星载微组装T_R组件的封装设计_吕慎刚.pdf

第39卷第3期2023年6月Electro-Mechanical Engineering制造工艺DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.03.010星载微组装T/R组件的封装设计*吕慎刚，江守利（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）摘要：有源相控阵天线在星载雷达上的应用越来越广泛，而T/R组件是有源相控阵天线的核心部件，直接影响天线的性能。封装可以为微组装T/R组件内部电子元器件和电路提供一个良好的工作环境，面对星载雷达对微组装T/R组件的高功率、高集成、高可靠性等要求，封装设计技术已成为微组装T/R组件设计的关键技术之一。基于封装设计技术在星载微组装T/R组件上的应用需求，文中介绍了T/R组件的基本组成，就封装材料与电连接器选用、封装结构设计以及环境适应性设计等封装设计关键问题进行了分析，并探讨了星载微组装T/R组件封装的发展方向。最后以某星载大功率T/R组件的封装设计作为示例，介绍了这些关键技术在设计过程中的应用情况，为后续星载微组装T/R组件的封装设计提供了参考。关键词：星载雷达；微组装T/R组件；封装设计;环境适应性中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：10085300(2023)03004405Packaging Design of Micro-assembly T/R Module ofSpace-borne RadarLYU Shengang,JIANG Shouli(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)Abstract:The active phased array antenna is more and more widely used in the space-borne radar.Asthe core part of the active phased array antenna,the T/R module directly affects the performance of activephased array antenna.Packaging can provide a good work environment for electronic components and circuitsof micro-assembly T/R module.For requirements of high power,high integration,high reliability and so on,packaging design technology has become one of the key technologies for designing micro-assembly T/R module.Based on the application requirements of packaging in micro-assembly T/R module of space-borne radar,thebasic composition of a T/R module is introduced,the key technologies of packaging design such as selection ofpackaging material and electrical connector,packaging structural design and environmental adaptability designare analyzed and the development prospect of the micro-assembly T/R module packaging for space-borne radaris discussed in this paper.At last the packaging design of a micro-assembly T/R module with high power forspace-borne radar is presented as an example.It provides a reference for the subsequent packaging design ofmicro-assembly T/R module of space-borne radar.Key words:space-borne radar;micro-assembly T/R module;packaging design;environmental adaptability引言星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像以其高分辨率、全天时、全天候等优点在军用和民用领域都得到了广泛应用。星载SAR越来越多地采用有源相控阵体制，而T/R组件是有源相控阵天线的核心部件，其性能好坏直接影响天线的性能12。采用分立器件构建的T/R组件需要较多的体积和重量资源，难以满足低剖面星载SAR天线轻量化设计要求。随着微波单片集成电路（Monolithic Mi-crowave Integrated Circuit,MMIC）、微波多芯片组件（Microwave Multi-chip Modules,MMCM）、表面组装技术（Surface Mount Technology,SMT）等的不断发展，基于低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-firedCeramic,LTCC）的微组装技术逐步实现了T/R组件小型化、轻量化，采用微组装设计已成为当前星载T/R组件设计的首选。由于星载雷达对微组装T/R组件高功率、高集成度、高可靠性等的要求越来越高，因此封*收稿日期：2023010444第39卷第3期吕慎刚，等：星载微组装T/R组件的封装设计制造工艺装设计已成为微组装T/R组件设计的关键技术之一。基于封装在星载微组装T/R组件上的应用需求，本文介绍了T/R组件的基本组成，阐述了封装材料及电连接器的选用、封装结构设计、环境适应性设计等封装设计关键技术，探讨了微组装T/R组件封装的发展方向，并以某星载大功率T/R组件为例，介绍了这些关键技术在设计过程中的应用情况，为后续星载微组装T/R组件的封装设计提供了参考。1T/R组件的基本组成随系统要求不同，T/R组件的性能各有不同，电路的复杂程度也有很大差异。一般而言，T/R组件由多个电路和器件优化组合而成，其中，发射通道包含单级或多级功率放大器，接收通道包含衰减器、限幅器和低噪声放大器，收发通道共用的部分包括环行器、收发开关、控制电路等。针对星载雷达应用需求，T/R组件还会增加其他备份和辅助功能电路，以满足其高可靠性要求。基于系统研制要求、结构布局以及器件资源整合需求的考虑，T/R组件可以设计成单通道、双通道、四通道、八通道等形式。图1为典型单通道微组装T/R组件的原理框图和爆炸图。移相开关驱动放大器功率放大器控制电路电源转换低噪声放大器限幅器环行器低频输入盖板射频输出射频输入电路壳体(a)原理框图(b)爆炸图图 1单通道微组装T/R组件2星载微组装T/R组件封装设计微组装T/R组件的封装就是为电子元器件和电路提供一个良好的机、电、热等环境条件，需要有合适的线膨胀系数、良好的散热能力、较好的气密性、较小的密度和良好的可生产性。封装设计涉及封装材料、电连接器、封装结构以及环境适应性等，因此封装设计对微组装T/R组件而言尤为重要。2.1封装材料的选用微组装T/R组件的封装材料选用较多的是陶瓷封装材料、金属及金属基复合材料。针对星载环境，封装材料首先要满足空间环境应用要求，优先选用目内、有飞行经历的材料。新材料必须完成相关考核试验才能选用，严禁使用禁用材料。对于限用材料，要分析产品的使用环境，确保环境条件在限用条件之外才能选用。从性能方面来看，传统封装材料，如以铝、铜、可伐、钼铜合金等为代表的第1代和第2代封装材料，已无法满足航空航天新领域及高集成电子器件对封装材料综合性能的高要求，于是就陆续出现了一些高性能的第3代电子封装材料。第3代电子封装材料，如铝硅合金（AlSi）、铝基碳化硅（Al/SiC）等，具有高热导率、轻质、低热膨胀系数等优异的热物理性能，逐渐成为T/R组件封装的优选材料。Al/SiC材料和AlSi材料在特点与应用上极为相似，但两者之间还是存在着性能差异。由于Al/SiC材料中的碳化硅颗粒属于耐磨材料，硬度很高，因此Al/SiC材料拥有较高的强度，但加工成型困难。相对而言，AlSi材料拥有较好的加工性能，可以进行普通的机械加工，但存在脆性大的缺点35。使用上述封装材料时，要综合考虑封装对象的尺寸、热耗、重量指标、线膨胀系数等要求，合理选择一种或组合使用几种封装材料。表1为常用基板材料和金属封装材料的主要性能。表 1常用基板材料和金属封装材料的主要性能材料热导率/(Wm1K1)线膨胀系数(106)/C1密度/(gcm3)Si1354.12.3GaAs395.85.3Al2O3206.53.9AlN1804.53.3Al/SiC1707.09.03.0AlSi12011.013.02.5Kovar175.88.2Invar110.48.1Ti168.04.5Fe6513.57.8W1684.519.3Mo1385.410.2Al23023.02.7Cu40017.68.92.2电连接器的选用电连接器用于系统中电能的传输以及信号的传递与控制，根据传输信号频率的不同可分为高频连接器和低频连接器。电连接器优先选用目内、有飞行经历的型号，若目内没有合适的型号，则定制新型号，但新型号电连接器必须完成考核试验后才能选用。选择电连接器时不仅要考虑电讯要素，包括额定电压、工作电流、接触电阻、匹配阻抗、电压驻波比、使用频率范围、接触对数目等，还要充分考虑结构要素，包括安装方45制造工艺2023年6月式、外形尺寸等。特别需要指出的是，不同厂家生产的电连接器精度和公差控制可能不一样，会影响电连接器的对接，所以建议成对使用6。对采用微组装设计的T/R组件而言，电连接器是封装结构的一部分，必须有较好的气密性，因此需要选用气密型连接器。气密型连接器一般由外壳、接触件和玻璃绝缘体3部分组成，在高温烧结过程中，高粘度的玻璃液会在金属表面发生一系列化学反应，在两者的界面处形成混合化学键，具有很好的结合力，从而保证电连接器的气密性，其漏率可优于1.01 109Pam3/s7。目前，常用的气密型高频连接器主要有SMP、SSMA、SMA、玻珠等，气密型低频连接器主要有J30J系列等。气密型连接器的典型结构如图2所示。玻璃绝缘体接触件外壳玻璃绝缘体接触件外壳(a)SMP气密型连接器(b)J30J气密型连接器图 2气密型连接器典型结构此外，特殊结构设计的微组装T/R组件可以将陶瓷基板作为封装结构的一部分，焊盘外露设计，此时可以选用非气密型表贴连接器或插针焊接于陶瓷基板焊盘上实现信号互联（见图3）。壳体陶瓷基板插针图 3插针互联示意图2.3封装结构设计微组装T/R组件的封装结构一般由壳体、盖板、高频连接器、低频连接器等组成，通常连接器采用锡焊方式焊接在壳体上，待其内部电路和元器件完成组装后再将盖板激光封焊在壳体上，形成一个封闭的气密性腔体。根据结构布局和对外互联方式的不同，微组装T/R组件封装可以分为砖式和片式2种结构形式。设计时需根据天线系统的整体布局要求确定封装结构形式。砖式微组装T/R组件对外互联的高频连接器和低频连接器均从侧面引出，用电缆互联，其优点是对接精度要求不高，工程上容易实施，缺点是电缆需要占用较多的走线空间。片式微组装T/R组件对外互联的高频连接器和低频连接器均从底面引出，采用盲插互联，其优点是可以实现无引线互联，不需要走线空间，可以大大提升天线系统的集成度，缺点是对接精度要求高，工程实施时要严格控制各个零部件的尺寸精度。图4为T/R组件的互联示意图。低频电缆T/R组件高频电缆安装板天线波导SMP双阴T/R组件低频连接器天线波导安装板(a)砖式(b)片式图 4T/R组件互联示意图电路基板、元器件等与壳体焊接后存在一定的焊接应力，若应力较大，则薄弱处可能产生裂纹，造成产品失效，因此需对焊接应力进行仿真分析并对内部电路进行评估。T/R组件在气密性检测及在轨运行阶段，腔体内外有一个大气压的压差，对盖板焊缝的强度有较高的要求，也需要对焊缝的应力水平进行分析，保证有一定的安全余量。除了仿真分析手段，还可采用极限温冲方式评估内部电路的热匹配性、钎焊焊缝以及激光封焊焊缝的质量。温度冲击试验的温度范围可选55C 85C，次数为500次，试验后检测电路表面形貌和气密性指标。2.4环境适应性设计星载设备除在卫星发射阶段要经受各种力学环境（如加速度、振动、冲击、噪声等）考验外，入轨后还要经历真空、温度交变、带电粒子辐射等空间环境考验7，因此微组装T/R组件的封装需要适应严酷的星载环境要求，满足产品的可靠性。环境适应性设计主要涉及抗力学环境设计、抗热环境设计、抗辐照环境设计及抗微放电设计。2.4.1抗力学环境设计T/R组件抗力学环境设计是在满足封装需求的基础上对结构进行力学分析，通过有针对性的强度和刚度设计来提高结构的可靠性。可从以下2方面着手：1）适当增加壳体壁厚，可有效提高整体结构的强度和刚度；2）合理设置固定点，既能保证安装强度，又能保证安装底面的平面度利于散热。根据卫星建造规范要求，T/R组件的第1阶固有频率不小于100 Hz，在正弦振动、随机振动、冲击、加速度等鉴定级环境条件下，其结构部件都应具有正的安全裕度（一般金属大于0，复合材料大于0.25）。2.4.2抗热环境设计T/R组件的工作环境条件接近真空，产生的热量除少量通过辐射途径传向空间外，绝大部分是通过组46第39卷第3期吕慎刚，等：星载微组装T/R组件的封装设计制造工艺件壳体底板传给温控板的。良好的热设计是T/R组件可靠工作的基础，从热设计角度出发，为了确保T/R组件的高可靠性，需采取措施减小热传递路径上各处的热阻，降低功放芯片的沟道温度。功率放大器是T/R组件热耗最大的器件，采用焊接方法与组件壳体连接，其传热路径如图5所示。计算功率放大器的沟道温度（最高允许温度为110C），使其满足I级降额设计要求。表面热源区域,宽120m80m厚GaN约20m厚的镀金层及焊料热沉(钼铜合金)焊料层壳体底板图 5功率放大器传热路径示意图2.4.3抗辐照设计空间辐照环境中的带电粒子会导致星载电子设备工作异常和器件失效，严重影响航天器的可靠性和寿命。T/R组件内含有半导体集成电路等辐照敏感器件，需要进行抗辐照防护设计，使其满足卫星规定寿命期内对抗辐照的指标要求。空间辐照防护方法一般采用时间防护、距离防护和屏蔽防护，但空间飞行器在空间长年处在各种粒子和射线的包围之中，无法进行有效的时间防护和距离防护，所以一般选择屏蔽防护8。辐射屏蔽防护的措施主要有以下几个方面：1）适当增加机壳屏蔽厚度（不应将辐射屏蔽作为其设计约束条件，需与封装形式、力学性能等综合起来考虑）；2）进行合理的布局，充分借用卫星的结构板、附近单机和设备外壳的遮挡，降低敏感器件的接收剂量；3）对器件进行局部加固，如在器件上安装铅片、钽片等抗辐照加固材料，提高器件抗总剂量能力。根据辐射剂量半空间估算法，可以计算出T/R组件屏蔽等效铝厚度，再查阅型号卫星的总剂量深度数据D环境以及辐照敏感器件抗辐照指标D失效，计算出对应的辐射总剂量设计余量（D失效/D环境）。辐射设计余量一般取2 3，最后可以通过抗辐照试验验证T/R组件是否满足抗辐照设计要求。2.4.4抗微放电设计T/R组件输出功率较大，在真空环境、存在自由电子的条件下可能产生微放电现象，严重影响T/R组件的可靠性。通常采用间隙峰值电压来表示设备的微放电性能，微放电峰值电压与频率和间隙的乘积成正比，对常见的铝、铜等材料，可按照图6所示的微放电敏感区域图设计，使间隙峰值电压与频率和间隙乘积的关系远离图示的敏感区域。对于T/R组件，应用背景决定了频率、功率一般是固定的，可以改变的只有结构、表面处理等方面，这是微放电设计的关键。目前微放电抑制技术包括增大部件间隙尺寸、结构件加工避免毛刺和尖角、改变部件表面状况、填充介质、防止污染等，同时提升功率放大器后端的无源器件的功率容限，留有合理的微放电设计余量，一般按6 dB设计9。101100101102频率和间隙的乘积/(GHzmm)101102103104间隙电压峰值/V波导微放电敏感区铝铜金/银Alodine图 6微放电阈值曲线图微放电现象十分复杂，采取设计、工艺等措施的微波有源部件的微放电电平的阈值是不能完全确定的，生产过程等各种因素都会影响最终产品的状态，因此还需要对产品进行微放电试验验证。一是按有源功率模块的试验要求对T/R组件进行试验；二是对T/R组件无源部分进行试验，判断其是否满足6 dB的鉴定级微放电阈值。3星载微组装T/R组件封装发展方向随着微组装T/R组件不断向大功率、小型化、高可靠性等方向发展，对封装散热、互联密度、连接器耐功率等的要求越来越高。新型导热材料、功能结构一体化封装结构设计以及大功率气密型、盲插型高频连接器等将为下一代星载微组装T/R组件封装发展提供技术支撑。3.1新型导热材料随着电子设备单位体积内的发热量剧增，对封装材料的导热要求也越来越高。以金刚石/铝复合材料、金刚石/铜复合材料等为代表的第4代电子封装材料具有高热导率、低热膨胀系数、低密度等优异性能，成为国内外相关领域的研究热点，有较好的应用价值和应用前景。目前已有很多科研机构将这些封装材料作为T/R组件外壳材料开展攻关验证。3.2功能结构一体化封装结构设计在一般情况下，有源封装模块的壳体质量占到了单机质量的50%，其余质量为印制板、电连接器、元器件等。随着MMIC、MMCM、系统级芯片（System onChip,SoC）和各类多层基板的不断发展和进步，可以将电路基板作为封装结构的一部分构建功能结构一体化T/R组件。此类T/R组件与印制电路板（PrintedCircuit Board,PCB）之间采用球形栅格阵列（Ball47制造工艺2023年6月Grid Array,BGA）、陶瓷柱状栅格阵列（Ceramic Col-umn Grid Array,CCGA）等互联技术实现无连接器互联，可以大大减小系统的体积和重量，提高其互联密度。图7为2D封装的功能结构一体化T/R组件示意图。如果能进一步提高T/R组件中芯片的集成度，就可以利用陶瓷方形扁平无引脚封装技术（CeramicQuad Flat No-lead Package,CQFN）在很小的封装空间内实现T/R组件的功能，满足T/R组件的芯片化设计要求。盖板围框芯片陶瓷基板图 72D封装T/R组件示意图此外，3D封装也是功能结构一体化T/R组件的重要发展方向。图8为3D封装结构示意图。各类芯片和元器件集成在不同层的陶瓷基板中，再通过焊球或毛纽扣实现板间垂直互联，封装密度提高至现有产品结构的2 3倍以上10。3D封装需要重点解决层间垂直互联、散热、维修等方面的关键问题。盖板芯片上层陶瓷基板围框芯片下层陶瓷基板图 83D封装T/R组件示意图3.3大功率气密型、盲插型高频连接器采用第3代半导体GaN器件的T/R组件可以实现更大功率的输出、更高的效率和宽带性能优势，已在有源相控阵的T/R组件中获得广泛应用，在星载相控阵系统中的应用也极具优势。目前，采用GaN器件的星载T/R组件单通道输出功率超过200 W，如果考虑6 dB的微放电设计余量，现有的气密型高频连接器的耐功率能力远远无法满足需求，T/R组件只能按照传统设计方法采用非气密型大功率连接器和分立器件构建，占用了较多的体积和重量资源，不利于系统小型化、轻量化设计。因此，研制能够兼顾气密性、耐功率、尺寸等指标的大功率气密型高频连接器十分必要。此外，广泛应用于无引线互联的盲插型SMP连接器的耐功率能力也有限，具有飞行经历的应用量级只有20 W左右，因此，研制应用于更大功率场合的盲插型高频连接器也十分必要。4结束语某星载大功率微组装T/R组件的本体尺寸为124mm 68mm 11mm，超过了现役在轨星载微组装T/R组件的最大尺寸，且单通道输出功率大于50 W，选用单一封装材料已很难满足要求。基于文中阐述的封装设计思路，该T/R组件封装壳体采用钛合金围框和Al/SiC底板焊接成型的方案，兼顾了热匹配性、导热性、加工性和封焊性能。小功率射频信号传输选用SSMA气密型连接器，末级输出功率较大，选用了玻珠与SMA连接器组合使用的方案。T/R组件封盖后的漏率优于1 108Pam3/s，满足气密封装要求，通过了鉴定试验考核且产品在轨工作正常，表明封装设计合理有效，为后续星载微组装T/R组件的封装设计提供了参考。为适应微组装T/R组件不断向大功率、小型化、高可靠性等方向发展的需求，新型导热材料、结构功能一体化封装结构及大功率气密型、盲插型高频连接器将为下一代星载微组装T/R组件封装的发展提供技术支撑，同时需进一步研究攻关以满足工程化应用需求。参 考 文 献1 张庆君,韩晓磊,刘杰.星载合成孔径雷达遥感技术进展及发展趋势J.航天器工程,2017,26(6):17.2 邵春生.相控阵雷达研究现状与发展趋势J.现代雷达,2016,38(6):14.3 苏力争,钟剑锋,曹俊.高导热T/R组件新型封装材料现状及发展方向J.电子机械工程,2011,27(1):711.4 陈寰贝,庞学满,胡进,等.航空航天用电子封装材料及其发展趋势J.电子与封装,2014,14(5):69.5 周明智,许业林,雷党刚.金属基复合材料在微波封装领域的研究进展J.电子机械工程,2015,31(5):15.6 谢旻.电连接器及其在雷达和电子设备中的应用J.应用科技,2011,38(3):2023.7 郭宏伟,党梦阳,CHI L X,等.电连接器用玻璃的封接工艺优化与连接机理 J.硅酸盐通报,2019,38(11):35063511.8 现亮,朱敏波,李琴.空间辐照机理与防护技术研究J.空间电子技术,2007(3):1720.9 郭庆,吕慎刚.C波段全固态T/R组件设计J.微波学报,2013,29(3):15.10 崔凯,王从香,胡永芳.射频微系统2.5D/3D封装技术发展与应用J.电子机械工程,2016,32(6):16.吕慎刚男，1979年生，高级工程师，主要从事微波结构设计工作。48