小型化、高密度微波组件微组装技术及应用

用作者姓名 :张雯集

单位 :江苏金陵机械制造总厂省市 :江苏省南京市邮编 :211100

摘 要：微组装技术,是进行电子小型化微型化的技术,目前正广泛地运用在电子设备制造领域。但由于微装配技术工序复杂,所使用设备数量较多,对时间投资也较大,因此严重影响了微装配生产线的推广。本章主要按工序,阐述了微波多芯片组件关键技术、三维立体装配关键技术,以及系统级装配关键技术方面的研究进展,并结合生产设备与环境给出了一种小型微组装生产线的建设方案。

关键词：微波组件；微组装技术；三维立体组装

现代军事、民用工程电子技术装备,其中包括机载、舰载、星载以及车载等雷达通讯系统,正朝着紧凑型化、轻数字化、高频率、多元化、高可靠性以及降低成本等趋势发展,这增加了对组装与互联技术的难度。随着将相控阵体制广泛运用于雷达和通讯等电子系统中,就必须研制大量的小型化、高密度、多用途微波技术组件。微组装技术,是新一代先进的电子组装技术，可以使现代军用电子装备向短、小、轻、薄、快和多用途等走向发展,微组装技术逐渐普遍地应用于航空、航天和舰船等重要平台的电子技术装置。

微波组件产品组装技术的快速发展主要包含以下几个目标:提高质量与生产成品率、缩短产品生产生命周期、降低生产经营成本、提高企业生产管理效率和同时增强生产品种不断变换的环境适应能力。目前,小型化、高密度、三维空间结构、多功能微波组件微制造工艺技术尤其引人瞩目。本文详尽阐述微波多芯片组件工艺技术、三维空间立体组装技术和系统级组装技术等微组装技术的最近进展,并简单说明微波组件微组装技术在新型雷达技术和通信等信息系统中的重要运用。

一．微波多芯片组件技术

1.1技术概况

MMCM技术(工作在直流或者近直流频段到微波频段的一种单片集成电路)是在HMIC技术(将分立的器件和单片集成电路结合在一起的混合电路)基础上发展出来的新型微波集成电路封装与互连技术。采用高密度互连基板和裸芯片组装,对于实现元器件或子系统的高集成度、高频率和高速率,以及电子组装的高密度、小型化和轻量化,都具有极大的优势。已成为实现整个电子设备系统小型化、多功能、高性能、高可靠性的热门技术。

1.2结构特点

(1)微波组件采用的元器件,品种规格多,外形尺寸种类多,重量分布范围广,具有精密的结构、尺寸精度高。

(2)微波组件的电路板布线的宽度与间距都比较小,大多数为十微米。

(3)微波组件对元器件要求用多种不同的工艺技术来粘结并且控制要求严格,其中更重要的为半导体芯片的粘结。原因为组成微波组件的元器件具有多方面品种。

(4)微波组件的性能非常注重于寄生参数、尺寸与结构的偏差,所以必须严格控制这些因素。

二．微波组件的三维立体组装技术

2.1技术概况

三维立体组合装配互联技术,就是将多个2D-MMCM的立体垂直互联方向(z轴的方向)互联叠装在一起,再综合运用这种垂直方向互联装配技术用来进行射频微波与直流射频信号之间的垂直互联,以便同时达到完整的射频电路集成功能,从而最终形成了我们所谓的3D-MMCM。与二维平面的立体组装装配技术比较,它能够提高装配密度、减少体积、降低重量。

2.2结构特点

(1) 我们可以通过充分利用不同层间量子耦合技术形成特有的量子电路设计元件,达到我们想要的应用目的,所以在这种电路元件形式的正确选择上需要具有很大的技术灵活性。

(2)运用了垂直微波互连技术,降低了微波电路的平面面积,使得元器件的面积与电路基板的面积之比可大于1。

(3)釆用垂直微波互连技术减少了传统微波技术中电子元器件间的互联宽度,从而降低了寄生效应,并增加的电性能。

2.3三维MMCM密封焊接技术

由于三维MMCM的辐射高密度,密封环件在焊接时我们应尽量适当减小热辐射影响效应区,避免对连接芯片和壳体前端工件焊接处的接头部件造成严重损伤。利用脉冲密封激光无缝焊接的辐射能量和热密度不应高度集中,是一种理想的激光焊接加工方法;射频电源信号储存功能层与芯片密封环的无缝焊接以及电源功率层上的射频电源插座与芯片底板的无缝焊接均可通过激光钎焊的这种方式焊接实现。利用脉冲密封激光连接焊缝工件连接脉冲密封焊缝连接具备气密性高、连接震动力度大、热辐射影响效应区小、热密度变化小、无外部机械化学应力和内部机械温度变化、焊缝接头不污染、成型率大等优势。符合三维MMCM专用密封环与三维功率钢涂层焊接底板的专用密封环和焊接工艺要求。

2.4影响激光焊接质量的主要因素

（1）工艺参数影响

激光峰值功率大小是直接决定一个焊缝金属熔深的主要影响因素。但是当激光峰值功率较小时,供给的焊接池导热不够,不能直接形成一种有严重焊接不牢或熔合现象倾向的激光密封式焊接头,峰值激光功率较大时的非焊接池内层金属容易大量快速蒸发或者汽化,强烈的蒸汽在高压力下还会直接引起非焊熔池内层金属的快速飞溅,从而容易直接破坏焊缝壳的内层铝合金,使其造成焊缝崩塌。

脉冲管的长度大小取决于脉冲升温持续时间,影响脉冲熔深与热密度影响力的范围。加热脉冲管的长度越宽,熔深受热面积越大,热影响部也越大。焊接该薄板时,不宜直接采用太大的脉宽。否则,盖板壳体会大或小幅度发生变形,无法和盖板壳体紧密连接,因而还会增加盖板热应力。为了能使盖板熔深的表面积大大增加,可相应地扩大脉宽。

脉冲纹波重复点焊频率直接影响激光焊缝的致密形成。随着激光脉冲纹波重复焊接频率的不断增加,相邻的两个激光焊缝镀锡池和接合部的激光熔融池之间的缝隙间隔逐渐减小,重叠池的面积逐渐变大,有助于焊缝除去内部表层裂纹和金属微粒的精细化,提高激光焊缝焊接质量。为了有效确保焊缝激光脉冲焊接的良好密封性,脉冲重复频率的最佳选择速度应与激光焊接点的速度一致,以利于改善激光焊接点和接头的致密性,焊接接头的重叠率应达到70%以上。

（2）其他影响因素

焊接工装夹具是试验件装配定位和获得良好焊缝的重要保证。由于焊接的轨迹为封闭环型,为避免焊接时的应力集中导致盖板的翘曲,需设计合理的夹具固定工件,确保壳体与盖板装配的平整度,同时也可有效避免和减少影响激光束焦点位置稳定性的因素。

三．微波组件微组装技术的应用

微波多芯片模块广泛用作各种雷达、通讯、导航等电子设备的微波/射频信号前端系统。最具代表性的应用为微波通信方法。微波通信系统需要多个微波/射频前端来发送并接受调制的微波讯号。微波多芯片组件技术是微波/射频前端开发与制造的第一个选择,它拥有高组装密度,高加工频率,高可靠性,微型化形状与模块功能的优势。

微组装技术是集成高密度互联基板技术、多芯片组件技术、系统/子系统装配技术、3D组装技术和关键工艺技术的综合运用技术,将组成电子电路的多个微型元器件共同装配到一起,组成3D架构的高密度、高性能、高可靠性、微小型和模块化集成电路生产的先进电子装联技术。

四．结束语

本文只说明了电路模块级微组装技术,主要包含芯片焊接技术,在介绍整个微组装技术方面较少。

微波组件微组装技术是完成雷达和通讯等电子产品系统小型化、轻数字化、高性能和高可靠的重要制造工艺技术手段,尤其是微波多芯片组件工艺技术、三维立体组装技术和系统级微组装技术近年来发展迅速,应用广泛,并发挥了巨大作用。由于电子产品系统越来越向小尺寸轻量化、高工作频率、大工作宽度、超高整装密集性、功能集成化和高可靠性等走向发展,微波组件微组装技术将在新型信息化技术电子产品装置的研发工业生产中充分发挥更大的功能。

参考文献：

[1]段佐勇. 微波功能模块微组装技术应用研究[D]. 南京理工大学, 2014.

[2]李孝轩. 微波多芯片组件微组装关键技术及其应用研究[D]. 南京理工大学.