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射频微系统集成技术体系及其发展形式研判

发布时间:2021-12-28作者来源:金航标浏览:230

 微系统三维异质异构集成技术是实现未来射频电子系统更高集成度、更高性能、更高工作频率等需求的最具前景的技术,文中对射频微系统集成技术在军民领域的应用需求及前景进行了分析,对其技术内涵及技术体系进行了系统性总结,阐释了微系统集成技术在满足系统工程化应用情况下在设计仿真、热管理、测试、工艺和可靠性等方面所面临的新挑战及其解决方案,同时提出了射频微系统集成技术的进一步发展思路。



摩尔定律已接近物理极限,但未来电子信息系统将持续向更高集成度、更高性能、更高工作频率等方向发展,传统的集成封装技术逐渐难以满足新型系统集成要求。未来的技术发展趋势将是延续摩尔定律与超越摩尔定律结合起来,通过三维异构异质集成,实现更高价值的系统———微系统。微系统集成技术通过在微纳尺度上采用异构、异质方法集成,是实现更高集成度、更高性能、更高工作频率需求的主要手段。射频微系统集成技术作为系统微型化趋势下的先进集成封装技术,已经成为引领装备发展、推动电子技术创新的重大基础技术,是支撑电子信息装备在传感、通信领域能力变革的重要技术平台,同时也是当前电子信息技术研究的核心技术之一。

本文对射频微系集成技术在军民领域的应用需求及前景进行了分析,对其技术内涵进行了系统性总结,梳理出微系统集成技术在设计仿真、工艺集成和测试验证三个方面的体系框架,对技术面临的挑战与发展机遇进行了研判,同时提出了射频微系统集成技术研究的进一步发展思路。



1 射频微系统微集成技术概述

1.1 射频微系统集成技术在军民市场的应用



射频微系统主要针对雷达、电子战等军用领域和5G 通信、物联网等民用领域内一体化射频前端、有源阵面等小型化、轻量化、多功能化的应用需求,采用以微纳加工技术为代表的微系统异质异构集成工艺技术,将射频、数字、光电、能源等分系统进行高密度集成,实现射频系统体积与功耗大幅降低、性能与可靠性大幅提升、通道成本与全寿命周期成本大幅降低等目的。如图 1 所示,射频微系统技术在航天、航空、船舶、兵器等军用领域,以及信息技术、生物、医疗、工业控制、消费电子等民用领域具有广泛的应用。    

   
图 1 射频微系统在军民领域的应用场景


在军用领域,未来武器装备智能化作战需求将更加依赖于高集成度的电子信息系统,新一代雷达、通信、电子战等前沿武器装备的研制对射频微系统集成提出了迫切的需求。射频微系统集成可以在微纳尺度上基于新理念与新工艺实现功能模块或子系统高度集成化,进而宏观上实现武器装备体积与功耗大幅降低、性能与可靠性大幅提升、通道成本与全寿命周期成本大幅降低、支持多功能并逐步具备智能化等特征。

在民用领域,5G/6G 通信、物联网、无人驾驶、太赫兹成像、生物医疗等领域都对射频微系统集成提出了广泛的应用需求。穿硅过孔( TSV) 技术、穿玻璃过孔( TGV) 技术、圆片级封装( WLP) 技术、三维堆叠等三维异质异构集成技术将前端射频收发器件、数据处理器件、高频存储器件、高效电源等进行整合,能够大幅提升产品的功能,降低器件互联的延迟与射频传输不匹配性,实现信号的高频、宽带、高速传输,进而有效降低产品的功耗和体积。图 2 为爱立信联合IBM 实现的 5G 射频微系统,实现了 64 通道的天线阵列高密度一体化集成。图 3  为新加坡 A-STAR 研究所发布的汽车雷达方面的研究成果,其利用 TSV 技术结合新颖的嵌入式晶圆级封装技术制作了一款77 GHz 的汽车雷达。



图 2 爱立信/IBM 研发的 5G 射频微系统


图3 A-STAR 研究所基于晶圆级射频微系统封装的77 GHz 雷达


1.2 射频微系统集成技术内涵


微系统是以微电子、光电子、微机电系统( MEMS)为基础,结合体系架构和算法,运用微纳系统工程方法将传感、通信、处理、执行、微能源等功能单元,在微纳尺度上采用异构、异质方法集成的微型信息系统。这是跨学科、跨领域技术进行深度整合的必然要求,也是系统实现方法和基础器件与材料工艺进行融合的必然结果。通过开展微系统技术的研究,可以实现系统集成手段由微组装集成向微纳异质异构集成方向发展,集成内容由单一功能向多功能集成方向发展,并逐步提升系统高密度、可重构、自适应和自主化水平。


应用于射频微系统的三维异质异构集成技术是以微纳制造及微连接先进封装工艺为基础,融入微电子、微机械、微光学、微能源、微流动等各种先进工艺技术而发展起来的射频微系统专用制造技术,可实现先进射频系统架构制造,大幅提升性能,解决集成瓶颈问题。在射频应用领域,例如探测感知的雷达阵面集成,微加工工艺技术主要解决射频微系统小型化、多功能集成、高可靠的应用需求。其关键技术包含 TSV/TGV封装基板制造技术、多功能低损耗三维异质集成技术、宽带大功率三维异构集成技术等 。同时,微加工工艺也应具备工艺过程测试、系统测试及可靠性验证能力。一方面,及时发现工艺缺陷并优化改进,提高微加工的成品率; 另一方面,对射频微系统进行性能测试验证并保证系统可靠性。


1.3 射频微系统集成技术体系


射频微系统集成技术主要包括射频微系统设计与仿真、三维异质异构集成、射频微系统集成测试与验证三大方面内容。其体系架构图细分如图 4 所示。


图 4 射频微系统集成技术体系


1) 射频微系统设计仿真技术


射频微系统设计仿真包括三维集成架构设计、多物理场联合仿真两方面内容。


三维集成架构设计包括电路模块的分布设计、立体射频传输架构设计和串扰屏蔽设计技术。实现立体集成封装中有源、无源电路网络的信号完整性、电源完整性评估,避免电磁干扰。最终可完成射频微系统中收发通道、电源管理、控制和功分网络等功能性设计内容。多物理场联合仿真包括热 - 机 - 电协同仿真、可靠性评估仿真设计等内容。由于射频系统微型化后,在三维封装中电磁、热、应力等多种物理场相互耦合,已形成混合多物理特性兼容问题,射频微系统将会遇到散热、结构可靠性、加电工况可靠性等问题。因此,需要采用多物理场联合仿真,实现射频微系统内的热效应分布以及散热通道设计,实现射频微系统系统机、电、热以及电磁兼容等问题综合设计 。


2) 三维异质异构集成技术

( 1) 高密度封装基板构成了射频微系统集成的基础框架,在射频微系统架构中,实现各射频模块和射频子系统之间电学互连、功能集成、结构支撑等功能。需要具备 TSV/TGV 封装基板工艺能力、片上有源集成工艺能力、片上无源集成工艺能力、片上热管理基板工艺能力。要满足射频微系统复杂电学互联、低损耗传输、高集成等需求,相关微加工工艺能力需要包括硅基/玻璃基高深宽比刻蚀、有源芯片埋置、多层重布线、片上阻容感( RCL) 集成等工艺技术能力 。


( 2) 三维异质集成提供了射频微系统多功能芯片器件集成的解决方案,通过超高速、高精度低功耗数模混合电路加工以及超高频、大功率微波毫米波电路加工能力,满足射频微系统中多功能射频和数字处理芯片的微加工需求,包含高速高精度大宽带数模/模数转换( DAC/ADC) 异质集成、化合物半导体与硅基单片异质集成等核心技术。


( 3) 三维异构集成工艺具有将射频微模组、光电传输微模组、信号处理微模组等以异构形式结合的天然优势,满足多功能射频微系统集成需求。三维异构集成工艺需要高一致性微凸点工艺、高精度芯片到晶圆高密度微连接工艺、晶圆级三维堆叠工艺几项能力。为了满足射频微系统立体、高精度、小节距微加工需求,需要合金和金属凸点制备技术、高精度倒装焊接技术、晶圆键合技术等关键技术能力。


3) 射频微系统集成工艺过程测试与验证技术

射频微系统需要进行各步骤工艺质量监控、失效分析、电路无损检测及故障排查诊断,需要具备微加工工艺过程测试与验证能力,其中可细分为两块内容: 微加工集成工艺过程测试验证和射频微系统电性能测试验证。具体根据射频微系统 TSV/TGV 基板、功能层晶圆等部件的电性能、材料应力测试需求,可进一步细分为 TSV/TGV 封装基板电性能测试技术、微加工工艺应力与热失效检测分析技术等关键技术。




2 射频微系统集成技术



2.1 射频微系统集成技术优势为产业发展带来机遇


基于微系统技术带来射频集成优势包括: 体积小、精度高、重量轻; 性能稳定、可靠性高; 耗能低、灵敏度和工作效率高; 多功能和智能化; 有利于大批量生产,制造成本低廉; 惯性小、谐振频率高、响应时间短。


射频微系统技术的优势概括起来就是“更小、更多、更强、更新”。更小指的是系统集成尺度由粗放的宏观尺寸向精细的微纳尺寸发展,表现为体积、重量、功耗等显著减小; 更多指的是系统功能由单一功能向多功能发展,功能密度提高 1~2 个数量级; 更强指的是系统性能更强,除了带宽、速度的显著提高,更是向可重构、自适应、自主化等智能化水平的发展; 更新指的是采用新的集成手段使新概念、新体系、新模式在微系统中集中体现。


射频微系统技术可以推动军民用电子信息系统在形态上向片式化、蒙皮化发展,满足军用武器平台载荷、民用产品下一代先进集成要求,推进射频系统的芯片化、通用化,降低研制成本和周期; 在功能上推进整机的数字化、多功能一体化和智能化,催生武器系统、民用电子产品体系变革。积极融合民用先进半导体集成技术和标准化封装集成技术,降低军用装备和民用电子设施的复杂度,缩短研制周期,提高维修性,使得下一代射频系统的规模化生产和降本增效的愿景成为可能。微系统产业的建立和完善,将促使原有产业链的整合,并使现有电子信息产品的形态与内涵发生重大变革。



2.2 射频微系统集成技术发展面临的挑战射频微系统为产品带来了集成度显著提高、体积明显减小、功耗明显降低、功能密度明显增加等颠覆性进步; 然而,在满足系统工程化应用方面,随之而来的设计仿真、热管理、测试、工艺和可靠性方面将面临新的挑战。

2.2.1 设计仿真


微系统射频模块将电源、波控、射频等芯片通过高密度转接基板集成封装在一起,实现模块的多功能、小型化、高可靠特性。由于集成密度、工作频率的提升,微系统产品的架构设计对结构、工艺、电路设计带来多方面的技术挑战: 首先,信号的隔离与互扰、电源及信号完整性、腔体效应等问题对系统布局布线提出更高要求 ; 其次,芯片热耗及尺寸增加、互联间距降低使得材料热匹配导致热应力失效问题凸显; 最后,互联间距的缩小及端口数量增加、高精度三维叠层、多温度梯度焊接、产品可返修性等对工艺、材料提出更苛刻的要求 。因此,在产品研制周期不断压缩情况下,微系统模块的实现及工程化应用需要结构、电讯、工艺、热设计等多专业、多个领域协同设计。


目前,典型的微系统产品研制首先需要开展架构设计,完成产品的初步布局,确定初步工艺路线,完成材料及关键器件选型 ; 在此基础上,针对材料及关键元器件特性,开展三维虚拟装配、热机应力仿真分析、电磁屏蔽隔离、腔体效应、信号及电源完整性、射频场路的仿真分析 ,并根据仿真结果优化结构布局; 然后,基板开展布线设计及仿真验证工作; 最后,进行实物验证并对设计方案优化定型( 如图 5 所示) 。



图 5 微系统产品协同设计

2.2.2 热管理


随着微系统集成度提高,体积明显减小,功耗明显降低,但热效应问题却越发突出,可能导致器件性能恶化,甚至失效。军用电子系统大量使用的功率元器件热流密度更大,应用环境也更加恶劣,其热管理难度更大。如果没有良好的冷却措施,未来芯片温度将达到6 000 ℃。因此,微系统性能最终受到散热能力的制约,其热管理技术是目前迫切需要解决的技术难题 。针对 3D 封装微系统,新型散热技术逐渐得到开发,目前正在开发的五种新型热管理技术及其特点如表 1 所示。




表 1 五种新型热管理技术对比


硅基微流道一体化集成技术是目前高效散热研究的热点,其中集成 TSV 的微针肋结构是微系统高效热管理的典型技术之一。该技术在硅转接板内制作大量的微针肋,热量通过微针肋周围腔体上下表面传输到冷却液,与传统微流道相比,大大提高了散热能力。同时,微针肋内部制作的 TSV 阵列,既实现了流体的传输,同时又保障了电信号的高密度传输( 如图6  所示) 。然而,大部分基于芯片或板级微流道的冷却系统需要与外界有冷却介质的接口,这种接口的体积和尺寸可能远超过芯片的尺寸,这些问题仍需要在未来进行研究解决。



图 6 集成 TSV 的微针肋硅转接板

2.2.3 测试


射频微系统产品在研制及生产过程中,需要进行分层测试、三维叠层后测试,图 7 为典型的具有射频微系统特征的三维系统级封装( SIP) 模块测试模式。射频微系统产品工作频率高、互连间距小、输入/出口端口多,为保证后续正常装配使用,对无损测试要求极高,因此对测试治具的设计带来了极大的挑战 ,具体体现在以下四个方面:


( 1) 工装夹具设计需保证三层对位精度控制、探针阵列、连接器的位置精度控制要求高; 
( 2) 测试过程转接头、转接电缆引入的损耗及驻波如何去除,需要开展去嵌入技术及 TRL 等校准技术的研究; 
( 3) 需要更小间距的弹性射频连接器、PO-GO_PIN、毛纽扣等( 如图 7、图 8 所示) ; 

图 7 三维 SIP 封装模块测试

图 8 弹性互联测试接头

( 4) 单层基板装配后,不具备完整功能,需要设计测试过程中附带的功能电路。


全硅基三维异构集成特征的射频微系统焊盘间距更小( 数十微米级别) ,集成度更高,测试夹具加工精度难以满足要求,需要借助探针台晶圆测试的技术和理念。由于微系统三维异构集成产品正反两面都存在射频输入/输出端口,现有成熟圆片测试方法仍不能满足要求,尤其在毫米波频段,国内外都没有成熟的解决方案。目前,晶圆单面测试筛选主要借助探针及定制探卡在探针台上进行筛选测试,如图 9 所示; 对于 Cu-pillar 等微凸点的晶圆级筛选测试,国外 Cascade 等厂商也推出了角锥隔膜( Pyramid Membrane) 微波探卡,如图 10 所示。



图 9 射频晶圆探针台测试



图 10 隔膜探针卡

2.2.4 工艺和可靠性


在微系统产品全生命周期中,面临着诸多的问题与挑战,其中加工过程中的工艺问题和应用过程中的可靠性问题是必须要考虑的部分 。当前面临的主要工艺问题包括三维集成微系统中 TSV 的良率问题、圆片的减薄和传送问题、多层芯片的堆叠、低弧度引线键合等,面临的可靠性问题包括工艺加工可靠性、热失配可靠性、抗干扰可靠性等 。


TSV 垂直互联涉及的工艺众多,包括了深孔刻蚀工艺、侧壁绝缘工艺、粘附层和种子层的制备、TSV 深孔填充工艺等。每一步工艺的优良与否都会直接影响TSV 的良率,而高密度微系统集成中所应用的 TSV 数目众多,如何保证 TSV 的良率是一个重要的工艺问题。图 11 展示了高密度 TSV 结构及 TSV 填充不良导致的 TSV 缺陷问题。



图 11 三维集成中 TSV 的良率问题


减薄工艺是微系统向小型化发展的必要工艺,可以在 Z 方向上减小系统的体积。随着晶圆进一步超薄化( 厚度达到 50 μm) ,将呈现柔性特征,给圆片的进一步减薄和后道的传送带来很大困难。图 12 呈现了圆片减薄到一定厚度之后的柔性特征。堆叠工艺是整个微系统三维异质异构集成工艺中的核心之一,也是实现微系统高密度集成不可或缺的工艺。通过堆叠工艺,不仅需要实现微系统的物理固定,还需要实现优良的电学互连。保证堆叠工艺的质量是实现微系统集成的重中之重。



图 12 圆片( 芯片) 的减薄和传送


一些微纳制造工艺使得微系统在加工过程中就需要考虑可靠性的问题,特别是随着微系统集成度和复杂度的提高,工艺制造流程也变得更加复杂,诸工艺流程给工艺可靠性带来了很大的挑战。图 13 展示了因工艺间的相互影响导致的焊点开裂情况。与此同时,随着 SOC 芯片及 SIP 系统热耗的不断提升、封装尺寸的增大、不同材料间热膨胀系数差异给系统的可靠性设计带来了挑战。图 14 展示了封装中的热失配问题。



图 13 工艺可靠性问题


图 14 热失配问题示例



3 射频微系统集成技术发展思路




   2020 年后,微系统技术及其生产制造能力将成为未来军民市场的核心竞争力。我国军民企业应将微系统技术作为发展的重点方向,并以此作为核心竞争力和可持续发展的源动力。结合目前国内微系统技术研究应用现状,建议未来微系统技术发展思路如下:  

( 1) 整合微系统产业链优势资源,以国内高校和工业部门研究机构为代表的产学研用有机结合,建立开放的、工程化的微系统技术平台,建立集设计、仿真、工艺、测试于一体的协同研发队伍,形成微系统协同创新发展格局。

( 2) 加强微系统能力建设,推动现有微系统能力分布建设走向集中建设,形成研发试制快速迭代能力,加快微系统集成技术工程化转化进度。

( 3) 优先发展符合国家急需并能在较短时间内取得关键突破的微系统技术; 重点推动若干具有重要产业化前景、促进国民经济发展的关键微系统技术研究,鼓励微系统关键基础研究,推进原始创新。

( 4) 以代表性产品的研制成功为抓手,逐步向技术能力要求更高、性能更强的射频微系统、光电微系统领域辐射,重点研究各领域间的共性技术,逐个突破瓶颈技术,形成多元化微型电子信息系统试制研发能力。

( 5) 注重核心关键人才培养,建设高素质的微系统研究、开发和应用队伍,保障微系统技术的可持续发展。





4 结束语




   微系统技术是自微电子技术问世以来,人们不断追求电子信息装备微型化、高性能化的必然结果,是应用创新与技术创新融合发展的典范。本文阐述了射频微系集成技术在军民领域的应用需求及发展趋势,梳理了射频微系统集成技术的体系框架,对技术面临的挑战与发展机遇进行了研判,同时提出了射频微系统集成技术的进一步发展思路。微系统技术的创新发展必将推动未来武器装备的颠覆性进步,还可加速民用信息化产业取得跨越式发展。



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