2.4 典型电子微组装组件
2.4.1 混合集成电路（HIC）
混合集成电路是采用电子微组装技术的典型产品。GJB 2438B—2017《混合集成电路通用规范》对HIC的定义：两个或两个以上下列元件的组合，并且至少有一个是有源器件：①微电路；②单片微电路；③半导体分立器件；④片式的、印制或沉积在基板上的无源元件。根据标准给出的定义，HIC是指在绝缘基板上形成膜互连布线、膜元件，并外贴元器件形成功能膜集成电路，包括厚膜HIC、薄膜HIC和厚/薄膜HIC。
1．HIC的分类
按电路工作频段，HIC可分为两大类：低频电路和微波电路。低频电路包括混合集成放大器、电源组件、功率组件、数/模和模/数转换器、轴角数字转换器、信号处理电路等六种；微波电路包括微米波电路（10MHz以上）和毫米波电路。
按电路工艺类型，HIC可分为三大类：厚膜HIC、薄膜HIC、薄/厚膜HIC。厚膜HIC采用以丝网印刷工艺制作的厚膜布线陶瓷基板组装电路，厚膜HIC结构示意图如图2-13所示，其特点是输出功率较大；薄膜HIC采用以沉积工艺制作的薄膜布线微晶玻璃基板组装电路，其特点是输出参数精度较高；薄/厚膜HIC采用以薄膜和厚膜混合工艺的基板组装电路，其特点是兼顾了输出功率和参数精度。
图2-13 厚膜HIC结构示意图
根据产品适用温度范围和质量等级（质量保证等级）[22]，HIC分为四个质量等级：K级、H级、G级、D级。K级电路供宇航使用，工作温度范围（封装壳温TC）为：-55～+125℃，所用裸芯片须全面筛选和老炼；H级电路是标准专用质量等级，工作温度范围为：-55～+125℃，所用裸芯片无须环境试验筛选和老炼；G级电路是H级派生出的一个较低的质量等级，工作温度范围为：-40～+85℃，所用裸芯片如何筛选检验由HIC承制方自行选择决定；D级电路是一个由HIC承制方规定的质量等级，也是HIC产品中的最低质量等级，工作温度范围为：0～+70℃。质量等级是为了适应不同使用场合对HIC产品规定的质量控制要求，不同质量等级控制的区别在于筛选试验项目和筛选应力水平的差异，反映出不同质量等级的同型号HIC产品在同样的工作和使用环境下具有不同的失效率水平。
2．HIC基板结构
气密封装HIC内部结构如图2-14所示。不论是厚膜HIC还是薄膜HIC，其结构主要由三部分组成：成膜基板、内装元器件（裸芯片、电容器等）和封装外壳（外壳底座、外壳封盖）。
图2-14 气密封装HIC内部结构
成膜基板是实现内装元器件和膜元件电互连和机械支撑的重要元件，确保电路的设计功能；内装元器件功能电路的最基本单元，包括半导体芯片、片式元件、声表波器件等，根据电路设计选用；封装外壳的作用是保护内部元器件免受外部恶劣环境的直接影响，特别是潮气、盐雾和各种污染物对裸芯片的影响，HIC封装形式主要有金属气密封装、陶瓷气密封装及有机材料灌封的非气密封装。
成膜基板，分为厚膜布线陶瓷基板和薄膜布线微晶玻璃基板。厚膜布线陶瓷基板用于厚膜HIC；薄膜布线微晶玻璃基板用于薄膜HIC以及薄膜元件，包括薄膜电阻、薄膜电容和薄膜电感。
内装元器件，是指HIC根据电路功能设计要求组装选用的各类分立元器件、单片集成电路及感性元件。元器件的工艺结构和工作原理，其他章节已有介绍，这里简要介绍HIC组装工艺对内装元器件的选用要求。
封装外壳，即HIC的外部封装体，分为气密封装和非气密封装两种，气密封装有金属气密封装和陶瓷气密封装两种，金属气密封装外壳一般参照GB/T 15138—94《膜集成电路和混合集成电路外形尺寸》定制，也可根据整机设计要求专门定制；非气密封装有塑封和灌封两种。
2.4.2 多芯片组件（MCM）
多芯片组件（MCM）是指包含两个或更多微电路的多芯片集成电路，或者更明确的定义：一种内部装有两个或两个以上超过100000个PN结的微电路。
MCM与HIC的根本区别在于，MCM采用高密度多层布线基板，并且多层布线基板采用内埋置元器件设计结构，形成一个具有电性能的功能基板；同时，MCM高密度组装下有更多的I/O引出端。MCM多层布线基板包括低温共烧陶瓷（LTCC）多层布线基板、高温共烧陶瓷（HTCC）多层布线基板、印制板（PCB）多层布线基板、厚膜多层布线基板和薄膜多层布线基板[23]。
1．MCM分类
主流的MCM产品按多层布线材料及工艺分为三个基本类型：厚膜陶瓷型MCM（MCM-C：MultiChip Modul-Ceramic），采用高温共烧陶瓷（HTCC）多层布线基板、低温共烧陶瓷（LTCC）多层布线基板、厚膜多层布线基板；沉积薄膜型MCM（MCM-D：Multi-Chip Modul-Deposited）采用沉积薄膜陶瓷（D/C）多层布线基板、沉积薄膜硅（D/Si）多层布线基板、沉积薄膜金属（D/M）多层布线基板、沉积薄膜蓝宝石（D/S）多层布线基板；有机叠层板型MCM（MCM-L：Multi-Chip Modul-Laminate），采用内外层开口型多层有机基板、内埋置导通孔多层有机基板。MCM的分类见表2-6。
表2-6 MCM的分类
2．MCM基本结构
MCM一般由三大部分组成：芯片、多层基板和封装体（含I/O引出端）。从MCM的外表看，就是一个带较多引出脚（I/O引脚或BGA）的封装体，封装体可以是气密金属封装外壳、气密陶瓷封装外壳或非气密有机灌封材料，带热沉的金属气密封装MCM结构，如图2-15所示。
典型的MCM是在多层布线基板上，采用微电子技术与互连工艺将电阻、电容和电感等无源器件，采用印制、沉积或片式化的方式与LSI、IC裸芯片进行二维、三维或是组装后并电气连接，再实施必要的有机树脂灌封与机械气密封装构成的部件级系统、子系统或是系统级整体。
图2-15 带热沉的金属气密封装MCM结构
3D-MCM是为了适应更小体积、更高组装密度需求而发展起来的一种MCM结构和工艺技术。一般2D-MCM组装效率最高可达85%，已接近二维组装的理论极限。为了改变这种状况，三维多芯片组件（3D-MCM）应运而生，其最高组装效率可达200%[24]，3D-MCM是指元器件除了在x-y平面上展开，还在垂直方向（z方向）上排列。与2D-MCM相比，3D-MCM的特点有：系统体积缩小至原来的1/10，质量减轻至原来的1/6；芯片间的互连更短，信号传输延迟时间和信号噪声减小，功耗降低；组装效率达200%，有望实现多功能系统封装；更高的集成度，更少的外部连接点，可靠性提高。
可以综合应用表2-6中的三种MCM结构和工艺，实现3D-MCM。例如，某型号MCM-D/C，实际应用中HTCC混合的薄膜布线可以达到8层、陶瓷基板内部厚膜布线15层，LTCC混合的薄膜布线达到4层、陶瓷基板内部厚膜布线15层。基板的薄膜多层布线层一般用作高速信号传输，而承载薄膜多层布线的多层陶瓷基板或PCB的布线可作为电源线、接地线和I/O引出端。共烧陶瓷薄膜混合型基板，结构材料包括基板陶瓷、厚膜导体、薄膜介质、薄膜导体。常用的基板陶瓷为低温共烧的玻璃陶瓷（A12O3+玻璃）和高温共烧的陶瓷（95%AlN），厚膜导体为Cu、Au、Pd-Ag，薄膜介质为聚酰亚胺，薄膜导体内部为Ti-Cu-Ti、Cr-Cu-Cr，顶层为Ti-Cu-Ni或Pd-Au、Cr-Cu-Ni或Pd-Au。PCB-薄膜混合型基板，结构材料包括PCB基板、布线导体、薄膜介质、薄膜导体。常用的PCB基板为有机树脂玻璃布基多层板（如FR-4），布线导体为覆铜，薄膜介质为聚酰亚胺，薄膜导体为Cu-Ti。MCM-C、MCM-D、MCM-L三种MCM特性的比较列于表2-7。
表2-7 三种MCM特性的比较
续表
2.4.3 微波真空电子组件
1．典型微波真空电子组件——行波管的特点
微波真空电子组件中，行波管放大器（Traveling-wave Tube Amplifier, TWTA）是其典型代表产品，其核心器件行波管（Traveling-wave Tube, TWT）内部结构也采用电子组装工艺，如激光焊，TWT与放大器之间的电互连采用PCB焊接等。自1988年国际上提出“真空微电子学”后，现代微型TWT为了适应装备小型化的需求，应用亚微米的制备技术进行场发射阵列（FEA）研究，可以获得更高频率的放大器。
传统的TWT以其高功率、宽频带、高增益等特性，在当今微波频率的功率放大器中占有重要地位。螺旋线行波管是唯一能够在倍频程及倍频程以上范围内提高功率输出的器件，是电子对抗系统所急需的关键器件，它可以工作在连续波状态，用于阻塞式干扰，也可以工作在脉冲输出状态，用于欺骗式干扰。CPI公司行波管（28.35～31.00GHz）如图2-16所示。
图2-16 CPI公司行波管（28.35～31.00GHz）
2．行波管结构
行波管主要有两类：螺旋线类行波管和耦合腔类行波管。螺旋线行波管是当前应用最为广泛的一种高功率微波管，具备可多模工作、宽频带、高增益、高功率的突出特点，在当今微波频段的高功率放大器中的地位是举足轻重的，经常用作通信卫星、雷达和电子战系统的发射功率源或放大级。当前螺旋线行波管的发展趋势是朝着更高的功率，更小的体积，更高的效率和更宽的带宽发展。通过行波管螺旋线螺距的渐变技术应用，极大抑制了反射波的振荡，提高了行波管慢波结构的耦合阻抗，进而增加了带宽；同时，采用焊接螺旋线方法和复合管壳技术可以提高行波管的散热性能，从而提高行波管总体效率，结构在小型化方向的发展越来越明显。
行波管主要由五个部分组成：电子枪、慢波结构、磁聚焦系统、输入/输出装置和收集极，图2-17为某行波管的基本结构示意图[25]。其中电子枪是最重要的部分也是行波管的“心脏”，它用来产生一个具有规定尺寸和稳定电流的电子束，并将该电子束加速直至其速度比在慢波结构上行进的电磁波的相速稍微快一些，以便和电磁场交换能量而实现放大。行波管的工作原理为：首先由电子枪产生恒定的电子注；然后，电子注沿慢波结构轴线注入慢波结构，同时信号输入端输入的电磁波信号以接近光速的速度沿慢波结构传播，由于慢波结构的特殊性，使得电磁波信号在电子注运动方向上具有与电子注大致相同的相速。这是因为电子注紧靠高频结构，与高频电磁场互相耦合，电子受到高频场的速度调制。当电子注通过互作用区时，速度调制逐渐转变为密度调制，并形成电子群聚中心。电子注群聚在场的减速相位时，不断交出净能量，随着互作用的加深，电子群聚中心逐渐移到高频场的加速相位，就产生了限制高频输出的饱和现象。当电磁场信号到达输出耦合器时，实现了功率的放大。
图2-17 某行波管的基本结构示意图
（1）电子枪（热子、阴极、阳极、聚焦极）。电子枪的作用是产生一个具有所需尺寸和电流的电子束并加速，使其速度比在慢波结构上行进的电磁波的相速稍微快一些，以便和电磁场交换能量从而实现放大。行波管中电子枪的主要功能是利用热子加热的方式使阴极表面产生可供发射的电子束，利用阳极与阴极之间的电势差使得电子束加速，并形成适于与高频电路产生相互作用的电子注。
（2）慢波结构（螺旋线、介质夹持杆、切断、极靴、衰减器）。慢波结构是为实现在行波管内部电子束与电磁场之间的相互作用，使电子束的能量更有效地转换成电磁波的高频能量装置。慢波结构的主要作用是采用特定的螺旋线慢波结构，使得输入的电磁波的相速度降低至与电子注速度基本相同的程度，从而使电磁波与电子注进行高效率的注波互作用。注波互作用效率的高低是整个行波管效率的关键。从行波管的功能上来看，慢波结构是实现能量转换的部分；就电路而言，慢波结构是处于电路中间的部分，要与多个分电路进行连接。典型的行波管慢波结构有两种：螺旋线行波管和耦合腔行波管。
（3）磁聚焦系统（周期永磁聚焦磁体）。聚焦系统位于慢波结构外侧，由永磁体材料构成。电子束从电子枪发射出后，由于电子带负电荷，相互间的斥力会使电子束很快发散，磁聚焦系统的作用便是利用磁场力约束电子束使其顺利通过慢波结构，与电磁场进行有效的能量交换。聚焦极部件多采用氩弧焊进行焊接。为了得到所需要的磁感应强度，有三种设计结构形式，它们是电磁结构、永磁结构和周期永磁结构，其中常用的周期永磁结构由一系列极靴隔开的磁钢所组成，相邻磁钢的极化方向是相反的，磁钢沿轴磁场的分布呈周期变化。
（4）输入/输出装置（RF输入、RF输出）。输入微波激励信号的入口和被放大的微波信号的出口，为同轴和波导两种结构。一般在频率较低或功率较小，且要求工作带宽较宽时采用同轴结构，反之则采用波导结构，也有输入用同轴结构输出用波导结构的。输入/输出装置结构主要有真空密封窗和阻抗变换器两种形式。真空密封窗主要采用烧结金粉末法金属化工艺对陶瓷与窗框进行封接。阻抗变换器根据同轴结构和波导结构的不同所采用的焊接工艺也不同，但其中输入/输出导线与慢波线的焊接多采用激光点焊工艺。
（5）收集极。由于与微波场进行能量交换后的电子束仍具有比较高的能量，收集极则是用来收集能量交换后的电子束的装置。进行能量交换后的电子束依然具有很高的速度，在落到收集极表面时，电子束动能将转化为热能，因此热耗散是收集极设计中的一个重要问题。收集极由金属外壳、绝缘体、电极和引线组成，最内部为无氧铜电极，铜电极表面封接有绝缘体氧化铝瓷片用于散热，外壳为一圆柱形无氧铜，其与氧化铝瓷片封接，将电极与绝缘体包裹其中，整个收集极再通过钎焊与硬铝底座固定。
行波管设计在发展过程中一直为宽带和大功率不可兼得而困扰，加上高频率发展制造越来越困难，因此不断寻找各种新型慢波结构。
其中，图2-18所示为螺旋线慢波结构。螺旋线慢波结构简单易于制造，具有良好的色散特性，给出足够的带宽，同时也有较高的耦合阻抗等优点，但由于受到返波振荡的限制，螺旋线行波管的脉冲功率一般在10kW以下；且由于受散热的限制，螺旋线行波管的平均功率通常小于lkW。
图2-19所示为耦合腔慢波结构。耦合腔慢波结构采用全金属材料，散热能力极好，工作电压很高，输出功率也很大，但带宽却较窄。现在人们正在寻找拓宽全金属慢波结构带宽的方法。此外，还有对插销慢波系统、梯形慢波系统、梳形慢波系统、曲折波导慢波系统等[26]。
图2-18 螺旋线慢波结构
图2-19 耦合腔慢波结构
由于螺旋线行波管频带宽、可实现频率捷变、可多模工作，冷却方法和使用方法简单，并且具有高增益、高效率、长寿命等许多优良特性，因而成为电子对抗用尖端武器和常规武器配套工程中的关键器材[27,28]。
3．行波管的应用[29]
经过70多年的发展，行波管产品已经形成了系列，并已具有相当高的水平。行波管的工作频率已经覆盖500MHz～110GHz，在每个范围都有许多不同性能的行波管，在功率提高的同时，行波管的效率也提高得很快，如使用多极降压收集极的行波管总效率已达到70%。同时，行波管也在向小型化、长寿命方向发展。其中，空间行波管的效率最高，可以达到70%以上；耦合腔行波管的连续波输出功率最大，连续波饱和输出功率可以达到100kW以上。
行波管作为宽带大功率微波器件之所以能长久不衰，其原因在于其工作机理是建立在电子注与慢波高频系统中的电磁场同步并发生相互作用的基础上的，实现信号的放大和振荡的行波管是微波和毫米波功率电子器件中广泛应用的一种真空器件，几乎所有通信卫星的发射机均以行波管作为末级放大器。在高功率雷达系统中，它既可以作为高功率放大器单独使用，也可以作为正交场放大器的驱动信号源使用[30]。在电子对抗系统中，行波管是微波功率发射机的唯一选择，由于行波管极宽的带宽，较高的增益、效率，超小的尺寸和质量，以行波管为基础的微波功率模块是无人机上应用的理想技术。行波管的超宽带使单个发射机同时实现多目标的管理和多频段的应用成为可能。与固态器件相比，行波管有着优异的大功率、高效率和宽带优势。