本文圍繞高分辨率對地微波成像雷達對天線高效率、低剖面和輕量化的迫切需求 , 分析研究了有源陣列天線的特點、現狀、趨勢和瓶頸技術 , 針對對集成電路后摩爾時代的發展預測 , 提出了天線陣列微系統概念、內涵和若干前沿科學技術問題 , 分析討論了天線陣列微系統所涉及的微納尺度下多物理場耦合模型、微波半導體集成電路、混合異構集成、封裝及功能材料等關鍵技術及其解決途徑 , 并對天線陣列微系統在下一代微波成像雷達中的應用進行了展望 。

1、引言

中國高分辨率對地觀測系統重大專項是國家下達的一項重大科研項目 . 高分辨率對地微波成像雷達是高分辨率對地觀測系統重大專項重要組成部分 . 微波成像雷達不僅能提供高分辨率的地面靜止目標的結構形狀信息 , 而且能實時探測地面、空中或空間的運動目標 . 微波成像雷達系統能力與目標的電磁特性、天線理論和工程及信號處理技術等密切相關 。

相控陣技術已成為雷達發展的主流 , 包括高分辨率對地微波成像雷達 . 為了有效地緩解微波成像雷達高分辨率與寬觀測帶之間的矛盾 , 有源陣列天線是理想的選擇 , 并且天線的高效率、大孔徑、低剖面和輕量化是工程應用的急需 , 也是天線工程師永恒的追求 . 天線高效率能讓天線獲得發射、接收雙程得益 , 是星載微波成像雷達優先追求的重要參數 ; 天線大功率孔徑積是微波成像雷達的基本要求 ,天線大孔徑是獲得雷達大功率孔徑積最簡潔的方式 ; 由于衛星發射受到火箭整流罩包絡的限制 , 只有較低剖面厚度天線的折疊 , 才能得到較大的天線孔徑 ; 有源陣列天線輕量化是降低發射運載和衛星成本最有效最直接的途徑 。

綜上所述 , 高分辨率微波成像雷達的性能參數與有源陣列天線的頻率特性、帶寬特性和極化特性密切相關 ,如表 1 所示 . 為了提高天線效率、減小天線陣面尺寸 , 采用多波段、多極化共孔徑天線技術 ; 為了緩解高分辨率與寬觀測帶之間的矛盾 , 提高觀測帶寬度 , 采用多通道技術 . 在高效率、低剖面和輕量化條件下 , 實現天線共孔徑和多通道等技術 , 大大地增加有源陣列天線的研究難度 , 需要從有源陣列天線系統架構層面進行折衷、分析和優化 , 也要從理論和設計方法上進行研究 。

表 1 天線對微波成像雷達性能影響關系分析

2、有源陣列天線特點和瓶頸

在集成電路摩爾 (Moore) 時代 , 有源陣列天線技術是集現代相控陣天線理論、半導體技術及光電子技術為一體的高新技術產物 , 例如 , 有源陣列天線中的 T/R 組件、延時放大組件等 . 有源陣列天線有成千上萬個 T/R 組件 , 每個 T/R 組件都是由發射鏈路中的放大器和接收鏈路中的低噪聲放大器 , 以及移相器等構成 . 隨著半導體技術的發展 , 單片微波集成電路 (monolithic microwave integrated circuit,MMIC) 技術、射頻微機械電子系統 (radio frequency microelectro mechanical systems, RF MEMS) 技術和集成封裝技術為高性能、高可靠、小型化和低成本 T/R 組件的實現提供了技術途徑 . 尤其是集成電路技術正在從窄帶單功能向寬帶多功能、從單片集成電路 (monolithic integrated circuit, MIC) 向片上系統 (system on chip, SoC), 以及從多芯片組件 (multi-chip module, MCM) 向多功能系統級封裝(system in package, SiP) 方向發展 , T/R 組件的結構形式由磚塊式 (brick) 發展到瓦片式 (tile), 這些都極大地推動有源陣列天線技術的發展 。

有源陣列天線技術在高分辨率微波成像雷達應用時 , 特別適合多模式快速切換、波束賦型和波束掃描 , 實現微波成像雷達多種模式工作 , 使雷達具有快速響應、自適應和故障弱化等能力 . 根據微波成像雷達的特點和技術的發展 , 最值得重視的是有源陣列天線以下幾個特征 。

2.1、有源陣列天線技術是提升微波成像雷達性能的重要途徑

高分辨、多波段、多極化、多平臺是合成孔徑成像雷達的重要發展方向 , 有源陣列天線技術在高分辨率成像和多種模式實現上 , 具有顯著的優勢 。

不同裝載平臺的微波成像雷達都非常關注天線孔徑與發射平均功率乘積 . 眾所周知 , 合成孔徑雷達的方位分辨率是天線方位向尺寸的一半 , 從這點來看 , 天線尺寸越小越好 , 而大天線孔徑是降低合成孔徑雷達造價的重要途徑 , 人們期望天線尺寸盡可能大 , 發射功率盡可能低 , 因此 , 實現高分辨率和采用大天線孔徑是一對矛盾 . 有源陣列天線有效地緩解了這一矛盾 , 低分辨率時 , 可以有效地利用天線大孔徑 , 高分辨率時 , 通過相位加權展寬天線波束等效縮短天線孔徑尺寸 。

有源陣列天線的運用 , 使星載微波成像雷達掃描成像 (ScanSAR) 模式距離向的觀測帶寬度、聚束成像 (SpotlightSAR) 模式的波束指向精度都大幅提高 . 有源陣列天線波束掃描靈活、無慣性和速度快的特點使微波成像雷達能夠實現精確運動補償 , 保障高分辨率成像的實現 , 從而提高雷達成像質量 。

2.2、有源陣列天線有利于提高微波成像雷達抗干擾能力

微波成像雷達的目的是獲得被選擇區域情報信息 , 對雷達干擾的目的是阻止、混淆、或遲時獲得被選擇地域的信息 . 對常規情報或跟蹤雷達來說 , 干擾機的有效性一般用雷達作用距離的減小量來度量 . 對于微波成像雷達 , 干擾機就是阻止一個區域圖像信息的偵察 , 干擾機的有效性 , 一般用系統靈敏度的降低量來度量 。

雷達抗干擾目的就是減小對雷達的干擾效果 , 為了提高抗干擾能力 , 通常采用的如提高雷達有效輻射功率、低或超低副瓣天線、大時寬帶寬乘積信號、雙 / 多基地雷達系統等方法 , 這些對提高雷達抗電子干擾能力是至關重要的 . 對有源陣列天線來說 , 由于空間波束 ( 功率 ) 合成的高效率 , 天線具有高增益、低副瓣電平能力 , 有利于提高天線輻射總功率 ; 由于天線的每個輻射單元的幅度和相位可以獨立控制 , 利用空間濾波技術 , 實現天線自適應副瓣置零 , 抑制干擾與雜波 ; 同時 , 也有利于實現輻射能量管理 , 合理使用輻射能量 , 提高雷達抗干擾自衛距離 。

2.3、有源陣列天線有利于實現微波成像雷達的標準化、模塊化

對雷達性能要求的提高和雷達工作環境的惡化 , 使雷達系統的構成越來越復雜 , 研制周期加長 , 研制和生產成本上升 , 技術風險增加 . 為適應這種形勢 , 有源陣列天線是一條重要的出路 . 有源陣列天線可采用大量一致的標準組件 ( 例如 T/R 組件、延時放大組件等 ), 這利于雷達的標準化、模塊化和降低生產成本 。

誠然 , 有源陣列天線技術是一種會賦予微波成像雷達 “ 新生 ” 的技術 , 但是 , 就其技術的本身尚有天線的剖面厚度厚、效率不高和重量較重等諸多難度很大的問題需要解決 , 這些技術瓶頸必將限制新一代高分辨微波成像雷達技術的發展 . 隨著集成電路技術按照摩爾定律不斷縱深發展 , 微電子、光電子、微機電等基礎技術能力得到了快速發展 , 但是進一步向納米級集成發展的步伐受到技術和成本的約束越來越大 ; 有源陣列天線的發展急需一種新的技術路線來滿足微波成像雷達對大孔徑、高效率、低剖面和輕量化天線的需求 .與此同時 , 隨著跨界系統架構和軟件算法的興起 , 跨界融合形成新型能力以滿足下一代潛在需求成為創新熱點.后摩爾時代的到來 , 需要系統架構技術與微納電子技術緊密結合和融合創新 , 因此 , 就有源陣列天線而言 , 天線陣列微系統技術是一項多學科交叉的前沿新興技術 , 將是后摩爾時代的產物 。

3、有源陣列天線與天線陣列微系統

3.1、有源陣列天線發展現狀

有源陣列天線技術的發展 , 不斷地推動通信、雷達 , 以及個人消費電子等系統小型化、集成化和低功耗 . 傳統的有源陣列天線是磚塊式 (brick) 結構 , 它是由無源天線陣面、多種功能模塊與無源天線集成在一起的 . 針對新一代信息系統的微型化、多功能、高性能、低功耗、低成本等多種需求 , 并隨著半導體技術以及先進封裝工藝的發展和驅動 , 出現了片上天線 (antenna on chip, AoC) 、封裝天線(antenna in package, AiP) 、系統級封裝 (SiP) 等新型天線 . AoC 和 AiP 分別屬于 SoC 和 SiP 概念的范疇 . 在這幾種天線形式之外 , 還出現了瓦片式天線 (tiled antenna). 它們之間的關系如圖 1 所示 。

圖 1 (網絡版彩圖) 幾種有源陣列天線之間的關系示意圖

AoC 是通過半導體材料與工藝將天線與其他電路集成在同一個芯片上 , 是基于硅基工藝的片上天線 . AoC技術可以以更低的系統成本來提高天線的性能和功能 , 但是由于使用相同的材料和工藝 ,難以使每個類型的電路性能達到最優 , 進而導致天線系統性能難以達到最優 . 同時 , 由于硅片本身的低電阻率、高介電常數的特性 , 天線輻射時很大一部分能量集中在硅基片內 , 從而天線輻射效率和增益一般都較低 . 常規硅基工藝的片上天線的增益一般小于 ?5 dBi, 輻射效率只有 5%, 甚至更低 .采用質子注入 、微機械加工、人工磁導體 ,以及介質透鏡等技術 , 在一定程度上提高了天線的增益或輻射效率 。

AiP 是通過封裝材料與工藝 , 將天線集成在攜帶芯片的封裝內 . 封裝天線技術繼承和發揚了微帶天線、多芯片電路模塊及瓦片式相控陣天線結構的集成概念 , 將天線觸角伸向集成電路、封裝與新型材料等領域.相比于 AoC, AiP 將多種器件與電路集成在一個封裝內 , 完成片上天線難以實現的復雜功能和特定的系統級封裝 , 有效避免了半導體襯底的低電阻率帶來的增益損耗問題 , 天線輻射效率一般達到 80% 以上 .封裝形式有芯片直接貼裝 (direct chip attach, DCA) 、焊盤陣列封裝(land grid array, LGA)、四側無引線扁平封裝(quad flat no lead, QFN) 、嵌入式晶圓級球柵陣列 (embedded wafer level ball grid array, eWLB) 封裝 ,以及基于低溫共燒陶瓷 (low temperature co-fired ceramics, LTCC) 封裝 .將厚膜技術實現的天線陣列同射頻芯片通過金絲鍵合封裝到一個QFN 封裝里面 , 實現了中心頻率 122 GHz, 帶寬 12 GHz, 最大增益 11.5 dBi 的封裝天線.圖 2 是一種四單元有源陣列封裝天線樣品 , 中心頻率 10 GHz, 帶寬 4 GHz, 單通道脈沖功率 5 W。

圖 2 (網絡版彩圖) 一種封裝天線樣品

SiP 采用絕緣襯底上的硅 (silicon-on-insulator, SOI) 工藝和 QFN 封裝技術 ,將片上天線和封裝天線相結合 , 在 54.5～63.4 GHz 的頻率范圍內 , 實現了最大 8 dBi 的天線增益 . 偶極子天線利用eWLB 封裝內部的再分布層 (redistribution layer) 來實現 , 并在封裝外部設計了一個介質透鏡來提高天線增益 ,該天線在未安裝透鏡時的增益為 5.9 dBi, 安裝上透鏡后 , 增益提升到 13.7 dBi。

瓦片式陣列天線的結構特點是多功能電路板同時作為封裝外殼的主體 , 其往往不使用或很少使用高頻、低頻接插件. 采用瓦片式陣列可以大幅度降低天線系統的厚度 , 極大減少連接器和電纜的使用數量 . 射頻模塊可選擇商用微波封裝和制造技術 , 進一步降低成本 . 這種瓦片式陣列架構采用工業標準的 QFN 封裝 , 將有源電路層直接焊接在一個廉價印制電路板 (printed circuit board, PCB)上 , 然后再直接焊接到瓦片天線陣面的背部 . 瓦片式陣列天線如圖 3 所示 。

圖 3 (網絡版彩圖) 瓦片式陣列天線示意圖

在集成電路后摩爾時代 , 亞微米、納米技術的出現 , 給有源陣列天線技術的發展帶來新的契機 , 一方面高效率、低剖面和輕量化大孔徑陣列天線是微波成像雷達裝備發展需求 , 具有重大軍事應用前景 ;另一方面 , 天線陣列微系統將電子信息系統的微型化、多功能化、智能化、低功耗和可靠性水平提高到新的高度 , 對陣列天線技術的發展有著重要的促進作用。

3.2、天線陣列微系統概念和內涵

未來有源陣列天線的形態界限將趨于模糊 , 天線將集成越來越多的有源和無源電路 , 朝著天線陣列微系統方向發展 , 但邏輯界限會越來越清晰 , 實現一體化是必然結果 . 隨著網絡信息體系的科學技術的不斷深入 , 有源陣列天線勢必向集成化、數字化、多功能一體化方向發展 ,如圖 4 所示 , 將深刻影響到多平臺高分辨率對地觀測和宇宙探索等方方面面 。

圖 4 (網絡版彩圖) 未來的有源陣列天線

圖 5 展示了常規有源相控陣天線與天線陣列集成系統兩種構型的比較 . 圖 5(a) 是工作在 9.6 GHz有源相控陣天線磚塊式結構形式 , 天線厚度是 155 mm. 圖 5(b) 和 (c) 分別是天線陣列集成系統的輻射面和背面 , 工作在 35 GHz, 瓦片式結構形式 , 天線厚度是 5 mm. 如果按照天線陣列微系統的概念進行研究 , 還可以進一步提高集成度和性能參數 。

圖 5 (網絡版彩圖) 兩種構型天線比較

天線陣列微系統是有源陣列天線發展的高級階段 , 用較小的天線陣列微系統功能模塊構建大型系統可能會更經濟 , 這些天線功能模塊可分開集成封裝后再互連 . 天線陣列微系統定義為 , 以微納尺度理論為支撐 , 以電磁場、微電子、光電子、材料和熱力學為基礎 , 結合體系架構和機電熱多物理場模型 , 運用微納系統集成技術和方法 , 將天線陣列、有源收發通道、功率合成 / 合成網絡、頻率源、波束控制和電源以及導熱結構等三維異構混合集成在一個狹小的封裝體里 , 如圖 6 所示 , 互連線的大幅縮短 , 得到更小的插入損耗和更好的匹配性 。

圖 6 (網絡版彩圖) 天線陣列微系統示意圖

3.3、天線陣列微系統與常規微系統之間關系

微系統的概念隨著相關學科發展、技術推動 , 以及應用需求的牽引 , 其內涵也在不斷豐富和發展 . 早期 , 微系統 (microsystem) 概念在歐洲同行中使用 , 在美國被稱為 MEMS, 在日本被稱為微機械 (micromachine) 。

1998 年 , 美國國防高級研究計劃局 (The Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) 微系統技術辦公室 (MTO) 從新的角度提出了微系統概念, 微系統是融合體系架構、算法、微電子、微光子、 MEMS 等要素 , 采用新的設計思想、設計方法和制造方法 , 將傳感、處理、執行、通信、能源等功能集成在一起 , 具有多種功能的微裝置 . DARPA 微系統概念超越了微機電系統 (MEMS) 的認識 ,為微系統多學科融合、微小尺度集成、軍事應用創新和電子信息系統小型化及性能提升提供了空間 ,推動了微系統集成方法和技術的進步 . 2017 年 , 美國 DARPA 微系統辦公室啟動電子復興計劃 (ERI),分別在材料與集成、電路設計和系統構架等三大支柱領域布局六大發展項目 。

2007 年 , 歐盟在第 7 個科技框架計劃下 , 設立了 “ 微推進器、可實現宇宙探索用高效和精確控制的化學微推進器 ” 等多個微系統項目 . 2014 年 , 啟動了 “ 地平線 2020” 項目扶持微系統技術發展 . 日本依托其電子制造企業 , 在細分領域開展相關技術研究 , 索尼的圖像傳感器、東芝的 3D NAND 閃存都具有微系統產品的特征 。

我國已經陸續開展微系統相關技術的預先研究 . 國發 (2015) 28 號《中國制造 2025 》 , 將微系統技術作為提升新一代信息技術產業自主發展的重要能力 . 國發 (2016) 43 號《 “ 十三五 ” 國家科技創新規劃》中明確將 “ 微納電子與系統集成技術 ” 作為新一代信息技術重點發展 。

從當前國內外研究來看 , 微系統是以微納尺度理論為支撐 , 以微電子、光電子、 MEMS 等為基礎 ,結合體系架構和算法 , 運用微納系統集成技術和方法 , 將傳感、通信、處理、控制、微能源等功能單元 ,在微納尺度上采用異構、異質等方法集成在一起的微型系統 。

天線陣列微系統與常規微系統共同之處是都具有微型化、集成化、智能化等特點 , 它們都區別于宏觀系統的關鍵特征就是采用微納尺度集成方式 , 尤其是三維異構混合集成 , 這不僅只是一個物理實現方式從平面式到立體式的變化 , 它們在體積重量大幅度縮小的同時 , 通過系統物理架構創新帶來了功能 / 性能上的大幅提升 , 甚至能夠實現宏觀系統無法實現的功能 . 天線陣列微系統和常規微系統有一定的區別 , 常規微系統希望三維尺寸都能夠縮減 , 使其達到最小體積和重量 , 而天線陣列微系統通過三維異構集成技術 , 使天線陣列孔徑尺寸不變的情況下 , 盡量減小天線的厚度和重量 . 為了滿足電子信息系統大功率孔徑積的需求 , 天線陣列微系統重點關注性能 ( 例如降低射頻損耗等 ) 提升和天線剖面厚度的降低 , 實現大孔徑陣列天線可折疊或者可共形 , 在體系架構和集成方式上有一定的特殊性 。

未來電子信息系統 , 例如微波成像雷達 , 將劃分為兩個物理單元 , 一是數字計算機單元 , 也就是通用信號處理機 ; 二是天線陣列微系統 , 也就是由天線、收發組件、波束控制、電源、頻率綜合、接收機等傳統分系統組成的微系統 . 天線陣列微系統的評價可以用兩個因子來表述 , 效能因子 = 功率 × 孔徑 × 帶寬 ; 尺度因子 = 功耗 × 體積 × 重量 . 效能因子的提高和尺度因子的降低是度量天線陣列微系統性能的重要指標 。

天線陣列微系統與傳統有源相控陣天線在科學理論、仿真分析和設計制造等方法有很大區別 , 兩者間的比較如表 2 所示 . 實現天線陣列微系統 , 需要解決兩個方面的瓶頸問題 , 一是無源和有源電路芯片化或小型化 ; 二是無源輻射天線單元 , 或者多個輻射天線單元組成小型天線子陣列 , 與多種無源 / 有源電路三維異構混合高密度集成 , 形成為一個獨立功能天線微系統封裝體 。

表 2 天線陣列微系統與有源相控陣天線的比較

4、天線陣列微系統的若干前沿科學技術問題

電磁現象和天線科學技術的進步是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性技術 , 承載著軍事裝備系統發展變革、信息系統智能化小型化、微電子技術革命性創新的發展使命 .天線陣列微系統是有源陣列天線和微系統等科學技術的高度融合 , 面臨的主要科學技術挑戰如圖 7所示 。

圖 7 (網絡版彩圖) 天線陣列微系統面臨的科學技術挑戰4.1、多物理場約束下架構與拓撲技術

天線陣列微系統的架構突破了微電子技術范疇 , 無法在功能、性能上分割成簡單單元 , 在力、光、材料、電子、信息等學科均有布局 , 實現了光、機、電、磁、聲等各系統要素間的緊密關聯 . 天線陣列微系統架構既有系統級的架構、性能、功能、算法等特征 , 又有元件級電、熱、材料參數特性 . 天線陣列微系統架構在多物理場約束下跨學科、跨專業 , 學科、功能和性能界面的模糊性和交叉性 , 給天線陣列微系統研究帶來很大困難 , 需要研究多物理場約束下架構與拓撲技術 , 重點是多物理場相互之間耦合機理、電磁特性模型 , 以及多維度參數容差分析與評價 。

4.1.1、多物理場耦合機理

大尺度天線與微小尺度芯片集成在同一封裝體內 , 存在著大尺度天線輻射的電磁場與不同小尺度芯片微觀的糾纏效應 ; 射頻信號與模擬、數字信號在封裝體內的串擾效應 ; 射頻信號在微觀尺度下的趨膚效應等 , 需要研究多物理場耦合機理 . 以多物理場耦合為切入點 , 分析微小尺度下的射頻集成、高密度異構、高精度變換、高速信號傳輸互連等的時域和頻率耦合機理 , 指導系統指標的分解與優化 , 為構建合理有效天線陣列微系統架構和拓撲提供科學保證 。

通過提取天線陣列微系統架構中的光、機、電、磁、聲等多元參量特征 , 結合熱、流體、力學、電磁學等 , 開展多物理場在微小尺度下的耦合和互擾研究 , 以解決因多參量間的作用而相互約束問題 。

圍繞射頻、模擬和數字等復雜信號在三維微小尺度下的傳輸特征 , 從天線陣列微系統的可靠性、可制造性 (design for manufacturing, DFM) 解析 , 并不斷迭代改進 , 重點解決天線陣列微系統的長期穩定性與可靠性 , 建立標準模型庫 , 同時梳理機電熱多物理場仿真標準流程 。

4.1.2、異構體電磁特性模型

在天線陣列微系統封裝體內 , 三維微小尺度互連產生電磁場不連續性 , 造成了電磁場互擾、有害模式寄生輻射 , 引起天線極化失配、工作頻帶內 / 外隔離特性的變化 . 為了獲得天線較好的工作帶寬、高效率和低交叉極化等性能 , 需要在特定邊界下 , 尤其是在寬帶寬掃描角條件下 , 研究天線口徑場模式匹配技術、陣列天線輻射單元之間的互耦特性 。

在微小尺度下 , 通過開展異構體電磁特性的研究分析 , 建立天線陣列微系統中各功能單元的電磁分布模型 , 并將模型應用于復雜的系統設計中 , 構建系統的多端口特性模型 。

通過分析內部復雜信號的傳導變換、空間輻射及阻抗匹配等問題 , 開展三維電磁場提參建模與時頻域分析 , 研究系統級功能單元、互連單元、封裝單元模型 , 得到信號在異構體內傳輸變換時 , 三維多變量函數和超高速信號電磁特性模型庫 , 構建等效模型 , 解決電磁干擾、串擾誤碼等關鍵問題 , 并在此基礎上優化天線陣列微系統中異質材料和功能異構體的分布 , 進一步得到電磁性能最優化的特性模型 。

4.1.3、多維度匹配容差適應性

大尺度情況下 , 微波傳輸線的不連續將產生高次模 , 高次模需要一定長度的傳輸線來衰減和消除 .在微小尺度下 , 微波芯片與傳輸線互連、傳輸線與傳輸線互連等 , 既有平面的 , 也有立體的 , 使微波傳輸線的不連續點的數量大幅度增加 , 本征模的特性發生了變化 , 傳輸線上的工作模式將是主模和寄生效應產生的高次模并存 . 因此需要研究邊界條件強約束下的激勵模式匹配理論 , 仿真分析微小尺度互連產生寄生效應 。

針對微系統高密度封裝中機、電、熱等匹配帶來的功能和性能適應性問題 , 以及工藝制造精度對器件和系統的影響問題 , 開展異質異構體多維度匹配適應性的研究 , 在此基礎上形成天線陣列微系統異質異構體中 , 復雜信號傳輸和變換在多個維度 ( 包括機、電、熱等 ) 上的容差評價 。

針對微系統多個維度上的參數偏差范圍和寄生參數變量 , 進一步分析功能電路受其影響的機理、環節和效應 . 著重分析由于天線陣列微系統剖面厚度減小帶來的功率密度加大 , 以及因熱而產生的機械精度的變化 , 這些物理量進而又影響性能和功能 . 在兼容工藝條件下 , 建立影響復雜信號品質、多物理場耦合的多維度函數 , 實現基于不同功能的有源電路 / 無源元件 / 封裝的系統集成 . 以此來指導微系統中三維異質異構體魯棒性設計 。

4.2、微波集成電路技術

天線陣列微系統中包括了大量微波有源集成電路 , 并向著數字化方向發展 . 對于天線陣列微系統來說 , 低剖面、高效率和輕量化是非常重要的 , 必須有一個強大的微波集成電路技術為后盾 。

微波集成電路是指采用先進半導體工藝 , 以放大、變換、校準、比較和傳輸等手段處理微波 / 模擬信號的集成電路 . 隨著微波集成電路和數字化技術的發展 , 微波芯片的集成度越來越高 , 集成電路將多個單功能芯片集成在一塊芯片上 , 提高了芯片的性能并降低成本 . 微波單片可集成小信號接收鏈路和發射鏈路部分電路 , 接收鏈路包括低噪聲放大器、混頻、增益控制等 , 甚至包括高性能模擬 – 數字轉換器 (analog-to-digital converter, ADC) 等 , 發射鏈路包括信號產生、混頻、功率放大器等 . 不同的半導體材料具有不同的本征參數 , 有著不同的用途 . 幾種半導體材料特征參數如表 3 所示 . Si 通常用于數字 / 模擬控制或低波段功率芯片的基礎材料 , GaAs 常用于 Ka 波段以下微波射頻芯片基礎材料 .SiC, GaN 和金剛石 (diamond) 是第 3 代半導體材料 , 可以具有寬禁帶 (WBG) 特點 。

表 3 幾種半導體材料特征參數

摩爾定律正逼近物理極限, 芯片性能提升的放緩和數據需求幾何級數式的增長之間矛盾將日益凸顯 , 5 nm 技術的推進中 , 面臨著來自晶體管的結構、掩模版的制造等方面的技術瓶頸 . 這也意味著 5 nm 技術節點的突破 , 將會使得集成電路技術發展面臨一系列的新技術挑戰 . 在 SoC 減少特征尺寸 ( 比例縮小 ) 已經越來越難 , 而且成本很高. 半導體集成電路重要的發展趨勢是新型微波、低功耗和智能控制等異質多功能集成電路。

4.2.1、第 3 代半導體集成電路技術

在微波單片集成電路技術中 , 以氮化鎵 (GaN) 為代表的第 3 代半導體技術 , 因其寬禁帶特性 , 具有高功率密度、高功率附加效率、高增益、大帶寬和小尺寸 , 及較高的可靠性和工作溫度 , 已用于相控陣雷達 , 將會對天線陣列中的射頻前端產生革命性的影響 . 硅基 GaN 異質集成可以取得新的、以前無法實現的新的集成電路架構 , 以達到提高性能、提高可靠性 , 以及降低成本.第 3 代半導體集成電路技術的發展 , 將促進天線陣列微系統單通道發射功率和效率的提高 。

4.2.2、多功能 / 低功耗集成電路技術

在半導體外延材料技術和微波單片集成電路工藝不斷進步的推動下 , 微波單片集成電路逐漸向多功能方向發展 , 由于多功能芯片的不同功能電路之間的互連已在內部完成 , 焊點數量大大減少 , 可大幅度縮減芯片體積 , 降低成本 , 提高集成一致性和可靠性 . 例如微波收發多功能芯片可以將放大器、移相器、開關、衰減器等集成在一個芯片內 , 替代傳統單功能芯片 . 由于多功能芯片的制造大多還沒有專門的工藝平臺 , 對于發射功率較小的情況 , 采用低噪聲工藝實現 , 而功率較大時可采用功率工藝實現 ,所以接收或發射性能可能不能同時達到最佳狀態 , 接收和發射鏈路的設計要素常常彼此沖突 , 因此在接收和發射性能平衡兼顧下 , 進行最優化設計是研究難點 。

低功耗集成電路的實質就是在集成電路的基礎上 , 將整個電路系統的能耗降至最低 , 需要解決高K/ 金屬柵技術、高遷移率溝道材料和超低亞閾值斜率器件等關鍵技術 , 而要想實現超低功耗集成電路 ,就需要從電路材料的選擇、內部元件排列、電源硬件設計 , 以及系統能耗的控制等技術方面進行研究 。

4.2.3、智能控制集成電路技術

以天線陣列微系統體系架構需求為導向 , 基于軟件可定義、硬件可重構的要求 , 開展基于 IP 模塊的 SOC, 專用集成電路 (application specific integrated circuits, ASIC) 等多功能芯片研究和設計 , 突破IP 核復用技術、低功耗設計技術、可測試性技術等 . 同時根據天線陣列微系統微小尺度下多物理量耦合、多功能集成等特點 , 開展適配的軟件算法的研究 , 重點解決天線陣列微系統軟硬件協同設計的難題 . 圍繞天線陣列微系統的功能增強和異構工藝適配開展芯片設計研究 , 優化控制策略 , 實現智能數字控制 , 降低系統功耗 , 突破海量數據實時處理、超高頻、超高速和超大容量數據通信 , 以及高效熱能量傳遞的技術瓶頸 , 并完善內部輔助功能和保護功能 , 實現接口標準化 , 提高天線陣列微系統硬件和軟件的整體適用性和兼容性 。

4.3、多物理場匹配混合集成技術

混合集成電路 (hybrid integrated circuit, HIC) 技術是采用厚 / 薄膜技術、微組裝技術和封裝技術將半導體芯片、無源元件等集成于一體來實現既定功能和性能 , 是實現天線陣列微系統的重要途徑之一 . 圖 8 是單片集成和混合集成關系示意圖 , 單片集成是永恒的追求 , 混合集成是單片集成的二次集成 . 混合集成技術涉及到一個復雜的多層次多專業的技術體系 , 可以分為架構設計技術、多層互連基板技術、微互連技術、高氣密性封裝技術 , 以及可靠性評估與應用等一系列的基礎理論、制造實踐和應用技術 。

圖 8 (網絡版彩圖) 混合集成與單片集成

多物理場匹配混合集成技術研究是天線陣列微系統小型化、輕量化、高密度、多功能的需求 , 基于電、光、磁、力等多物理場維度下的混合集成前沿性共性技術研究 , 重點突破 2.5D/3D 垂直互連、三維異質異構微組裝和高密度異質多層基板等技術 , 解決天線陣列微系統中電磁兼容、高速信號傳輸與串擾、熱管理、應力匹配、光電干涉等技術難題 。

混合集成技術的演進經歷過四大變革 , 即通孔插裝技術向表面安裝技術的變革 , 周邊互連到面陣互連的變革 , 單芯片向多芯片的變革 , 二維結構向三維結構的變革 . 正是這些變革使許多新型混合集成技術不斷涌現 , 組裝效率不斷提高 , 推動混合集成電路向 “ 四高一小一輕 ” 方向不斷發展 . “ 四高 ” 是高組裝密度、高頻、高功率密度、高可靠 ; “ 一小 ” 是體積更小 ; “ 一輕 ” 是重量減輕 。

4.3.1、2.5D/3D 垂直互連技術

2.5D/3D 垂直互連技術基于多學科多專業 , 融合了系統設計和微納集成工藝 , 以實現不同材料、不同結構、不同工藝、不同功能元器件的三維異構集成 , 是以突破摩爾定律極限為目的, 重點解決天線陣列微系統內部高速、高頻、大功率傳輸下的超高密度互連難題 . 2.5D/3D 互連通過基材過孔金屬化垂直互連技術和凸點技術進行電氣垂直互連 . 通過研究各種復合材料導體及介質對復雜信號的傳輸與屏蔽適應性和匹配性影響 , 解決微系統中可能出現的串擾、延遲、能耗等難點 . 同時 , 在工藝研究時 , 充分考慮熱力學和電性能的參數匹配 , 避免不同材料之間的熱失配和機械應力 。

代表性的疊層型 3D 封裝可以是裸芯片的疊堆 , MCM 的疊層甚至還可以是晶圓片的堆積 . 3D 先進封裝典型結構如圖 9 所示 . 3D-MCM 可以將不同工藝類型的芯片 ( 如模擬、數字和射頻等功能芯片 ) 在單一封裝結構內實現混合信號的集成化 , 在滿足天線陣列微系統模塊機械性能要求 , 以及在模塊尺寸、重量及功耗極端受限的情況下 , 通過對多功能電路轉接板厚度進行最優化設計 , 可以減小天線陣列微系統封裝體的厚度 , 并進一步提高集成密度 . 3D 硅片集成的核心是硅通孔 (TSV) 技術 , 用于互連堆疊的芯片 , 從而增強性能 , 縮短信號傳輸時間 , 解決信號延遲等問題。

圖 9 (網絡版彩圖) 3D 先進封裝典型結構示意圖

4.3.2、三維異質異構微組裝技術

異質芯片集成扇出型技術是有別于片上系統和晶圓級封裝的先進技術 , 重點通過晶圓再造和再布線技術實現異質芯片的集成 , 解決異質芯片間的高密度互連 , 是實現天線陣列微系統功能模塊集成的關鍵技術 。

采用異質芯片集成扇出型技術是通過半導體先進工藝 , 將不同光、電、磁等功能的異質芯片整合集成再造成一個晶圓 , 并通過薄膜高密度布線 , 形成具有多功能芯片的集成技術 . 可以達到減小天線陣列微系統功能模塊厚度和體積的要求 . 異質芯片扇出晶圓級封裝 (FOWLP) 厚度小、成本低 , 不需要基板 , 不需要在晶圓上打凸點、回流倒裝焊以及助焊劑清洗 , 改善了電性能和熱性能 , 更易于系統級封裝。

三維異構微組裝技術是在多學科系統設計和微納集成制造工藝的基礎上 , 實現不同材料、結構、功能元件的一體化三維異構混合集成 , 解決異構材料的機電、熱、力等失配、同時解決并完善系統功能的新型微組裝技術 。

從科學研究的層面 , 需要研究半導體工藝的局限性及混合集成的攻關方向 , 例如 , 哪些類芯片、結構體、材料可以進行混合集成 , 哪些類不行 , 并提煉出普適性規律與方法 .從技術研究的層面 , 是在系統架構的基礎上 , 通過微焊互連和微封裝等混合集成技術 , 將高集成度的 IC 器件、微結構及其他元器件三維組裝到封裝體內 , 構成高密度、高可靠天線陣列微系統功能模塊 , 是實現芯片功能到系統功能的橋梁 。

4.3.3 高密度異質多層基板技術

天線陣列微系統的研究通常是基于三維異構混合集成技術 , 典型是多芯片組件 (MCM) 和系統級封裝 (SiP) 技術 . 進一步來說 , 以上技術大多數都是采用疊層型 (MCM-L) 、沉積薄膜型 (MCM-D) 和共燒陶瓷型 (MCM-C) 互連基板技術。

高密度異質多層基板研究是將基板制備技術、膜集成技術 , 通過多層基板協同設計和多物理場耦合分析 , 采用合理的工藝方法進行匹配兼容 , 可制備內置阻容元件和感性元件的高密度無源集成異質多層基板或集成無源器件 (integrated passive device, IPD). 厚薄膜無源元件集成基板技術是采用先進微電子技術和材料 , 在 LTCC 多層基板內置電阻、電容、電感等元件 , 如圖 10 所示 , 可縮短分立器件的互連長度 , 降低寄生效應 , 減少互連焊點 , 同時有利于解決多徑衰弱、頻譜擁擠、噪聲干擾等系統問題 。

圖 10 (網絡版彩圖) 基于 LTCC 多層基板內置無源元件集成示意圖

混合多層基板是兩種或兩種以上不同材質的基板集成制作為多層基板 , 基于不同材質基板的物理參數和特性 , 進一步提高多層基板的性能和布線密度、組裝效率 , 降低成本 . 例如 , 共燒陶瓷 / 薄膜型混合基板 , 其中薄膜多層基板可布置高速信號線、接地線和焊接區 , 充分利用薄膜多層布線的信號傳輸延遲小、布線密度高的特性 , 共燒陶瓷基板上布置電源線、接地線或低速信號線 , 充分利用它易于實現較多布線層數和適宜于大電流的特性。

4.4、封裝與熱管理技術

極大功能化、微納尺度、多尺度結構、多類型材料 , 以及有源和無源嵌入式厚薄膜元件是實現天線陣列微系統的重要特征 . 隨著天線陣列微系統向小型化、高性能和高密度集成的發展 , 多功能器件( 例如 GaN, SoC 芯片 ) 的功耗不斷增大 , 芯片散熱已經從小規模集成電路的幾百毫瓦發展到上百瓦 .這些將導致功率芯片及無源元件等成為非均勻分布的熱源 , 提升了熱流密度 . 封裝的目的是為天線陣列微系統提供散熱通道 , 還為內部芯片、元件和基板提供機械支撐、密封保護和內外信號互連等 . 熱管理的目的是通過多種方法導出熱量 , 使封裝體內溫度維持在允許的范圍內 , 避免天線陣列微系統內部溫度的逐漸升高 , 超過限定值 , 引起鍵合材料的蠕變、摻雜物的擴散、器件應力上升、結構破壞等現象 , 導致天線陣列微系統停止工作或喪失其功能 。

4.4.1、多本征參數適配材料技術

多本征參數適配材料技術重點研究圍繞基板、布線、框架、互連導體、層間介質、密封材料和封裝外殼等功能材料 , 針對金屬、陶瓷、聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及多種增強體和材料本體結合 , 制備出的復合功能材料 , 例如 , 鋁硅、鋁碳化硅復合材料 , 滿足天線陣列微系統封裝輕量化、小型化、低損耗、高導熱等要求 。

針對天線陣列微系統封裝小型化和多功能化的需求 , 新型基板材料、導體漿料、基板制備技術、膜集成技術的搭配和融合技術 , 是實現高密度異質多層基板技術的基礎 . 例如 , 中溫瓷填孔鎢銅漿料技術可實現高速 DSP 信號傳輸 ; 單芯片扇出技術可實現高密度微小間距芯片與陶瓷基板的互連 ; 氮化鋁填銅柱垂直互連技術可實現大電流傳輸 , 同時滿足大功率器件散熱需求 . 隨著寬禁帶 (WBG) 半導體技術大規模商業化的來臨 , 研發新的封裝材料和技術迫在眉睫。

4.4.2、嵌入式熱管理技術

基于微納技術的冷卻器在常規微系統熱管理中發揮了日益重要的關鍵作用 , 目前電子系統的散熱已經由傳統的自然對流、金屬導熱和強制風冷散熱發展到液冷和熱管散熱 , 液冷散熱方式中的微流道散熱是天線陣列微系統的有效和方便的散熱方式 . 例如 , 利用 LTCC 技術制作的嵌入式微流道液冷基板 , 具有體積小、散熱面積大、功率消耗低、批量制作成本低等特點 .流道冷卻器吸收芯片上的熱量 , 通過液體循環將熱量傳給外界 , 達到散熱的目 . LTCC 內嵌 3D 微流道系統分為多排直槽型、蜿蜒型和分形流道 . 一種典型的 3D 微流道結構示意圖如圖 11 所示 . 利用 LTCC 單張生瓷片可分別加工的優勢 , 用沖孔工藝在單張 LTCC 生瓷片上制作二維微流道 , 將所有生瓷片疊片、熱壓、燒結 , 形成完整的 3D 微流道 。

圖 11 (網絡版彩圖) LTCC 內嵌 3D 微流道結構示意圖4.4.3、陶瓷金屬一體化封裝技術

陶瓷金屬一體化封裝技術 (integral substrate package, ISP) 是將多層基板作為封裝的載體 , 與封裝外殼腔壁相連 , 多層布線基板構成外殼整體的一部分 , 在基板上直接引出封裝的外引線 , 是一種氣密性封裝 , 不需要再用全金屬外殼封裝 . 根據環境、結構、尺寸等邊界條件 , 開展溫度場分布及不同條件對溫度場的影響、熱阻與散熱路徑、機械承載與結構應力、電磁場等微結構分析與優化 . 在提高了封裝密度 , 降低了封裝體厚度 , 減輕了重量的同時 , 一體化封裝技術也有益于微波信號傳輸和熱管理 。例如 , 一種典型基于 LTCC 工藝的三維異構混合集成是將兩個金屬 / 陶瓷模塊通過一塊金屬轉接板相互連接在一起。

5、總結

技術創新在一定程度上取決于預測技術方向及它在未來的應用發展方向 , 并敢于相信那種直覺 .后摩爾時代 , 天線陣列微系統的研究和發展 , 需要解決兩個非常重要的核心問題 : 一是發展摩爾定律 ,實現芯片性能進一步提升 , 三維異質集成能夠超越摩爾定律 ; 二是實現后摩爾定律追求的多功能三維異構集成 , 實現系統性能和能力的提升 . 未來的天線陣列微系統將在體積與重量、性能、效率 , 以及智能化水平方面取得巨大進步 , 必將大大推動下一代更高性能微波成像雷達問世 。

本文針對星載及機載平臺需求，設計了一種L波段低剖面、輕量化、維修性高的相控陣天線單元，實現了E面掃描±60°，H面掃描±20°的寬角掃描，效率高于83%，具有良好的工程可實現性。