学术：电子产品先进制造中的电气互联技术发展新动态
今日荐文的作者为广西科技大学，桂林电子科技大学专家周德俭。本篇节选自论文《电子产品先进制造中的电气互联技术发展新动态》，发表于《中国电子科学研究院学报》第8卷第6期。下面和小编一起开始学习吧~
电气互联技术集机、电、光、磁等多因素为一体，是一项多学科综合性制造技术。随着电路集成技术、电子元器件制造技术、电路基板制造技术、微纳加工技术和互联材料应用技术的不断进步。
以及现代电子产品的高性能、高集成度、轻量化、微型化发展要求，电气互联技术也由以表面组装技术(SMT:Surface Mount Technology)、微组装技术、立体组装技术、高密度组装技术等技术为标志的发展时期，逐步进入了以光电互联、绿色组装、结构功能构件互联技术等为标志的新技术发展时期，其特征是技术综合度更高、机电关联性更强、互联难度更大、对电子装备系统性能和功能的影响更为直接。
电气互联技术(EIT:Electrical interconnection technology)名词和相关概念，是国内相关军事电子先进制造技术专业组织和专家，针对电气互连技术传统概念与定义的不足，于“九、五”期间正式提出的，它作为电子产品先进制造技术的标志性技术，被列为国内国防工业先进制造技术的主干技术之一。
电气“互联”技术定义是传统电气“互连”技术定义的延伸与扩展，它指的是:在电、磁、光、静电、温度、湿度、振动、速度、辐射等已知和未知因素构成的环境中，任何两点(或多点)之间的电气联接制造技术以及相关设计技术。它既包含电气互连的“有形”连接概念，又包含了为保障电气性能和物理性能的，与电气连接具有“联系”的“无形”连接的概念，同时还将相关现代设计方法也包括在内。
图1 电气互联技术体系的基本构架
电气互联技术体系的基本构架如图1所示。它由互联材料、元器件、基板、工艺、设计、设备、测试、系统与管理八大技术分体系组成，每一技术分体系又可以分解成各类子技术体系。例如，互联材料技术可以分解为互连、封装、组装、焊接、装联等类型材料应用技术，各类材料应用技术还可以继续细分出下一级子技术体系。图2为互联工艺技术子体系的分解示意图。
图2 互联工艺分技术体系基本构架
电气互联技术的标志性主体技术是以印制电路板级电路模块为主要对象的组装工艺技术，它经历了手工通孔插装、半自动插装、自动插装、表面组装(SMT)等四代技术阶段，并正处在采用微组装、高密度组装、三维立体组装等高层次的组装技术阶段。但其采用SMT为基本技术手段的本质尚未发生大的变化，为此可以认为其仍然处于第四代组装技术阶段。
电气互联技术发展速度很快，尤其是从它的新一代基础性技术——SMT的应用至今30余年来，无论是工艺技术方法及其水平，还是设备系统及其检测手段，都发生了巨大的变化。例如:可组装精细间距达0.3mm以下，高密度组装达100点/cm2以上，贴片速度达8万点/小时，印刷、贴片、焊接质量实时可测，等等。在国内，SMT相关技术也均趋向于普及应用和成熟应用状态，甚至在相对滞后的SMT设备研制方面，也开始有了起色，国产SMT组装和检测设备已经有了一定的市场。技术发展具有特色的是:随着微组装、高密度组装、三维立体组装等技术的不断成熟，综合应用这些技术而产生的无铅无害绿色组装技术、光电互联技术、结构功能构件互联技术等新型互联技术正在悄然发展之中(参见图2示意)。而且，这些新技术对尖端电子装备的性能和功能影响直接，技术难度大，其发展水平在很大程度上体现了当代电气互联技术的发展水平。
光电互联技术
光电互联技术(PIT:photoelectric interconnection technology)是以机械工程科学、电子科学、光子科学与信息科学等为基础，以材料、元器件、互联设计与工艺等基本技术为支撑，通过光信号传输，把光源、互联通道、收发器等组成部分连成一体，彼此间高速交换信息的一种高效的光和电混合互联技术，是电气互联技术中一项新兴的多学科、综合性工程技术。主要技术包含光电互联设计与工艺、光电印制电路板和光电元器件及其封装的设计与工艺技术等。图3为光电互联技术包含的主要相关技术示意图。
图3 光电互联相关技术示意
随着电子装备集成度和工作频率的迅速提高，传统电互联方式的寄生电容、延迟时间、信号串扰等寄生效应问题变得十分显著，基于金属铜的传统互联方式将无法高效地传输信号，无法有效地解决电磁干扰，已经成为限制电子产品快速发展的瓶颈。为此，光电互联技术应运而生，它具有高速度信息传输、高数据容量、低电磁干扰、小功率损耗、信号串扰小和工作频带宽等特点，可以较好的弥补电互联的不足，具有卓越的潜在优势。
光电互联将传输的电信号经过发光器件，将其转换为相应的光信号，通过一定方式的耦合，传输给光探测器，转换为电信号。所以在光电互联中存在着电—光—电的转换。光电互联模块由三种基本器件组成:
一是光发射器件，它接收电信号并将其转换为光信号；
二是光接收器件，它检测光信号并将其转换为电信号；
三是光传输器件，它将光发射器件发射的光信号传输到光接收器件。
图4 光电互联原理示意图
光电互联的基本方式有三种：
方式一是以光纤做为光路进行连接。
方式二常应用于微机电系统(MEMS)中，它通过光镜反射光信号，经过光电转换器进行光信号与电信号的转换。
方式三通过基板(光波导)与光纤的组合使光电互联方式更加立体化，增加了光电互联的密度。
图5 光电互联方式示意图
光电子封装是光电子器件、电子元器件及功能应用材料的系统集成，可以分为芯片IC级封装、器件封装、板级或组件封装/模块封装、子系统或系统级组装等封装级别。光电子器件封装、组件和模块封装是其中的最常见的封装形式。光电互联技术泛指综合应用微组装、立体组装、高密度组装等电气互联技术和电子产品传统制造技术，进行各级别光电封装和组装的设计、制造及其工艺技术。
美、日、欧等发达国家在过去的几十年中投入了大量的人力、物力和财力进行光电互联技术的研究，取得了显著的成绩。目前，基于带状光纤、集成光波导的光互联技术已经成熟，并已进入市场；自由空间光互联技术已在实验室中大量采用。单通道光电互联技术已非常成熟，在长距离通信中的应用也相当完善。在实验中用波长分隔复用已演示了terabit/s(太比特/兆兆比特)的单纤维光数据联接。用低速运行的与主电子相容的更多通道，实现terabit/s范围的多通道光电互联技术也已在研究阶段。已有多种光互联试验原型机问世，如日本NTT的COSINE系列试验光互联计算机等。
但从光电互联基础技术的研究进展看，还有许多技术难点尚待解决，例如:还不能有效地把光源与探测器集成在同一芯片上。在波导互联的光损耗及互联密度，全息光互联光信号与光探测器的对准，光电器件/组件的可靠性设计与标准，与VLSI电路封装工艺以及现有的其它电子器件/组件的封装、组装工艺技术兼容等问题上，还存在诸多待研究命题。
图6 SMT兼容的光电互联组件结构示意图
国内目前介入光电互联相关技术研究的，有国防科学技术大学、重庆光电技术研究所等诸多高校和研究所，其研究内容基本以光开关/器件、光纤互联等基础理论和方法为主，总体上尚处于理论研究和实验为主的发展阶段。尤其是对于组件/系统级的光电互联工艺技术研究，仅有中国电子科技集团第10研究所、桂林电子科技大学等为数不多的单位在研中，且尚处于研究起步阶段。图6为研究构思中的与SMT工艺兼容的光电互联组件结构示意图。
结构功能一体化构件互联技术
结构功能一体化构件(简称结构功能件)是指:以机械结构为本体，除了承担机械本体构件的作用外、还同时承担与电、磁、光等物理性能相关的，具有特定功能的构件。它是一种结构功能一体的特殊构件，是随着科技进步发展的新型构建。它的设计、制造涉及多学科，与传统制造方法有明显、甚至是本质差异。航空航天器和军事武器装备中应用结构功能件最为典型和普遍。
以战机的共形天线为例，它是结构功能一体化构件的典型代表(见图7)。共形天线与载体共形，不破坏机载机械机构，具有节省空间、减轻重量、便于隐身、能够有效提高战机的空气动力性能等特点，在气动特性、信息传输、结构重量与体积方面都优于普通天线。它既是战机的外壳，又需要将传统独立的各类天线系统集成制造到机械体中。它集机电于一体，是个极其复杂的特殊构件。
图7 典型共形天线内部结构组成示意图
结构功能件互联技术(SFDIT:structure-function devices interconnection technology)是指以结构功能件为特定对象，综合应用微组装技术、立体组装技术、高密度组装技术等电气互联技术和电子产品传统制造技术，解决结构功能件互联制造各类问题的设计、制造及其工艺技术。是电气互联技术中一项新兴的多学科、综合性工程技术。
仍然以战机的结构功能一体化共形天线为例。共形天线内部结构组成内容极其丰富，如图7所示例，主要由支撑结构体、散热层、波束控制层、馈电层、T/R组件、天线单元、防护层等功能层组成。各功能层既有机载结构强度、材料性能、机载重量等机械性能要求，又有电、磁、光传输和传统天线性能和功能要求，这给制造工艺技术带来了很多新问题。尤其是各功能层内多层互联、功能层与功能层之间多层互联的各种互联工艺技术难题，更是由该类新型结构功能组件带来的电子产品先进制造技术的新问题，也是结构功能件互联技术的主要研究内容。
结构功能一体化共形天线互联技术呈现出来的多学科制造问题相当突出，涉及的相关互联机理、互联方法、互联工艺技术等科学和技术问题远未研究透彻，急需探索和创新。
以美国为首的西方国家对结构功能一体化共形天线为代表的结构功能件互联技术的研究，已经有了数十年的研究经历。自20世纪90年代以来美国开展的共形天线主要研究计划就有数十个，例如，NASA(SBIR1996)LaRCSI, as a Substrate for Embedded Electronic Circuits；USAF(SBIR2006) Combined GPS & Comm Antenna Technology；NASA(SBIR2007)Fully printed flexible 4-bit 2D (4x4) 16-element phased array antenna for lunar surface communications；NAVY (SBIR2008)Development of Wideband Conformal IED Jammer Antenna；等等。并且，其技术成熟度和实用化程度都已经有了相当的高度，图8示意了实用化的科曼奇直升机上的各类共形天线。
图8 科曼奇直升机上各类共形天线
国内同类研究工作处于明显滞后状态，介入研究的单位不多。中国电子科技集团第十研究所、北京航材院等单位研制了具有部分结构功能一体化特点的天线部件，部分高校对共形天线的相关设计理论和方法有所研究，但基本处于理论探索阶段。尤其是对结构功能件互联技术展开系统性研究的工作尚未见报道。
结 语
综上所述，以光电互联技术、结构功能构件互联技术等为标志的电子产品电气互联新技术，正在发展之中。其技术进步的步伐将直接影响电子设备的功能和性能，对高科技尖端电子装备的研制和发展起到重大的作用。目前国内相关研究的滞后状态，应引起重视和关注。
本文发表于《中国电子科学研究院学报》第8卷第6期，版权归学报所有，阅读全文请联系我们。
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