摩爾定律已接近物理極限，但未來(lái)電子信息系統(tǒng)將持續(xù)向更高集成度、更高性能、更高工作頻率等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的集成封裝技術(shù)逐漸難以滿足新型系統(tǒng)集成要求。未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將是延續(xù)摩爾定律與超越摩爾定律結(jié)合起來(lái)，通過(guò)三維異構(gòu)異質(zhì)集成，實(shí)現(xiàn)更高價(jià)值的系統(tǒng)———微系統(tǒng)。微系統(tǒng)集成技術(shù)通過(guò)在微納尺度上采用異構(gòu)、異質(zhì)方法集成，是實(shí)現(xiàn)更高集成度、更高性能、更高工作頻率需求的主要手段。射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)作為系統(tǒng)微型化趨勢(shì)下的先進(jìn)集成封裝技術(shù)，已經(jīng)成為引領(lǐng)裝備發(fā)展、推動(dòng)電子技術(shù)創(chuàng)新的重大基礎(chǔ)技術(shù)，是支撐電子信息裝備在傳感、通信領(lǐng)域能力變革的重要技術(shù)平臺(tái)，同時(shí)也是當(dāng)前電子信息技術(shù)研究的核心技術(shù)之一。

本文對(duì)射頻微系集成技術(shù)在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用需求及前景進(jìn)行了分析，對(duì)其技術(shù)內(nèi)涵進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，梳理出微系統(tǒng)集成技術(shù)在設(shè)計(jì)仿真、工藝集成和測(cè)試驗(yàn)證三個(gè)方面的體系框架，對(duì)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)遇進(jìn)行了研判，同時(shí)提出了射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)研究的進(jìn)一步發(fā)展思路。

在軍用領(lǐng)域，未來(lái)[敏感詞]智能化作戰(zhàn)需求將更加依賴于高集成度的電子信息系統(tǒng)，新一代雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等前沿[敏感詞]的研制對(duì)射頻微系統(tǒng)集成提出了迫切的需求。射頻微系統(tǒng)集成可以在微納尺度上基于新理念與新工藝實(shí)現(xiàn)功能模塊或子系統(tǒng)高度集成化，進(jìn)而宏觀上實(shí)現(xiàn)[敏感詞]體積與功耗大幅降低、性能與可靠性大幅提升、通道成本與全壽命周期成本大幅降低、支持多功能并逐步具備智能化等特征。

在民用領(lǐng)域，5G/6G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛、太赫茲成像、生物醫(yī)療等領(lǐng)域都對(duì)射頻微系統(tǒng)集成提出了廣泛的應(yīng)用需求。穿硅過(guò)孔( TSV) 技術(shù)、穿玻璃過(guò)孔( TGV) 技術(shù)、圓片級(jí)封裝( WLP) 技術(shù)、三維堆疊等三維異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)將前端射頻收發(fā)器件、數(shù)據(jù)處理器件、高頻存儲(chǔ)器件、高效電源等進(jìn)行整合，能夠大幅提升產(chǎn)品的功能，降低器件互聯(lián)的延遲與射頻傳輸不匹配性，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高頻、寬帶、高速傳輸，進(jìn)而有效降低產(chǎn)品的功耗和體積。圖 2 為愛(ài)立信聯(lián)合IBM 實(shí)現(xiàn)的 5G 射頻微系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 64 通道的天線陣列高密度一體化集成。圖 3  為新加坡 A-STAＲ 研究所發(fā)布的汽車?yán)走_(dá)方面的研究成果，其利用 TSV 技術(shù)結(jié)合新穎的嵌入式晶圓級(jí)封裝技術(shù)制作了一款77 GHz 的汽車?yán)走_(dá)。

圖3 A-STAＲ 研究所基于晶圓級(jí)射頻微系統(tǒng)封裝的77 GHz 雷達(dá)

1．2 射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)內(nèi)涵

應(yīng)用于射頻微系統(tǒng)的三維異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)是以微納制造及微連接先進(jìn)封裝工藝為基礎(chǔ)，融入微電子、微機(jī)械、微光學(xué)、微能源、微流動(dòng)等各種先進(jìn)工藝技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的射頻微系統(tǒng)專用制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)射頻系統(tǒng)架構(gòu)制造，大幅提升性能，解決集成瓶頸問(wèn)題。在射頻應(yīng)用領(lǐng)域，例如探測(cè)感知的雷達(dá)陣面集成，微加工工藝技術(shù)主要解決射頻微系統(tǒng)小型化、多功能集成、高可靠的應(yīng)用需求。其關(guān)鍵技術(shù)包含 TSV/TGV封裝基板制造技術(shù)、多功能低損耗三維異質(zhì)集成技術(shù)、寬帶大功率三維異構(gòu)集成技術(shù)等 。同時(shí)，微加工工藝也應(yīng)具備工藝過(guò)程測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試及可靠性驗(yàn)證能力。一方面，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝缺陷并優(yōu)化改進(jìn)，提高微加工的成品率; 另一方面，對(duì)射頻微系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試驗(yàn)證并保證系統(tǒng)可靠性。

1．3 射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)體系

圖 4 射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)體系

1) 射頻微系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)

2．1 射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)優(yōu)勢(shì)為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇

射頻微系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)概括起來(lái)就是“更小、更多、更強(qiáng)、更新”。更小指的是系統(tǒng)集成尺度由粗放的宏觀尺寸向精細(xì)的微納尺寸發(fā)展，表現(xiàn)為體積、重量、功耗等顯著減小; 更多指的是系統(tǒng)功能由單一功能向多功能發(fā)展，功能密度提高 1～2 個(gè)數(shù)量級(jí); 更強(qiáng)指的是系統(tǒng)性能更強(qiáng)，除了帶寬、速度的顯著提高，更是向可重構(gòu)、自適應(yīng)、自主化等智能化水平的發(fā)展; 更新指的是采用新的集成手段使新概念、新體系、新模式在微系統(tǒng)中集中體現(xiàn)。

射頻微系統(tǒng)技術(shù)可以推動(dòng)軍民用電子信息系統(tǒng)在形態(tài)上向片式化、蒙皮化發(fā)展，滿足軍用[敏感詞]平臺(tái)載荷、民用產(chǎn)品下一代先進(jìn)集成要求，推進(jìn)射頻系統(tǒng)的芯片化、通用化，降低研制成本和周期; 在功能上推進(jìn)整機(jī)的數(shù)字化、多功能一體化和智能化，催生[敏感詞]系統(tǒng)、民用電子產(chǎn)品體系變革。積極融合民用先進(jìn)半導(dǎo)體集成技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化封裝集成技術(shù)，降低軍用裝備和民用電子設(shè)施的復(fù)雜度，縮短研制周期，提高維修性，使得下一代射頻系統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)和降本增效的愿景成為可能。微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的建立和完善，將促使原有產(chǎn)業(yè)鏈的整合，并使現(xiàn)有電子信息產(chǎn)品的形態(tài)與內(nèi)涵發(fā)生重大變革。

微系統(tǒng)射頻模塊將電源、波控、射頻等芯片通過(guò)高密度轉(zhuǎn)接基板集成封裝在一起，實(shí)現(xiàn)模塊的多功能、小型化、高可靠特性。由于集成密度、工作頻率的提升，微系統(tǒng)產(chǎn)品的架構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)、工藝、電路設(shè)計(jì)帶來(lái)多方面的技術(shù)挑戰(zhàn): 首先，信號(hào)的隔離與互擾、電源及信號(hào)完整性、腔體效應(yīng)等問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)布局布線提出更高要求 ; 其次，芯片熱耗及尺寸增加、互聯(lián)間距降低使得材料熱匹配導(dǎo)致熱應(yīng)力失效問(wèn)題凸顯; 最后，互聯(lián)間距的縮小及端口數(shù)量增加、高精度三維疊層、多溫度梯度焊接、產(chǎn)品可返修性等對(duì)工藝、材料提出更苛刻的要求 。因此，在產(chǎn)品研制周期不斷壓縮情況下，微系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)及工程化應(yīng)用需要結(jié)構(gòu)、電訊、工藝、熱設(shè)計(jì)等多專業(yè)、多個(gè)領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)。

目前，典型的微系統(tǒng)產(chǎn)品研制首先需要開(kāi)展架構(gòu)設(shè)計(jì)，完成產(chǎn)品的初步布局，確定初步工藝路線，完成材料及關(guān)鍵器件選型 ; 在此基礎(chǔ)上，針對(duì)材料及關(guān)鍵元器件特性，開(kāi)展三維虛擬裝配、熱機(jī)應(yīng)力仿真分析、電磁屏蔽隔離、腔體效應(yīng)、信號(hào)及電源完整性、射頻場(chǎng)路的仿真分析 ，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局; 然后，基板開(kāi)展布線設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證工作; 最后，進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證并對(duì)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化定型( 如圖 5 所示) 。

隨著微系統(tǒng)集成度提高，體積明顯減小，功耗明顯降低，但熱效應(yīng)問(wèn)題卻越發(fā)突出，可能導(dǎo)致器件性能惡化，甚至失效。軍用電子系統(tǒng)大量使用的功率元器件熱流密度更大，應(yīng)用環(huán)境也更加惡劣，其熱管理難度更大。如果沒(méi)有良好的冷卻措施，未來(lái)芯片溫度將達(dá)到6 000 ℃。因此，微系統(tǒng)性能最終受到散熱能力的制約，其熱管理技術(shù)是目前迫切需要解決的技術(shù)難題 。針對(duì) 3D 封裝微系統(tǒng)，新型散熱技術(shù)逐漸得到開(kāi)發(fā)，目前正在開(kāi)發(fā)的五種新型熱管理技術(shù)及其特點(diǎn)如表 1 所示。

硅基微流道一體化集成技術(shù)是目前高效散熱研究的熱點(diǎn)，其中集成 TSV 的微針肋結(jié)構(gòu)是微系統(tǒng)高效熱管理的典型技術(shù)之一。該技術(shù)在硅轉(zhuǎn)接板內(nèi)制作大量的微針肋，熱量通過(guò)微針肋周圍腔體上下表面?zhèn)鬏數(shù)嚼鋮s液，與傳統(tǒng)微流道相比，大大提高了散熱能力。同時(shí)，微針肋內(nèi)部制作的 TSV 陣列，既實(shí)現(xiàn)了流體的傳輸，同時(shí)又保障了電信號(hào)的高密度傳輸( 如圖6  所示) 。然而，大部分基于芯片或板級(jí)微流道的冷卻系統(tǒng)需要與外界有冷卻介質(zhì)的接口，這種接口的體積和尺寸可能遠(yuǎn)超過(guò)芯片的尺寸，這些問(wèn)題仍需要在未來(lái)進(jìn)行研究解決。

射頻微系統(tǒng)產(chǎn)品在研制及生產(chǎn)過(guò)程中，需要進(jìn)行分層測(cè)試、三維疊層后測(cè)試，圖 7 為典型的具有射頻微系統(tǒng)特征的三維系統(tǒng)級(jí)封裝( SIP) 模塊測(cè)試模式。射頻微系統(tǒng)產(chǎn)品工作頻率高、互連間距小、輸入/出口端口多，為保證后續(xù)正常裝配使用，對(duì)無(wú)損測(cè)試要求極高，因此對(duì)測(cè)試治具的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn) ，具體體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:

全硅基三維異構(gòu)集成特征的射頻微系統(tǒng)焊盤(pán)間距更小( 數(shù)十微米級(jí)別) ，集成度更高，測(cè)試夾具加工精度難以滿足要求，需要借助探針臺(tái)晶圓測(cè)試的技術(shù)和理念。由于微系統(tǒng)三維異構(gòu)集成產(chǎn)品正反兩面都存在射頻輸入/輸出端口，現(xiàn)有成熟圓片測(cè)試方法仍不能滿足要求，尤其在毫米波頻段，國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有成熟的解決方案。目前，晶圓單面測(cè)試篩選主要借助探針及定制探卡在探針臺(tái)上進(jìn)行篩選測(cè)試，如圖 9 所示; 對(duì)于 Cu-pillar 等微凸點(diǎn)的晶圓級(jí)篩選測(cè)試，國(guó)外 Cascade 等廠商也推出了角錐隔膜( Pyramid Membrane) 微波探卡，如圖 10 所示。

在微系統(tǒng)產(chǎn)品全生命周期中，面臨著諸多的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，其中加工過(guò)程中的工藝問(wèn)題和應(yīng)用過(guò)程中的可靠性問(wèn)題是必須要考慮的部分 。當(dāng)前面臨的主要工藝問(wèn)題包括三維集成微系統(tǒng)中 TSV 的良率問(wèn)題、圓片的減薄和傳送問(wèn)題、多層芯片的堆疊、低弧度引線鍵合等，面臨的可靠性問(wèn)題包括工藝加工可靠性、熱失配可靠性、抗干擾可靠性等 。

TSV 垂直互聯(lián)涉及的工藝眾多，包括了深孔刻蝕工藝、側(cè)壁絕緣工藝、粘附層和種子層的制備、TSV 深孔填充工藝等。每一步工藝的優(yōu)良與否都會(huì)直接影響TSV 的良率，而高密度微系統(tǒng)集成中所應(yīng)用的 TSV 數(shù)目眾多，如何保證 TSV 的良率是一個(gè)重要的工藝問(wèn)題。圖 11 展示了高密度 TSV 結(jié)構(gòu)及 TSV 填充不良導(dǎo)致的 TSV 缺陷問(wèn)題。

減薄工藝是微系統(tǒng)向小型化發(fā)展的必要工藝，可以在 Z 方向上減小系統(tǒng)的體積。隨著晶圓進(jìn)一步超薄化( 厚度達(dá)到 50 μm) ，將呈現(xiàn)柔性特征，給圓片的進(jìn)一步減薄和后道的傳送帶來(lái)很大困難。圖 12 呈現(xiàn)了圓片減薄到一定厚度之后的柔性特征。堆疊工藝是整個(gè)微系統(tǒng)三維異質(zhì)異構(gòu)集成工藝中的核心之一，也是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)高密度集成不可或缺的工藝。通過(guò)堆疊工藝，不僅需要實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)的物理固定，還需要實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的電學(xué)互連。保證堆疊工藝的質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)集成的重中之重。

一些微納制造工藝使得微系統(tǒng)在加工過(guò)程中就需要考慮可靠性的問(wèn)題，特別是隨著微系統(tǒng)集成度和復(fù)雜度的提高，工藝制造流程也變得更加復(fù)雜，諸工藝流程給工藝可靠性帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。圖 13 展示了因工藝間的相互影響導(dǎo)致的焊點(diǎn)開(kāi)裂情況。與此同時(shí)，隨著 SOC 芯片及 SIP 系統(tǒng)熱耗的不斷提升、封裝尺寸的增大、不同材料間熱膨脹系數(shù)差異給系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。圖 14 展示了封裝中的熱失配問(wèn)題。

圖 14 熱失配問(wèn)題示例

“Kinghelm”商標(biāo)由金航標(biāo)公司原始注冊(cè)，金航標(biāo)是GPS天線北斗天線研發(fā)生產(chǎn)直銷廠家，在北斗GPS導(dǎo)航定位行業(yè)非常高的知名度和美譽(yù)度，研發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于bds衛(wèi)星導(dǎo)航定位無(wú)線通信等領(lǐng)域。主要產(chǎn)品包括：RJ45-RJ45網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)接口連接器、射頻連接器轉(zhuǎn)接線、同軸線纜連接器、type-c連接器、hdmi接口type-c接口、排針排母、SMA、fpc、FFC天線連接器、天線信號(hào)傳輸防水接頭、hdmi接口、usb連接器、端子端子線、端子板接線端子、接線端子排、射頻rfid標(biāo)簽、定位導(dǎo)航天線、通訊天線天線連接線、膠棒天線吸盤(pán)天線、433天線4G天線，GPS模塊天線，RG113，RG178，RG316，F(xiàn)PC軟排線與FPC連接器配套，網(wǎng)線接口，等。廣泛應(yīng)用于航天航空、通信、[敏感詞]、儀器儀表和安防、醫(yī)療等行業(yè)。

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