现代电子装联先进制造技术的发展展望(六)

1十四....微组装技术1.PCBA-SMT1.PCBA-SMT1.PCBA-SMT1.PCBA-SMT的局限性随着电子产品对小型化、低功耗、高性能和高可靠性的迅速要求，传统PCBA的设计方案和工艺技术的缺陷和局限性越来越明显。由于芯片和模块的体积和功耗的限制，PCB板尺寸和功耗的限制，板上布线的长度受到局限，否则将造成损耗增大，寄生参数增多，系统性能的提升受到限制。同时，传统PCBA大量使用分立式元器件，包括SMD/SMC和THD/THC，无论其集成度多高，也比将造成系统故障点多，整机可靠性降低，很难满足高可靠电子产品的要求，由此微封装和微组装问题的提出应运而生。2.2.2.2.微组装技术的特征微组装技术是第五代电子组装和互联技术，是混合微电子技术发展到高级阶段的产物，其工艺技术基础是混合电路工艺。它有别于传统的混合集成电路，其特征为：1）电路功能：不再是功能简单的单一电路，而是复杂的混合集成多功能微电子组件，具有部件、子系统甚至系统级功能；2）结构特征：采用高密度多层布线基板，微焊、键合和组装有高集成度裸芯片IC及其它微型元器件构成的高密度微电子组件；3）集成规模属于混合大规模集成电路或混合甚大规模集成电路（HLSI、HVLSI）范畴。多芯片组件（MCM）是一种典型的微组装技术，也是一种典型的高级混合集成电路技术。4）组装密度每提高10％，电路模块的体积可减少40~50％，重量减少20~30％。3.3.3.3.微组装技术的基本概念以微电子技术、高密度组装技术和微焊接技术为基础的综合性组装工艺技术，即在多层布线基板上，按照电原理图，将微电子器件及微型元件组装起来，形成高密度和高可靠3D结构的微电子产品组件、部件、子系统的综合性高技术。4.4.4.4.微组装技术的关键点微组装技术的关键点主要涉及以下几个方面：1）高密度多层互连电路基板的设计和制造技术包括厚薄膜混合集成电路设计和制造工艺。集成电路分为厚膜电路、薄膜电路和半导体集成电路。厚膜电路与薄膜电路的区别有两点：其一是膜厚的区别，厚膜电路的膜厚一般大于10μm，薄膜的膜厚大多处于小于1μm；其二是制造工艺的区别，厚膜电路一般在氧化铝陶瓷2上采用丝网印刷工艺；薄膜电路采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法。2）微组装基本工艺包括：环氧贴装，再流焊，共晶焊，引线键合，倒装焊，钎焊，平行缝焊，激光焊，清洗，涂覆和真空烘焙等。这里所指的再流焊，共晶焊，倒装焊，钎焊，平行缝焊，激光焊都是微焊接。（1）厚膜工艺技术及材料包括：厚膜丝网印刷工艺；烘干和烧结；厚膜激光调阻；厚膜多层布线的几种工艺方法；厚膜导体附着机理及其工艺影响因素；厚膜光刻工艺技术；厚膜直接描绘工艺技术。（2）薄膜工艺技术及材料包括：真空镀膜工艺技术；薄膜光刻工艺技术；薄膜基板材料；薄膜导体材料；常用薄膜电阻材料及其工艺；薄膜导体、电阻和电容；薄膜激光调组图形及微波电阻的调阻方式；（3）组装和封装工艺技术包括焊接、粘接和键合。焊接包括：手工焊、热板再流焊、红外（热风）再流焊、真空汽相再流焊和真空共晶焊工艺。键合包括：金丝球焊、铝丝键合、带状引线键合、载带自动焊（TAB）和凸点倒装焊（FCB）互连技术。（4）清洗工艺技术包括：液相清洗、汽相清洗、等离子清洗和吹风清洗和机械清洗。5.5.5.5.微组装与常规电子组装的主要区别主要区别在于所用的组装结构和互连技术不同。常规电子组装是以一般电子元器件及普通印制电路板为基础的组装技术；微组装则是以芯片（载体、载带、小型封装器件等）和高密度多层基板（陶瓷基板、表面安装的细线印制线路板、被釉钢基板等）以及微焊接为基础的综合性组装技术。微组装组件的组成形式可分为两种：载体型微组装组件和多芯片组件（MCM）。6.6.6.6.多芯片组件（MCMMCMMCMMCM）多芯片组件技术是实现板级电路1.5级电子组装的模式之一，通过芯片键合技术、丝焊技术和SMT技术把集成电路和SMD/SMC焊接到高密度多层互联电路基板上去，构成多芯片组件，是系统级封装（SOP）技术的组成之一。3图33典型的多芯片组件图34IBMPower5处理器和Boeing公司的MCM控制芯片7.7.7.7.芯片级3D3D3D3D组装技术芯片级立体组装技术是把二维平面电路（包括裸芯片、单片、MCM、WSL、大圆片模集成片等）在垂直方向一块块叠装起来，利用平面电路的底面或侧面在垂直方向进行互连，形成高密度三维立体组装电路。图35侧面互连图36面阵互连4图37埋置型3D-MCM图38有源基板型3D-MCM图39叠层型3D-MCM8.8.8.8.微波多芯片组件（MMCMMMCMMMCMMMCM）技术MMCM技术是在HMIC技术基础上发展起来的新一代微波电路封装和互连技术，它是在采用多层微波电路互连基板的基础上，将多个MMIC芯片、专用集成电路（ASIC）芯片和其它元器件高密度组装在微波电路互连基板上，形成高密度、高可靠和多功能的微波电路组件。由于采用了高密度互连基板和裸芯片组装，有利于实现组件或子系统的高集成化、高频和高速化，以及实现电子组装的高密度、小型化和轻量化。在传统的MMCM中，采用金丝键合来实现MMIC、集总式电阻和电容等元器件与基板上的微波传输线的互连，以及微波传输线之间或与RF接地面的互连。微波电路不同于低频数字电路，金丝键合互连的微波特性是影响MMCM电气性能的一个主要因素，其焊丝长度、拱高和跨距、焊点5位置、金丝根数和键合一致性和重复性等参数均对微波传输具有很大影响。目前新一代MMCM技术大量采用MMIC芯片倒装焊接技术。与常规的引线键合（WB）互连技术相比，倒装芯片焊接（FCB）技术利用凸点直接与微波电路基板焊接，如图40所示，具有如下优点：图40芯片正装焊接/键合（左边）9.9.9.9.微波组件3D3D3D3D组装技术3D组装技术是把多块2D-MMCM在垂直方向（Z方向）叠装起来，利用垂直互连技术实现微波和直流信号的互连，从而实现完整的电路功能，构成3D-MMCM。与二维平面组装技术相比，它可以进一步提高组装密度、缩小体积、减轻重量。3D-MMCM2D-MMCM图411）微波组件的3D组装技术特点（1）采用3D微波多层LTCC基板技术，埋入阻容等无源元件、微波传输线、逻辑控制线和电源线，混合设计在同一个LTCC三维微波传输结构中。（2）充分利用层间耦合形成特有的电路元件，实现所需的功能，因而在电路形式上有很大的灵活性。（3）采用垂直微波互连技术，减小了微波电路的平面面积，元器件面积与电路基板面积之比可大于1。（4）采用垂直微波互连技术缩短了微波元器件之间的互连长度，减小了寄生效应，提高了电性能。2）3D微波LTCC多层互连基板技术6三维微波LTCC互连基板表面传输线一般采用微带线（MS），中间层采用带状线（SL），其三维互连结构如图42所示，中间地层既是微带线地层，也是带状线上层地，带状线下层地为背面地。图42优化后的MS－SL三维互连结构典型仿真结果3）2D微波多芯片组件之间的3D垂直微波互连技术二维微波多芯片组件之间的三维垂直微波互连技术既要实现二维微波多芯片组件之间在垂直方向的高微波性能互连，又要满足小型化、轻量化和高密度要求。传统的垂直焊接互连方式要求的连接间距很大，而且不易安装和拆卸，不能满足高密度微波组件立体组装的要求。新型连接器内导体为镀金钨丝，有一定弹性，将其装入支撑介质，与上、下层基板压紧固定，接触电阻仅为1mΩ，是实现多块微波多芯片组件基板上的导体高密度和高质量互连的有效方法。这种连接器不仅是优良的微波连接器，而且是大电流的直流连接器。采用这一方式实现了二维微波多芯片组件之间的无焊接垂直互连。通过三维电磁场仿真设计软件HFSS建立模型、仿真并优化结构参数，获得了良好的电气性能。10.10.10.10.系统级组装（SiPSiPSiPSiP）技术系统级组装（SiP，System-in-a-package）技术是上世纪九十年代出现的封装技术，是MCM的升级版；SiP在一块多功能电路基板（壳体）上集成包含有微波电路、低频控制电路、数字电路和电源等的系统组装技术。SiP技术在组装中大量采用系统/子系统级多芯片组装等新技术，向着具有完整的系统或子系统功能、小型化、高密度、宽工作频带、高速度、较少的外互连线等方向发展。一个完整的SiP方案应当是功能与高密度封装微小型化的整合结果。这个方案中包括超高密度的细线排布和全局互连、新组分基板材料、在一个基板中埋植射频无源器件、SOC及高密度组装。SiP技术是先进新颖的系统级微组装技术，几乎包含了当今全部的先进组装工艺。是“最好”的芯片集成技术和“最先进”的封装技术的合成。采用SiP技术研制的数字化接收/发射子系统组件，可以将由混频器、滤波器、放大器和级联7在两级功率放大器前的驱动放大器组成的微波接收/发射部分，与由FPGA/ASIC实现的并串转换、串并转换、数模变换发射阵列和接收机AD变换器等数字接收/发射部分集成在一起，使其控制和数据输入输出都是数列式的。数字化接收/发射子系统组件是实现下一代数字阵列雷达（DAR，DigitalArrayRadar）的关键，对于大幅度提高雷达的技术性能和可靠性发挥了重要作用。由于SiP微波组件应用平台的扩展和可靠性要求的提高，对其气密性要求日益迫切，采用的封装形式也呈多样化，如局部气密封装等，见图43。图43SiP组件封装形式多样化图44Apple公司的iWatch里使用的SiP模块及相控阵雷达里使用的射频T/RSiP模块11.SoP11.SoP11.SoP11.SoP技术Sop是本世纪初出现的一种封装技术，是Sip的升级版，它不仅可以做到Sip一样完成多种晶片、无源器件的3D堆叠，还采用了薄膜技术和纳米材料把一些常用的无源元器件例如电阻、电容、滤波器、波导、耦合器和天线甚至生物传感器等直接集成到封装基底上，使得基底上的走线长度从mm量级减少到μm量级甚至nm量级，从而进一步提高了系统性能和可靠性。8图45典型的SoP系统12.12.12.12.微波组件微组装技术的应用1）微波多芯片组件技术在微波通讯系统中的应用微波多芯片组件广泛应用在雷达、通讯和导航系统等电子装备的微波/射频前端中，最典型的应用是在微波通讯系统中的应用。微波通讯系统需要大量微波/射频前端来实现调制微波信号的发射和接收，见图45。图46微波多芯片组件内部图2）3D组装技术在新一代机载相控阵雷达中的应用采用3D组装技术的机载相控阵雷达3D-T/R组件如图47所示。不仅缩短了组件长度，从而大大减小了阵面厚度，减轻了阵面重量，而且减少了有源阵面结构设计的很多限制。图473D组装T/R组件图48目前雷达有源电扫阵面和新一代先进有源电扫阵面9采用3D-T/R组件的新一代有源电扫天线阵面如图44所示。利用微波电路3D组装技术将辐射单元和众多的有源器件集成在一块基板上，省掉辐射单元和T/R组件之间电气连接，从而减小损耗和噪声，见图48。3）SiP技术在星载合成孔径相控阵雷达（SAR）中的应用星载SAR具有在太空轨道对地球目标进行观测和成像的功能，在军民用领域得到越来越广泛的应用。新一代星载SAR的分辨率已能达到亚米级，功能越来越强，设备体积也越来越庞大。由于卫星有效载荷的体积和重量受到严格限制，采用SiP技术研制生产星载SAR相控阵天线需要的大量多通道集成化接收/发射系统及微波组件成为降低卫星有效载荷体积和重量的有效途径。图49所示是采用SiP技术研制的应用于可跟踪地面移动目标的星载GMTI/SAR雷达的多芯片子系统组件。图49应用于星载MTI/SAR雷达的多芯片子系统组件4）微组装技术在电子整机中的应用微组装技术是综合应用高密度互联基板技术、多芯片组件技术、系统/子系统组装技术、3D组装技术等关键工艺技术，把构成电子电路的集成电路芯片和片式元器件等各种微型元器件组装起来，形成3D结构的高密度、高性能、高可靠、微小型和模块化电路产品的先进电子装联技术。图50多层多功能LTCC-M电路10图51多功能HTCC-MCM电路图52微波接收机图53战机共形天线结构组成示意