劉媛萍，張成果，王曉龍，孫 鵬，賈旭洲

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

星載有源相控陣天線具有高增益、低副瓣、高分辨率和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展很快、應(yīng)用潛力非常大的一種適用于星載的天線形式[1]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)首次成功應(yīng)用相控陣天線系統(tǒng)[2-3]，同時多個衛(wèi)星型號均已開始相控陣天線的研制。相控陣天線系統(tǒng)由天線陣面、T/R組件、網(wǎng)絡(luò)及電源等部分組成，其中T/R組件連接天線陣面和網(wǎng)絡(luò)，主要實(shí)現(xiàn)對發(fā)射、接收信號的放大以及對信號幅度、相位的控制，是相控陣天線的核心部件[4]。因此T/R組件的性能很大程度上決定了相控陣天線的性能，這對T/R組件的幅度、相位一致性提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的T/R組件采用手工組裝，這種組裝方式效率低且難以滿足一致性的要求。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，采用自動組裝設(shè)備進(jìn)行T/R組件組裝在國內(nèi)外開始逐步應(yīng)用，但在星載T/R組件的組裝中還存在以下問題：1)相對于地面相控陣?yán)走_(dá)，星載相控陣天線T/R組件布局密度更大，可靠性要求更高，自動化組裝難度更大，砷化鎵(GaAs)芯片自動貼裝、雙金絲鍵合及自動金帶鍵合等關(guān)鍵問題亟待解決；2)星載產(chǎn)品高復(fù)雜度、高可靠性和高性能指標(biāo)要求之間的矛盾難以調(diào)和，產(chǎn)品設(shè)計工藝性對自動化組裝不友好；3)宇航產(chǎn)品要求生產(chǎn)過程記錄詳實(shí)，耗費(fèi)大量時間和人力，難以與自動化組裝的效率相匹配，自動化組裝的效率優(yōu)勢體現(xiàn)不明顯。

為了解決星載T/R組件自動化組裝過程存在的上述問題，本文基于數(shù)字化制造思路，針對某型號相控陣天線T/R組件,從工藝方案、設(shè)計工藝性和自動化組裝技術(shù)等方面進(jìn)行研究，形成了一套自動化組裝設(shè)計工藝性標(biāo)準(zhǔn)，突破了自動貼裝和鍵合中多個技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了星載T/R組件的全自動組裝生產(chǎn)，為星載T/R組件智能制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 T/R組件結(jié)構(gòu)和工藝方案分析

1.1 T/R組件結(jié)構(gòu)分析

本文以某型號相控陣天線T/R組件為例進(jìn)行分析，該T/R組件每6個通道形成一個圓形陣面單元，每個T/R成扇形結(jié)構(gòu)。T/R組件采用硅鋁管殼，通過激光封焊實(shí)現(xiàn)氣密封裝；采用正、反面立體布局，并通過垂直絕緣子實(shí)現(xiàn)正、反面垂直互聯(lián)；正面采用一塊大尺寸LTCC多層電路基板，同時實(shí)現(xiàn)射頻傳輸和控制電路的高度集成；組件內(nèi)部集成電源控制、低噪聲放大、功率放大、濾波、移相、溫補(bǔ)等功能，全部由裸芯片集成組裝，射頻各功能模塊通過圍框和小蓋板實(shí)現(xiàn)屏蔽隔離，實(shí)現(xiàn)在滿足復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境和功能要求的基礎(chǔ)上的組件小型化。

1.2 T/R組件工藝方案分析

T/R組件的總體工藝方案以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高可靠性為目標(biāo)，選擇較為成熟且可靠性高的工藝方法和組裝材料，主要包括一體化焊接工藝、芯片共晶焊接工藝、GaAs環(huán)氧粘接工藝、引線鍵合工藝以及激光封焊工藝，主要工藝流程如圖1所示。一體化焊接采用SnPb焊料實(shí)現(xiàn)大尺寸LTCC基板、圍框和阻容元器件一體焊接[5-6]。對于散熱要求較高的功放芯片，采用AuSn共晶焊接工藝，焊接空洞率控制在10%以下，實(shí)現(xiàn)良好的散熱性能和射頻接地性能；熱耗較低的其他芯片，采用環(huán)氧導(dǎo)電膠粘接工藝，環(huán)氧粘接工藝具有簡單便捷的特點(diǎn)[7]，且容易實(shí)現(xiàn)自動化組裝。本產(chǎn)品中除功放芯片外，全部采用自動環(huán)氧貼裝。引線鍵合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部電路互聯(lián)，采用常規(guī)金絲互聯(lián)，考慮到射頻傳輸性能和鍵合效率，射頻通路采用金絲楔焊，其他位置金絲采用金絲球焊。金帶鍵合是實(shí)現(xiàn)外殼上連接器，絕緣子與內(nèi)部電路互聯(lián)的主要方式，金帶的自動化鍵合目前應(yīng)用較少，尤其對于射頻垂直絕緣子上的金帶鍵合，本次產(chǎn)品中首次實(shí)現(xiàn)自動鍵合。最后，通過正反面激光封焊實(shí)現(xiàn)組件的氣密性封裝。

圖1 T/R組件工藝流程

1.3 基于數(shù)字化組裝生產(chǎn)線的工藝路徑

數(shù)字化組裝技術(shù)在宇航產(chǎn)品中應(yīng)用，一方面要解決自動化組裝工藝技術(shù)，另一方面還需要解決產(chǎn)品生產(chǎn)過程的記錄和追溯問題。因此，基于小批量柔性組裝的特點(diǎn)，本次研究構(gòu)建了MHD柔性數(shù)字化生產(chǎn)線，如圖2所示[8]。

圖2 柔性數(shù)字化生產(chǎn)線布局

產(chǎn)線以自動組裝設(shè)備、物料輸送系統(tǒng)，結(jié)合產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于結(jié)構(gòu)化的工藝路徑的產(chǎn)品自動流轉(zhuǎn)。產(chǎn)線控制系統(tǒng)通過產(chǎn)品身份特征智能識別產(chǎn)品的工藝路徑、已完成的工序以及待進(jìn)行的工序，并通過軌道將產(chǎn)品流轉(zhuǎn)到待加工工序，同時通過掃碼自動記錄開始加工時間和完成加工的時間。另一方面，自動化設(shè)備通過SECS/GEM接口與控制系統(tǒng)集成，控制系統(tǒng)對組裝過程設(shè)備工藝數(shù)據(jù)實(shí)時采集，實(shí)時獲取工藝數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品組裝過程全追溯。

2 自動組裝關(guān)鍵工藝技術(shù)研究

2.1 芯片自動貼裝技術(shù)

T/R組件中芯片、芯片電容、溫補(bǔ)衰減器、濾波器等芯片類器件，采用H20E環(huán)氧導(dǎo)電膠，在全自動貼裝設(shè)備上實(shí)現(xiàn)貼裝。針對星載微波T/R組件，需要突破GaAs芯片貼裝技術(shù)以及小尺寸芯片的貼裝質(zhì)量一致性。

2.1.1 自動貼裝設(shè)計工藝性

針對基于數(shù)字化產(chǎn)線的自動貼裝，在設(shè)計工藝性方面，充分考慮貼裝焊盤設(shè)計、貼裝干涉性以及貼裝效率優(yōu)化。芯片貼裝焊盤設(shè)計需考慮芯片的類型、尺寸、導(dǎo)電膠點(diǎn)膠圖形，其尺寸應(yīng)略大于芯片尺寸，以避免芯片貼裝后導(dǎo)電膠溢出焊盤導(dǎo)致設(shè)計的絕緣間距減小或?qū)щ娔z溢出不合格。為滿足導(dǎo)電膠溢出要求，同時盡可能實(shí)現(xiàn)高密度布局，芯片焊盤的尺寸應(yīng)設(shè)計為比芯片尺寸大0.2～0.3 mm。貼裝焊盤的布局設(shè)計要求貼裝器件的位置應(yīng)與管殼側(cè)壁、阻容元件以及其他干涉物保持一定距離，避免貼裝時吸嘴干涉。因此在設(shè)計時貼裝件中心距離管殼側(cè)壁應(yīng)大于吸嘴半徑，并留有0.1～0.2 mm的安全余量。同時對于微波部組件中常見的深腔，應(yīng)關(guān)注管殼腔深不能過深，腔體深度不超過7 mm，否則吸嘴安裝盤將與管殼干涉，無法貼裝。

2.1.2 自動貼裝關(guān)鍵技術(shù)研究

1)GaAs芯片的貼裝

GaAs裸芯片表面具有圖形電路，并且存在空氣橋、無鈍化層保護(hù)或鈍化層極薄的特點(diǎn)。此類GaAs裸芯片的貼裝，在拾取芯片時，需要避開芯片表面電路圖形及空氣橋，用鑷子夾取芯片完成貼裝，對操作人員的技能水平要求極高，并且貼裝效率低。采用自動貼裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)GaAs芯片的自動貼裝，是實(shí)現(xiàn)T/R組件自動組裝的關(guān)鍵技術(shù)[9]。

貼裝GaAs芯片的關(guān)鍵是采用合適的吸嘴并優(yōu)化吸取貼裝參數(shù)，確保芯片表面無損傷且貼裝質(zhì)量滿足要求。一般對于GaAs芯片的自動貼裝有兩種思路，一種是采用避開芯片表面電路圖形的鎢鋼吸嘴，另一種是采用軟性橡膠吸嘴，直接接觸芯片表面電路[10-11]。如圖3所示，鎢鋼吸嘴具有硬度高，耐磨性好，加工精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時吸嘴設(shè)計及貼裝時需要確保吸嘴不接觸芯片圖形區(qū)域。針對該產(chǎn)品中的芯片貼裝，采用鎢鋼吸嘴，吸嘴設(shè)計壁厚0.05 mm。根據(jù)不同的芯片尺寸和表面電路圖形設(shè)計鎢鋼吸嘴，吸嘴只接觸芯片邊緣區(qū)域，避免貼裝時損傷芯片表面的電路。

(a)芯片表面的敏感結(jié)構(gòu)

2)小尺寸芯片的貼裝

固定衰減器、芯片電容等是T/R組件中最常用的芯片，這類芯片尺寸較小，長寬僅0.5 mm，且芯片之間的間距非常小，因此對膠量控制要求非常高。采用傳統(tǒng)的氣壓點(diǎn)膠貼裝方式存在膠量一致性差、芯片表面上膠風(fēng)險高且導(dǎo)電膠溢出不合格等質(zhì)量問題[12]。

針對以上問題，提出采用蘸膠的方式代替氣壓點(diǎn)膠方式，蘸膠頭直徑設(shè)定為0.3 mm，蘸膠涂覆膠型設(shè)計見圖4。采用蘸膠頭涂覆4個“點(diǎn)”，組成固定衰減器的涂覆膠型。為實(shí)現(xiàn)芯片貼裝后導(dǎo)電膠100%溢出，且溢出控制在0.1～0.15 mm，將相鄰“點(diǎn)”與“點(diǎn)”的中心距設(shè)定為0.28 mm。經(jīng)過現(xiàn)場操作實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用該設(shè)計圖形，導(dǎo)電膠涂覆厚度在30 μm以上，采用Datacon2200進(jìn)行全自動點(diǎn)膠和貼裝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

(a)芯片上膠 (b)蘸膠效果 (c)改進(jìn)后貼裝效果

表1 蘸膠參數(shù)貼裝外觀質(zhì)量

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，膠型涂覆一致性好，膠液中無氣泡出現(xiàn)，膠型尺寸略大于固定衰減器。貼裝后導(dǎo)電膠溢出連續(xù)，大于粘接件周長的75%，四個角膠量飽滿無“懸空”，無明顯角度傾斜，溢出膠高度滿足要求，同時芯片表面無上膠情況出現(xiàn)。

2.2 自動引線鍵合技術(shù)

自動鍵合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部所有電路互聯(lián)，包括金絲鍵合和金帶鍵合，金絲鍵合又包括楔焊鍵合和球焊鍵合兩種方式。引線鍵合是實(shí)現(xiàn)組件內(nèi)部電路互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電路功能的關(guān)鍵工序。為實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的自動引線鍵合，設(shè)計工藝性應(yīng)滿足自動鍵合的要求，此外，需要攻克GaAs芯片上雙金絲鍵合和垂直絕緣子上金帶鍵合兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 自動鍵合設(shè)計工藝性

在設(shè)計工藝性方面，需要考慮合理的選擇鍵合方式，實(shí)現(xiàn)鍵合效率和可靠性最優(yōu)化。因此射頻傳輸方向采用金絲楔焊，且全部采用雙金絲鍵合以實(shí)現(xiàn)良好的射頻傳輸性能；除傳輸方向，其他鍵合位置全部采用金絲球焊鍵合。鍵合干涉性設(shè)計是自動鍵合工藝性設(shè)計最為復(fù)雜的部分，尤其對于楔焊鍵合，由于劈刀及鍵合頭部的不對稱性，需要根據(jù)劈刀結(jié)構(gòu)、鍵合引線的方向，第一點(diǎn)還是第二點(diǎn)分別考慮鍵合點(diǎn)周圍干涉物的距離。

2.2.2 自動鍵合關(guān)鍵技術(shù)研究

1)雙金絲鍵合技術(shù)

雙金絲鍵合要求在不足100 μm的焊盤上鍵合兩根金絲，兩根金絲之間留有明顯間隙，且兩根金絲均不能超出焊盤。而常規(guī)的鍵合劈刀端頭寬度已達(dá)到100 μm，金絲鍵合焊點(diǎn)形變后尺寸也在40～45 μm之間，無法滿足鍵合雙絲的要求。

針對該問題，從鍵合劈刀結(jié)構(gòu)改進(jìn)和鍵合參數(shù)優(yōu)化兩個方面入手解決自動鍵合問題[13]。為了解決鍵合第二根金絲時劈刀碰觸第一根金絲造成干涉的問題，將劈刀端頭在寬度方向由100 μm收窄到50 μm，優(yōu)化為圖5(b)所示的劈刀端頭結(jié)構(gòu)。采用改進(jìn)后的劈刀進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，在原鍵合參數(shù)的基礎(chǔ)上，降低型變量、鍵合功率和壓力，得到焊點(diǎn)寬度為35～40 μm之間的鍵合焊點(diǎn)，如圖5(c)所示。

(a)通用劈刀端頭 (b)改進(jìn)后劈刀端頭 (c)雙絲鍵合效果

采用改進(jìn)后的劈刀結(jié)構(gòu)，在芯片上鍵合20根金絲，鍵合拉力在12.252～13.551 g之間，失效模式均為第一點(diǎn)引線斷裂，鍵合拉力相比于原劈刀效果無降低，焊點(diǎn)外觀一致性更好。

2)垂直絕緣子上自動金帶鍵合

垂直絕緣子鍵合的瓶頸是多重因素累加造成的[14]。這些因素主要包括：絕緣子自身結(jié)構(gòu)為高出平面的細(xì)長棒狀結(jié)構(gòu)時，加載超聲能量導(dǎo)致絕緣子本身和劈刀形成共振，使得超聲能量耗散掉；絕緣子的端面外延是圓弧，導(dǎo)致其端面和劈刀的接觸面積更小，兩者之間無法充分接觸導(dǎo)致無法壓焊牢固甚至壓不上；絕緣子本身的物料的公差以及焊接時產(chǎn)生的公差等疊加因素都會增大絕緣子全自動鍵合過程中的難度。以上這些問題，使得自動金帶鍵合實(shí)現(xiàn)高可靠性、高一致性的鍵合更為困難。

針對該問題，對不同規(guī)格的絕緣子進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)絕緣子直徑大于0.45 mm，高度小于 0.7 mm時，同時使用更薄的金帶，更容易實(shí)現(xiàn)良好的金帶鍵合。針對超聲能量耗散問題，主要采用參數(shù)優(yōu)化的方式解決。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降低劈刀在接觸鍵合端面的速度，可使劈刀下落壓在絕緣子端面時更加穩(wěn)定。這種下落速度的降低也一定程度上緩解了超聲耗散的程度，使得壓焊時絕緣子更加穩(wěn)定。圖6為經(jīng)過優(yōu)化后不同規(guī)格絕緣子上的金帶鍵合強(qiáng)度，均能滿足規(guī)范要求的鍵合強(qiáng)度。

圖6 垂直絕緣子上金帶鍵合拉力

3 基于數(shù)字化的星載相控陣收發(fā)組件自動組裝實(shí)踐

以某型號T/R組件組裝任務(wù)為載體，采用本研究得到的自動組裝生產(chǎn)線，投產(chǎn)近600只，產(chǎn)品中GaAs芯片全部采用自動貼裝，所有金絲采用自動鍵合，調(diào)用MHD柔性數(shù)字化生產(chǎn)線自動貼裝設(shè)備3臺，自動鍵合設(shè)備3臺，T/R組件出產(chǎn)節(jié)拍可達(dá)到10 min/只。結(jié)合自動光學(xué)檢測的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品免人工檢驗(yàn)，免調(diào)試的高效出產(chǎn)。對產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，該產(chǎn)品一次交檢合格率達(dá)到99.6%，無超差或讓步接收產(chǎn)品。

4 結(jié)論

宇航用T/R組件不斷向輕量化、小型化發(fā)展，形成了T/R組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成度高的特點(diǎn)，本研究針對某型號L頻段T/R產(chǎn)品數(shù)字化組裝工藝方案進(jìn)行了簡單介紹，對自動組裝的設(shè)計工藝性要求和主要的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了論述，并提出了針對性的解決措施。通過該批量產(chǎn)品的在線組裝，驗(yàn)證了研究結(jié)果的實(shí)用性和正確性，為星用微波部組件的自動化組裝積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為數(shù)字化制造提供了許多可借鑒的思路。