星載微波組件是天基合成孔徑雷達(dá)的核心部件，它由許多元器件經(jīng)過高密度組裝而成。針對(duì)天基雷達(dá)星載微波組件高精度、高一致性、高可靠微組裝的技術(shù)要求，文中開展了星載微波組件微組裝技術(shù)研究，重點(diǎn)介紹了低空洞率芯片焊接、低出氣率芯片膠接、高可靠引線鍵合、抗輻照防護(hù)設(shè)計(jì)、低水汽含量氣密封裝等一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了高精度、高一致性、高可靠的星載微波組件，滿足了某型天基合成孔徑雷達(dá)的相關(guān)技術(shù)要求。研究成果為高精度、高一致性、高可靠微波組件的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

星載合成孔徑雷達(dá)多采用有源相控陣體制，雷達(dá)天線口徑大，其微波組件多達(dá)幾百甚至幾千個(gè)。星載微波組件是決定星載雷達(dá)性能的最重要、最復(fù)雜和最昂貴的子系統(tǒng), 確保其在軌可靠、正常工作是關(guān)系到整個(gè)飛行任務(wù)能否完成的關(guān)鍵所在。星載雷達(dá)壽命長、可靠性高、分辨率高的特點(diǎn)給微波組件提出了高精度、高一致性、高可靠的技術(shù)要求。星載微波組件高精度、高一致性、高可靠的微組裝技術(shù)成為微波毫米波集成技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 。

高可靠芯片組裝的目的是將芯片與載體（基片或封裝殼體）形成牢固的傳導(dǎo)性或絕緣性連接，連接層除了為器件提供機(jī)械連接和電連接外，還須為器件提供良好的散熱通道 。星載微波組件芯片貼裝工藝主要包括芯片共晶焊接工藝與芯片膠接工藝。功率單片微波集成電路（Monolithic Microwave IntegratedCircuit, MMIC）芯片要求具有良好的散熱性能，因此采用芯片共晶焊接工藝，而其他集成芯片則采用芯片膠接工藝。

采用自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)功率MMIC芯片低空洞率焊接，對(duì)影響功率MMIC芯片焊接釬接率的熱臺(tái)溫度、焊接壓力、摩擦等進(jìn)行了研究。采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design ofExperiment, DOE）方法進(jìn)行試驗(yàn)，得到的參數(shù)組合以及試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表 1 DOE四因素三水平試驗(yàn)

正交試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，摩擦動(dòng)作是焊接成功的決定性因素。較優(yōu)的參數(shù)組合為：熱臺(tái)溫度 305? C；壓力0.5 N；摩擦幅度 200 μm；摩擦次數(shù)4次。圖1為抽樣的3600只功率MMIC芯片的焊接焊透率分布情況，焊透率都在90%以上（空洞率小于10%）。

圖 1 功率MMIC芯片焊透率分布情況（正態(tài)分布）

星載微波組件中集成芯片采用導(dǎo)電膠接的方式實(shí)現(xiàn)芯片貼裝。環(huán)氧膠粘貼集成芯片是當(dāng)前[敏感詞]的芯片粘貼方法之一，它所需的固化溫度低，可以避免較大的熱應(yīng)力。對(duì)于所有的粘接材料，首先需要具有足夠的粘接強(qiáng)度。在電路壽命期間以及工藝過程和篩選過程中可能會(huì)遇到加速的機(jī)械、熱和化學(xué)應(yīng)力，足夠的粘接強(qiáng)度可以使元器件和基板保持在原先位置，不掉落。按照GJB 548B的要求進(jìn)行溫度循環(huán)和恒定加速度試驗(yàn)時(shí)，粘接的元器件和基板不能脫落。

星載產(chǎn)品發(fā)生功能降低和失效的原因之一是污染。膠粘劑的本體材料、添加劑和批次決定了其本身的出氣率。在選擇航天產(chǎn)品膠粘劑時(shí)，要優(yōu)先選擇具有低出氣指標(biāo)的產(chǎn)品。根據(jù)航天標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某星載產(chǎn)品要用的膠粘劑進(jìn)行選型及出氣試驗(yàn)驗(yàn)證。為滿足總質(zhì)量損失 ≤ 1.00 %，可凝揮發(fā)物 ≤ 0.10 %的指標(biāo)要求，選用B型導(dǎo)電膠。不同型號(hào)導(dǎo)電膠出氣率試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表 2 不同型號(hào)導(dǎo)電膠出氣率試驗(yàn)結(jié)果 %

在星載微波組件中，金絲鍵合是一種常用的引線互連工藝，其性能的優(yōu)劣及穩(wěn)定性對(duì)整機(jī)性能的影響極大。在某些星載應(yīng)用中，金絲/金帶鍵合往往成為瓶頸之一  。

金絲鍵合過程的工藝參數(shù)主要有超聲功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間、鍵合溫度等。鍵合溫度表征外部供給待鍵合樣件的熱量。微波電路應(yīng)用中，鍵合溫度需控制在 100? C～ 200? C，它一般由微波模塊的前期微組裝工藝決定，變動(dòng)空間不大。本文采用金絲球焊工藝，使用全自動(dòng)金絲鍵合機(jī)進(jìn)行金絲鍵合操作，采用多功能拉力測(cè)試儀對(duì)制備鍵合金絲的破壞性鍵合拉力進(jìn)行測(cè)試。

采用自動(dòng)球焊鍵合工藝，選用型號(hào)為 25 μm的金絲及微波多層基板標(biāo)準(zhǔn)件作為試驗(yàn)對(duì)象，采用DOE進(jìn)行試驗(yàn)，得到的參數(shù)組合以及試驗(yàn)結(jié)果見表3—表5。根據(jù)極差 R 的大小得到3種因素的主次順序?yàn)椋烘I合壓力>超聲功率>鍵合時(shí)間。初選的最優(yōu)參數(shù)組合為A3B4C3，即超聲功率100‰，鍵合壓力0.45 N，鍵合時(shí)間400 ms。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況選取的最優(yōu)參數(shù)組合為：超聲功率100‰，鍵合壓力0.45 N，鍵合時(shí)間400 ms。

表 3 DOE三因素四水平試驗(yàn)

表 4 破壞性鍵合拉力測(cè)試結(jié)果

表 5 參數(shù)結(jié)果表

自動(dòng)鍵合最優(yōu)工藝參數(shù)的鍵合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國軍標(biāo)的要求，可以滿足星載微波組件高一致性、高可靠性的技術(shù)需求。高一致性金絲鍵合見圖2。

圖 2 高一致性金絲鍵合

空間帶電粒子穿過不同材料都會(huì)產(chǎn)生能量衰減，但衰減效率不同。微波組件的殼體結(jié)構(gòu)也會(huì)降低其內(nèi)部元器件受到的輻射劑量，同時(shí)微波組件內(nèi)部元器件之間有一定的屏蔽作用，可用等效鋁厚度衡量材料產(chǎn)生的屏蔽效果。從空間輻射劑量分析的要求出發(fā)，同時(shí)考慮到計(jì)算效率，對(duì)微波組件模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，元器件僅考慮對(duì)空間輻射具有有效屏蔽作用的部分，而忽略其內(nèi)部的次要影響部分。這樣的處理與實(shí)際情況會(huì)有差異，但對(duì)空間輻射劑量分析相對(duì)更安全。星載微波組件殼體內(nèi)抗輻照敏感元器件按照1 × 10 3 Gy ( Si ) 要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，組件射頻以及低頻連接器均按照 1×10 5 Gy ( Si ) 要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，所有元器件均能滿足要求?？馆椪辗雷o(hù)分析計(jì)算見表6。

表 6 抗輻照防護(hù)分析計(jì)算

星載微波組件直接采用裸芯片進(jìn)行組裝，組件內(nèi)部氣氛含量對(duì)其性能和可靠性有重要影響，是造成元器件失效和性能下降的主要因素。為保證組件的可靠性，避免元器件遭受化學(xué)、機(jī)械以及電磁場(chǎng)的危害，需要對(duì)星載微波組件進(jìn)行氣密封裝，以提供相對(duì)無法滲透的封裝。水汽是導(dǎo)致微波電路封裝失效的主要因素，氣密封裝的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠阻止水汽進(jìn)入微波組件內(nèi)部。激光焊接密封是實(shí)現(xiàn)微波多芯片組件氣密封裝的最佳途徑之一，目前在軍用電子行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛。

采用真空烘箱對(duì)微波組件進(jìn)行烘烤以除去內(nèi)部的水汽?？刂茀?shù)包括烘烤溫度、烘烤時(shí)間以及抽真空時(shí)間。通過試驗(yàn)獲得最佳參數(shù)組合，完成烘烤的組件通過過渡艙轉(zhuǎn)入充惰性氣體的手套箱，將其內(nèi)部水汽含量控制在 ?0.5 %，然后進(jìn)行激光密封焊接。

對(duì)蓋板和封裝殼體設(shè)計(jì)了搭接焊接接頭，通過試驗(yàn)獲得了優(yōu)化的焊接參數(shù)，獲得的密封焊縫成型美觀，無氣孔、裂紋等焊接缺陷，組件密封漏率小于1 × 10 ?8 Pa · m 3 / s，滿足氣密封裝的要求。激光焊接氣密封裝焊縫見圖3。

在實(shí)現(xiàn)以上各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上研制了高可靠星載微波組件，微波組件原理框圖如圖4所示。接收狀態(tài)時(shí)，天線接收的信號(hào)經(jīng)由環(huán)形器、限幅器、低噪放、多功能芯片后合成輸出；發(fā)射狀態(tài)時(shí)，激勵(lì)信號(hào)分路后經(jīng)由多功能芯片、功放后經(jīng)環(huán)形器輸出。電源控制和邏輯控制電路分別實(shí)現(xiàn)電源管理和波束控制功能。

組件中的功率分配/合成器為了實(shí)現(xiàn)寬帶特性，采用二節(jié)變化的威爾金森形式，仿真結(jié)果見圖5和圖6。由仿真結(jié)果可知，其[敏感詞]損耗<6.6 dB，垂直互連總口駐波小于1.5，分口駐波小于1.25。

圖 6 功率分配/合成器端口駐波

星載微波組件樣件實(shí)物如圖7所示。組件尺寸為40 mm × 40 mm × 8 mm，發(fā)射功率大于2 W，接收增益大于29 dB，噪聲系數(shù)小于2.5 dB，垂直互連端口駐波小于1.65，滿足相關(guān)型號(hào)的研制需求。

本文針對(duì)星載微波組件的發(fā)展要求，介紹了星載微波組件高可靠組裝研究涉及的關(guān)鍵技術(shù)，通過對(duì)低空洞率芯片焊接、低出氣率芯片膠接、高可靠引線鍵合、抗輻照防護(hù)設(shè)計(jì)、低水汽含量氣密封裝等一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究和突破，解決了制約星載微波組件研制生產(chǎn)的技術(shù)難題，成功研制了星載微波組件，滿足宇航合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的研制需求。該研究為高可靠星載微波組件研制奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，研究成果可推廣應(yīng)用于對(duì)高可靠微波組件需求強(qiáng)烈的項(xiàng)目。

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