摩爾定律已接近物理極限，但未來電子信息系統將持續向更高集成度、更高性能、更高工作頻率等方向發展，傳統的集成封裝技術逐漸難以滿足新型系統集成要求。未來的技術發展趨勢將是延續摩爾定律與超越摩爾定律結合起來，通過三維異構異質集成，實現更高價值的系統———微系統。微系統集成技術通過在微納尺度上采用異構、異質方法集成，是實現更高集成度、更高性能、更高工作頻率需求的主要手段。射頻微系統集成技術作為系統微型化趨勢下的先進集成封裝技術，已經成為引領裝備發展、推動電子技術創新的重大基礎技術，是支撐電子信息裝備在傳感、通信領域能力變革的重要技術平臺，同時也是當前電子信息技術研究的核心技術之一。

本文對射頻微系集成技術在軍民領域的應用需求及前景進行了分析，對其技術內涵進行了系統性總結，梳理出微系統集成技術在設計仿真、工藝集成和測試驗證三個方面的體系框架，對技術面臨的挑戰與發展機遇進行了研判，同時提出了射頻微系統集成技術研究的進一步發展思路。

在軍用領域，未來[敏感詞]智能化作戰需求將更加依賴于高集成度的電子信息系統，新一代雷達、通信、電子戰等前沿[敏感詞]的研制對射頻微系統集成提出了迫切的需求。射頻微系統集成可以在微納尺度上基于新理念與新工藝實現功能模塊或子系統高度集成化，進而宏觀上實現[敏感詞]體積與功耗大幅降低、性能與可靠性大幅提升、通道成本與全壽命周期成本大幅降低、支持多功能并逐步具備智能化等特征。

在民用領域，5G/6G 通信、物聯網、無人駕駛、太赫茲成像、生物醫療等領域都對射頻微系統集成提出了廣泛的應用需求。穿硅過孔( TSV) 技術、穿玻璃過孔( TGV) 技術、圓片級封裝( WLP) 技術、三維堆疊等三維異質異構集成技術將前端射頻收發器件、數據處理器件、高頻存儲器件、高效電源等進行整合，能夠大幅提升產品的功能，降低器件互聯的延遲與射頻傳輸不匹配性，實現信號的高頻、寬帶、高速傳輸，進而有效降低產品的功耗和體積。圖 2 為愛立信聯合IBM 實現的 5G 射頻微系統，實現了 64 通道的天線陣列高密度一體化集成。圖 3  為新加坡 A-STAＲ 研究所發布的汽車雷達方面的研究成果，其利用 TSV 技術結合新穎的嵌入式晶圓級封裝技術制作了一款77 GHz 的汽車雷達。

圖3 A-STAＲ 研究所基于晶圓級射頻微系統封裝的77 GHz 雷達

1．2 射頻微系統集成技術內涵

應用于射頻微系統的三維異質異構集成技術是以微納制造及微連接先進封裝工藝為基礎，融入微電子、微機械、微光學、微能源、微流動等各種先進工藝技術而發展起來的射頻微系統專用制造技術，可實現先進射頻系統架構制造，大幅提升性能，解決集成瓶頸問題。在射頻應用領域，例如探測感知的雷達陣面集成，微加工工藝技術主要解決射頻微系統小型化、多功能集成、高可靠的應用需求。其關鍵技術包含 TSV/TGV封裝基板制造技術、多功能低損耗三維異質集成技術、寬帶大功率三維異構集成技術等 。同時，微加工工藝也應具備工藝過程測試、系統測試及可靠性驗證能力。一方面，及時發現工藝缺陷并優化改進，提高微加工的成品率; 另一方面，對射頻微系統進行性能測試驗證并保證系統可靠性。

1．3 射頻微系統集成技術體系

圖 4 射頻微系統集成技術體系

1) 射頻微系統設計仿真技術

2．1 射頻微系統集成技術優勢為產業發展帶來機遇

射頻微系統技術的優勢概括起來就是“更小、更多、更強、更新”。更小指的是系統集成尺度由粗放的宏觀尺寸向精細的微納尺寸發展，表現為體積、重量、功耗等顯著減小; 更多指的是系統功能由單一功能向多功能發展，功能密度提高 1～2 個數量級; 更強指的是系統性能更強，除了帶寬、速度的顯著提高，更是向可重構、自適應、自主化等智能化水平的發展; 更新指的是采用新的集成手段使新概念、新體系、新模式在微系統中集中體現。

射頻微系統技術可以推動軍民用電子信息系統在形態上向片式化、蒙皮化發展，滿足軍用[敏感詞]平臺載荷、民用產品下一代先進集成要求，推進射頻系統的芯片化、通用化，降低研制成本和周期; 在功能上推進整機的數字化、多功能一體化和智能化，催生[敏感詞]系統、民用電子產品體系變革。積極融合民用先進半導體集成技術和標準化封裝集成技術，降低軍用裝備和民用電子設施的復雜度，縮短研制周期，提高維修性，使得下一代射頻系統的規模化生產和降本增效的愿景成為可能。微系統產業的建立和完善，將促使原有產業鏈的整合，并使現有電子信息產品的形態與內涵發生重大變革。

微系統射頻模塊將電源、波控、射頻等芯片通過高密度轉接基板集成封裝在一起，實現模塊的多功能、小型化、高可靠特性。由于集成密度、工作頻率的提升，微系統產品的架構設計對結構、工藝、電路設計帶來多方面的技術挑戰: 首先，信號的隔離與互擾、電源及信號完整性、腔體效應等問題對系統布局布線提出更高要求 ; 其次，芯片熱耗及尺寸增加、互聯間距降低使得材料熱匹配導致熱應力失效問題凸顯; 最后，互聯間距的縮小及端口數量增加、高精度三維疊層、多溫度梯度焊接、產品可返修性等對工藝、材料提出更苛刻的要求 。因此，在產品研制周期不斷壓縮情況下，微系統模塊的實現及工程化應用需要結構、電訊、工藝、熱設計等多專業、多個領域協同設計。

目前，典型的微系統產品研制首先需要開展架構設計，完成產品的初步布局，確定初步工藝路線，完成材料及關鍵器件選型 ; 在此基礎上，針對材料及關鍵元器件特性，開展三維虛擬裝配、熱機應力仿真分析、電磁屏蔽隔離、腔體效應、信號及電源完整性、射頻場路的仿真分析 ，并根據仿真結果優化結構布局; 然后，基板開展布線設計及仿真驗證工作; 最后，進行實物驗證并對設計方案優化定型( 如圖 5 所示) 。

隨著微系統集成度提高，體積明顯減小，功耗明顯降低，但熱效應問題卻越發突出，可能導致器件性能惡化，甚至失效。軍用電子系統大量使用的功率元器件熱流密度更大，應用環境也更加惡劣，其熱管理難度更大。如果沒有良好的冷卻措施，未來芯片溫度將達到6 000 ℃。因此，微系統性能最終受到散熱能力的制約，其熱管理技術是目前迫切需要解決的技術難題 。針對 3D 封裝微系統，新型散熱技術逐漸得到開發，目前正在開發的五種新型熱管理技術及其特點如表 1 所示。

硅基微流道一體化集成技術是目前高效散熱研究的熱點，其中集成 TSV 的微針肋結構是微系統高效熱管理的典型技術之一。該技術在硅轉接板內制作大量的微針肋，熱量通過微針肋周圍腔體上下表面傳輸到冷卻液，與傳統微流道相比，大大提高了散熱能力。同時，微針肋內部制作的 TSV 陣列，既實現了流體的傳輸，同時又保障了電信號的高密度傳輸( 如圖6  所示) 。然而，大部分基于芯片或板級微流道的冷卻系統需要與外界有冷卻介質的接口，這種接口的體積和尺寸可能遠超過芯片的尺寸，這些問題仍需要在未來進行研究解決。

射頻微系統產品在研制及生產過程中，需要進行分層測試、三維疊層后測試，圖 7 為典型的具有射頻微系統特征的三維系統級封裝( SIP) 模塊測試模式。射頻微系統產品工作頻率高、互連間距小、輸入/出口端口多，為保證后續正常裝配使用，對無損測試要求極高，因此對測試治具的設計帶來了極大的挑戰 ，具體體現在以下四個方面:

全硅基三維異構集成特征的射頻微系統焊盤間距更小( 數十微米級別) ，集成度更高，測試夾具加工精度難以滿足要求，需要借助探針臺晶圓測試的技術和理念。由于微系統三維異構集成產品正反兩面都存在射頻輸入/輸出端口，現有成熟圓片測試方法仍不能滿足要求，尤其在毫米波頻段，國內外都沒有成熟的解決方案。目前，晶圓單面測試篩選主要借助探針及定制探卡在探針臺上進行篩選測試，如圖 9 所示; 對于 Cu-pillar 等微凸點的晶圓級篩選測試，國外 Cascade 等廠商也推出了角錐隔膜( Pyramid Membrane) 微波探卡，如圖 10 所示。

在微系統產品全生命周期中，面臨著諸多的問題與挑戰，其中加工過程中的工藝問題和應用過程中的可靠性問題是必須要考慮的部分 。當前面臨的主要工藝問題包括三維集成微系統中 TSV 的良率問題、圓片的減薄和傳送問題、多層芯片的堆疊、低弧度引線鍵合等，面臨的可靠性問題包括工藝加工可靠性、熱失配可靠性、抗干擾可靠性等 。

TSV 垂直互聯涉及的工藝眾多，包括了深孔刻蝕工藝、側壁絕緣工藝、粘附層和種子層的制備、TSV 深孔填充工藝等。每一步工藝的優良與否都會直接影響TSV 的良率，而高密度微系統集成中所應用的 TSV 數目眾多，如何保證 TSV 的良率是一個重要的工藝問題。圖 11 展示了高密度 TSV 結構及 TSV 填充不良導致的 TSV 缺陷問題。

減薄工藝是微系統向小型化發展的必要工藝，可以在 Z 方向上減小系統的體積。隨著晶圓進一步超薄化( 厚度達到 50 μm) ，將呈現柔性特征，給圓片的進一步減薄和后道的傳送帶來很大困難。圖 12 呈現了圓片減薄到一定厚度之后的柔性特征。堆疊工藝是整個微系統三維異質異構集成工藝中的核心之一，也是實現微系統高密度集成不可或缺的工藝。通過堆疊工藝，不僅需要實現微系統的物理固定，還需要實現優良的電學互連。保證堆疊工藝的質量是實現微系統集成的重中之重。

一些微納制造工藝使得微系統在加工過程中就需要考慮可靠性的問題，特別是隨著微系統集成度和復雜度的提高，工藝制造流程也變得更加復雜，諸工藝流程給工藝可靠性帶來了很大的挑戰。圖 13 展示了因工藝間的相互影響導致的焊點開裂情況。與此同時，隨著 SOC 芯片及 SIP 系統熱耗的不斷提升、封裝尺寸的增大、不同材料間熱膨脹系數差異給系統的可靠性設計帶來了挑戰。圖 14 展示了封裝中的熱失配問題。

圖 14 熱失配問題示例

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