LTCC with integrated RF circuitry and liquid cooling.Proceedings of the Fourth European Conference.IEEE,2010.

[3]Eli Brookner.Phased-array and radar breakthroughs.Proceedings of IEEE Radar Conference.Boston,MA:IEEE,2006.

[4]Odile Adrian.From AESA radar to digital radar for surface-based applications.Proceedings of IEEE Radar Conference,Pasadena,CA:IEEE,2008.

[5]Kuhlmann K.Active 30 GHz antenna array for digital beamforming and polarization multiplexing.Microwave Symposium Digest.IEEE,2010.

[6]Mancuso Y,Gremillet P,Lacomme P,et al.T/R modules technological and technical trends for phased array antennas.Proceedings of European Microwave Conference.IEEE,2005.

[7]Byung-Wook Min,Rebeiz G M.A Ka-band BICMOS T/R module for phased array applications.Proceedings of IEEE CSICS.Monterey,CA:IEEE,2008.

[8]John H Wehling.Multifunction Millimeter-Wave systems for armored vehicle application[J].IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques,2005,3.

[9]Mark J Rosker.Technologies for next generation T/R module.Proceedings of international Conference on Radar.Boston,MA:IEEE,2007.

[10]Hajimiri A,Hashemi H,Natarajan A,et al.Integrated phased array systems in silicon.Proceedings of the IEEE,2005,9.