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。
來源：《中國科學: 信息科學》
作者：魯加國 , 王巖
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