瓦片式TR组件子阵单元的三维集成方法与流程

本发明涉及一种可在通信、导航、识别、测控、预警探测、精密跟踪、电子对抗、广播电视、遥感遥测、以及射电天文等领域中得到广泛应用的多功能基板和三维组装等高密度集成二维有源相控阵天线阵列微系统结构功能模块的集成工艺，尤其是一体化封装射频t/r印制板与辐射面印制板三维板间垂直互联及其组装的工艺方法。

背景技术

二维有源相控阵天线阵列结构涉及对辐射单元、阵列综合、tr组件、功率分配网络、波束控制、dc电源等电性能和的结构布局。根据kinzel等人的定义，相控阵天线的阵列结构可以分为“砖式”(brick)和“瓦式”(tile)两种结构。砖式相控阵天线结构采用元器件放置方向垂直于相控阵天线阵面孔径，tr组件电路采用纵向集成横向组装(lita)方式。砖式tr组件包含一行或一列多功能芯片、移相器、功分器以及其它一些器件，辐射阵元通常采用线极化天线单元，砖式可以通过单片集成电路进行生产，适合于简单制造工艺。缺点是纵向尺寸比瓦式结构大，成本高。瓦式相控阵天线结构将元器件放置方向平行于相控阵天线阵面孔径，面子阵电路采用横向集成纵向组装(tila)方式。瓦式相控阵通常采用分层结构，将芯片或电路集成在数个平行放置的瓦片上，辐射阵元多采用易于共形的微带贴片天线，可以实现线极化或圆极化，集成度比砖式结构高，体积小，成本低。

近年来，砖块式结构在有源阵列中得到广泛应用，因为其技术成熟度高，电路设计及组装容易实现。集成度低、纵向尺寸大，不利于共形；散热路径长，难以实现大型阵列应用。而瓦片式tr组件技术难度大，单元尺寸更小，必须采用高密度集成技术(hdi)和小型化、高性能高可靠射频垂直互联。但瓦片式tr组件可以采用整体液冷散热，具有优良的散热能力，子阵集成度高，在降低tr组件成本、减小体积尺寸、减轻设备重量方面具有优势，易于实现大规模阵列。随着集成化程度的逐步提高，瓦片式tr组件有望在现有小型化砖式tr组件基础上体积减小20％-80％。采用瓦式架构设计有源相控阵天线，不仅可以极大的缩减mmic芯片4的散热路径，使得有源相控阵天线最为棘手的热设计变得轻松，更为重要的是，采用瓦式架构设计相控阵天线，各类器件及线路是在平面内发展的，这样的做法可极大缩减相控阵天线各模块的厚度，模块间的各类高低频互联得以简化，从而也较容易实现天线整机的低剖面。研究表明，三维集成是实现小型化、高密度和低剖面微系统功能模块的有效途径。实现高密度三维集成的主要手段包括：多功能芯片、多功能基板、立体组装和三维板间垂直互联等。传统的组装工艺已经相对成熟，但是面对微系统高密度集成的需求，逐渐暴露出其所有工艺过程几乎都是整体受热、对温度梯度过于依赖和工艺兼容性不足等问题。有源相控阵天线瓦片式架构，基于业界成熟的多功能pcb工艺，采用无接插件设计，完成包含天线阵面、射频tr组件、波束形成网络、波控器、电源等模块在内的高密度集成与封装，实现机间数据链相控阵天线的一体化设计及成型，达到极大缩减天线整机厚度的目标，实现机载天线的超低剖面、由“瓦式”向“片式”发展。相控阵微带天线组装非常复杂，因此需要对多层印制板间互连的芯片焊接可靠性、芯片免污染工艺、焊接温度、辐射面印制板与射频tr印制板接地及电磁屏蔽等问题进行大量实验验证与分析研究，而且这些多方面的问题必须综合权衡考虑，才能解决工艺上实现难度大的现状瓶颈。未来几年，随着自动化微组装技术的普及，瓦片式tr组件由于集成度更高、芯片布局更为规则，可一次性完成子阵模块所有芯片的自动化装配，其生产效率将大大提升，因此，在批生产阶段将具有更好的生产性。同时，瓦片式tr组件的低廓线结构特点，便于天线实现共形设计，特别适合于在共形有源相控阵领域的应用。近年来，欧洲对该领域关注度提高，就瓦式相控阵天线tr组件的多功能专用芯片、垂直互联技术、多层电路设计、子阵设计等各项关键技术都有研究，但这些解决方案目前多处于学术科研机构的实验室阶段，其中一些方案在工程应用实际环境条件的工作效果有待验证。

毫米波频段由于工作波长很短，对瓦式tr组件的设计、生产、制造、组装各环节要求更高。目前国内成熟的加工制造技术及组装工艺为设计基础，以低成本、高可靠为目标，采用脊波导保证信号垂直传输的高可靠互联。并通过采用多层电路、在内层设计功分网络、同型端口集中布局等方式提高电路集成度。为提高集成度，一般采用双向工作的移相器及衰减器做收发公共支路。通常一个tr组件集成2n个通道，以功分器实现各通道按比例功率分配及合成。为降低副瓣电平，也有用不等功分来实现幅度加权的。针对具体指标分配情况，可能还需要在功分合成网络后加驱动，tr组件子阵集成方案设垂直于天线口径面为tr组件结构特点，要求通道间距在方向都严格受限于波长的比值。对于瓦式tr件，则要求通道面积小于等于53mm。在此范围内要实现收发放大、移相衰减等功能，即使采用高集成度专用芯片也可能无法完成电路排布。因此，需要把tr组件进行模块划分。按功能芯片进行划分，所有的收发放大器划分为一个模块，移相衰减划分为另一模块。根据实际电路排布，按通道数划分为两个模块，单行通道划分为一个模块，双行划分为另一模块。两模块叠装为一个完整tr组件，每个模块的输入或输出接口穿过另一模块，最终在顶层汇集为完整的对天线接口数。子阵电路布局设计大规模及超大规模阵列，一般由小规模子阵构成，如256阵列可由4子阵组成。子阵划分要综合各种因素，规模过大，可能会带来某些电路加工困难、腔体结构表面平整度降低等问题；而规模太小，不仅组装工作量增加，而且集成度也降低。

瓦片式相控阵射频t/r印制板有64个“t”型腔，安装96个mmic芯片，64个内导体，没有螺钉，没有接插件，射频t/r印制板的64个内导体与辐射面印制板的64个内导体进行互连，且要求64个射频信号内导体全部导通，不断路，接地及电磁屏蔽效果良好。板间互垂直互连是实现高密度集成工艺中最关键工序之一，组装难度非常大。片式相控阵天线组装非常复杂，上下射频印制电路板薄，且射频tr印制板双面都布有电路，厚度为2mm，将装有96个mmic芯片的射频t/r印制板、辐射面印制板、低频及波控等进行高密集成，首先必须保证射频tr印制板组装过程的可靠性，相互工序之间不干涩；其次是上下射频印制板内外导体导通及可靠性，电磁屏蔽及接地良好，且mmic芯片不能污染及短路；再次是避免复杂的温度梯度问题，基板对位与翘曲的控制及气密等等这些都是非常困难的问题。瓦片式相控阵天线基于多功能pcb工艺实现，pcb基板加工后的平整度大约5～10um，当辐射面印制板与射频t/r印制板内外导体垂直互连时，需要合适的压力与连接材料来补偿，使其平整，如此64个内导体才会完全导通。片式相控阵天线设计架构是通过印制板工艺实现板间及功能模块间的射频互联，从而省去传统的公母射频互联接插件，例如传统的射频同轴垂直互连smp、sma、ssmp等接插件，从而实现天线的小型化、轻量化、低成本。传统的有源相控阵天线，无论采用的是砖式架构还是瓦式，在进行射频互联的时候，比如天线阵面与tr组件的连接，都不可避免的需要采用到射频连接器，例如smp、ssmp等。将传统的高低频互联走线及线缆转化为印制板走线实现，以往需要通过数量众多，结构复杂的连接器。实现无射频连接器设计，需要完成高低频垂直互联转化为多层印制板层间互联。为了确保良好的电磁屏蔽及接地效果，传统的方法是通过铅焊工艺方法实现，虽然工艺简单、速度快、成本低、可修，但用于装有mmic裸芯片器件射频t/r印制板基板的焊接，芯片器件失效风险巨大。原因是铅料需要使用助焊剂，焊接过程芯片污染的几率非常大，且焊料量、温度、时间等参数控制不当，也会损坏芯片等。由于是毫米波频段产品，要求电磁屏蔽，不能有间隙，不能采用凸点的方式实现互连；采用三维板间互联的方式有凸点及毛纽扣的连接方式，毛纽扣安装需配有螺钉的固定，才能保证位置不偏移，连接可靠。

mmic芯片结温是150℃，温度的梯度复杂，必须综合考虑mmic芯片粘接固化温度，上下射频印制板内外导体的连接材料的温度，上下射频印制侧壁密封温度。射频印制板外导体接地连接材料及组装温度的选择有很大的局限，温度过高，对芯片可靠性有一定的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是针对瓦片式架构相控阵天线的一体化组装存在的不足之处，提供一种体薄重量轻，能够降低批量生产成本，板间垂直互连对位精度高，并能有效提高组装效率和质量的瓦片式tr组件子阵单元的三维集成方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种瓦片式tr组件子阵单元的三维集成方法，其特征在于包括如下步骤：制备一个与射频t/r印制板3外形一致的工装基座1和装配固定射频t/r印制板3组件及辐射面印制板8的工装压板9，并在射频t/r印制板3与辐射面印制板8印制板的上下面制作相向对称的电镀金属化台阶，将射频t/r印制板3与辐射面印制板7垂直对位，采用热塑性的z向导电胶膜6，将z向导电胶膜6粘贴在辐射面印制板8上，避开t型mmic芯片4工作腔及信号传输内导体，把t型mmic芯片4工作腔四周屏蔽密封起来；采用毛纽扣7作为辐射面印制板与射频t/r印制板3内导体射频垂直互连的构件，将毛纽扣7埋入辐射面印制板8的圆孔内，然后通过定位销5，将射频t/r印制板3与辐射面印制板8对扣在工装压板8台阶与tr低频及波控电路板2之间，将射频t/r印制板3垂直互联对扣在一起，实现射频内外导体与天线板内外导体的互连；再将工装压板9台阶定位在辐射面印制板8上，射频tr印制板3低频及波控电路板2下部台阶对扣在工装基座1的凹槽中，用螺钉12固定，使射频t/r印制板3与辐射面印制板8之间形成周向焊料槽11；然后放置在加热板上静压，采用铅锡焊料对焊料槽11进行锡封，一体化集成实现片式相控阵天线子阵单元的射频组装。

本发明相比于传统的瓦式相控阵天线具有如下有益效果：

体薄重量轻。本发明采用一个与射频t/r印制板3外形一致的工装基座1和装配固定射频t/r印制板3及辐射面印制板8的压板9，并在射频t/r印制板3与辐射面印制板8的上下面制作相向对称的电镀金属化台阶，将射频t/r印制板3与辐射面印制板8垂直对位，采用热塑性的导电胶膜6，将导电胶膜6z向粘贴在天线印制板上，避开t型mmic芯片4工作腔及信号传输内导体，把t型mmic芯片4工作腔四周屏蔽密封起来；射频t/r印制板3与辐射面印制板8的垂直装联的64个射频信号内导体全部导通，不断路；外导体接地良好，同时电磁屏蔽效果良好，在电性能持平的条件下，其体积、重量指标都较传统的砖式、瓦式相控阵天线有了明显的进步，尤其是其低剖面特征，目前样机的厚度仅仅为8.8mm，较接近蒙皮天线的概念，较“新一代瓦式机间数据链相控阵天线”50mm的剖面高度减少了74％。重量方面，加上液冷板后，其重量约为200g左右，较“新一代瓦式机间数据链相控阵天线”660g又减少70％。相控阵天线片式架构电性能导通，且各项性能指标较好。通过一系列的测试验证表明，片式天线架构基本是可行的，片式数据链天线样机达到了设计预期。

批量生产成本低。本发明采用毛纽扣7作为辐射面印制板8与射频t/r印制板3内导体射频垂直互连的构件，将毛纽扣7埋入阵列印制板天线8的圆孔内，然后通过定位销5，将射频t/r印制板3与辐射面印制板8对扣在压板9台阶与射频tr印制板3的低频及波控电路板2之间，将射频t/r印制板3垂直互联对扣在一起，实现射频tr印制板3内外导体与阵列印制板天线8内外导体的互连和现射频印制板高密度的基板间垂直互连，实现气密封，将天线架构模糊以往各独立模块的概念，依托先进的多层pcb工艺，完成各类高低频功能区域的一体化设计与实现，在该架构下，可以省却几乎大部分金属结构件及金属接插件，简化了组装工艺流程和工艺控制难度，并能有效提高组装效率和质量，mmic芯片4幅相一致性能得到很好的保证，从而有效提高生产效率及成本。和传统的瓦式相控阵相比，可有效避免现有技术导致的一系列成本、管理和组装质量不稳缺陷。

板间垂直互连对位精度高。本发明将压板9台阶定位在天线印制板7上，射频tr印制板3的低频及波控电路板2下部台阶对扣在工装基座1的凹槽中，用螺钉12固定，使射频t/r印制板3与辐射面印制板8之间形成周向焊料槽11；然后放置在加热板上静压，采用铅锡焊料对焊料槽11进行锡封，一体化集成实现片式相控阵天线子阵单元的射频组装，可以实现高密度的板间垂直互连对位精度高，且板间大面积接地无间隙，确保射频信号屏蔽，组装过程芯片无污染，有效避免复杂的温度梯度问题，有效解决了基板对位及基板翘曲的问题，同时，实现pcb级的气密封装，通过电性能测试和环境测试。

本发明z向导电胶膜6采用厚度为30um，补偿辐射面与tr射频两部分印制板装配的间隙，组装过程不需要助焊剂，可以保证两个印制板的大面积接地及t型腔的电磁屏蔽，同时还能避免mmic芯片4器件不受助焊剂及多温度梯度的影响。

利用本发明对射频微系统级高密度封装与3d互连组装的产品，

附图说明

图1是本发明瓦片式tr组件子阵单元主视图。

图2是图1的分解示意图。

图3是图1的组装流程图。。

图中：1工装基座，2射频tr低频及波控电路，3射频tr印制板，4mmic芯片，5定位销，6导电胶膜，7毛纽扣，8辐射面印制板，9工装压板，10螺栓，11焊料槽，12螺钉

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，制备一个与射频tr印制板3外形一致的嵌入式工装基座1，用于固定射频tr印制板3及承载辐射面印制板8片式，将射频tr印制板3的低频与波控单元2嵌入工装基座1内，用螺钉12固定射频tr印制板3到工装基座1，使其不影响组装射频tr印制板3射频面的mmic芯片4；采用导电将mmic芯片4组装到射频tr印制板3上的t型腔内，然后采用金丝键合的方式，将mmic芯片4与微带电路进行电互连，使其电性能导通；将导电胶膜6粘贴在辐射面印制板8上的外导体上，使其紧密的贴合在辐射面印制板8外导体，避开辐射面印制板印8的内导体，避免mmic芯片4及内导体的污染或短路。然后将毛纽扣7装入辐射面印制板8的内导体孔内，使其固定在孔内，位置不偏移，再将定位销5安装在辐射面印制板8上，后将射频tr印制板3与辐射面印制板8进行垂直互联，使其辐射面印制板8的外导体与射频tr印制板3的射频面的外导体互联，辐射面印制板8的内导体与射频tr印制板3的内导体互联，然后安装工装基座1的压板9，用螺栓10固定辐射面印制板8与射频tr印制板3，使其均压，紧密结合无缝隙；然后将天线整机放置加热台上静压，通过加热静压，导电胶膜6发生热塑性作用，将辐射面印制板8外导体与射频tr印制板3外导体牢牢的粘接在一起，静压完成后，取下压板9及螺栓10；采用激光钎焊的方法，将天阵列线8与射频tr印制板3的合起来的焊料槽11填满焊料，使其辐射面印制板8与射频tr印制板3连接更加可靠，同时又能满足天线整机的气密性。其中，

互连构件选用热塑性的z向导电胶膜6和毛纽扣7，片式相控阵天线结构件是高频覆铜pcb印制板，表面为镀金层。

辐射面印制板8与射频tr印制板3的射频内导体的互联选用预埋毛纽扣7的方式，在辐射面印制板8内导体上设计制作至少深0.8mm，直径0.25-0.5mm的圆孔。毛纽扣7选用直径0.25-0.5mm，长1.2-1.5mm，使其毛纽扣7位置不偏移，装配更方便，板间连接更可靠。

辐射面印制板8与射频t/r印制3板整体装联，采用嵌入式工装基座1及工装压板9。嵌入式工装1保护射频tr印制板3的背面的低频及波控电路2，不影响后续的操作。工装压板9及螺栓10用来整体装连时施加压力，使其压力均衡，基板连接处无缝隙。

z向导电胶6膜静压温度设置在70～80℃，采用参数为50n﹒m的扭力螺丝钉调整螺栓10的压力，静压时间2小时。

在辐射面印制板8与射频t/r印制板3的边缘设计制作成电镀金属化台阶，台阶高度至少为1mm，且对印制板电镀包边，当两个功能印制板垂直装联在一起，就形成了宽2mm，深1mm的焊料槽11，然后采用铅锡焊料填满。

辐射面印制板8与射频tr印制板3侧壁密封材料为低温焊料，加固天线与t/r组件的连接及气密封，从而实现片式相控阵天线一体化集成的射频组装。

当辐射面印制板8与射频tr印制3板垂直互联装配完成后，为了提升天线整机的可靠性和密封特性，两板台阶槽开展进一步的锡封处理，采用激光铅焊的方法焊接，使其辐射面印制板8、射频t/r印制板3紧密结合。

参阅图3。大尺寸、多层有源正面天线一体化焊接具体操作步骤如下：

采用螺钉12将射频tr印制板3固定嵌入在制备的工装基座1上，使其射频tr印制板3稳定固定在固定基座上，用酒精棉球清洗射频tr印制板3射频电路备用；然后采用导电胶将mmic芯片4组装在64个t型槽内，mmic芯片4组装完成后，放入烘箱进行固化，固化温度120℃，固化时间1小时，固化完成取出，备用；然后采用金丝键合的方式，将mmic芯片4与微带电路进行互连，实现射频电路导通；将组装好的射频tr印制板3组件进行各项电性能指标测试，测试完成后备用；

采用酒精棉球清洗辐射面印制板8，然后将导电胶膜6贴在辐射面印制板8t型屏蔽腔面，避开t型腔及天线内导体孔，再将毛纽扣7装入天线内导体孔内，然后安装对位销5，将射频tr印制板3与辐射面印制板8进行垂直互联，辐射面印制板8的内导体与射频tr印制板3的内导体互联，辐射面印制板8的外导体与射频tr印制板3的外导体互联；再次是安装工装1及工装压板9，用螺栓10固定片式相控阵天线整机，放置在加热板上静压2小时，静压温度70～80℃，静压完成后，用隔热工具取下天线整机放置冷气板上冷却，备用。

拆卸天线整机的工装压板9及螺栓10，然后采用激光钎焊的方法，将辐射面印制板8和射频tr印制板3合起来的焊料槽11填满焊料，从而进一步的加固天线整机及提升气密等级，钎焊完成后，采用酒精棉球清洗天线整机面。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。