三维集成微波组件技术：进展与展望*

黄 建

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

微波组件(Microwave Module,MWM)是在微波频段系统和整机中广泛使用的部件，它通过集成微波有源器件、无源器件和电路，可独立实现特定的微波信号处理功能。微波组件通常具有单独的小型化封装，具备标准形式和阻抗的微波信号传输接口。

当前军用微波系统和设备正向多功能综合化、高性能、轻小型化、高可靠性和强复杂电磁环境适应性等方向发展，频段拓展到毫米波频段。在无线通信、空间互联网和汽车雷达等民用领域，系统工作频率也正从6 GHz向毫米波乃至太赫兹频段扩展，并要求设备低成本、小型化、低功耗和长寿命。在系统应用牵引下，微波组件得到了长足的发展，新器件、新设计、新工艺发展迅速并得到广泛应用，微波组件功能、性能、集成度和可靠性显著提升，但在高频率、高性能、多功能、大带宽、高功率密度、超小型化等方面仍难以满足应用需求。

随着技术发展，微波和毫米波频段有源相控阵、数字阵列和智能蒙皮等先进技术也得到了深入研发和应用。作为其核心组成的收发组件(Transmitting-Receiving Module,TRM)、数字阵列组件(Digital Array Module,DAM)或封装天线(Antenna in Package,AiP)模块，不仅要求多功能、高性能和小型化，且单通道成本较上一代产品需降低到原来的1/10以上，基于目前的技术难以实现。

解决以上问题的关键是提高微波组件的集成度：采用异质集成、多尺度集成和多工艺兼容集成架构，在微波组件内集成更多种类和数量的高性能微波器件，并进一步集成天线、数字信号处理和热控等器件或部件，以增强组件功能和性能；通过采用多层基板和三维高密度互连，消除多级封装和过度封装，减少互连线缆和接插件，在缩小体积尺寸、提高可靠性同时降低成本；通过免调试、自动化装配与检测等集成制造手段，提高产品一致性和成品率，并降低加工制造成本。

2010年后平面(2D)集成和以多层印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)、低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)为代表的多层基板平面集成(2.5D)技术已经基本成熟，并在微波多芯片组件中得到广泛应用。然而，无论是2D还是2.5D集成，其封装效率均不高于100%。随着MWM功能和性能提升，单个基板上下表面将无法排布下电路元器件，只能通过三维堆叠集成的方式来解决，因此微波组件势必向三维集成方向发展。从三维微系统概念提出[1]以来，美国DAPAR大力推进相关技术研究并取得重大突破，片上系统(System on Chip，SOC)、异质异构集成、三维封装、系统级封装(System in Package,SiP)等微系统技术日趋成熟，这些技术被迅速应用于传统微波组件，开辟了新的高集成微波组件技术发展方向，即三维集成微波组件(Three-dimensional Integrated Microwave Module，3DMWM)技术。目前国内外3DMWM研究方兴未艾，部分产品已经实现工程化应用。但总的来看目前研究主要还是针对特定应用需求，在2D或2.5D集成微波组件基础上移植成熟的微系统三维集成工艺，取得了部分关键技术突破并实现3DMWM开发，尚未形成具有通用性的3DMWM集成架构，对3DMWM基础理论和共性关键技术尚未开展系统性的研究。

对于3DMWM而言，集成架构是决定组件功能、集成度和微波性能的关键要素，本文第1节按演进顺序对现有的典型3DMWM集成架构及其特点进行了介绍，梳理其技术发展脉络和方向；第2节对不同集成架构下主要共性关键技术发展现状进行了介绍；第3节介绍了作为3DMWM设计和工程应用基础的可靠性理论与技术研究现状和后续研究方向；第4节分析3DMWM技术发展趋势，提出我国开展3DMWM研究的重点技术领域；最后对3DMWM技术发展和应用前景进行了预测。

1 3DMWM微波组件集成架构

目前研究报道的具有三维集成特征的3DMWM集成架构大致可分为四类，按照集成度从低到高演进顺序分别介绍如下。

1.1 含SiP的2.5D集成架构[2-4]

采用一个多层基板(可内埋无源器件和电路)，在基板上装配微波单片集成电路(Microwave Monolithic Integrated Circuit，MMIC)芯片和SiP器件，如图1所示,其中SiP本身是基于三维集成和封装工艺实现的微模块。

图1 含SiP的2.5D集成架构

尽管整体具有多基板立体互联等3D集成特征，但如果将SiP视为一个器件，并考虑到多层PCB作为母板通常主要实现低频互连、数字信号处理和控制等功能，并不具备微波电路功能，则该架构本质上仍可视为2.5D集成，封装效率不超过100%，因此只是3DMWM的初级集成架构。

值得注意的是，该集成架构充分体现了典型3DMWM的多尺度集成特征。从纳米级(芯片)、微米级(SiP内部集成)到毫米级(芯片和SiP装配)，而组件本身尺寸可达10～100 mm，集成尺度跨越7个量级。尽管封装效率较低，但可以充分利用各种形态的微波器件实现优良的微波电路性能。

1.2 扩展2.5D集成架构[5-11]

通过在单个微波多层基板双面安装微波器件(如图2(a))，或将多个基板或无源转接板装配形成一个组合微波多层基板，并在该组合基板顶层和底层安装微波器件(如图2(b))形成3DMWM。

(a)单基板集成

该架构在2.5D集成基础上增加一个器件安装面(或层)，因此其封装效率最高可达到200%。图2(b)架构包含多个基板和无源转接板，内部可集成更多的无源电路和内埋无源器件，并可实现更高密度的3D互连，集成密度更高。工艺上，由于内层基板无有源器件，装配时可先进行组合基板整体装配，再进行有源器件装配，故工艺较为简单易行。内层无发热器件，可以通过外部热传导、对流或热辐射进行高效散热，有利于降低器件工作温度，对大功率微波组件具有较好适用性。

1.3 同质多基板堆叠三维集成架构[12-15]

该架构采用多个同质多层基板进行堆叠，并且至少一个内层基板上有微波有源器件，如图3所示。

图3 同质多基板堆叠三维集成架构

这是一种真正的三维集成架构，突破了2.5D集成的局限。通过在内层基板安装微波器件，其理论封装效率可超过200%，同时设计上通过在三维空间内优化有源器件安装位置，缩短了微波信号传输路径，并可兼顾基板加工和组件装配工艺可行性，提升微波组件整体性能。采用多个基板堆叠，可实现更高密度三维互连。所有基板材质相同，故基板之间物理、化学性质和电路特性匹配，可以在同一工艺平台上完成全部基板加工，从而降低了工艺控制和模块实现难度。

其缺点是，采用单一基板材质难以满足力学强度、导热性能、电学特别是微波性能、热膨胀系数匹配、加工性能和成本等多方面的要求。比如，半导体基板易于利用标准集成电路工艺，但微波性能一般，不适于制作宽带天线，且成本较高，而聚合物基板成本低、微波性能优良，但与芯片热膨胀系数差异大，传热性能差。因此，该架构下组件的功能和性能必然受到基板材料的限制。

1.4 异质多基板堆叠三维集成架构

异质基板(含内层金属框架)在三维集成中已经得到应用[16-18]，特别是在一体化有源天线阵中。在多层基板堆叠集成架构下，如基板材质大于两种，并且至少一个内层基板上有微波有源器件，则为异质多基板3D集成，如图4所示。

图4 异质多基板堆叠三维集成架构

该架构具备同质多基板三维集成架构的全部优点，由于采用异质基板可以实现更多的微波无源电路功能或更好的微波性能。采用低介电常数微波基板和多层PCB板，则可在组件内集成天线、微波、模拟和数字电路等功能，可实现AiP、数字子阵列等高性能、高集成度的复杂微波组件。

其最大的缺点是，由于异质基板的物理、化学和微波性能的差异，需要解决更多的工艺兼容、电路匹配和可靠性等问题，设计和工艺实现难度更大。

从以上介绍可以看到，3DMWM集成架构是从单基板向多基板、从2.5D集成向3D集成和从同质集成向异质逐渐演进的。

2 3DMWM关键技术

从已经发表的 3DMWM研究成果来看，所采用的集成架构和实现的电路功能多种多样，但都存在一些共同的关键技术，主要包括基板技术、垂直互连、散热设计、制造工艺和无损测试技术等。其中，后两项主要是涉及产品实现的工程技术，前三项在设计阶段对组件功能、性能和集成度具有重要影响，分别介绍如下。

2.1 基板技术

无论采用何种集成架构，3DMWM中一般都采用一个或多个多层基板，通常一个基板采用同一材质，通过压合、烧结、键合、焊接等方式将多层板材结合成整体。同种材质可保证多层板材的物理、化学性质匹配，避免应力导致分层和破裂。

目前3DMWM中广泛使用的多层基板包括高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramic，HTCC)、LTCC、玻璃、高阻硅和聚合物基板。

参考相关基板材料厂商产品数据手册，将3DMWM基板主要材料及其物理特性列于表1。3DMWM中MMIC主要为砷化镓或硅材质，为便于比较，表中也列出了砷化镓材料的主要特性。

表1 3DMWM典型基板材料的物理特性

由表1可知，HTCC基板热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)与硅和砷化镓基本匹配，可直接安装MMIC芯片。氮化铝基板具有高导热性能，因此在大功率三维集成微波组件有较大潜力，但由于所用导体电阻率较高，且表面粗糙度较大，高频传输损耗较大，在毫米波频段性能较差。

LTCC基板与砷化镓芯片CTE匹配，介电常数适中，可用于微波到毫米波频段的有源和无源电路，但是价格较高，导热性差且烧结过程基板收缩和较大，不利于大功率或较大尺寸组件集成。玻璃基板与硅芯片CTE匹配，介电常数较低，可实现微波频段有源和无源电路集成，也可以集成微带贴片天线，但导热性差，表面粗糙度大，用于大功率微波组件和毫米波组件集成性能较差。

硅基板与硅或砷化镓MMIC芯片CTE匹配，导热性好，可利用MEMS工艺进行高精度加工制造，可用于直至毫米波频段的大功率组件三维集成。其缺点是成本较高，且堆叠层数一般少于6层，集成度受到限制；介电常数较高，存在漏电流损耗，制作无源电路(包括天线)性能较差。

有机聚合物基板与芯片CTE差异较大，难以直接安装MMIC芯片，且导热性和气密性差，用于微波有源集成难度较大，工艺复杂。其优点是介电常数范围宽，损耗小，可制作高性能的毫米波频段无源电路和天线；材料及加工成本均较低，可以大幅面多层压合，能实现较高集成度。

以上各种基板的微波性能、可集成性和经济性归纳于表2。

表2 3DMWM典型基板性能

从以上对比分析可知，对3DMWM而言单一材质基板各有其优势和局限性。为实现更高集成度和更优性价比，最有效的途径还是采用不同材质的多层基板进行三维集成，当然这会增加设计和工艺难度，需综合考虑性能、可靠性、工艺可行性及成品率和经济性等多方面进行权衡。

2.2 3DMWM垂直互连

垂直互连实现3DMWM中各层基板之间电信号的传输。3DMWM中包括射频垂直互连和低频垂直互连，按照在集成架构中信号传输范围，垂直互连又可分为基板内垂直互连和板间垂直互连。

基板内垂直互连是多层基板内部层间高低频信号的互连，主要通过通孔实现，特殊情况下也通过耦合方式实现微波信号的层间传输[19]。微波信号板内垂直互连需解决不同类型微波传输线间模式转换、阻抗匹配和不连续性补偿，主要包括微带、带状线、共面波导(Co-planar Waveguide，CPW)、带地共面波导(Co-planar Waveguide with Ground，CPWG)等多种传输线之间导带的连接和模式转换，适当地设计通孔连接、高次模式抑制和不连续性补偿电路，通常这些层间垂直互连可实现40 GHz以下微波信号互连，带宽20%以内驻波小于1.4[20-21]。

板间低频垂直互连方式有微型弹性接插件、引线键合、多芯毛纽扣、球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)、平面栅格阵列(Land Grid Array，LGA)等，均已得到广泛应用。

板间微波信号垂直互连除了要解决传输线模式转换等类似问题外，还需要解决射频信号泄露与端口隔离、板间堆叠工艺容差性和密封性设计等问题，因此难度更大。已报道的板间互连采用的传输线形式有同轴线、类同轴线、CPW/CPWG、矩形/变形波导等，互连方式有微型同轴连接器、毛纽扣[22-23]、BGA[24-26]、LGA[10]、近耦合式[27]和基片集成脊波导(Substrate Integrated Ridged Waveguide，SIRWG)[28]等，频率覆盖DC～50 GHz，各种方式对比优缺点如表3所示。

表3 3DMWM中典型垂直互连特性和性能

同轴或类同轴模式的垂直互连是基于电流传导互连，低频端可到直流信号，高频可到毫米波低端，具有优良的宽带特性，但毫米波以上频段性能下降。其中，BGA、LGA集成度高，但无论是焊接还是各向异性导电胶粘结，容差性较差，用于异质基板垂直互连长期可靠性较差。同轴连接器和毛纽扣有较好容差性和可靠性，但集成度低。

相比较而言，近耦合和SIRW垂直互连均是基于电磁场直接传输，不能传输直流信号，对Ku以下频段传输性能较差，且体积大，集成度低；在毫米波频段则具有一定优势，传输性能好，集成度适中，容差性好，可靠性高。因此，针对毫米波异质三维集成，基于电磁场直接传输的宽带、高集成度、高可靠性的垂直互连是重要的发展方向。

2.3 3DMWM热设计技术

3DMWM高集成密度使得散热问题更加突出。对含SiP的2.5D集成架构和扩展2.5D集成架构，其有源器件主要安装在组合基板外表面，可以通过外部散热降低器件工作温度，只是相对于传统微波组件发热密度更高，且外部散热器设计需要考虑微波信号低损耗传输，带来了更多设计难度。对多基板堆叠三维集成架构，安装在内层基板的有源器件散热更为困难，需要采取额外的散热措施。

目前报道的3DMWM中，主要采取了以下热设计措施：

(1)采用高导热性基板

采用氮化铝、硅等高导热性基板[29]，使有源器件的发热直接传递给基板，并通过基板进一步横向或纵向传导到外部散热器。采用氮化铝基板和纳米银等高导热材料装配的组件其等效热导率达到76～183 W/(m·K)。

(2)增强基板传热性能

对于导热性差的基板，通过在基板安装有源器件部位打通孔，并将通孔实心金属化，或填充高导热性纳米银浆作为导热通道[15]；对多层PCB板，可采用铜浆或银浆烧结等措施，增强基板传热能力。无源转接板上可制作高密度实心金属孔阵列[30]增强导热，相应的散热孔区域的热流密度40～120 W/cm2。以上热设计只能提高基板纵向导热能力，还需通过插入均温板或散热板将热量进行横向传递，再通过连接外部散热器散热。

此外，在基板中直接制作微流道进行液冷散热能较好提升基板横向传热性能，此时基板可直接连液冷系统进行散热[31]。已报道的硅基微流道[32]散热能力达到600 W/cm2。

(3)插入金属冷板

在堆叠集成的基板间插入高导热金属均温板、热管均温板或冷板[5,7,12,30]，可实现基板上热量的快速扩散。冷板可连接风冷散热器或液冷散热系统进行冷却以降低基板温度。为提高冷却能力，冷板内部可集成微流道[5]或热管[7]。

以上散热措施的主要性能如表4所示。

表4 3DMWM主要散热措施性能

由表4可知，任何一种散热设计均有其局限，需根据组件工作条件和功能性能要求选择合适的散热方式或组合几种散热途径达到最佳散热效果。结合热仿真和试验评估技术，确保有源器件温度，特别是大功率芯片沟道温度在允许范围内，保证组件在规定的最高温度条件下稳定可靠工作。

3 3DMWM可靠性理论与技术

3DMWM的典型失效模式与机理、可靠性建模、仿真预测和可靠性试验评估方法等方面的理论与技术研究对于3DMWM的设计、开发乃至在系统及整机应用都是十分关键的。相比常规微波组件，3DMWM包含更多种材料和器件，制造和装配工艺更复杂。在生产和后续使用过程中，组件内部以及组件与外部环境之间存在复杂的力-电-热多物理场耦合作用，并可能存在多材质之间的原子扩散和化学侵蚀反应，可靠性受多种因素影响，相比于传统的微波组件，3DMWM的可靠性薄弱环节增多，存在更多的失效模式和独特的失效机理，如三维集成工艺可靠性、三维互连失效、多材质多基板热失配失效和内层局部器件过热失效等。针对3DMWM的可靠性进行理论分析、建模和仿真都非常困难。

目前公开报道的文献中针对3DMWM的失效机理、可靠性建模与预测、可靠性试验评估方法等可靠性研究很少，大多数3DMWM研究工作基本不涉及组件可靠性设计与评估。文献[33]研究了基于热阻矩阵的SiP中芯片结温的快速准确预估方法，文献[34-36]仿真分析了三维封装结构和力学可靠性，但以上文献都只考虑了热和力学单一应力影响。文献[37]研究了三维封装中硅通孔(Through Silicon Via，TSV)在不同电流下热应力分布及结构形变，为TSV结构失效分析提供指导，但该研究限于三维封装的局部结构中线性耦合的电-热-力场对可靠性的影响。文献[38] 基于失效SiP产品的破坏性物理分析进行失效原因推测和机理分析[38]，仍采用基于直观现象的常规分析思路。

可见，现有的少数研究主要是对热、力等单一应力作用建立仿真模型，或对局部结构建立简单的多物理场耦合模型，通过模拟分析其对组件可靠性的影响和失效模式，基本上仍然沿用传统组件可靠性和失效机理分析的理论与技术。显然，现有研究的广度和深度均难以满足3DMWM技术和产品发展要求，需进一步开展系统和深入研究。

在失效模式和机理方面，除了传统微波组件的失效模式外，还应重点考虑3DMWM特有的失效模式，包括异质多基板热失配应力失效、三维温度梯度应力失效、三维集成工艺过程应力失效和材料体系化学不相容性失效等，特别是高集成封装中相互耦合的微波及低频电应力、热应力和结构应力共同作用下的新失效模式，通过理论分析和多物理耦合模型及仿真研究其失效机理，提出3DMWM的可靠性设计原则、方法和加固措施以提高可靠性。

在可靠性建模、仿真和预测方面，传统元器件计数法或应力分析法是基于还原法逻辑，通过组件的串-并联可靠性模型和元器件的可靠性指标计算组件整体可靠性指标实现可靠性预测。3DMWM内基板、互连结构、有源器件和封装体等组成部分结合紧密，多物理场紧耦合效应显著，采用传统分析技术难以准确预测其可靠性。因此，对组件进行整体多物理场耦合建模和仿真，才能准确评估组件及器件、基板、垂直互连和结构件等组成要素的电-热-机应力，进而预测组件可靠性指标，并定位组件可靠性薄弱环节，针对性地采取有效的加固措施。

在可靠性增长和评估试验方法方面，传统微波组件可靠性增长试验是应力筛选，主要是进行高温电老炼、温度循环、随机振动等试验，串行施加电、热和机械应力激发相应失效模式以剔除存在缺陷的产品。可靠性试验评估主要通过单独或随整机的寿命加速试验考核组件可靠性，这些试验方法和条件主要针对传统组件的失效模式，对于3DMWM难以达到可靠性增长或准确评估的目的。因此，需在掌握3DMWM主要失效模式和机理的基础上，重点针对3DMWM特有的失效模式和可靠性薄弱环节，研究有效和可行的3DMWM可靠性增长和可靠性评估的试验方法和条件。

4 3DMWM技术发展趋势和重点攻关领域

在分析国内外3DMWM的应用需求和技术演进及发展水平基础上，笔者认为3DMWM技术主要有以下发展方向：

(1)进一步提升集成度

无论是系统或整机应用需求，还是3DMWM自身集成架构演进趋势，都表明3DMWM将向功能和性能提升同时进一步减小体积重量发展。目前的集成度比2D/2.5D多芯片微波组件提升2～10倍，参考微系统技术发展趋势，预计未来3DMWM可在现有基础上再提高一个量级。

(2)频段向毫米波和太赫兹扩展

毫米波和太赫兹系统和设备在军民应用中展现出广阔的应用前景，毫米波和太赫兹组件技术发展迅速。3DMWM在减小体积、低损耗、高可靠性和低成本对毫米波和太赫兹应用组件具有重要价值。目前国内3DMWM研究仍主要集中于30 GHz以下微波频段，而国外研究成果已达到100 GHz准太赫兹频段。预计随着毫米波军用系统、5G和6G移动通信技术发展，毫米波和太赫兹三维集成组件将成为研究热点。

(3)发射功率和功率密度大幅增加

目前3DMWM主要以中小功率组件为主，但应用于微波频段数字阵列[5]或相控阵天线[7]的3DMWM已实现了数十到百瓦级微波输出功率。随着技术性能要求和抗干扰能力提高，新一代军用毫米波系统单通道发射功率也将达到单通道10 W以上，而集成密度则比微波频段提高近百倍，据此预计3DMWM功率密度相应提升10～100倍，并牵引大功率3DMWM技术突破和产品研发。

(4)与微系统技术协同发展

3DMWM的发展过程表明微系统技术是其技术发展的重要基础和主要推动力。目前，微系统技术仍在迅速发展中，目标之一正是晶圆级集成射频阵列，其诸多新技术可直接应用于3DMWM中，助力组件集成度和功能性能提升。3DMWM技术的发展，特别是高性能微波基板、高频宽带信号三维传输、组件级高效散热等技术也会对反过来促进高频大功率微系统技术突破，两者将实现相互促进和更紧密协的同发展。

结合目前国内3DMWM技术发展水平和未来发展方向，建议国内重点开展以下关键技术攻关：

(1)积极布局高性能多层微波基板材料、轻量化热匹配金属基新材料，三维堆叠集成及封装工艺和3DMWM可靠性基础理论等基础领域关键技术研究，为3DMWM技术快速发展奠定坚实的理论和工艺基础。

(2)突破基于多物理场紧耦合建模仿真的3DMWM先进设计技术和以毫米波宽带高密度垂直互连、三维高效散热等为代表的关键技术，为下一代高性能3DMWM的研发和应用提供技术支撑。

(3)逐步建立3DMWM先进集成架构及设计、工艺和测试等相关标准规范。目前3DMWM技术还不成熟，集成架构和工艺的标准化程度较低，主要还是沿用传统微波组件相关技术标准并依靠设计师个人经验，难以有效指导和规范3DMWM开发和应用，迫切需要开展技术标准和通用规范建设。

(4)积极推动先进的3DMWM自动化生产制造技术研究。目前3DMWM还未实现全流程自动化生产制造，尤其在芯片组装、调试和测试等环节自动化程度还很低。相比于传统微波组件，3DMWM工艺过程更加复杂，难以通过后期调试提高产品成品率，快速准确测试的难度大。全自动化生产制造技术是保证3DMWM产品质量和一致性，提高量产效率和成品率，实现规模化推广应用的必由之路。

5 结束语

3DMWM技术作为新材料、新工艺、微系统技术和微波技术等交叉学科领域，符合军民用微波系统和整机设备微型化、综合化、高性能、高可靠性等发展趋势，当前研究活跃，发展迅速。通过充分借鉴吸收相关领域的最新成果，夯实理论和技术基础，逐步建立技术标准体系，将大大加快3DMWM技术发展和产品性能提升，实现微波组件升级换代，必将在先进军用电子装备、5G/6G通信、物联网传感器等领域展现出广阔的应用前景。