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雷达产业链大会 基于陶瓷基板的微系统T/R组件以其小巧的体积、高密度和轻量化特性，正在逐步替代传统的微组装砖式T/R组件。在新的微系统封装技术路线的推动下，T/R组件对微电子焊接技术的需求发生了显著变化。 随着相控阵雷达技术的进步，尤其是微系统封装技术、机电热一体化设计能力的增强以及低成本封装技术的引入，基于微系统封装设计的T/R组件正在逐渐取代传统的微组装砖式T/R组件，成为行业研究的焦点。这些微系统T/R组件能够满足新一代相控阵天线对低剖面、高密度和轻量化的需求，其单位面积内的组件密度比以往增加了10到100倍，数量的显著增加使得T/R组件在雷达总成本中的比重进一步提高。因此，探索微系统T/R组件中关键的微电子焊接技术，以及提高焊接工艺的质量与可靠性同时降低成本，对新一代相控雷达技术的发展和应用具有直接影响。 目前，尽管微系统T/R组件经历了数代发展，但鉴于其可靠性、使用成本等因素，目前的封装主要还是基于陶瓷基板的T/R组件三维封装。这需要一系列微电子焊接封装技术，包括围框钎焊技术、焊球/焊柱钎焊技术、基板与器件钎焊技术、高密度键合技术以及盖板气密封焊技术等。尽管国内外已有许多关于这些单一技术的研究和概述，但很少有文献对微系统T/R组件的微电子焊接技术需求进行全面的讨论。 如图1所示，基于陶瓷基板的微系统T/R组件通常采用低温共烧或高温共烧陶瓷作为基板材料。在陶瓷基板的底部，焊接点常用焊球或焊柱进行连接，而组件内部则结合了平面微组装和基板三维堆叠技术。由于T/R组件的封装集成度较高，微波芯片等器件的失效难以完全避免。在环境试验后，部分组件可能需要拆盖并进行返修。因此，可二次封焊的可伐围框与铁镍合金盖板成为了一种理想的封装选择。在当前技术水平下，微波器件常用的轻量化外壳，如钛合金、铝硅等材料，并不适用于基于陶瓷基板的微系统T/R组件的封装。  a 采用焊球封装的组件结构  b 采用焊柱封装的组件结构 图1 基于陶瓷基板微系统T/R组件结构 陶瓷基板微系统T/R 组件焊接关键技术 围框钎焊技术 微系统T/R组件基于陶瓷基板，其围框通常选择可伐材料，围框与基板的封装结构如图2展示。为了实现温度梯度的分布，行业内通常对可伐围框与基板的焊接面进行镍镀处理。利用银铜钛(Ag-Cu-Ti)钎料对陶瓷/可伐接头进行真空钎焊，接头的最小强度达到30MPa，最大强度可达144MPa。陶瓷-钎料-可伐接头的金相组织如图3所示，界面组织均匀一致，其气密性检测实现了小于1×10-8Pa·m3/s的漏率。部分从业者会在围框与基板的焊接面镀镍/金，然后使用金锗(Au-Ge)、金镓(Au-Ga)、金硅(Au-Si)、金银硅(Au-Ag-Si)、金锡(Au-Sn)、铅90-锡(Pb90-Sn)等钎料进行真空钎焊（无助焊剂）或回流焊（有助焊剂）。  图二 围框与基板的封装结构 值得关注的是，为了提升焊接质量，在真空钎焊过程中，以往的研究重点集中在焊接温度、工艺参数等方面。然而，通过近年来对失效案例的分析，发现由于镀层质量不佳、镍镀层或镍金镀层的局部区域受热起泡、镀层颜色异常等问题导致的焊接失效情况日益增多，这要求对测试方法和镀层控制工艺进行整合和优化。陶瓷基板镀层起泡现象如图4所示。而采用回流焊方法钎焊围框时，除了要控制回流温度，建议采用建立辉等提出的方法，在基板金属化层上制作阻焊网格线，作为焊接时挥发气体的逸出通道，以排出助焊剂残留物和气泡，防止因表面力差异导致的钎料溢出污染。实验结果表明，这种方法能使器件的总钎透率从70%提升至85%，单个最大空洞面积在钎焊区域面积的占比从大于10%降低至小于5%。 由于银基和金基钎料成本较高，在需要气密封装的应用中使用这些材料会增加T/R组件的成本。此外，常用的银基和金基钎料的再结晶温度已经接近其熔点，而且钎焊密封面直接暴露在外界环境中，这使得非共晶成分的钎料（如铅锡合金）在钎焊界面更容易发生蠕变失效或在界面形成柯肯达尔空洞，从而在后续的严格环境试验中导致气密失效。因此，除了在特定的应用场合，如太空和工业电子芯片封装，选择使用银基或金基钎料外，对于其他需要金属围框钎焊的场合，建议优先考虑使用铜锡钛（Cu-Sn-Ti）合金钎料。这种钎料的接头强度为42 MPa，钎透率和气密性能够满足使用要求。使用铜锡钛合金钎料不仅能显著降低成本（以实时价格计算，成本仅为银基钎料的1/50、金基钎料的1/4500），还能有效避免非共晶软钎料的蠕变失效风险。  图3 陶瓷-钎料-可伐地金相组织  图4 陶瓷基板镀层起泡现象 焊球/ 焊柱钎焊技术 在基于陶瓷基板的微系统T/R组件中，焊球和焊柱被用于实现信号的输入和输出。为了适应板级表面组装技术（SMT）的整体工艺要求并满足温度梯度的分布，需要在陶瓷基板上预留一个低温钎焊的工艺窗口。从提高封装可靠性的角度来看，目前普遍采用熔点为183℃的Sn63Pb37钎料来进行植球和植柱的工艺。根据IPC-7095D标准和美国军事标准的相关规定，焊球封装的高可靠性T/R组件的尺寸应小于15 mm×15 mm，而焊柱封装的组件尺寸应小于52.5 mm×52.5 mm。鉴于陶瓷基板与电子电路板之间存在显著的热失配问题，为了延长焊球和焊柱的使用寿命，建议使用金属基（例如铜）增强材料。陶瓷基板背面的植球和植柱实物如图5所示，展示了这一技术的实际应用。 在微系统T/R组件的设计中，控制重量是一个关键因素。除了使用铜丝缠绕的焊柱外，其他金属基增强焊球和焊柱由于自身重量较大，因此在T/R组件中的应用受到了限制。为了减轻陶瓷基板与电子装联基板之间的应力，降低由边缘翘曲引起的焊点故障风险，我们需要采取一系列措施。首先，我们必须严格遵守标准规定的尺寸限制，以控制T/R组件的尺寸。其次，对于焊球，可以采用底部填充胶粘、边缘绑定胶粘等加固技术。梅聪等的研究表明，在-55至125℃的测试条件下，经过底部填充保护的焊球焊点寿命可达到1350个循环，相比没有底部填充保护的焊球，寿命提高了两倍。此外，针对焊柱，已经开发出一种双重加固抗应力工艺，即铜丝缠绕叠加局部底部填充胶粘，这种方法可以将残余应力减少超过70%，从而提高焊点的可靠性。  焊球(左)/焊柱(右)及其特点 采用胶填充工艺的封装方式存在一个主要问题：一旦填充胶固化，被封装的面部将无法进行后续的返修工作。这一问题已经引起了行业工作者的关注，他们对此进行了深入研究，并开发出了一种新型的自防护Sn-Pb环氧树脂复合焊膏。该复合焊膏的使用使得焊球/焊柱的焊点返修变得更加可行。图6展示了使用这种焊膏的焊点结构。 实验结果表明，这种环氧树脂复合焊膏的焊点剪切强度达到了54.51 MPa，相比传统焊膏，剪切强度提高了36.3%。此外，经过300次温度冲击后，使用传统焊膏的焊点剪切强度下降了21.2%，而使用复合焊膏的焊点剪切强度仅下降了13.4%。这一数据表明，复合焊膏不仅能够提升焊点的强度，还能够减少因温度冲击导致的性能衰减。 复合焊膏的树脂层较薄，且仅覆盖在焊点表面，这不仅增强了焊点的应力防护，还便于在必要时对封装面进行多次返修。这种新材料的开发为微系统T/R组件的封装提供了新的解决方案，既保证了封装的可靠性，又增加了封装的灵活性。  使用Sn- Pb环氧树脂复合焊膏的焊点结构 基板与器件钎焊技术 在微系统T/R组件的制造过程中，钎焊技术是一个关键步骤。随着新技术的发展，板级表面组装技术（SMT）通常采用熔点为183℃的Sn63Pb37钎料。然而，对于芯片共晶、环行器微机械加工以及围框钎焊等工序，则需使用熔点更高的Au80Sn20钎料。这种不同的钎料应用导致了T/R组件内部某些元件和电路基板以及环行器的钎焊作业面临一定的挑战，因为它们需要使用熔点介于210~250℃之间的含Pb钎料，正如NASA在IPC J-STD-001DS标准中补充要求所指出的，钎料中Pb的质量分数需大于3%。 无铅锡银铜（SAC）钎料与Sn63Pb37钎料相比，熔点低了大约30℃，理论上能够满足焊接温度需求。但是，SAC钎料在焊接过程中容易形成锡须，这些锡须可能会导致电子元器件和精密仪器出现短路问题，如图7所示。锡须的生长已经成为电子产品故障的一个常见原因，并且在军用飞机、民航客机以及军/民用卫星上都有因锡须短路而引发的故障记录。 关于锡须生长的机理，目前存在多种解释，包括位错机制、再结晶机制、氧化层破裂机制、压应力机制和活性锡原子机制等。由于这些机理尚未完全明了，建议在T/R组件等高可靠性产品的封装中，慎重选择机制尚未完全清晰的材料。这要求我们在材料选择上必须谨慎，以确保产品的可靠性和长期稳定性。  a 引脚间短路  b 焊球间短路 图7 锡须生长引起电子产品短路 面对软钎料市场需求的日益增长，行业专家首先考虑了使用熔点介于210至240℃的Pb-In钎料作为替代方案。这种钎料的主要优势在于其与Au元素无反应，因此不会形成硬脆的Au基化合物，从而省去了去金处理的步骤。然而，其缺点是在环境试验中，In元素可能会与镀层发生反应，导致侵蚀过度并最终引发焊接失败。环境试验后，Pb-In焊点的形态如图8所示。这些焊点的剪切强度普遍较低，小于5 MPa，远远无法满足实际应用的需求。 随后，北京有色金属与稀土应用研究所推出了一种新的Pb-Sn-Sb-Ag钎料，其熔点范围在235至245℃之间。这种钎料的优点在于其高强度，并且可以设置在与LED、汽车等消费电子行业中常用的Sn-Sb无铅软钎料相同的回流焊温度。但其缺点在于Pb-Sn-Sb-Ag合金中存在低熔点相，如图9所示的显微组织和差式扫描量热分析（DSC）曲线所示。这种低熔点相会导致Sn63Pb37钎料在210℃的回流焊温度下发生软化，此时接头的强度不超过1 N，从而容易因为炉中链条的振动而导致器件跌落。 为了解决这一问题，结合工程实践以及与北京康普锡威科技有限公司、北京有色金属与稀土应用研究所等单位的联合研究，提出了一种优化合金成分的方法，并成功制备出了改性的Pb-Sn-Sb-Ag钎料。这种改性钎料消除了低熔点相，确保了在210℃的温度下焊点仍具有足够的强度，因此具备了作为微系统封装用软钎料的潜力。  图8 环境试验后Pb-In焊点的形貌  （a）Pb-Sn-Sb-Ag合金的显微组织 （b）Pb-Sn-Sb-Ag合金的DSC曲线 图9 （a）Pb-Sn-Sb-Ag合金的显微组织及差式扫描量热分析 为了降低成本，除了将改性的Pb-Sn-Sb-Ag合金作为微系统封装的软钎料之外，还有两条研究路径可以探索。首先，张富文等人提出在SAC钎料中加入特定的元素，以抑制锡须的生长，确保在T/R组件的整个寿命周期内不会出现锡须问题。其次，可以对传统的Sn-Pb软钎料进行改性，以实现低温焊接和高温使用的目标，这样便可以在210℃的温度下进行两次回流焊接。这两条路径都有着重要的实际应用价值，并且有望在未来的微系统封装领域中发挥关键作用。 高密度键合技术 在微电子封装领域，键合技术扮演着至关重要的角色，尤其是在T/R组件的制造过程中。目前，超过90%的T/R组件芯片通过金丝键合技术来实现电气的互连。随着高密度微系统T/R组件的发展，芯片键合焊盘的尺寸已从100~150微米缩小到50~70微米，同时为了适应组件的高度限制，键合的弧度也需相应减小。这一变化使得传统键合工艺在微系统T/R组件中出现了寄生电感效应和电流趋肤效应加剧的问题，这些问题严重影响了T/R组件的电性能。 为了克服这些挑战，行业内已经开发出了细间距金丝键合工艺和低弧键合工艺。细间距金丝键合的效果如图10所示，井津域等人对20微米金丝的键合进行了研究，通过优化参数，实现了拉力大于0.10牛顿的键合效果。目前，行业工作者已经成功试制了15微米金丝的键合工艺，重点在于精确控制键合参数和对劈刀的优化选择。 普通弧形键合金丝与低弧键合金丝的对比如图11所示，张平升等人基于低弧成丝过程中的参数进行了实验，实现了短跨距（长度为300微米）和超低弧高（高度为80微米）的键合，并指出控制劈刀运动轨迹是该工艺的关键。然而，由于金丝和劈刀材料的限制，对键合工艺技术的低成本化研究还相对较少，这需要行业内的工作者进行更深入的探索。 图10 细间距金丝键合的效果 图11 普通弧形键合金丝与低弧键合金丝 盖板气密封焊技术 在微系统T/R组件的封装过程中，盖板气密封焊技术同样占据着重要的地位。鉴于T/R组件围框常用的可伐合金材料，盖板的选择上需采用铁镍合金以保持匹配。在焊接工艺的选择上，平行缝焊技术是常用的方法。张加波等人的研究指出，平行缝焊工艺的核心在于镀层的熔化焊接过程。 通过精细调整工艺参数，例如将脉冲宽度从10毫秒减少到8毫秒，以及将电极轮角度从10度提升到15度，可以获得与壳壁厚度相当（0.4至0.6倍）的焊缝区域，并有效减少镍金多余物的形成。这样的改进有助于防止组件在颗粒噪声测试和气密测试中出现问题。理想的焊缝区域如图13所示。张潇等人强调了微系统封装对平行缝焊技术的需求，并提出了确保焊缝整齐平滑且质量一致性的推荐工艺参数。 尽管如此，由于材料选择和镀层的限制，对于降低平行缝焊技术成本的研究仍然较少。这方面的探索仍有待进一步的深入研究和发展。 在微系统T/R组件的封装过程中，盖板气密封焊的质量至关重要。焊接缺陷，如漏焊等问题导致的气密性失效，可以通过拆卸盖板并进行重新封焊等返修措施来修复。然而，本研究注意到，实际生产中存在一种特殊失效模式，即陶瓷基体的破裂导致产品漏气失效，这种失效往往在围框钎焊和盖板气密封焊的气密检测环节中难以被发现。尽管陶瓷材料的抗拉强度高达350 MPa，但由于其化学键具有方向性，导致陶瓷的塑性较差，所能承受的拉应力远小于压应力。当陶瓷材料受到拉应力时，即使是微小的裂纹也可能引发剧烈的应力集中，最终导致贯穿性断裂。 围框钎焊、基板与器件焊接、盖板气密封焊以及工装装夹等工艺步骤都可能在陶瓷内部造成应力累积。此外，T/R组件在后续的环境试验中会经历反复的应力循环，这些因素共同作用，可能导致产品失效。这一发现与袁尔千等人的研究结果相符，他们建议严格控制陶瓷烧结的质量，并避免设计中出现易于应力集中的情况，以从根本上减少失效的风险。 结束语 本研究概述了采用陶瓷基板的微系统T/R组件对微电子焊接技术的要求，并探讨了围框钎焊、焊球/焊柱钎焊、基板与器件钎焊、高密度键合以及盖板气密封焊等关键技术。研究结论如下： 1）在新型技术路线上，T/R组件围框钎焊最佳选择是Cu-Sn-Ti钎料，其接头强度达到约42 MPa，不仅满足使用要求，而且与Ag基、Au基钎料相比，成本显著降低； 2）为减轻热失配应力对焊点的影响，焊球封装通常采用底部填充胶粘、边缘绑定胶粘等加固方法，而焊柱封装则常采用铜丝缠绕结合局部底部填充胶粘的双重加固工艺。尽管这种方法存在无法对胶填充封装面进行返修的缺点，但使用新型焊后自防护环氧焊膏既可实现防护，又允许对组件进行多次返修； 3）基板与器件钎焊迫切需要一种熔点在210~250℃范围内的含Pb钎料，以改善回流焊的温度梯度。采用熔点为235~245℃的改性Pb-Sn-Sb-Ag钎料消除了低熔点相，这种改性钎料在微系统封装领域具有巨大的市场潜力； 4）鉴于微系统T/R组件的小尺寸特性，发展高密度键合技术势在必行。目前，已成功实现20 μm金丝的细间距金丝键合以及短跨距、超低弧度的低弧键合； 5）盖板气密封焊主要采用平行缝焊技术。通过优化工艺参数，如将脉冲宽度从10 ms减少到8 ms、将电极轮角度从10°提升到15°等，可以获得理想的焊缝区域。然而，存在一种难以检测和筛选的失效模式，即陶瓷基体破裂导致的产品漏气失效，这需要特别关注并深入研究。 雷达产业链大会 |
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