黃 建

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

微波組件(Microwave Module,MWM)是在微波頻段系統(tǒng)和整機(jī)中廣泛使用的部件，它通過集成微波有源器件、無源器件和電路，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)特定的微波信號處理功能。微波組件通常具有單獨(dú)的小型化封裝，具備標(biāo)準(zhǔn)形式和阻抗的微波信號傳輸接口。

當(dāng)前軍用微波系統(tǒng)和設(shè)備正向多功能綜合化、高性能、輕小型化、高可靠性和強(qiáng)復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性等方向發(fā)展，頻段拓展到毫米波頻段。在無線通信、空間互聯(lián)網(wǎng)和汽車?yán)走_(dá)等民用領(lǐng)域，系統(tǒng)工作頻率也正從6 GHz向毫米波乃至太赫茲頻段擴(kuò)展，并要求設(shè)備低成本、小型化、低功耗和長壽命。在系統(tǒng)應(yīng)用牽引下，微波組件得到了長足的發(fā)展，新器件、新設(shè)計(jì)、新工藝發(fā)展迅速并得到廣泛應(yīng)用，微波組件功能、性能、集成度和可靠性顯著提升，但在高頻率、高性能、多功能、大帶寬、高功率密度、超小型化等方面仍難以滿足應(yīng)用需求。

隨著技術(shù)發(fā)展，微波和毫米波頻段有源相控陣、數(shù)字陣列和智能蒙皮等先進(jìn)技術(shù)也得到了深入研發(fā)和應(yīng)用。作為其核心組成的收發(fā)組件(Transmitting-Receiving Module,TRM)、數(shù)字陣列組件(Digital Array Module,DAM)或封裝天線(Antenna in Package,AiP)模塊，不僅要求多功能、高性能和小型化，且單通道成本較上一代產(chǎn)品需降低到原來的1/10以上，基于目前的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。

解決以上問題的關(guān)鍵是提高微波組件的集成度：采用異質(zhì)集成、多尺度集成和多工藝兼容集成架構(gòu)，在微波組件內(nèi)集成更多種類和數(shù)量的高性能微波器件，并進(jìn)一步集成天線、數(shù)字信號處理和熱控等器件或部件，以增強(qiáng)組件功能和性能；通過采用多層基板和三維高密度互連，消除多級封裝和過度封裝，減少互連線纜和接插件，在縮小體積尺寸、提高可靠性同時(shí)降低成本；通過免調(diào)試、自動(dòng)化裝配與檢測等集成制造手段，提高產(chǎn)品一致性和成品率，并降低加工制造成本。

2010年后平面(2D)集成和以多層印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)、低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)為代表的多層基板平面集成(2.5D)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并在微波多芯片組件中得到廣泛應(yīng)用。然而，無論是2D還是2.5D集成，其封裝效率均不高于100%。隨著MWM功能和性能提升，單個(gè)基板上下表面將無法排布下電路元器件，只能通過三維堆疊集成的方式來解決，因此微波組件勢必向三維集成方向發(fā)展。從三維微系統(tǒng)概念提出[1]以來，美國DAPAR大力推進(jìn)相關(guān)技術(shù)研究并取得重大突破，片上系統(tǒng)(System on Chip，SOC)、異質(zhì)異構(gòu)集成、三維封裝、系統(tǒng)級封裝(System in Package,SiP)等微系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，這些技術(shù)被迅速應(yīng)用于傳統(tǒng)微波組件，開辟了新的高集成微波組件技術(shù)發(fā)展方向，即三維集成微波組件(Three-dimensional Integrated Microwave Module，3DMWM)技術(shù)。目前國內(nèi)外3DMWM研究方興未艾，部分產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。但總的來看目前研究主要還是針對特定應(yīng)用需求，在2D或2.5D集成微波組件基礎(chǔ)上移植成熟的微系統(tǒng)三維集成工藝，取得了部分關(guān)鍵技術(shù)突破并實(shí)現(xiàn)3DMWM開發(fā)，尚未形成具有通用性的3DMWM集成架構(gòu)，對3DMWM基礎(chǔ)理論和共性關(guān)鍵技術(shù)尚未開展系統(tǒng)性的研究。

對于3DMWM而言，集成架構(gòu)是決定組件功能、集成度和微波性能的關(guān)鍵要素，本文第1節(jié)按演進(jìn)順序?qū)ΜF(xiàn)有的典型3DMWM集成架構(gòu)及其特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，梳理其技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和方向；第2節(jié)對不同集成架構(gòu)下主要共性關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹；第3節(jié)介紹了作為3DMWM設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用基礎(chǔ)的可靠性理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀和后續(xù)研究方向；第4節(jié)分析3DMWM技術(shù)發(fā)展趨勢，提出我國開展3DMWM研究的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域；最后對3DMWM技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景進(jìn)行了預(yù)測。

1 3DMWM微波組件集成架構(gòu)

目前研究報(bào)道的具有三維集成特征的3DMWM集成架構(gòu)大致可分為四類，按照集成度從低到高演進(jìn)順序分別介紹如下。

1.1 含SiP的2.5D集成架構(gòu)[2-4]

采用一個(gè)多層基板(可內(nèi)埋無源器件和電路)，在基板上裝配微波單片集成電路(Microwave Monolithic Integrated Circuit，MMIC)芯片和SiP器件，如圖1所示,其中SiP本身是基于三維集成和封裝工藝實(shí)現(xiàn)的微模塊。

圖1 含SiP的2.5D集成架構(gòu)

盡管整體具有多基板立體互聯(lián)等3D集成特征，但如果將SiP視為一個(gè)器件，并考慮到多層PCB作為母板通常主要實(shí)現(xiàn)低頻互連、數(shù)字信號處理和控制等功能，并不具備微波電路功能，則該架構(gòu)本質(zhì)上仍可視為2.5D集成，封裝效率不超過100%，因此只是3DMWM的初級集成架構(gòu)。

值得注意的是，該集成架構(gòu)充分體現(xiàn)了典型3DMWM的多尺度集成特征。從納米級(芯片)、微米級(SiP內(nèi)部集成)到毫米級(芯片和SiP裝配)，而組件本身尺寸可達(dá)10～100 mm，集成尺度跨越7個(gè)量級。盡管封裝效率較低，但可以充分利用各種形態(tài)的微波器件實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的微波電路性能。

1.2 擴(kuò)展2.5D集成架構(gòu)[5-11]

通過在單個(gè)微波多層基板雙面安裝微波器件(如圖2(a))，或?qū)⒍鄠€(gè)基板或無源轉(zhuǎn)接板裝配形成一個(gè)組合微波多層基板，并在該組合基板頂層和底層安裝微波器件(如圖2(b))形成3DMWM。

(a)單基板集成

該架構(gòu)在2.5D集成基礎(chǔ)上增加一個(gè)器件安裝面(或?qū)?，因此其封裝效率最高可達(dá)到200%。圖2(b)架構(gòu)包含多個(gè)基板和無源轉(zhuǎn)接板，內(nèi)部可集成更多的無源電路和內(nèi)埋無源器件，并可實(shí)現(xiàn)更高密度的3D互連，集成密度更高。工藝上，由于內(nèi)層基板無有源器件，裝配時(shí)可先進(jìn)行組合基板整體裝配，再進(jìn)行有源器件裝配，故工藝較為簡單易行。內(nèi)層無發(fā)熱器件，可以通過外部熱傳導(dǎo)、對流或熱輻射進(jìn)行高效散熱，有利于降低器件工作溫度，對大功率微波組件具有較好適用性。

1.3 同質(zhì)多基板堆疊三維集成架構(gòu)[12-15]

該架構(gòu)采用多個(gè)同質(zhì)多層基板進(jìn)行堆疊，并且至少一個(gè)內(nèi)層基板上有微波有源器件，如圖3所示。

圖3 同質(zhì)多基板堆疊三維集成架構(gòu)

這是一種真正的三維集成架構(gòu)，突破了2.5D集成的局限。通過在內(nèi)層基板安裝微波器件，其理論封裝效率可超過200%，同時(shí)設(shè)計(jì)上通過在三維空間內(nèi)優(yōu)化有源器件安裝位置，縮短了微波信號傳輸路徑，并可兼顧基板加工和組件裝配工藝可行性，提升微波組件整體性能。采用多個(gè)基板堆疊，可實(shí)現(xiàn)更高密度三維互連。所有基板材質(zhì)相同，故基板之間物理、化學(xué)性質(zhì)和電路特性匹配，可以在同一工藝平臺(tái)上完成全部基板加工，從而降低了工藝控制和模塊實(shí)現(xiàn)難度。

其缺點(diǎn)是，采用單一基板材質(zhì)難以滿足力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能、電學(xué)特別是微波性能、熱膨脹系數(shù)匹配、加工性能和成本等多方面的要求。比如，半導(dǎo)體基板易于利用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝，但微波性能一般，不適于制作寬帶天線，且成本較高，而聚合物基板成本低、微波性能優(yōu)良，但與芯片熱膨脹系數(shù)差異大，傳熱性能差。因此，該架構(gòu)下組件的功能和性能必然受到基板材料的限制。

1.4 異質(zhì)多基板堆疊三維集成架構(gòu)

異質(zhì)基板(含內(nèi)層金屬框架)在三維集成中已經(jīng)得到應(yīng)用[16-18]，特別是在一體化有源天線陣中。在多層基板堆疊集成架構(gòu)下，如基板材質(zhì)大于兩種，并且至少一個(gè)內(nèi)層基板上有微波有源器件，則為異質(zhì)多基板3D集成，如圖4所示。

圖4 異質(zhì)多基板堆疊三維集成架構(gòu)

該架構(gòu)具備同質(zhì)多基板三維集成架構(gòu)的全部優(yōu)點(diǎn)，由于采用異質(zhì)基板可以實(shí)現(xiàn)更多的微波無源電路功能或更好的微波性能。采用低介電常數(shù)微波基板和多層PCB板，則可在組件內(nèi)集成天線、微波、模擬和數(shù)字電路等功能，可實(shí)現(xiàn)AiP、數(shù)字子陣列等高性能、高集成度的復(fù)雜微波組件。

其最大的缺點(diǎn)是，由于異質(zhì)基板的物理、化學(xué)和微波性能的差異，需要解決更多的工藝兼容、電路匹配和可靠性等問題，設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)難度更大。

從以上介紹可以看到，3DMWM集成架構(gòu)是從單基板向多基板、從2.5D集成向3D集成和從同質(zhì)集成向異質(zhì)逐漸演進(jìn)的。

2 3DMWM關(guān)鍵技術(shù)

從已經(jīng)發(fā)表的 3DMWM研究成果來看，所采用的集成架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的電路功能多種多樣，但都存在一些共同的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括基板技術(shù)、垂直互連、散熱設(shè)計(jì)、制造工藝和無損測試技術(shù)等。其中，后兩項(xiàng)主要是涉及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的工程技術(shù)，前三項(xiàng)在設(shè)計(jì)階段對組件功能、性能和集成度具有重要影響，分別介紹如下。

2.1 基板技術(shù)

無論采用何種集成架構(gòu)，3DMWM中一般都采用一個(gè)或多個(gè)多層基板，通常一個(gè)基板采用同一材質(zhì)，通過壓合、燒結(jié)、鍵合、焊接等方式將多層板材結(jié)合成整體。同種材質(zhì)可保證多層板材的物理、化學(xué)性質(zhì)匹配，避免應(yīng)力導(dǎo)致分層和破裂。

目前3DMWM中廣泛使用的多層基板包括高溫共燒陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramic，HTCC)、LTCC、玻璃、高阻硅和聚合物基板。

參考相關(guān)基板材料廠商產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，將3DMWM基板主要材料及其物理特性列于表1。3DMWM中MMIC主要為砷化鎵或硅材質(zhì)，為便于比較，表中也列出了砷化鎵材料的主要特性。

表1 3DMWM典型基板材料的物理特性

由表1可知，HTCC基板熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)與硅和砷化鎵基本匹配，可直接安裝MMIC芯片。氮化鋁基板具有高導(dǎo)熱性能，因此在大功率三維集成微波組件有較大潛力，但由于所用導(dǎo)體電阻率較高，且表面粗糙度較大，高頻傳輸損耗較大，在毫米波頻段性能較差。

LTCC基板與砷化鎵芯片CTE匹配，介電常數(shù)適中，可用于微波到毫米波頻段的有源和無源電路，但是價(jià)格較高，導(dǎo)熱性差且燒結(jié)過程基板收縮和較大，不利于大功率或較大尺寸組件集成。玻璃基板與硅芯片CTE匹配，介電常數(shù)較低，可實(shí)現(xiàn)微波頻段有源和無源電路集成，也可以集成微帶貼片天線，但導(dǎo)熱性差，表面粗糙度大，用于大功率微波組件和毫米波組件集成性能較差。

硅基板與硅或砷化鎵MMIC芯片CTE匹配，導(dǎo)熱性好，可利用MEMS工藝進(jìn)行高精度加工制造，可用于直至毫米波頻段的大功率組件三維集成。其缺點(diǎn)是成本較高，且堆疊層數(shù)一般少于6層，集成度受到限制；介電常數(shù)較高，存在漏電流損耗，制作無源電路(包括天線)性能較差。

有機(jī)聚合物基板與芯片CTE差異較大，難以直接安裝MMIC芯片，且導(dǎo)熱性和氣密性差，用于微波有源集成難度較大，工藝復(fù)雜。其優(yōu)點(diǎn)是介電常數(shù)范圍寬，損耗小，可制作高性能的毫米波頻段無源電路和天線；材料及加工成本均較低，可以大幅面多層壓合，能實(shí)現(xiàn)較高集成度。

以上各種基板的微波性能、可集成性和經(jīng)濟(jì)性歸納于表2。

表2 3DMWM典型基板性能

從以上對比分析可知，對3DMWM而言單一材質(zhì)基板各有其優(yōu)勢和局限性。為實(shí)現(xiàn)更高集成度和更優(yōu)性價(jià)比，最有效的途徑還是采用不同材質(zhì)的多層基板進(jìn)行三維集成，當(dāng)然這會(huì)增加設(shè)計(jì)和工藝難度，需綜合考慮性能、可靠性、工藝可行性及成品率和經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行權(quán)衡。

2.2 3DMWM垂直互連

垂直互連實(shí)現(xiàn)3DMWM中各層基板之間電信號的傳輸。3DMWM中包括射頻垂直互連和低頻垂直互連，按照在集成架構(gòu)中信號傳輸范圍，垂直互連又可分為基板內(nèi)垂直互連和板間垂直互連。

基板內(nèi)垂直互連是多層基板內(nèi)部層間高低頻信號的互連，主要通過通孔實(shí)現(xiàn)，特殊情況下也通過耦合方式實(shí)現(xiàn)微波信號的層間傳輸[19]。微波信號板內(nèi)垂直互連需解決不同類型微波傳輸線間模式轉(zhuǎn)換、阻抗匹配和不連續(xù)性補(bǔ)償，主要包括微帶、帶狀線、共面波導(dǎo)(Co-planar Waveguide，CPW)、帶地共面波導(dǎo)(Co-planar Waveguide with Ground，CPWG)等多種傳輸線之間導(dǎo)帶的連接和模式轉(zhuǎn)換，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)通孔連接、高次模式抑制和不連續(xù)性補(bǔ)償電路，通常這些層間垂直互連可實(shí)現(xiàn)40 GHz以下微波信號互連，帶寬20%以內(nèi)駐波小于1.4[20-21]。

板間低頻垂直互連方式有微型彈性接插件、引線鍵合、多芯毛紐扣、球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)、平面柵格陣列(Land Grid Array，LGA)等，均已得到廣泛應(yīng)用。

板間微波信號垂直互連除了要解決傳輸線模式轉(zhuǎn)換等類似問題外，還需要解決射頻信號泄露與端口隔離、板間堆疊工藝容差性和密封性設(shè)計(jì)等問題，因此難度更大。已報(bào)道的板間互連采用的傳輸線形式有同軸線、類同軸線、CPW/CPWG、矩形/變形波導(dǎo)等，互連方式有微型同軸連接器、毛紐扣[22-23]、BGA[24-26]、LGA[10]、近耦合式[27]和基片集成脊波導(dǎo)(Substrate Integrated Ridged Waveguide，SIRWG)[28]等，頻率覆蓋DC～50 GHz，各種方式對比優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 3DMWM中典型垂直互連特性和性能

同軸或類同軸模式的垂直互連是基于電流傳導(dǎo)互連，低頻端可到直流信號，高頻可到毫米波低端，具有優(yōu)良的寬帶特性，但毫米波以上頻段性能下降。其中，BGA、LGA集成度高，但無論是焊接還是各向異性導(dǎo)電膠粘結(jié)，容差性較差，用于異質(zhì)基板垂直互連長期可靠性較差。同軸連接器和毛紐扣有較好容差性和可靠性，但集成度低。

相比較而言，近耦合和SIRW垂直互連均是基于電磁場直接傳輸，不能傳輸直流信號，對Ku以下頻段傳輸性能較差，且體積大，集成度低；在毫米波頻段則具有一定優(yōu)勢，傳輸性能好，集成度適中，容差性好，可靠性高。因此，針對毫米波異質(zhì)三維集成，基于電磁場直接傳輸?shù)膶拵А⒏呒啥?、高可靠性的垂直互連是重要的發(fā)展方向。

2.3 3DMWM熱設(shè)計(jì)技術(shù)

3DMWM高集成密度使得散熱問題更加突出。對含SiP的2.5D集成架構(gòu)和擴(kuò)展2.5D集成架構(gòu)，其有源器件主要安裝在組合基板外表面，可以通過外部散熱降低器件工作溫度，只是相對于傳統(tǒng)微波組件發(fā)熱密度更高，且外部散熱器設(shè)計(jì)需要考慮微波信號低損耗傳輸，帶來了更多設(shè)計(jì)難度。對多基板堆疊三維集成架構(gòu)，安裝在內(nèi)層基板的有源器件散熱更為困難，需要采取額外的散熱措施。

目前報(bào)道的3DMWM中，主要采取了以下熱設(shè)計(jì)措施：

(1)采用高導(dǎo)熱性基板

采用氮化鋁、硅等高導(dǎo)熱性基板[29]，使有源器件的發(fā)熱直接傳遞給基板，并通過基板進(jìn)一步橫向或縱向傳導(dǎo)到外部散熱器。采用氮化鋁基板和納米銀等高導(dǎo)熱材料裝配的組件其等效熱導(dǎo)率達(dá)到76～183 W/(m·K)。

(2)增強(qiáng)基板傳熱性能

對于導(dǎo)熱性差的基板，通過在基板安裝有源器件部位打通孔，并將通孔實(shí)心金屬化，或填充高導(dǎo)熱性納米銀漿作為導(dǎo)熱通道[15]；對多層PCB板，可采用銅漿或銀漿燒結(jié)等措施，增強(qiáng)基板傳熱能力。無源轉(zhuǎn)接板上可制作高密度實(shí)心金屬孔陣列[30]增強(qiáng)導(dǎo)熱，相應(yīng)的散熱孔區(qū)域的熱流密度40～120 W/cm2。以上熱設(shè)計(jì)只能提高基板縱向?qū)崮芰?，還需通過插入均溫板或散熱板將熱量進(jìn)行橫向傳遞，再通過連接外部散熱器散熱。

此外，在基板中直接制作微流道進(jìn)行液冷散熱能較好提升基板橫向傳熱性能，此時(shí)基板可直接連液冷系統(tǒng)進(jìn)行散熱[31]。已報(bào)道的硅基微流道[32]散熱能力達(dá)到600 W/cm2。

(3)插入金屬冷板

在堆疊集成的基板間插入高導(dǎo)熱金屬均溫板、熱管均溫板或冷板[5,7,12,30]，可實(shí)現(xiàn)基板上熱量的快速擴(kuò)散。冷板可連接風(fēng)冷散熱器或液冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行冷卻以降低基板溫度。為提高冷卻能力，冷板內(nèi)部可集成微流道[5]或熱管[7]。

以上散熱措施的主要性能如表4所示。

表4 3DMWM主要散熱措施性能

由表4可知，任何一種散熱設(shè)計(jì)均有其局限，需根據(jù)組件工作條件和功能性能要求選擇合適的散熱方式或組合幾種散熱途徑達(dá)到最佳散熱效果。結(jié)合熱仿真和試驗(yàn)評估技術(shù)，確保有源器件溫度，特別是大功率芯片溝道溫度在允許范圍內(nèi)，保證組件在規(guī)定的最高溫度條件下穩(wěn)定可靠工作。

3 3DMWM可靠性理論與技術(shù)

3DMWM的典型失效模式與機(jī)理、可靠性建模、仿真預(yù)測和可靠性試驗(yàn)評估方法等方面的理論與技術(shù)研究對于3DMWM的設(shè)計(jì)、開發(fā)乃至在系統(tǒng)及整機(jī)應(yīng)用都是十分關(guān)鍵的。相比常規(guī)微波組件，3DMWM包含更多種材料和器件，制造和裝配工藝更復(fù)雜。在生產(chǎn)和后續(xù)使用過程中，組件內(nèi)部以及組件與外部環(huán)境之間存在復(fù)雜的力-電-熱多物理場耦合作用，并可能存在多材質(zhì)之間的原子擴(kuò)散和化學(xué)侵蝕反應(yīng)，可靠性受多種因素影響，相比于傳統(tǒng)的微波組件，3DMWM的可靠性薄弱環(huán)節(jié)增多，存在更多的失效模式和獨(dú)特的失效機(jī)理，如三維集成工藝可靠性、三維互連失效、多材質(zhì)多基板熱失配失效和內(nèi)層局部器件過熱失效等。針對3DMWM的可靠性進(jìn)行理論分析、建模和仿真都非常困難。

目前公開報(bào)道的文獻(xiàn)中針對3DMWM的失效機(jī)理、可靠性建模與預(yù)測、可靠性試驗(yàn)評估方法等可靠性研究很少，大多數(shù)3DMWM研究工作基本不涉及組件可靠性設(shè)計(jì)與評估。文獻(xiàn)[33]研究了基于熱阻矩陣的SiP中芯片結(jié)溫的快速準(zhǔn)確預(yù)估方法，文獻(xiàn)[34-36]仿真分析了三維封裝結(jié)構(gòu)和力學(xué)可靠性，但以上文獻(xiàn)都只考慮了熱和力學(xué)單一應(yīng)力影響。文獻(xiàn)[37]研究了三維封裝中硅通孔(Through Silicon Via，TSV)在不同電流下熱應(yīng)力分布及結(jié)構(gòu)形變，為TSV結(jié)構(gòu)失效分析提供指導(dǎo)，但該研究限于三維封裝的局部結(jié)構(gòu)中線性耦合的電-熱-力場對可靠性的影響。文獻(xiàn)[38] 基于失效SiP產(chǎn)品的破壞性物理分析進(jìn)行失效原因推測和機(jī)理分析[38]，仍采用基于直觀現(xiàn)象的常規(guī)分析思路。

可見，現(xiàn)有的少數(shù)研究主要是對熱、力等單一應(yīng)力作用建立仿真模型，或?qū)植拷Y(jié)構(gòu)建立簡單的多物理場耦合模型，通過模擬分析其對組件可靠性的影響和失效模式，基本上仍然沿用傳統(tǒng)組件可靠性和失效機(jī)理分析的理論與技術(shù)。顯然，現(xiàn)有研究的廣度和深度均難以滿足3DMWM技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展要求，需進(jìn)一步開展系統(tǒng)和深入研究。

在失效模式和機(jī)理方面，除了傳統(tǒng)微波組件的失效模式外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮3DMWM特有的失效模式，包括異質(zhì)多基板熱失配應(yīng)力失效、三維溫度梯度應(yīng)力失效、三維集成工藝過程應(yīng)力失效和材料體系化學(xué)不相容性失效等，特別是高集成封裝中相互耦合的微波及低頻電應(yīng)力、熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力共同作用下的新失效模式，通過理論分析和多物理耦合模型及仿真研究其失效機(jī)理，提出3DMWM的可靠性設(shè)計(jì)原則、方法和加固措施以提高可靠性。

在可靠性建模、仿真和預(yù)測方面，傳統(tǒng)元器件計(jì)數(shù)法或應(yīng)力分析法是基于還原法邏輯，通過組件的串-并聯(lián)可靠性模型和元器件的可靠性指標(biāo)計(jì)算組件整體可靠性指標(biāo)實(shí)現(xiàn)可靠性預(yù)測。3DMWM內(nèi)基板、互連結(jié)構(gòu)、有源器件和封裝體等組成部分結(jié)合緊密，多物理場緊耦合效應(yīng)顯著，采用傳統(tǒng)分析技術(shù)難以準(zhǔn)確預(yù)測其可靠性。因此，對組件進(jìn)行整體多物理場耦合建模和仿真，才能準(zhǔn)確評估組件及器件、基板、垂直互連和結(jié)構(gòu)件等組成要素的電-熱-機(jī)應(yīng)力，進(jìn)而預(yù)測組件可靠性指標(biāo)，并定位組件可靠性薄弱環(huán)節(jié)，針對性地采取有效的加固措施。

在可靠性增長和評估試驗(yàn)方法方面，傳統(tǒng)微波組件可靠性增長試驗(yàn)是應(yīng)力篩選，主要是進(jìn)行高溫電老煉、溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)等試驗(yàn)，串行施加電、熱和機(jī)械應(yīng)力激發(fā)相應(yīng)失效模式以剔除存在缺陷的產(chǎn)品?？煽啃栽囼?yàn)評估主要通過單獨(dú)或隨整機(jī)的壽命加速試驗(yàn)考核組件可靠性，這些試驗(yàn)方法和條件主要針對傳統(tǒng)組件的失效模式，對于3DMWM難以達(dá)到可靠性增長或準(zhǔn)確評估的目的。因此，需在掌握3DMWM主要失效模式和機(jī)理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對3DMWM特有的失效模式和可靠性薄弱環(huán)節(jié)，研究有效和可行的3DMWM可靠性增長和可靠性評估的試驗(yàn)方法和條件。

4 3DMWM技術(shù)發(fā)展趨勢和重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域

在分析國內(nèi)外3DMWM的應(yīng)用需求和技術(shù)演進(jìn)及發(fā)展水平基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為3DMWM技術(shù)主要有以下發(fā)展方向：

(1)進(jìn)一步提升集成度

無論是系統(tǒng)或整機(jī)應(yīng)用需求，還是3DMWM自身集成架構(gòu)演進(jìn)趨勢，都表明3DMWM將向功能和性能提升同時(shí)進(jìn)一步減小體積重量發(fā)展。目前的集成度比2D/2.5D多芯片微波組件提升2～10倍，參考微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì)未來3DMWM可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提高一個(gè)量級。

(2)頻段向毫米波和太赫茲擴(kuò)展

毫米波和太赫茲系統(tǒng)和設(shè)備在軍民應(yīng)用中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，毫米波和太赫茲組件技術(shù)發(fā)展迅速。3DMWM在減小體積、低損耗、高可靠性和低成本對毫米波和太赫茲應(yīng)用組件具有重要價(jià)值。目前國內(nèi)3DMWM研究仍主要集中于30 GHz以下微波頻段，而國外研究成果已達(dá)到100 GHz準(zhǔn)太赫茲頻段。預(yù)計(jì)隨著毫米波軍用系統(tǒng)、5G和6G移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展，毫米波和太赫茲三維集成組件將成為研究熱點(diǎn)。

(3)發(fā)射功率和功率密度大幅增加

目前3DMWM主要以中小功率組件為主，但應(yīng)用于微波頻段數(shù)字陣列[5]或相控陣天線[7]的3DMWM已實(shí)現(xiàn)了數(shù)十到百瓦級微波輸出功率。隨著技術(shù)性能要求和抗干擾能力提高，新一代軍用毫米波系統(tǒng)單通道發(fā)射功率也將達(dá)到單通道10 W以上，而集成密度則比微波頻段提高近百倍，據(jù)此預(yù)計(jì)3DMWM功率密度相應(yīng)提升10～100倍，并牽引大功率3DMWM技術(shù)突破和產(chǎn)品研發(fā)。

(4)與微系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同發(fā)展

3DMWM的發(fā)展過程表明微系統(tǒng)技術(shù)是其技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和主要推動(dòng)力。目前，微系統(tǒng)技術(shù)仍在迅速發(fā)展中，目標(biāo)之一正是晶圓級集成射頻陣列，其諸多新技術(shù)可直接應(yīng)用于3DMWM中，助力組件集成度和功能性能提升。3DMWM技術(shù)的發(fā)展，特別是高性能微波基板、高頻寬帶信號三維傳輸、組件級高效散熱等技術(shù)也會(huì)對反過來促進(jìn)高頻大功率微系統(tǒng)技術(shù)突破，兩者將實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)和更緊密協(xié)的同發(fā)展。

結(jié)合目前國內(nèi)3DMWM技術(shù)發(fā)展水平和未來發(fā)展方向，建議國內(nèi)重點(diǎn)開展以下關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)：

(1)積極布局高性能多層微波基板材料、輕量化熱匹配金屬基新材料，三維堆疊集成及封裝工藝和3DMWM可靠性基礎(chǔ)理論等基礎(chǔ)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研究，為3DMWM技術(shù)快速發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論和工藝基礎(chǔ)。

(2)突破基于多物理場緊耦合建模仿真的3DMWM先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)和以毫米波寬帶高密度垂直互連、三維高效散熱等為代表的關(guān)鍵技術(shù)，為下一代高性能3DMWM的研發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

(3)逐步建立3DMWM先進(jìn)集成架構(gòu)及設(shè)計(jì)、工藝和測試等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前3DMWM技術(shù)還不成熟，集成架構(gòu)和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，主要還是沿用傳統(tǒng)微波組件相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并依靠設(shè)計(jì)師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，難以有效指導(dǎo)和規(guī)范3DMWM開發(fā)和應(yīng)用，迫切需要開展技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通用規(guī)范建設(shè)。

(4)積極推動(dòng)先進(jìn)的3DMWM自動(dòng)化生產(chǎn)制造技術(shù)研究。目前3DMWM還未實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化生產(chǎn)制造，尤其在芯片組裝、調(diào)試和測試等環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度還很低。相比于傳統(tǒng)微波組件，3DMWM工藝過程更加復(fù)雜，難以通過后期調(diào)試提高產(chǎn)品成品率，快速準(zhǔn)確測試的難度大。全自動(dòng)化生產(chǎn)制造技術(shù)是保證3DMWM產(chǎn)品質(zhì)量和一致性，提高量產(chǎn)效率和成品率，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V應(yīng)用的必由之路。

5 結(jié)束語

3DMWM技術(shù)作為新材料、新工藝、微系統(tǒng)技術(shù)和微波技術(shù)等交叉學(xué)科領(lǐng)域，符合軍民用微波系統(tǒng)和整機(jī)設(shè)備微型化、綜合化、高性能、高可靠性等發(fā)展趨勢，當(dāng)前研究活躍，發(fā)展迅速。通過充分借鑒吸收相關(guān)領(lǐng)域的最新成果，夯實(shí)理論和技術(shù)基礎(chǔ)，逐步建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，將大大加快3DMWM技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品性能提升，實(shí)現(xiàn)微波組件升級換代，必將在先進(jìn)軍用電子裝備、5G/6G通信、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。