微組裝技術基本概念、標準及應用現狀

微組裝技術是綜合應用高密度互連基板技術、多芯片組件技術、系統/子系統組裝技術、3D組裝技術等關鍵工藝技術，把構成電子電路的各種微型元器件（集成電路芯片和片式元器件）組裝起來，形成3D結構的高密度、高性能、高可靠、微小型和模塊化電路產品的先進電子裝聯技術。微組裝技術（MPT）是在SMT和混合集成技術基礎上發展起來的新一代電子組裝和互連技術，即以多芯片組件（MCM）和3D組裝技術為代表的新一代微組裝技術，是電子整機實現模塊化、智能化、復合化、高頻率和在有限空間內實現組裝功能高度綜合集成的根本途徑。

一、微組裝技術的特征微組裝技術是第五代電子組裝和互連技術，是混合微電子技術發展到高級階段的產物，其工藝技術基礎是混合電路工藝。它有別于傳統的混合集成電路，其特征如下。①電路功能：不再是功能單一的電路，而是復雜的混合集成多功能微電子組件，具有部件、子系統甚至系統級功能。②結構特征：采用高密度多層布線基板，微焊、鍵合和組裝有高集成度裸芯片IC及其他微型元器件構成的高密度微電子組件。③集成規模：屬于混合大規模集成電路或混合甚大規模集成電路（HLSI、HVLSI）范疇。多芯片組件（MCM）是一種典型的微組裝技術，也是一種典型的高級混合集成電路技術。④組裝密度每提高10%，電路模塊的體積可減少40%～50%，質量減少20%～30%。微組裝技術對減小微波組件的體積和質量，滿足現代電子武器裝備小型化、輕量化、數字化、低功耗的要求具有重要的意義。

微組裝技術是實現電子裝備小型化、輕量化、高密度3D互連結構、寬工作頻帶、高工作頻率和高可靠性等目標的重要技術途徑。

二、微組裝技術的定義及關鍵點1.微組裝技術的基本概念以微電子技術、高密度組裝技術和微焊接技術為基礎的綜合性組裝工藝技術，即在多層布線基板上，按照電原理圖，將微電子元器件及微型元器件組裝起來，形成高密度和高可靠3D結構的微電子產品組件、部件、子系統的綜合性高技術。GB 50877對微組裝的定義：“在高密度多層互連基板上，采用表面貼裝和互連工藝，將構成電子電路的集成電路芯片、片式元器件及各種微型元器件組裝起來，并封裝在同一外殼內，形成高密度、高速度、高可靠性的3D立體結構的高級微電子組件?！蔽⒔M裝涉及集成電路技術、固態技術、厚薄膜技術、微電路技術、互連與微焊接技術、熱控制技術、高密度組裝技術、測試技術、可靠性技術和計算機輔助工程等領域，是一門電路、結構、工藝、材料、元器件等緊密結合的綜合性技術。GB 50877指出：微組裝主要生產工藝包括芯片和基片的貼裝工藝、互連工藝、封裝工藝；輔助工藝包括真空焙烤工藝、清洗工藝、涂敷工藝、測試工藝等。2.微組裝技術的關鍵點（1）高密度多層互連電路基板的設計和制造技術高密度多層互連電路基板的設計和制造技術包括厚薄膜混合集成電路設計和制造工藝。集成電路分為厚膜電路、薄膜電路和半導體集成電路。厚膜電路與薄膜電路的區別有兩點：一是膜厚的區別，厚膜電路的膜厚一般大于10μm，薄膜的膜厚大多數小于1μm；二是制造工藝的區別，厚膜電路一般在氧化鋁陶瓷上采用絲網印刷工藝；薄膜電路采用的是真空蒸發、磁控濺射等工藝方法。（2）微組裝基本工藝微組裝基本工藝包括環氧貼裝、回流焊、共晶焊、引線鍵合、倒裝焊、釬焊、平行縫焊、激光焊、清洗、涂敷和真空烘焙等。這里的回流焊、共晶焊、倒裝焊、釬焊、平行縫焊、激光焊都是微焊接。（3）高密度組裝技術以線綁定（Wire Bonding）、倒裝芯片（Flip Chip）等裸芯片組裝為基礎的一級組裝工藝技術，包括一級封裝SIP，一級、二級混合組裝的MCM工藝技術，不包括半導體裸芯片制造工藝（0級）和純SMT/THT為基礎的二級組裝工藝技術。3.微組裝與常規電子組裝的主要區別常規電子組裝是以一般電子元器件及普通印制電路板為基礎的組裝技術。微組裝則是以芯片（載體、載帶、小型封裝元器件等）和高密度多層基板（陶瓷基板、表面安裝的細線印制電路板、被釉鋼基板等）及微焊接為基礎的綜合性組裝技術。微組裝組件的組成形式可分為載體型微組裝組件和多芯片組件（MCM）兩種。

三、微組裝技術應用標準現狀1.國內微組裝技術電路標準微組裝技術在國內屬于20世紀90年代到21世紀初期軍用電子裝備的先進制造技術，是研究和應用的熱點和關注的焦點。近10年微組裝技術的發展很快，尤其是十大軍工集團的一些重點研究所都相續投入巨額資金開展微組裝技術研究。已有的標準如下?！馟JB 128A—1997《半導體分立元器件試驗方法》?！馭J 2068—1998《微電路模塊總規范》?！馟JB 548B—2005《微電子元器件試驗方法和程序》?！馟JB 597B—2012《半導體集成電路通用規范》?！馟JB 2438A—2002《混合集成電路通用規范》?！馟JB 2440A—2006《混合集成電路外殼通用規范》。2.國際微組裝技術電路標準關于微組裝技術的電路設計可以參考以下標準?！馡PC-D-859《厚膜多層混合電路設計標準》?！馡PC-HM-860《多層混合電路規范》?！馡PC-MC-790《多芯片組件技術應用導則》?！馡PC-SM-784《芯片直裝技術實施導則》。

●IPC-6015《有機多芯片模塊（MCM-L）安裝及互連結構的鑒定與性能規范》。

四、微組裝結構1.多芯片組件（MCM）多芯片組件技術是實現板級電路1.5級電子組裝的模式之一，如圖1所示，多芯片組件通過芯片鍵合技術、絲焊技術和SMT技術把集成電路和SMD/SMC焊接到高密度多層互連電路基板上去，構成多芯片組件，是系統級封裝（SOP）技術的組成之一。圖1　典型的多芯片組件2.芯片級3D組裝技術如圖2至圖6所示，芯片級立體組裝技術是把2D平面電路（包括裸芯片、單片、MCM、WSL、大圓片模集成片等）在垂直方向疊裝起來，利用平面電路的底面或側面在垂直方向進行互連，形成埋置型、有源基板型和疊層型3D-MCM等高密度3D立體組裝電路。圖2　側面互連圖3　面陣互連圖4 埋置型3D-MCM圖5 有源基板型3D-MCM圖6 疊層型3D-MCM3.微波多芯片組件（MMCM）技術MMCM技術是在HMIC技術基礎上發展起來的新一代微波電路封裝和互連技術，它是在采用多層微波電路互連基板的基礎上，將多個MMIC芯片、專用集成電路（ASIC）芯片和其他元器件高密度組裝在微波電路互連基板上，形成高密度、高可靠和多功能的微波電路組件。由于采用了高密度互連基板和裸芯片組裝，有利于實現組件或子系統的高集成化、高頻和高速化，以及實現電子組裝的高密度、小型化和輕量化。在傳統的MMCM中，采用金絲鍵合來實現MMIC、集總式電阻和電容等元器件與基板上的微波傳輸線的互連，以及微波傳輸線之間或與RF接地面的互連。金絲鍵合互連的微波特性是影響MMCM 電氣性能的一個主要因素，其焊絲長度、拱高和跨距、焊點位置、金絲根數和鍵合一致性及重復性等參數均對微波傳輸具有很大影響。目前新一代MMCM技術大量采用MMIC芯片倒裝焊接技術。與常規的引線鍵合（WB）互連技術相比，倒裝芯片焊接（FCB）技術利用凸點直接與微波電路基板焊接。倒裝芯片焊接具有如下優點。①互連線短，互連產生的雜散電容、互連電阻及互連電感均比WB 小得多，更利于高頻高速電子產品的應用。②芯片安裝所占基板面積小，安裝密度高。③芯片安裝與互連同時完成，簡化了安裝工藝。4.微波組件3D組裝技術如圖7所示，3D組裝技術是把多塊2D-MMCM在垂直方向（Z方向）疊裝起來，利用垂直互連技術實現微波和直流信號的互連，從而實現完整的電路功能，構成3D-MMCM。它進一步提高組裝密度、縮小體積、減輕質量。圖7 微波組件3D組裝（1）微波組件的3D組裝技術的特點微波組件的3D組裝技術具有如下特點。①采用3D微波多層LTCC 基板技術，埋入阻容等無源元器件、微波傳輸線、邏輯控制線和電源線，混合設計在同一個LTCC 3D微波傳輸結構中。②充分利用層間耦合形成特有的電路元器件，實現所需的功能，因此在電路形式上有很大的靈活性。③采用垂直微波互連技術，減小了微波電路的平面面積，元器件面積與電路基板面積之比可大于1。④采用垂直微波互連技術縮短了微波元器件之間的互連長度，減小了寄生效應，提高了電性能。（2）3D微波LTCC多層互連基板技術3D微波LTCC互連基板表面傳輸線一般采用微帶線（MS），中間層采用帶狀線（SL），其3D互連結構為中間地層，既是微帶線地層，也是帶狀線上層地，帶狀線下層地為背面地，如圖8所示。3D微波LTCC多層互連基板技術采用3D電磁場仿真軟件HFSS連接微帶線與帶狀線的RF孔穿過中間層地時，中間地層需開孔，其直徑為d。在RF孔周圍設置接地孔，連接中間層微帶地線（即帶狀線上層地）與帶狀線下層地，可有效抑制輻射損耗，接地孔與RF孔中心距為D。傳輸線與RF孔相連處是寬度為S的正方形盤，比傳輸線寬度略寬，以補償RF通孔帶來的電感效應，如圖9所示。圖8 MS－SL 3D互連結構示意圖圖9　3D微波LTCC多層互連基板（3）2D微波多芯片組件之間的3D垂直微波互連技術2D微波多芯片組件之間的3D垂直微波互連技術既要實現2D微波多芯片組件之間在垂直方向的高微波性能互連，又要滿足小型化、輕量化和高密度要求。傳統的垂直焊接互連方式要求的連接間距很大，而且不易安裝和拆卸，不能滿足高密度微波組件立體組裝的要求。新型連接器內導體為鍍金鎢絲，有一定的彈性，將其裝入支撐介質，與上、下層基板壓緊固定，接觸電阻僅為1mΩ，是實現多塊微波多芯片組件基板上的導體高密度和高質量互連的有效方法。這種連接器不僅是優良的微波連接器，而且是大電流的直流連接器。采用這一方式實現了2D微波多芯片組件之間的無焊接垂直互連。通過3D電磁場仿真設計軟件HFSS建立模型、仿真并優化結構參數，獲得了良好的電氣性能。5.微波組件系統級組裝（SIP）技術微波組件系統級組裝（System-In-a-Package，SIP）技術是在一塊多功能電路基板（殼體）上集成包含微波電路、低頻控制電路、數字電路和電源等的系統組裝技術。SIP技術在組裝中大量采用系統/ 子系統級多芯片組裝等新技術，使微波組件向著具有完整的系統或子系統功能、小型化、高密度、寬工作頻帶、高速度、較少的外互連線等方向發展。一個完整的SIP方案應當是功能與高密度封裝微小型化的整合結果。這個方案中包括超高密度的細線排布和全局互連、新組分基板材料、在一個基板中埋植射頻無源元器件、SOC及高密度組裝。SIP技術是先進、新穎的系統級微組裝技術，幾乎包含了當今全部的先進組裝工藝，是“最好”的芯片集成技術和“最先進”的封裝技術的合成。采用SIP 的數字化接收/發射子系統組件，可以將由混頻器、濾波器、放大器和級聯在兩級功率放大器前的驅動放大器組成的微波接收/ 發射部分，與由FPGA/ASIC實現的并串轉換、串并轉換、數模變換發射陣列和接收機模數變換器等數字接收/ 發射部分集成在一起，使其控制和數據輸入/ 輸出都是數列式的。數字化接收/ 發射子系統組件是實現下一代數字陣列雷達（Digital Array Radar，DAR）的關鍵，對于大幅度提高雷達的技術性能和可靠性發揮了重要作用。由于SIP組件應用平臺的擴展和可靠性要求的提高，對其氣密性要求日益迫切，采用的封裝形式也呈多樣化，如局部氣密封裝等，如圖10所示。圖10 SIP組件封裝形式多樣化

五、微波組件微組裝技術的應用1.微波MCM技術在微波通信系統中的應用微波多芯片組件內部的結構如圖11所示，微波多芯片組件廣泛應用在雷達、通信和導航系統等電子裝備的微波/ 射頻前端中，最典型的應用是在微波通信系統中的應用。微波通信系統需要大量微波/ 射頻前端來實現調制微波信號的發射和接收。微波MCM技術以其組裝高密度、高工作頻率、高可靠性、微小型化外形、模塊化功能等優點，成為研制生產微波/射頻前端的首選，并得到越來越廣泛的應用。

圖11　微波多芯片組件內部的結構2.3D組裝技術在新一代機載相控陣雷達中的應用采用3D組裝技術的機載相控陣雷達3D-T/R 組件如圖12所示。不僅縮短了組件長度，大大減小了陣面厚度，減輕了陣面質量，而且減少了有源陣面結構設計的很多限制。圖12　3D-T/R組件如圖13所示，采用3D-T/R 組件的新一代有源電掃天線陣面利用微波電路3D組裝技術將輻射單元和眾多的有源元器件集成在一塊基板上，省掉輻射單元和T/R 組件之間電氣連接，從而減小損耗和噪聲。

圖13　目前雷達有源電掃天線陣面和新一代先進有源電掃天線陣面不僅組件的質量可以減輕，而且組件可以貼在天線陣面上，天線陣面和冷板可以設計為整體結構，為結構設計和加工制造帶來極大的便利，陣面質量將大大減輕，成本也將顯著減少。此外，有源陣面的結構更為緊湊、外形更為靈活，有利于共形、隱身、共口徑設計，以及實現寬帶性能等。3.SIP技術在星載合成孔徑相控陣雷達（SAR）中的應用星載SAR 具有在太空軌道對地球目標進行觀測和成像的功能，在軍/ 民用領域得到越來越廣泛的應用。新一代星載SAR的分辨率已能達到亞米級，功能越來越強，設備體積也越來越龐大。由于衛星有效載荷的體積和質量受到嚴格限制，采用SIP技術研制生產星載SAR相控陣天線需要的大量多通道集成化接收/發射系統及微波組件成為降低衛星有效載荷體積和質量的有效途徑。圖14所示是美國采用SIP 技術研制的應用于可跟蹤地面移動目標的星載GMTI/SAR雷達的多芯片子系統組件。

圖14　應用于星載GMTI/SAR雷達的多芯片子系統組件根據陳正浩編著的<高可靠性電子裝備pcba設計缺陷案例分析及可制造性設計>改編