刘媛萍，张成果，王晓龙，孙 鹏，贾旭洲

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

星载有源相控阵天线具有高增益、低副瓣、高分辨率和高可靠性等优点，是目前发展很快、应用潜力非常大的一种适用于星载的天线形式[1]。北斗导航系统首次成功应用相控阵天线系统[2-3]，同时多个卫星型号均已开始相控阵天线的研制。相控阵天线系统由天线阵面、T/R组件、网络及电源等部分组成，其中T/R组件连接天线阵面和网络，主要实现对发射、接收信号的放大以及对信号幅度、相位的控制，是相控阵天线的核心部件[4]。因此T/R组件的性能很大程度上决定了相控阵天线的性能，这对T/R组件的幅度、相位一致性提出了更高的要求。

传统的T/R组件采用手工组装，这种组装方式效率低且难以满足一致性的要求。随着智能制造技术的发展，采用自动组装设备进行T/R组件组装在国内外开始逐步应用，但在星载T/R组件的组装中还存在以下问题：1)相对于地面相控阵雷达，星载相控阵天线T/R组件布局密度更大，可靠性要求更高，自动化组装难度更大，砷化镓(GaAs)芯片自动贴装、双金丝键合及自动金带键合等关键问题亟待解决；2)星载产品高复杂度、高可靠性和高性能指标要求之间的矛盾难以调和，产品设计工艺性对自动化组装不友好；3)宇航产品要求生产过程记录详实，耗费大量时间和人力，难以与自动化组装的效率相匹配，自动化组装的效率优势体现不明显。

为了解决星载T/R组件自动化组装过程存在的上述问题，本文基于数字化制造思路，针对某型号相控阵天线T/R组件,从工艺方案、设计工艺性和自动化组装技术等方面进行研究，形成了一套自动化组装设计工艺性标准，突破了自动贴装和键合中多个技术难题，实现了星载T/R组件的全自动组装生产，为星载T/R组件智能制造奠定了技术基础。

1 T/R组件结构和工艺方案分析

1.1 T/R组件结构分析

本文以某型号相控阵天线T/R组件为例进行分析，该T/R组件每6个通道形成一个圆形阵面单元，每个T/R成扇形结构。T/R组件采用硅铝管壳，通过激光封焊实现气密封装；采用正、反面立体布局，并通过垂直绝缘子实现正、反面垂直互联；正面采用一块大尺寸LTCC多层电路基板，同时实现射频传输和控制电路的高度集成；组件内部集成电源控制、低噪声放大、功率放大、滤波、移相、温补等功能，全部由裸芯片集成组装，射频各功能模块通过围框和小盖板实现屏蔽隔离，实现在满足复杂应用环境和功能要求的基础上的组件小型化。

1.2 T/R组件工艺方案分析

T/R组件的总体工艺方案以实现高质量、高可靠性为目标，选择较为成熟且可靠性高的工艺方法和组装材料，主要包括一体化焊接工艺、芯片共晶焊接工艺、GaAs环氧粘接工艺、引线键合工艺以及激光封焊工艺，主要工艺流程如图1所示。一体化焊接采用SnPb焊料实现大尺寸LTCC基板、围框和阻容元器件一体焊接[5-6]。对于散热要求较高的功放芯片，采用AuSn共晶焊接工艺，焊接空洞率控制在10%以下，实现良好的散热性能和射频接地性能；热耗较低的其他芯片，采用环氧导电胶粘接工艺，环氧粘接工艺具有简单便捷的特点[7]，且容易实现自动化组装。本产品中除功放芯片外，全部采用自动环氧贴装。引线键合实现产品内部电路互联，采用常规金丝互联，考虑到射频传输性能和键合效率，射频通路采用金丝楔焊，其他位置金丝采用金丝球焊。金带键合是实现外壳上连接器，绝缘子与内部电路互联的主要方式，金带的自动化键合目前应用较少，尤其对于射频垂直绝缘子上的金带键合，本次产品中首次实现自动键合。最后，通过正反面激光封焊实现组件的气密性封装。

图1 T/R组件工艺流程

1.3 基于数字化组装生产线的工艺路径

数字化组装技术在宇航产品中应用，一方面要解决自动化组装工艺技术，另一方面还需要解决产品生产过程的记录和追溯问题。因此，基于小批量柔性组装的特点，本次研究构建了MHD柔性数字化生产线，如图2所示[8]。

图2 柔性数字化生产线布局

产线以自动组装设备、物料输送系统，结合产线智能控制系统，实现了基于结构化的工艺路径的产品自动流转。产线控制系统通过产品身份特征智能识别产品的工艺路径、已完成的工序以及待进行的工序，并通过轨道将产品流转到待加工工序，同时通过扫码自动记录开始加工时间和完成加工的时间。另一方面，自动化设备通过SECS/GEM接口与控制系统集成，控制系统对组装过程设备工艺数据实时采集，实时获取工艺数据，可以实现产品组装过程全追溯。

2 自动组装关键工艺技术研究

2.1 芯片自动贴装技术

T/R组件中芯片、芯片电容、温补衰减器、滤波器等芯片类器件，采用H20E环氧导电胶，在全自动贴装设备上实现贴装。针对星载微波T/R组件，需要突破GaAs芯片贴装技术以及小尺寸芯片的贴装质量一致性。

2.1.1 自动贴装设计工艺性

针对基于数字化产线的自动贴装，在设计工艺性方面，充分考虑贴装焊盘设计、贴装干涉性以及贴装效率优化。芯片贴装焊盘设计需考虑芯片的类型、尺寸、导电胶点胶图形，其尺寸应略大于芯片尺寸，以避免芯片贴装后导电胶溢出焊盘导致设计的绝缘间距减小或导电胶溢出不合格。为满足导电胶溢出要求，同时尽可能实现高密度布局，芯片焊盘的尺寸应设计为比芯片尺寸大0.2～0.3 mm。贴装焊盘的布局设计要求贴装器件的位置应与管壳侧壁、阻容元件以及其他干涉物保持一定距离，避免贴装时吸嘴干涉。因此在设计时贴装件中心距离管壳侧壁应大于吸嘴半径，并留有0.1～0.2 mm的安全余量。同时对于微波部组件中常见的深腔，应关注管壳腔深不能过深，腔体深度不超过7 mm，否则吸嘴安装盘将与管壳干涉，无法贴装。

2.1.2 自动贴装关键技术研究

1)GaAs芯片的贴装

GaAs裸芯片表面具有图形电路，并且存在空气桥、无钝化层保护或钝化层极薄的特点。此类GaAs裸芯片的贴装，在拾取芯片时，需要避开芯片表面电路图形及空气桥，用镊子夹取芯片完成贴装，对操作人员的技能水平要求极高，并且贴装效率低。采用自动贴装设备实现GaAs芯片的自动贴装，是实现T/R组件自动组装的关键技术[9]。

贴装GaAs芯片的关键是采用合适的吸嘴并优化吸取贴装参数，确保芯片表面无损伤且贴装质量满足要求。一般对于GaAs芯片的自动贴装有两种思路，一种是采用避开芯片表面电路图形的钨钢吸嘴，另一种是采用软性橡胶吸嘴，直接接触芯片表面电路[10-11]。如图3所示，钨钢吸嘴具有硬度高，耐磨性好，加工精度高等优点，同时吸嘴设计及贴装时需要确保吸嘴不接触芯片图形区域。针对该产品中的芯片贴装，采用钨钢吸嘴，吸嘴设计壁厚0.05 mm。根据不同的芯片尺寸和表面电路图形设计钨钢吸嘴，吸嘴只接触芯片边缘区域，避免贴装时损伤芯片表面的电路。

(a)芯片表面的敏感结构

2)小尺寸芯片的贴装

固定衰减器、芯片电容等是T/R组件中最常用的芯片，这类芯片尺寸较小，长宽仅0.5 mm，且芯片之间的间距非常小，因此对胶量控制要求非常高。采用传统的气压点胶贴装方式存在胶量一致性差、芯片表面上胶风险高且导电胶溢出不合格等质量问题[12]。

针对以上问题，提出采用蘸胶的方式代替气压点胶方式，蘸胶头直径设定为0.3 mm，蘸胶涂覆胶型设计见图4。采用蘸胶头涂覆4个“点”，组成固定衰减器的涂覆胶型。为实现芯片贴装后导电胶100%溢出，且溢出控制在0.1～0.15 mm，将相邻“点”与“点”的中心距设定为0.28 mm。经过现场操作实验发现，采用该设计图形，导电胶涂覆厚度在30 μm以上，采用Datacon2200进行全自动点胶和贴装，实验结果如表1所列。

(a)芯片上胶 (b)蘸胶效果 (c)改进后贴装效果

表1 蘸胶参数贴装外观质量

从试验结果可以看出，胶型涂覆一致性好，胶液中无气泡出现，胶型尺寸略大于固定衰减器。贴装后导电胶溢出连续，大于粘接件周长的75%，四个角胶量饱满无“悬空”，无明显角度倾斜，溢出胶高度满足要求，同时芯片表面无上胶情况出现。

2.2 自动引线键合技术

自动键合实现产品内部所有电路互联，包括金丝键合和金带键合，金丝键合又包括楔焊键合和球焊键合两种方式。引线键合是实现组件内部电路互联，实现电路功能的关键工序。为实现高效率、高可靠性的自动引线键合，设计工艺性应满足自动键合的要求，此外，需要攻克GaAs芯片上双金丝键合和垂直绝缘子上金带键合两项关键技术。

2.2.1 自动键合设计工艺性

在设计工艺性方面，需要考虑合理的选择键合方式，实现键合效率和可靠性最优化。因此射频传输方向采用金丝楔焊，且全部采用双金丝键合以实现良好的射频传输性能；除传输方向，其他键合位置全部采用金丝球焊键合。键合干涉性设计是自动键合工艺性设计最为复杂的部分，尤其对于楔焊键合，由于劈刀及键合头部的不对称性，需要根据劈刀结构、键合引线的方向，第一点还是第二点分别考虑键合点周围干涉物的距离。

2.2.2 自动键合关键技术研究

1)双金丝键合技术

双金丝键合要求在不足100 μm的焊盘上键合两根金丝，两根金丝之间留有明显间隙，且两根金丝均不能超出焊盘。而常规的键合劈刀端头宽度已达到100 μm，金丝键合焊点形变后尺寸也在40～45 μm之间，无法满足键合双丝的要求。

针对该问题，从键合劈刀结构改进和键合参数优化两个方面入手解决自动键合问题[13]。为了解决键合第二根金丝时劈刀碰触第一根金丝造成干涉的问题，将劈刀端头在宽度方向由100 μm收窄到50 μm，优化为图5(b)所示的劈刀端头结构。采用改进后的劈刀进行键合试验，在原键合参数的基础上，降低型变量、键合功率和压力，得到焊点宽度为35～40 μm之间的键合焊点，如图5(c)所示。

(a)通用劈刀端头 (b)改进后劈刀端头 (c)双丝键合效果

采用改进后的劈刀结构，在芯片上键合20根金丝，键合拉力在12.252～13.551 g之间，失效模式均为第一点引线断裂，键合拉力相比于原劈刀效果无降低，焊点外观一致性更好。

2)垂直绝缘子上自动金带键合

垂直绝缘子键合的瓶颈是多重因素累加造成的[14]。这些因素主要包括：绝缘子自身结构为高出平面的细长棒状结构时，加载超声能量导致绝缘子本身和劈刀形成共振，使得超声能量耗散掉；绝缘子的端面外延是圆弧，导致其端面和劈刀的接触面积更小，两者之间无法充分接触导致无法压焊牢固甚至压不上；绝缘子本身的物料的公差以及焊接时产生的公差等叠加因素都会增大绝缘子全自动键合过程中的难度。以上这些问题，使得自动金带键合实现高可靠性、高一致性的键合更为困难。

针对该问题，对不同规格的绝缘子进行键合试验，发现当绝缘子直径大于0.45 mm，高度小于 0.7 mm时，同时使用更薄的金带，更容易实现良好的金带键合。针对超声能量耗散问题，主要采用参数优化的方式解决。通过试验发现，降低劈刀在接触键合端面的速度，可使劈刀下落压在绝缘子端面时更加稳定。这种下落速度的降低也一定程度上缓解了超声耗散的程度，使得压焊时绝缘子更加稳定。图6为经过优化后不同规格绝缘子上的金带键合强度，均能满足规范要求的键合强度。

图6 垂直绝缘子上金带键合拉力

3 基于数字化的星载相控阵收发组件自动组装实践

以某型号T/R组件组装任务为载体，采用本研究得到的自动组装生产线，投产近600只，产品中GaAs芯片全部采用自动贴装，所有金丝采用自动键合，调用MHD柔性数字化生产线自动贴装设备3台，自动键合设备3台，T/R组件出产节拍可达到10 min/只。结合自动光学检测的应用，实现了产品免人工检验，免调试的高效出产。对产品生产数据进行统计，该产品一次交检合格率达到99.6%，无超差或让步接收产品。

4 结论

宇航用T/R组件不断向轻量化、小型化发展，形成了T/R组件结构复杂，集成度高的特点，本研究针对某型号L频段T/R产品数字化组装工艺方案进行了简单介绍，对自动组装的设计工艺性要求和主要的技术难点进行了论述，并提出了针对性的解决措施。通过该批量产品的在线组装，验证了研究结果的实用性和正确性，为星用微波部组件的自动化组装积累了丰富的经验，为数字化制造提供了许多可借鉴的思路。