一種星載大功率T/R組件的高密度組裝技術(shù) ①

王楊婧，秦緒嶸，馮小晶，張成果，謝擁軍

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0 引言

應(yīng)用于星載相控陣天線中的T/R組件，正如其在地面和機(jī)載平臺應(yīng)用一樣，經(jīng)歷了基于混合微波集成電路的組件和單片微波集成電路組件兩大階段，伴隨著第一代硅(Si)、第二代砷化鎵(GaAs)器件的成熟應(yīng)用，高密度集成的多芯片組件(mulitichip module,MCM)封裝模塊，已成為現(xiàn)階段有源相控陣的主流技術(shù)方案[1-3]。然而，高軌通信衛(wèi)星、高軌遙控/遙測衛(wèi)星、高軌SAR衛(wèi)星等應(yīng)用[4-6]，對核心器件的高功率、高效率、小型化和高擊穿電壓特性提出了新的需求[7-8]，已成熟使用的GaAs器件無法滿足數(shù)倍增長的功率密度需求。隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵(GaN)技術(shù)逐步趨于成熟，其在高能量帶隙、高擊穿場強(qiáng)、高射頻密度、寬帶、高偏壓、高熱導(dǎo)性等方面的優(yōu)勢逐步明顯，可提供的功率密度比GaAs器件高十倍。因此，采用GaN器件的T/R組件將實現(xiàn)更大的輸出功率、更高的效率和寬帶性能優(yōu)勢，已在有源相控陣的T/R組件中獲得應(yīng)用[9-11]，并且在星載相控陣系統(tǒng)的應(yīng)用極具優(yōu)勢。

本文通過實驗，介紹了一款4通道X波段50 W T/R組件(簡稱50 W T/R組件)的高密度組裝工藝，該組件以多級GaN芯片作為核心放大器芯片、輔助GaAs芯片、Si芯片等控制、驅(qū)動或場效應(yīng)管芯片的微波MCM技術(shù)[12-13]，可實現(xiàn)高功率、高集成度與高可靠性的衛(wèi)星載荷需求。

1 組件設(shè)計

50 W T/R組件具有收發(fā)放大、幅相控制、耦合定標(biāo)、電源脈沖調(diào)制和幅相控制等功能，每個T/R組件內(nèi)部包含四個通道，封裝在統(tǒng)一的硅鋁管殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，組件內(nèi)部的有源部分通過裸芯片實現(xiàn)，主要器件包括Si基環(huán)隔組件、GaN功放芯片、GaN驅(qū)放芯片、GaAs限幅器芯片、GaAs低噪放芯片、GaAs幅相控制多功能芯片、GaAs延時器芯片、Si基電源驅(qū)動芯片、Si基PMOS管芯片、阻容元件等；無源部分通過低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic，LTCC)基板和多層微波介質(zhì)基板實現(xiàn)，且主要射頻和低頻控制走線均在多層微波介質(zhì)基板中實現(xiàn)。

圖1 50 W T/R組件結(jié)構(gòu)形式

由于該50 W T/R組件中采用了多級放大器芯片，單通道峰值輸出功率高達(dá)57 W，平均熱耗65 W，且受相控陣系統(tǒng)的空間尺寸限制，需在單面開腔中實現(xiàn)高密度的射頻與低頻布局。結(jié)合結(jié)構(gòu)、工藝、組裝能力等因素，多層微波介質(zhì)基板采用了開腔設(shè)計，將各級GaN放大器芯片進(jìn)行嵌入式裝配與管殼接觸，提高散熱能力；環(huán)隔組件與SMP端口采用LTCC基板，實現(xiàn)高隔離度的射頻信號耦合器輸出和耦合信號的合路。

其中，功耗最大的為末級GaN功放芯片和前級GaN驅(qū)放芯片，為了保證大功率GaN芯片可以實現(xiàn)良好的熱傳導(dǎo)，對兩種GaN芯片按照全焊接的方案進(jìn)行了熱仿真。經(jīng)過仿真計算，組件四個通道單只GaN功放芯片峰值熱耗60 W、結(jié)溫101.9 ℃，GaN驅(qū)放芯片結(jié)溫89.7 ℃。另外，對其他功耗較大的芯片也進(jìn)行了熱仿真，GaAs限幅器芯片和后端的Si基環(huán)隔組件，按照導(dǎo)電膠粘接的預(yù)案進(jìn)行了熱仿真，結(jié)溫分別為71.5 ℃和97.2 ℃，仿真結(jié)果如圖2所示。根據(jù)仿真結(jié)果，GaN芯片一級降額溫度為165 ℃，GaAs芯片一級降額溫度為110 ℃，滿足設(shè)計要求。

圖2 50 W T/R組件熱仿真結(jié)果

另外，由于該50 W T/R組件中包含了大量未封裝裸芯片，為了提高產(chǎn)品的長期可靠性，采用了氣密封裝管殼結(jié)構(gòu)；并且為了保證組裝精度，管殼內(nèi)部進(jìn)行了限位結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。

圖3 50 W T/R組件管殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到實際組裝過程中可能引入的各種不確定性因素，需要兼顧可實現(xiàn)性、可操作性與高可靠性來進(jìn)行產(chǎn)品的工藝方案設(shè)計。

2 工藝設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 工藝方案設(shè)計

2.1.1 工藝路線

根據(jù)熱仿真結(jié)果，該50 W T/R組件中GaN功放芯片、GaN驅(qū)放芯片和環(huán)隔組件的功耗大，工作時結(jié)溫較高，因此均需采用低熱阻的焊接方式進(jìn)行組裝來實現(xiàn)良好的散熱，保證兩級GaN放大器芯片和環(huán)隔組件能正常工作，避免熱積累導(dǎo)致芯片燒毀；而其它GaAs芯片、Si芯片、介質(zhì)基板、LTCC基板等，由于對散熱沒有嚴(yán)格的要求，既可采用粘接的方式，也可采用焊接的方式進(jìn)行組裝。

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與布局特點，多層微波介質(zhì)基板和LTCC基板的組裝具備兩種實施方案：一是采用導(dǎo)電膠粘接的方式，二是采用焊接的方式進(jìn)行組裝。兩種方案的共同要求均為低空洞，且兩級GaN放大器芯片的空洞要求更為嚴(yán)苛(空洞率≤3%)，以此來保證各通道熱性能的均勻性。兩種方案的基本流程如圖4所示，方案一：先焊接GaN芯片和環(huán)隔組件，然后再進(jìn)行介質(zhì)基板和LTCC基板的粘接，但由于基板面積較大且為開窗結(jié)構(gòu)，存在膠液涂覆操作效率低、芯片焊接后的保護(hù)難度大的問題，組裝效率低；方案二：先焊接基板、GaN芯片和環(huán)隔組，然后再粘接其它GaAs芯片、Si芯片等，但由于對空洞率要求極高，焊接過程控制是其關(guān)鍵，該方案組裝效率較高。

(a) 方案一基本工藝流程

從工藝流程的角度考慮，方案二比方案一的流程少，多層微波介質(zhì)板SMT及其相關(guān)的清洗、檢驗、返修等工序均可以合并至一體化焊接工序，且大面積焊接比大面積粘接的可操作性更強(qiáng)；另一方面，該50 W T/R組件產(chǎn)品功率較大，基板采用焊接的方式能更好保證大功率芯片的熱傳導(dǎo)。因此本50 W T/R組件產(chǎn)品按照方案二來制定詳細(xì)工藝方案。

2.1.2 工藝設(shè)計

由于該50 W T/R組件較為復(fù)雜，且功率密度大，體積小，組裝量大。主要分為4個部分：

1)管殼焊接。該50 W T/R組件的管殼材料為Si50Al50，表面鍍薄金(厚度≤0.5 μm)，采用金錫(Au80Sn20)焊料將外部連接器、SSMA、SMP進(jìn)行氣密焊接。所選用材料與工藝均已在航天MCM產(chǎn)品中成熟應(yīng)用。

2)芯片裝架。該50 W T/R組件采用的多級放大器芯片，需要通過控制焊接空洞率來保證良好的散熱。因此采用金錫焊料將芯片共晶焊接至鎢銅熱沉上，同時需要嚴(yán)格控制功放芯片與驅(qū)放芯片熱源區(qū)的空洞率≤3%。所選用材料與工藝均已在航天MCM產(chǎn)品中成熟應(yīng)用。

3)射頻與低頻部分組裝。射頻與低頻電路集成在多層微波介質(zhì)板中，射頻微波信號的良好傳輸對基板的大面積接地有一定要求，且不能影響管殼已焊接部分的氣密性，因此采用鉛錫(Sn63Pb37)焊料將基板、阻容元件進(jìn)行真空回流焊接，保證基板焊接空洞率≤25%。射頻部分除基板外，還需將裝架后的芯片組件與管殼進(jìn)行組裝，為保證功放芯片、驅(qū)放芯片與環(huán)隔組件的有效散熱，這三種芯片采用鉛錫焊料進(jìn)行真空回流焊接，且需要保證焊接空洞率≤10%；其余組件均采用導(dǎo)電膠粘接的方式進(jìn)行組裝，各裝入件之間的電氣互聯(lián)通過金絲或金帶鍵合實現(xiàn)。

4)氣密封裝。采用激光封焊的方式進(jìn)行氣密封裝，該工藝方法已在航天MCM產(chǎn)品中成熟應(yīng)用。

2.2 關(guān)鍵工藝控制與實現(xiàn)

該50 W T/R組件的的關(guān)鍵工藝過程為基板與芯片組件焊接，關(guān)鍵點為焊接空洞的控制，因此投產(chǎn)驗證樣件進(jìn)行了驗證試驗，以此來確定細(xì)節(jié)的實施方案與焊接曲線?；寮捌渖献枞?、功放芯片組件、驅(qū)放芯片組件、環(huán)隔組件均采用鉛錫(Sn63Pb37)焊料進(jìn)行焊接，且需要在保證管殼已焊接部分可靠性的同時，完成芯片組件和基板焊接的低空洞率和高質(zhì)量的焊接。因此采取了以下措施進(jìn)行過程控制：

1)對管殼上各焊接區(qū)域進(jìn)行激光刻線[14]，保證回流焊接時各部分的焊錫不粘連，避免焊料堆積造成短路；

2)結(jié)合焊料特性[15]、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點以及元器件耐熱情況，采用多點測溫的方式來進(jìn)行回流焊接的溫度參數(shù)設(shè)置，如圖5所示。

圖5 50 W T/R試驗樣件點溫測試

經(jīng)過多次回流焊接溫度實測，最終確定了基板的焊接工藝參數(shù)，焊接曲線如圖6所示。

圖6 50 W T/R試驗樣件焊接曲線

對焊接后的樣件進(jìn)行了X光檢測，如圖7所示，各組件焊接空洞率均滿足要求。

3)焊接完成后的清洗，采用多次霧化清洗結(jié)合高溫烘烤的方式，保證助焊劑完全清洗徹底，避免助焊劑殘留影響裸芯片的可靠性。

圖7 50 W T/R試驗樣件焊接結(jié)果

3 實物及測試

按照以上工藝方案對50 W T/R組件產(chǎn)品進(jìn)行了組裝，實物圖如圖8所示，尺寸74.3 mm × 76.9 mm × 11 mm，重量約130 g。

圖8 50 W T/R組件實物圖

經(jīng)測試，50 W T/R組件單通道發(fā)射功率大于50 W，接收增益大于25 dB，噪聲系數(shù)小于3.5 dB，測試結(jié)果滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文介紹了一款星載4通道X波段50 W T/R組件的高密度組裝技術(shù)，重點介紹了關(guān)鍵工序控制與實現(xiàn)途徑，實現(xiàn)了4通道大功率芯片、基板、與其它元器件的低空洞率一體化焊接，不僅滿足產(chǎn)品的性能要求，也保證了高密度組裝過程的可操作性和產(chǎn)品的高可靠性。組裝后的產(chǎn)品測試結(jié)果表明，該50 W T/R組件的性能滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求。本文所述的組裝工藝技術(shù)對同類高密度混合封裝產(chǎn)品的設(shè)計和工藝實現(xiàn)具有一定的參考價值。