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南京电子器件研究所中国雷达被逼着崛起，多项技术世界领先

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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中国雷达被逼着崛起，多项技术世界领先

中国有一项被逼成世界第一的技术，它就是雷达！

中国雷达有多凡尔赛呢？

这么说吧，它是中国非常罕见，多次公开并承认领先世界的技术之一。

2014年，中国国防报罕见的出了一篇关于“雷达世界领先”的文章，详细介绍了它在预警机上的作用。

2016年时，中国青年网再次罕见的出了一篇标题为“国产预警机性能领先全球”的文章，详细分析了中国雷达从诞生到领先全球的原因。

2023年，《南华早报》再次发表了一篇文章说“中国在美国的重重封锁之下，依然制造出了堪称世界最强的雷达”。

了解兔子调性的都知道，中国一向都很含蓄，就算是某项技术世界领先，也会很谦虚甚至是遮遮掩掩，比如战忽局最喜欢将航母拍的和渔船差不多大小，把驱逐舰拍得和海警船一样人畜无害。

但是雷达和预警机却不一样，我们多年来曾多次高调亮相军事展览，也多次高调报道过，甚至我们的科学家还多次公开表示：中国雷达水平世界领先。

可是你知道，我们这么做的原因吗？

其实这背后有一段艰辛的往事，让我们的雷达技术一步步的被逼到世界领先。

这件事咱们还得从新中国成立开始说起。

当时我们虽然解放了中国，但是军事装备上落后欧美和某省太多了，尤其是防空压力，形同虚设。

沿海的防空哨所没有一个可用雷达，只能靠士兵用望远镜肉眼观察，这种观察根本无法及时发现敌机！

因此敌人的侦察机和战斗机，隔三差五的就闯入我们的领空。

有时候还会对我们的重点场所进行轰炸。

1950年时，敌人的飞机直接轰炸上海区域，不仅造成了大量的人员伤亡和财产损失，还导致整个上海五分之四的电力设备都遭到了破坏。

如果说没有核武器，我们就会一直被军事威胁，那么没有雷达，我们连反抗的机会都没有！

因此急需一款能够对空探测敌机的预警雷达。

可惜，中国雷达发展严重落后其他国家。

世界上第一部雷达诞生在1935年，英国科学家根据无线电信号的反射原理，制造出了世界上第一部雷达。

英国人很快在本土上建立了一系列的雷达站，构建了一个名为“本土链”的雷达探测网络。这个雷达矩阵，在一定程度上改变了英德飞机大战的结局。

当时德国飞机还没飞到英国，英国人就能在一百多公里外，提前侦测到德国飞机的数量和速度等信息，帮助英国空军赢得了不列颠空战的胜利。

二战后，雷达就成为最核心的军事装备，世界各国都在大力投入研发，然后又下放到民间，被用在飞机、汽车、气象等等领域。

雷达不管在军用还是民用领域，都越来越重要。

这样的技术属于被严格保护的范畴，中国曾经尝试引进发达国家的技术，但是都失败了。

即使是苏联老大哥也不愿意将它分享给我们。

中国想要突破只能自己来。

1950年，中国成立了第一电信技术研究所，也叫14所，开始了对苏联雷达的仿制工作。

当时的中国雷达工业完全可以说是从零开始，整个研究所里连一张详细一点的雷达图纸都没有，在没有任何数据和资料的条件下，研究人员把所里唯一的一部苏联雷达样品反复拆解，组装，调试。

然而就算是这一步，中国都用了整整三年。

第一代雷达采用的是磁控管技术。这项技术在现在看来并不难，但是在当时，就属于顶尖的技术范畴。

拿美国举例，他们的雷达技术也不是单纯靠自己，而是在1940年的时候，通过利益输送，与英国进行秘密交易才引进了这项技术。

此后又用了10年才将它提高到毫米级别。

而中国呢？不仅买不到，而且雷达工业的底子相当薄弱。

在新中国成立以前，只在南京有一家雷达修理所，还是靠着美国提供的零部件，修一修坏掉的雷达。

至于雷达的生产能力，整个中国都找不到一家工厂能造出来。

西方专家曾经就断言：中国雷达和国外至少相差30年。

这是一个真实的差距。

但是14所的科学家们却不信邪，他们一遍遍地拆，一遍遍地试，愣是花了几年的时间，才把整部雷达结构原理都摸透了。

1953年，在经历过过上百次试验后，14所终于成功仿制出了中国第一部雷达“314甲中程警戒雷达，结束了中国海防没有雷达的历史。

当时，这款雷达引起了很大的轰动。毛主席亲自参观了警戒雷达，激动地说到：“我们中国人什么都可以做出来。”

这款雷达改变了中国防空的格局，至少不用像以前那样用肉眼观测。

但这，并不代表我们的防空就没有压力了。

“314甲雷达”在技术水平上还比较的落后。

首先它的探测距离仅为80-100千米左右，相当于英国二战前的“本土链”雷达水平，也就是说，我们还落后了至少二十年。

其次是雷达电子技术上也仅限于仿制，部分元器件还得靠苏联进口，没有核心零部件，我们就无法量产雷达。

但好在，我们在“314甲雷达”的研制过程中，首次建立了自己的雷达工业，也培养出了一批专业的研究人才和团队。

这才是“314甲雷达”最大的成就。

靠着这些人，我们很快就在314甲中程警戒雷达的基础上，改进并推出了314乙型雷达。

这款雷达加装了平面位置显示器，探测距离比原型的苏联雷达更远。

到1955年时，已经有84部314乙型雷达被生产出来，装备到了部队一线，我们也由此建立起了第一支专业的雷达防空部队。

但是属于雷达的较量才刚刚开始。

在1950年代-1970年代，欧美开始对雷达进行进一步的改进，其中最重要的技术革新，就是相控阵雷达的问世。

老款磁控管雷达只能向一个特定的方向发射电磁波进行扫描，不能同时向四面八方都发射电磁波，否则就会被地面反射的波影响了精度。

这个毛病对雷达的性能影响还是很大的。

因为飞机不可能只是从一个方向上来袭击你，无论是海面还是陆地，面临的空中威胁都是来自四面八方的。

老款雷达在这方面就有了天然的缺陷。

为了解决这个问题，各个国家创造了两种思路：一种就是建设一个雷达矩阵，每个雷达扫描一片区域，组合起来就是一个完整的雷达探测圈了。另一种则是给雷达安一个能旋转的底座，让雷达转起来，一圈一圈地扫描，这样就能覆盖各个方向了。

可这两种方式都存在很大的缺陷。

雷达矩阵需要大量的雷达，不仅费时费力，而且雷达的位置是固定的，很容易遭到攻击而失去作用。

旋转雷达没有这两个问题，但是雷达的天线重量非常大，比如美国二战后研制的AN/SPS-2远程雷达，天线的重量高达23.6吨，堪称庞然大物。

让这么一个大家伙转起来可不容易，轻则扫描的速度缓慢，重则旋转装置非常容易损坏，更重要的是，即使转起来，它还是会有盲区的，容易遗漏掉或者晚检测到高速前进的目标，导致战机遗失。

为了彻底解决这个问题，科学家创新性提出：相控阵雷达技术。

相控阵雷达其实也是很多雷达集合在一个雷达系统上，但是它和上面说的雷达矩阵不同，它是通过电子控制系统，控制几千个小雷达组件进行扫描。

如果说普通的雷达像人脸上的眼睛，可以观察到我们前方的方向，那么相控阵雷达就相当于昆虫的复眼，想要扫描哪个方向，就调动部分小眼睛盯着那个方向。

相控阵雷达不仅可以跟踪多个目标，而且少了机械旋转结构之后，整部雷达的重量大大降低，机动性变得更强了。

相比于机械扫描雷达，堪称全面进化。

再加上当时的飞机性能越来越强大，相控雷达的作用就显得尤其重要了。

但是由于技术难度高，1960年代时，只有美苏两个国家才有实力研发相控阵雷达，比如说美国的AN/FPS-46、MAR雷达，苏联的“鸡笼”、“狗窝”雷达等等。

这些雷达的性能相当出色。

因此谁拥有相控阵雷达，谁才能被称为军事强国。

当时中国的外部环境非常恶劣，美国和苏联都曾经对我们进行过“核讹诈”，而且还是连续多次公开要轰炸我们。

中国被迫将工业基地转移到了内陆地区。

从1964年到1978年，中国有十三个中西部省份进行了战备为目标的国防、科技、工业等基础设施的建设，也就是著名“三线建设”。

现在很多人已经忘记这个历史了。

但是中国原本就薄弱的工业，因为再次大转移浪费了宝贵的发展时间，中国必须解决核讹诈的威胁甚至还能进行核反击。

事情的转机出现在1963年！

钱学森提出了两个构想，一个是反制敌人核打击的构想，还有一个是进行防御战略核导弹的构想。

核反击反制就是中国要拥有自己的核武器和弹道核导弹，当时中国这两项技术已经进入了最后的攻关阶段，实现核反击指日可待。

反而是如何防御战略核导弹成了最大的问题。

其中最关键就是相控阵雷达，它不仅可以监测多个目标，还可以超远程监测飞行器。

这个构想很快就得到了毛主席的肯定。

1964年，中国三线建设刚刚开始，就紧急成立相控阵雷达项目的研究。

一场关乎中国未来的技术攻坚战开始了！

作为当时国际上最先进的雷达技术，相控阵雷达的技术同样是美苏的核心机密，中国能获得的资料几乎为零。只能再次从最基本的技术原理开始研究，一点一点地摸索出了相控阵雷达的技术要求。

当时国际上很多人依然不看好我们，连欧日等发达国家都无法自主生产得相控阵雷达，中国凭啥率先研发出来？

但是中国别无选择，相控阵雷达就是我们的生死线，不行也得行。

为了加快进度，14所、607所等多个研究所，再次承担起了历史使命，这次他们采取赛马的机制，多个研究所在不同的路线上同时并进。

最终中国工程院院士贲德领导的方案获得了通过。

1972年，代号为7010的相控阵雷达项目正式开工建设，经过四年的建设以及调试之后，正式投入了使用。

我国成为了继美苏之后第三个拥有超远相控阵雷达的国家。

这颗雷达的性能非常优异，刚投入使用不久，它就相继监测到了美国太空实验室、苏联核动力卫星等飞行器，在大气层坠入的时间和轨迹。

之后，我们又以7010的相控阵雷达为基础，在河北省黄羊山建设了一个“亚洲最大的相控阵雷达基地”。

1983年，中国向全球准确预报了苏联一颗卫星残骸的陨落。

为什么要公开这个预测呢？其实就是间接向世界宣布，中国具备核导弹的预警能力，不要再对中国随意进行核讹诈。

再加上两弹一星的诞生，中国结束了十几年被核讹诈的历史。

中外雷达技术的差距缩小到了15年左右。

所以我才说中国雷达技术都是被逼出来的，如果没有别人对我们孜孜不倦的威胁，中国也不会这么急迫的想要突破这项技术。

在中国攻克了相控阵雷达技术后，它就成为中美苏的新战场了！

上世纪80年代后，相控阵雷达新的竞赛又开始了。

第一代相控阵雷达的结构比较简单，它是由一个发射器和接收器，以及多个天线组成，这种结构也叫“无源相控阵雷达。”

它有一个致命的弱点，就是一次只能产生一个波束，精度相对较差，而且不稳定，一旦发射器或者接收器坏了，雷达就瘫痪了！

大家都知道，在战场上雷达就是第一个被针对的装备，因此稳定性特别重要，精度不够也让雷达的作用打了很大的折扣。

因此针对这两个问题，科学家又发明了“有源相控阵雷达”。

它俩的主要区别就像中央空调和普通空调，中央空调只有一套外机，一旦损坏整个空调系统都无法运转；普通挂壁空调则是都有自己的外机，一台外机坏了，其他的还能用。

无源相控阵雷达就是类似中央空调，有源相控阵雷达则像挂壁空调，每个天线上都有一套单独的发射器和接收器，就算某个天线坏了，其他的也能照样工作。

由于要控制这么多的发射器、接收器以及天线，就需要雷达拥有更强的控制硬件，也就是半导体！

新一轮的雷达竞赛就是半导体材料之争。

第一次变革出现在1980年代，砷化镓半导体开始量产。

以前雷达用的是硅基半导体，砷化镓半导体在能耗和电压耐性上表现得更好，在相同的条件下，就能安装更多的雷达组件，可以极大提升雷达的探测精度。

砷化镓实现量产之后，美国很快就把它应用到了雷达上。

1980年，美国研发的F22战斗机上，搭载了APG-77雷达，这款雷达使用的材料，就是砷化镓半导体。

它是当时世界上最先进的机载雷达，探测距离达到290公里，远超其他国家。

中国半导体产业本来就落后，在砷化镓半导体上更是一片空白。

这也导致我们的雷达水平再一次被欧美拉开了差距。

就拿歼10战机来说，当时它的雷达探测距离只有130公里，还不到F22的一半，差距十分巨大。

中国努力了很长时间，也没能扭转局势！

事情的转机出现在第二次变革中。

2005年左右，氮化镓材料开始取代砷化镓。

别看它跟砷化镓只有一字之差，实际上氮化镓属于第三代半导体材料，其功率密度是砷化镓的5-10倍，热导率高出了7倍。

你想想看功率更高，那么相同重量下，它是不是就可以搭载更多的雷达？探测距离直线上升。而且热导出率高，是不是就不用担心发热等问题？

因此氮化镓相控阵雷达的性能全面超越上一代。

就是这一次材料革命，让我们相控阵雷达直接反超欧美。

因为在氮化镓材料上，中国有很多优势。

第一个就是原料优势，氮化镓半导体的主要原材料是氨气和氧化铝。

这两种中国都有，1991年时，中国的合成氨产量就已经是世界第一；2001年，中国铝金属产量也首次成为世界第一，并持续至今。

有了廉价的原材料，中国半导体氮化镓就有了先天的优势，不仅不会被卡脖子，反而还能反过来扼住别人的喉咙。

第二个就是工艺优势：其实也不叫优势，而是不会被卡脖子。

因为要耐受高电压、高电流，氮化镓半导体的制程需求是很低的，手机芯片已经发展到了3nm制程水平，而主流的氮化镓产品的制程都在350~130nm左右。

3nm芯片中国造不出来，可350nm的芯片随便造，而且质量好价格低！

没有被卡脖子，以中国的制造能力，就成了其他国家越不过去的坎！

所以在氮化镓半导体的研究上，反而是我们走在了世界前列。

早在2004年，中国电科十三所就已经研制出了第一块国产氮化镓功率半导体元器件。

2008年时，南京电子器件研究所的一篇论文曝光，其内容显示，我国氮化镓雷达的单个组件功率，就已经达到了119瓦，处于世界领先水平。

反观美国，直到2009年，美国EPC公司才推出了他们的第一个氮化镓功率晶体管。

2012年左右，我们的雷达设备开始更新换代。具体的数据，咱们就不说了！一个是资料公开有限，咱们也查不到什么，还有一个是敏感技术，不瞎谈。

为什么这个时候更新换代呢？

只要看看我们开头说的数据就知道了：

2014年、2016年、2023年都有官方报纸，密集报道中国雷达世界领先的新闻。

还有一个例子是，咱们出口给巴基斯坦的枭龙战机上，用的是风冷式LKF-601E AESA雷达，这款雷达的对空目标探测距离达到300公里，已经超过了美国F-22战斗机上的雷达。

出口的战机差不多就是咱们的上一代产品了，更不用说先进的雷达了。

中国为什么要主动曝光我们的实力？

其实还是被逼的，因为大漂亮老是把飞机、航母开到咱们隔壁，天天围着咱们飞行和航行。

虽然我们的军事实力已经不怕他们了，但是蚊子多了，吵也吵死了！

因此每次美国有什么新的隐形战机、或者骚扰太严重时，我们都会适当透露些消息，镇住宵小之辈，也顺便告诉他们，咱们已经不是新中国那会了，可以任由他们来去自如了。

说它是被逼成世界第一，一点也不夸张吧？

如今雷达已经应用到各个领域。

中国民用雷达也已经崛起，激光雷达已经被中国企业打成白菜价，4D毫米波雷达正在国产替代。

在未来，中国雷达说第二，其他国家就不敢说第一。

好了，我是熊猫，欢迎点赞评论关注加转发，我们下期再见！

基板堆叠型三维系统级封装技术

庞学满周骏梁秋实刘世超

（南京电子器件研究所）

摘要：

系统级封装是将多个具有不同功能的有源电子元件与无源器件组装到一起，组成具有一定功能的封装体，从而形成一个系统或者子系统。在三维系统级封装技术中，基板堆叠是对芯片堆叠的有益补充。从基板堆叠的角度出发，分析了三维系统级封装所需 HTCC 一体化封装外壳形式以及各类三维系统级封装形式，提出系统级封装的发展趋势与面临的问题。

引言

系统级封装技术采取多种裸芯片（晶圆）或模块进行排列组装，若就排列方式进行区分可分为平面式二维（2D）封装和立体式三维（3D）封装结构。采用堆叠的 3D 技术可以增加使用芯片或模块的数量，从而在垂直方向上增加层数，进一步增强系统级封装的功能整合能力。以多功能基板整合的方式也属于系统级封装的范围，此技术主要是将多层基板进行堆叠，以实现多芯片、多功能封装的目的。基板堆叠的三维封装技术是芯片堆叠型封装技术的有益补充，本文将重点研究基板堆叠三维封装技术的具体封装形式、存在问题以及未来发展方向。

1 基于陶瓷基板的系统封装形式

1.1 LTCC基板封装

系统级封装主要用于微波模块的封装技术，国内外在微波模块领域的封装设计制造的技术路径基本一致。一般而言，微波模块具备两种典型的封装形式：一是 PCB 形式，这种形式制造难度较低，是一种比较传统的封装形式，该类封装形式一般尺寸大，对复杂结构的设计和生产构成瓶颈，进一步小型化应用受限；另一种是低温共烧陶瓷（Low tem⁃perature co⁃fired ceramic，LTCC）形式，LTCC 基板的介质损耗低、硬度高，可以实现多层复杂的布线要求，具备实现多通道传输的条件，是目前国内外较常用的系统级封装形式。如果对微波模块气密性有要求的话，一般提供铝基复合金属材料壳体为LTCC基板提供信号输入输出通道、散热通道、机械支撑和受保护的工作环境，这种封装形式尺寸通常也比较大。有采用毛纽扣弹性压接方式实现封装电路与基板之间的垂直互连，但毛纽扣需要较好的精确对位和组装，实用性不强，可靠性较低。为了减小 LTCC 基板与金属壳体气密封装体积，中电43所开发了 BGA 型 LTCC一体化封装外壳，采用Au88Ge12焊料将金属围框焊接在 LTCC 基板密封区，基板背面植入球栅阵列（Ball Grid Array，BGA），由此形成 BGA 型 LTCC 一体化封装外壳，可实现封盖前漏率≤1×10-3Pa·cm3 /s（He）。

1.2 HTCC整体封装

随着微波模块性能指标越发严苛，必须向着更高的集成度和小型化的方向发展。相比于 LTCC技术，高温共烧陶瓷（High temperature co⁃fired ce⁃ramic，HTCC）技术具备更高的可靠性、更低的成本，并且可实现更高的集成度与小型化。同时，基于 HTCC 技术的多层陶瓷外壳可实现更多的封装形式，应用场景更为广阔；外形上通过设计多腔体多通道结构，可以省去为追求气密而设置的外围金属壳体结构，有利于微波模块的进一步小型化。因此，基于 HTCC 的整体封装技术将成为微波模块三维封装领域未来发展的重要方向。美国航空航天局（NASA）、欧洲太空局（EAS）研制的系统级封装组件主要采用陶瓷与金属一体式封装结构，如图1 所示。国外京瓷公司以及 NTK 公司应系统封装要求开发出各种双面腔封装结构，如图 2 所示。国内各外壳厂家在这方面开发了多种不同类型的HTCC 整体封装外壳。中电 55 所按照输出端的不同，定制开发了扁平引线表贴型、针栅阵列（Pin gridarray，PGA）型等一系列 HTCC整体封装形式，应用于各类组件系统，如图 3所示。

1.3 基板三维堆叠封装

（1）电路板堆叠封装

电路板堆叠封装是指在金属壳体内部采用多级基板垂直堆叠而形成的三维封装结构。为了克服毛纽扣带来的可靠性问题，中电 55所以栅格阵列（Land grid array，LGA）封装为基础，以多腔 LTCC⁃LTCC基板垂直互连的方式研制了一款高密度 X波段两通道三维接收模块，封装密度达到 100%，体现了三维立体封装在微波领域的优势。该结构的整体密封需要采用金属壳体进行封装，依靠同轴连接器将金属壳体内部信号传输出来，导致模块整体封装体积仍然较大。同时垂直堆叠基板之间的散热问题是该领域一直存在的问题。传统方法是通过

在金属壳体内部灌胶的方法解决垂直散热问题，但是受限于灌胶本身的热导率比较低，垂直散热效果并不理想。

（2）HTCC一体化堆叠封装

HTCC 一体化堆叠封装是采用 HTCC 工艺制作系统封装外壳，以此为基础进行三维堆叠封装。中电 55 所开发了内腔为多层台阶结构的 HTCC 一体化封装外壳，如图 4 所示。外壳内部分布多层BGA 焊盘面阵，陶瓷底座贴装复合金属热沉，陶瓷侧壁上特定位置贴装复合金属散热片提供垂直散热通道，可有效支撑传统射频前端模组从平面向板级 3D 结构发展。首先，外壳内部 BGA 传输结构替代传统射频模组中向外伸张的同轴连接器传输结构，在大大缩减射频微系统封装尺寸的同时，可确保微波信号的传输效果；其次，通过在外壳内部建立阶梯形式垂直传输结构，可以很容易实现多级基板在外壳腔体内部的垂直堆叠，既满足基板微波信号传输与隔离度要求，又可以通过提升 Z 轴堆叠贴装空间达到减少平面贴装空间与封装总体积的目的，使模块的集成度更上一个新的台阶；同时外壳腔体内部通过贴装垂直与水平的复合金属材料散热片，可以为堆叠的基板提供良好的散热通道，贴装的复合金属材料散热片热导率与传统三维堆叠内部灌胶的热导率相比，提升很大，可以满足数十瓦乃至上百瓦功率芯片散热的要求，这是传统灌胶形式实现垂直散热所难以比拟的优势。

以 HTCC 一体化封装外壳为基础，根据模块内部基板堆叠形式的不同，可以分为如下几种结构：

1）单面腔基板堆叠型封装

外壳内腔为多层台阶结构，基板堆叠在外壳内腔台阶表面，外壳底面引出端为水平引出的金属引线，外壳底面贴装可用于散热的热沉材料。基板材料为低温共烧多层陶瓷或者高温共烧多层陶瓷，表面有多个可局部密封的腔体，可用于封装芯片。基板背面 BGA 焊盘与外壳内腔台阶处的 BGA 焊盘一一对应，将基板通过 BGA焊球焊接到外壳内腔台阶上，最后对外壳整体进行封帽，得到具有三维堆叠形式的封装结构，如图 5所示。

2）双面腔基板堆叠型封装

外壳具有垂直散热通道和双面腔多层 BGA 焊盘面阵结构，采用陶瓷作为外壳射频信号传输的介质材料，可工作在微波至毫米波频段，传输结构为仿同轴形式；外壳为双面腔结构，内腔为双面多层台阶，分布多层 BGA 焊盘面阵结构，外壳底座腔体中间贴装复合金属散热片作为热沉，外壳内腔侧壁上特定位置贴装垂直散热通道。将基板通过 BGA焊球焊接到外壳内腔双面台阶上，最后对外壳双面腔体进行封帽，得到具有三维堆叠形式的双面腔封装结构，如图 6所示。

3）阵列型多通道封装

外壳内腔为多个阵列式腔体结构，对应多个传输通道。基板堆叠在外壳内腔上端面，外壳侧面引出端为水平引出的金属引线，平出式引线传输结构为微带线⁃带状线⁃微带线形式，外壳底面贴装可用于散热的热沉材料。将基板通过 BGA 焊球焊接到外壳内腔阵列台阶上，最后对外壳整体进行封帽，得到具有三维堆叠形式的多通道封装结构，如图 7所示。中电 55 所基于 HTCC 技术开发了多通道阵列腔系统级封装外壳，可用于阵列型基板堆叠与多通道封装，实物如图 8所示。

4）多面三维 SIP封装

还有一些其他形式的三维系统级封装结构，由二维多芯片模块（2D⁃multichip module，2D⁃MCM）向三维多芯片模块（3D ⁃ multichip module，3D ⁃MCM）转换，将芯片贴装面从原来的单面或正反双面提升到立体六面，形成多面三维 SIP 封装。例如中电 43 所采用 HTCC/LTCC 的多层陶瓷技术、厚膜光刻技术、微组装技术等结合，实现“融合式架构 ”，满足系统微小轻薄的需求。基于 HTCC/LTCC 多层基板实现六面体结构，将芯片、电阻、电容等元器件布局于结构件的六个面上，通过表面及内部的金属化连线，实现元器件的电气互联。如图 9所示。

2 基板堆叠型三维封装技术面临的问题与发展方向

2.1 基板堆叠型三维封装技术面临的问题

（1）散热问题

在二维平面型封装中，芯片发热已经对电路性能和可靠性产生了重要影响，采用三维立体型封装后，芯片功耗将随着集成密度的大幅提升而剧增，目前封装内部使用的电介质填充材料导热性能都不是很理想，因此三维集成电路芯片散热问题是必须要考虑的难点问题。目前各研究机构提出了很多解决三维封装散热问题的方案，例如采用高导热芯片衬底材料，或者采用微流道散热技术，但是并没有形成业界公认的可有效解决散热的统一方案。

（2）三维设计电磁兼容问题

三维互连设计的问题主要表现在：第一，三维堆叠的基板结构不一致，要综合对不同的基板进行互连设计，同时还要综合不同通道之间的互连设计，难度很大；第二，由于电磁场是在空间中传播，三维传输电路在空间中堆叠交错布设，射频信号传输中势必造成互相干扰。电磁兼容问题是三维互连设计必然要面临的问题，其复杂性远远超过二维平面传输结构。

（3）可靠性问题

三维封装在使用过程中，由于材料的热膨胀系数存在差异，随着功率传输和环境温度的变化，在焊点中会产生相应的应力，导致焊点疲劳失效。需要研究焊点结构与封装结构可靠性之间的相互影响，研究热循环作用下焊点的应力应变规律，通过优化焊点结构、优化封装结构、设置引力缓冲区等等，提高焊点的可靠性，是三维封装可靠性设计的重要方面。

2.2 基板堆叠型三维封装技术发展方向

基板堆叠型三维封装技术是对硅基微系统发展过程中堆叠方案的有益补充，目前基板堆叠技术已经占据了一定的系统封装份额，未来将在较长一段时间内与硅基微系统堆叠技术并行发展。传统金属壳体内部封装多层基板的形式虽然在小型化方面还存在不足，但由于其具备较高的成熟度，因此在复合应用的情况下将继续长期存在。随着三维封装的发展，HTCC 一体化封装方案将逐步显示其小型化的优势。如何有效解决堆叠型组件的散热问题是三维封装技术领域一直存在的问题，在HTCC 一体化堆叠封装方案中，采用钎焊技术将散热片按照水平与垂直的方式贴装在组件外壳内部特定位置，将功率芯片设置在特定散热区域是解决堆叠型组件的散热问题的一个方案。但是 HTCC一体化封装由于其内导体为钨金属，内阻较大，与内阻较低的金银导体相比，高频传输的导体损耗相对较高，同时传输结构较为复杂，目前的设计仅能满足 40 GHz以下的传输要求，对于复杂结构下更高频率的传输要求还难以满足。随着模块集成度不断提高，体积不断缩小，HTCC 一体化封装堆叠方案有望成为 40 GHz以下的低频模块三维封装技术的首选方案而获得发展，而在高于 40 GHz的高频三维模块领域，需要开发更加先进更低损耗的封装技术。

3 结论

从基板堆叠的角度，分析了三维系统级封装结构，提出 HTCC 一体化封装外壳形式，用于基板堆叠型三维系统级组件封装。该外壳内腔可以提供基板堆叠的多级台阶，同时内腔特定位置设置垂直散热通道，满足堆叠基板的散热要求。基于 HTCC一体化封装外壳，根据基板的不同堆叠方式进一步提出三维封装组件结构，该组件封装结构可以作为芯片级三维系统封装的有益补充。在此基础上提出基板堆叠型系统级封装的发展趋势与面临的问题。散热、电磁兼容、可靠性等方面是系统级封装一直存在的行业难题，基于 HTCC 一体化封装外壳的三维系统级封装可以提供垂直散热通道，有望成为 40 GHz 以下的低频模块三维封装技术的首选方案。

中国雷达被逼着崛起，多项技术世界领先

基板堆叠型三维系统级封装技术

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