雷达先进制造技术现状与发展*

殷东平

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

雷达先进制造技术现状与发展*

殷东平

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

雷达装备制造是武器装备制造的重要组成部分，其制造技术融合了机械制造、微波与电子器件制造、特种制造等多领域的相关技术。文中阐述了雷达先进制造技术的体系和现状，展望了应用于新一代雷达的数字化制造、微电子制造、组装互联及热管理技术、先进复合材料技术、绿色制造和智能制造技术等先进制造技术的发展方向。

雷达；先进制造技术；微电子制造；组装互联；先进复合材料；绿色制造；智能制造

引 言

现代雷达装备是武器装备系统的重要组成部分，是各国武器装备的发展重点，担负着防空警戒、引导、侦察、探测等艰巨任务，是获取和处理相关信息的主要装备。在日益复杂的目标特性、作战模式、战场空间环境等3大关键因素的推动和牵引下，雷达技术和产品在微波、数字、设计、制造等相关技术快速发展的基础上不断发展演变[1]。

我国雷达及其制造技术起步较晚，雷达装备乃至各种武器装备的发展在很大程度上受制于相对落后的器件水平和制造能力，常面临能设计出来但制造不出来的窘境。自20世纪90年代起，随着国内器件水平的提高和先进制造技术的发展及其在雷达装备制造中的广泛应用，第3代一维有源相控阵雷达得到了快速发展。目前西方发达国家的现役雷达系统主体也是第3代，具有优良的探测性能、抗干扰能力和在多种威胁环境下的生存能力。这些雷达系统在制造过程中均采用了多项先进制造技术[2-3]。

进入21世纪后，世界安全格局发生了变化，高技术局部战争呈现信息化、陆海空天一体化的态势，雷达装备面临着隐身目标、高速目标、空天目标等的挑战以

及需要在复杂电磁环境下全天候工作的挑战。这些变化推动着雷达系统向基于二维有源相控阵体制的多功能第4代雷达发展。在此过程中，雷达系统和核心模块出现了两极化：由战技指标的不断提高导致的系统规模及复杂性的极大化和由集成度不断提高带来的单元和核心模块的极小化。在这些雷达系统性能不断提高的同时，其装载又必须面向陆海空天等各种平台。这就迫切需要雷达装备的先进设计和制造技术。要满足这种需求，就必须将各种先进制造技术(如先进材料及其加工连接技术、高密度电气互联技术、特种加工技术、数字化制造技术等)充分运用到雷达装备的制造过程中，同时还要在实践中不断发展、丰富、提高相关的先进制造技术手段[1-2]。

1 雷达制造技术体系及发展现状

1.1 雷达制造技术体系

雷达装备制造是武器装备制造的重要组成部分，它吸收了机械制造、微波与电子器件制造、特种制造等多领域的专业技术，是在雷达系统技术的快速发展牵引下不断创新融合、综合集成而形成的具有自身特点的制造技术集合。雷达装备制造技术体系如图1所示。

图1 雷达制造技术体系图

最近10余年来，随着先进制造技术的发展以及对雷达系统技术发展的迫切需求，雷达制造技术水平也发生了巨大变化，新的制造技术成果不断被吸收和应用，大大提升了雷达装备的制造水平，主要体现在以下几个方面[2-3]。

1.2 精密加工与成型技术

它是雷达装备制造中重要的基础制造技术，广泛应用于各类雷达装备的天馈部件、收发组件以及机电液旋转关节、高精度微波功能薄壁件、曲面件等复杂零部件的制造过程。目前其制造技术范围已突破传统的切削加工与高速切削、电加工、铸造等范围，如面向新型材料(如金属基复合材料)的高效无损切削技术、精密塑形成形与精密铸造等精净成型技术、高性能微波介质材料加工、激光高能束加工和深孔加工等特种加工技术被不断引入和应用到雷达装备制造中。

1.3 先进连接技术

先进连接技术泛指精密焊接、精密铆接、集成装配以及基于电磁性能要求的导电连接、绝缘灌封和防护等胶接技术等，是用于雷达装备中天馈部件、设备装载框架和传动系统、电气系统等重要组件的制造和防护的关键制造技术。特别是在焊接技术领域，真空钎焊技术、电子束焊接技术、搅拌摩擦焊技术、激光焊接技术等已广泛应用在各频段多层平板裂缝天线、精密馈电组件、冷板组件、高频封装组件等部件中，面向大型雷达设备装载框架和天线骨架的自动化机器人焊接系统也已投入使用。此外，当前由雷达系统规模极大化所牵引的大型高刚性设备装载框架螺栓球组合连接技术、集成平台的复合连接技术以及由模块极小化所牵引的核心部件精密装配、多类精密焊接等高精度复合加工连接技术也逐步融入雷达装备的先进连接技术范畴[4]。

1.4 电气互联技术

雷达装备的电气互联主要研究芯片级以上(不含芯片制造)的电子系统制造技术，产品主要包括各类收发/功分等微波组件、高性能信号处理系统以及雷达分机/整机系统的电气装配互联，是雷达装备的核心制造技术之一。在过去20年中，包含电子基板、封装和多芯片组装、板级电路高密度组装、模块组件组装以及分机/整机装配互联等广泛的电气互联技术得到了快速发展[5-6]。

作为电路和器件载体的电子基板，已突破传统的印制电路基板概念。基于数字/微波功能集成的混合多层基板已应用到多型雷达装备的关键组件中，而LTCC/HTCC等多层共烧复合基板、厚膜/薄膜及厚薄膜混合集成电路基板等也得到了规模化应用。电子基板技术已形成具有优良电传输特性的高密度、高稳定性的多功能混合集成基板技术族。

模块化组装技术目前已经形成了较完整的体系，主要体现为板级高密度组装、多芯片微组装、立体堆叠、模块级三维立体组装互联和复合清洗等技术范畴，已成为相控阵雷达收发组件、变频模块等核心模块的关键制造技术。尤其是近年来，随着采用全数字化、光传输等技术的新一代雷达装备技术的发展，多芯片微组装技术在雷达装备制造中得到了广泛应用，其技术水平目前已超过150焊点/cm2，并向200焊点/cm2发展，元器件之间的组装间距≤0.2 mm，生产效率也成几何倍数增长。基于自动粘片、键合、测试等工序自动化并集成了任务管理、任务输送和质量信息控制等于一体的变批量微波多芯片组件柔性组装技术已应用于新一代雷达系统核心组件制造，成为微组装技术在雷达装备领域大规模应用的典范，基本满足当前雷达电子设备的小型化、高性能及高可靠性要求。

1.5 数字化制造技术

因快速发展的需要，雷达装备对研制周期和研制生产过程快速反应能力的要求高于其他装备。当前，数字化制造技术是提高雷达装备研制效率和能力的有效手段。各CAX单元技术(包括CAD、CAE、CAM、CAPP等)、基于PDM的产品集成开发技术和基于数字样机的产品综合优化与协同开发技术等得到了较广泛的应用，其应用范围覆盖了产品开发的全过程。其中，面向制造过程的工艺数字化仿真技术(如精密焊接、塑性成形、精密加工、复合材料铺层设计和成形等仿真)都得到了成功应用。这些应用在研究加工过程、优化工艺参数、缩短产品研制周期等方面均发挥了重要作用，提高了雷达工艺设计水平。

1.6 复合材料及表面工程技术

雷达天线罩透波性能以及航空航天领域雷达装备高刚强度轻量化构件、组件的要求，不断推动着传统的玻纤、碳纤维等复合材料的应用。常用的复合材料制造技术是真空袋压-热压罐、缠绕成型和模压成型等，这些技术已广泛用于航空航天复合材料结构及功能件的制造，如大型天线反射面、机载产品复合材料框架和天线罩、星载产品支撑件和天线反射面等的制造。近年来，围绕机载、星载相控阵雷达核心收发组件的第3代封装壳体新材料的批量工程化应用成为研究热点，其主要研究内容为以Si/SiC 颗粒、碳纤维、金刚石等材料增强且性能优越的铝基复合材料的制备及其加工技术、表面改性技术、焊接技术等[7-8]。

在雷达装备的防护及功能型表面技术方面，已形成了较为完整的金属构件防腐涂装、中高频和微波电路防护等常规防护技术规范，面向微波组件的精密电镀技术也日趋成熟和规范，LTCC、陶瓷微带电路等的镀金技术也已成熟。

2 雷达先进制造技术发展展望

先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology，AMT)是制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代化管理等方面的成果，并将其综合应用于产品生命周期全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对市场的适应能力和竞争能力的制造技术总称[9]。

雷达装备先进制造技术是一个动态的概念，始终围绕雷达技术创新发展的需求而不断融合制造技术体系内各领域的先进制造技术。出于21世纪信息化、智能化、一体化高技术局部战争对雷达系统的需求，在制造业信息化方兴未艾、智能化正在兴起的现状下，雷达装备先进制造技术呈现出以下主要发展趋势[10-14]。

2.1 数字样机技术、三维打印技术等数字化制造技术

“数字化”是先进制造技术的重要发展方向之一。雷达装备产品开发的短周期、低成本要求决定了其制造过程必须采用数字化制造技术，以实现快速响应。雷达装备数字化制造技术的发展大致可分为CAX/DFX单元技术、信息化集成制造和数字样机3个阶段。数字样机技术是以并行工程思想为指导，以CAX/DFX单元技术为基础，以协同仿真技术为核心的先进工程数字化方法，是数字化制造的高级阶段，其核心内容包括数字化理论与技术基础、数字化设计技术、数字化制造系统、数字化管理技术、数字化运行环境等。数字样机技术对提升雷达系统的快速研制能力具有重要意义，是雷达装备先进制造技术发展的必然方向[15]。

近年来，具有代表性的对三维打印的研究和应用取得了重大突破，展现出巨大的应用潜力。三维打印技术是一种基于离散/堆积成型方法的增材制造技术，具有全程数字化制造、过程无材料损耗、适合复杂结构一体化制造等特点[16]。美国国防部牵头组建国家增材制造创新机构，将三维打印技术作为推动美国制造创新的首选技术；NASA 使用选择性激光熔融技术制造金属零件，并计划将该技术用于发动机零件制造；国内某单位已应用三维打印技术成型了战斗机关键受力件。三维打印技术的特点决定了该技术将在雷达装备制造领域具有广阔的应用前景，其优势主要体现在概念设计显像化、产品快速研制、复杂功能件制造等方面。从成型方式看，激光选区烧结成型(LS)技术特别适合雷达零部件制造，可直接解决高材料去除率功能构件加工周期过长的问题。如某天线腔体的毛坯重达2.8 t，材料去除率达97%，采用常规数控加工周期长达3个月，如有适用的三维打印设备，采用打印成型则可显著缩短周期。另外，此技术在雷达系统精密异型天馈部件的制造方面具有独特优势，如机载雷达常用的波导阵列多层天线可采用三维打印技术一次完成，可解决工艺处理和制造过程比较复杂的问题。LS技术还可用于多层电路基板的打印，还可能适用于雷达组件中集热设计、热匹配、气密封等多特性于一体的多维度梯度材料复合成型的封装壳体的制造。

从发展前景看，三维打印技术需要进一步解决大尺寸成型设备、金属非金属及介电等系列粉末材料制备、提高成型精度和表面质量等关键技术问题，才能推广到雷达装备制造领域。

2.2 微电子制造技术、组装互联技术与热管理技术

传统雷达装备主要研究芯片级以上的电气互联制造技术，而现代雷达系统迫切需要集成度更高、处理速度更快、可靠性更好的微电子系统。这必将大大促进微电子技术(包括超精细加工技术、薄膜生长与控制技术、过程检测与控制技术等)的发展。相应的制造技术体系也向半导体等微电子制造领域延伸、集成，逐步形成以微电子制造技术、电气互联组装技术以及高功率密度电子系统热管理技术等为体系的新一代雷达电子设备制造技术体系。

微电子制造技术是涉及微电路设计、加工、性能测试、芯片封装等多学科交叉的先进技术，是关系整个信息化的基础制造技术，已经历了三代半导体材料体系，将随着信息的生成、存储、传输、处理等超高速、大容量的需求和降低复杂系统成本的需求，以及相应制造设备技术的发展而快速发展。按目前发展趋势，晶圆片直径将由12 inch向18 inch发展，光刻特征尺寸从当前主流的45 nm、32 nm和22 nm向16 nm发展。同时，微电子制造技术已开始与具有光、机、电一体化特点的MEMS技术融合，其产品对电子装备的发展具有重要作用[17-18]。

在小型化、高密度、多功能等需求牵引下，组装互联技术发展经历了从板级通孔插装互连技术、混合集成电路(HIC)技术到多芯片模块(MCM)技术、片上系统(SOC)以及系统封装(SIP)等阶段。其中，SIP是将不同种类的元器件通过不同的技术混载于同一封装之内，从而构成系统级封装的形式。此类三维立体电路高密度组装集成是组装技术的重要发展方向，其主要技术途径为：1)突破高密度封装设计与仿真技术、无源器件集成技术、微纳器件封装技术和三维微互连技术等技术瓶颈，实现微系统封装；将多种类型的器件集成封装在同一封装体内，形成光、机、电一体化并具有多功能的微系统封装组合体。2)通过多种异质材料复合、多种无源元件内埋置、高密度交叉多层布线、亚微米精细加工等手段，实现高密度功能基板三维集成技术。3)进一步发展板级高密度组装技术，集成高密度、CSP、倒装焊等多芯片微组装技术，在二维组装技术的基础上，采用埋置、叠层的方法实现立体的互联结构，把功能块“叠装”起来，推动系统级立体组装技术的发展[19-21]。

热控设计是雷达装备设计的关键技术之一，传统的液冷、风冷设计是热控设计的主流。然而，随着雷达系统功率密度的进一步提高，仅面向雷达的系统级热控设计已经不能有效解决功率密度越来越大的高密度电子器件或组件的热管理以及工作可靠性问题。统计表明，大约55%的电子产品失效是由于过热或是由与热相关的问题导致的，器件的失效率随着温度的升高呈指数增加。因此，为降低器件工作温度、改善器件热性能、提高可靠性的电子封装热管理必不可少。在设计过程中需要综合考虑系统应用要求和芯片、封装中内部热量产生机制，深入优化封装设计与各级热传导机制，开展元件级、板级、组件级和系统级的热管理设计与优化，探索微电子封装的前沿热控设计和材料工艺集成技术是高密度、多功能系统热管理技术的重点[22]。

2.3 先进复合材料工艺技术

当今复合材料的应用遍及军民领域，发达国家一直把先进复合材料技术作为国防重点或战略材料进行研究和应用。复合材料在国内雷达装备中的应用起步较晚，但由于航空、航天平台环境对雷达装备发展的需求，其应用范围已扩展到主承力构件、多功能构件以及组件封装等方面，其种类涵盖了高性能树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料等多种先进复合材料[23]。

高性能树脂基复合材料具有轻质、高强度、高刚度、高尺寸精度、低膨胀系数等特性，是技术比较成熟并在雷达系统的天线罩、天线反射面、波导喇叭元件和结构件中应用较为广泛的一类材料。基于层板结构的复合材料构件将向三维编织树脂传递模塑成型(RTM)方向发展，将RTM与三维编织技术结合起来，可克服传统层压复合材料易分层的缺点，解决高性能、高精度的异型复杂构件成型问题。近年来，以美国为首的西方发达国家纷纷制定低成本复合材料的发展研究计划，不断完善复合材料制造工艺技术，开发高性能、低成本的复合材料制造技术，并已取得较大进展，如采用自动铺放设备、树脂传递模塑成型、真空辅助模塑成型等。国内需紧密跟踪、研究并推进其在雷达装备中的成体系应用。

在关注适用于主承力构件、功能件的复合材料技术的同时，应关注电子基板类复合材料的研究应用。目前国内雷达装备使用的高性能电子基板多依靠国外供应商，国内的相关研究才刚起步，需要加大投入和研发力度，促进其技术成熟和产业化。

雷达装备中金属基复合材料的应用主要集中在封装材料中。目前，以Si/SiC颗粒增强铝基复合材料为代表的第3代封装材料在发达国家已被批量应用于机载、星载天线的组件外壳中，该类材料还用作模块的基板、功率放大器的热沉、微处理器的封盖及散热板、空冷和液冷冷板等。21世纪初，国外积极开展了以金刚石、碳纳米管增强铝基复合材料为代表的第4代封装材料研究，并逐步从试验阶段步入实用阶段。日本已制出热导率为600 W/(m·K)的掺杂碳纳米管的铝基复合材料，美国MER公司已系列化生产不同组分的高导金刚石铝复合材料。

国内从“九五”开始进行了第3代封装用金属基复合材料研究，目前在Si/SiC颗粒增强铝基复合材料的制备技术方面取得了重要进展，研制出了多种第3代封装材料，开展了精密切削加工、表面处理、陶瓷基板连接、气密封焊等多项应用技术研究，其成果在一定范围内得到了应用，为新型封装材料的改进设计及工程化应用打下了坚实的基础。但材料的性能指标、应用研究和产业化水平与国外相比还存在一定的差距，一些批量应用中的关键技术尚待解决[24]。

复合材料在隐身武器技术中有着举足轻重的作用，采用隐身复合材料的隐身雷达罩已经在部分机载雷达上使用，具有奇异电磁特性的微波多频段电磁超材料人工合成技术研究及其在雷达系统中的验证研究工作已经起步。随着雷达隐身复合材料工艺技术的发展，逐步融合载荷平台一体化设计技术，形成一种具有感知功能、信息处理功能，能自我指令并对信号作出最佳响应的智能隐身蒙皮技术和智能隐身蒙皮雷达装备，是雷达隐身复合材料领域研究和探索的方向，具有广阔的应用前景。其中，将特殊功能材料(如传感和驱动材料)、芯片和电路等集成于基体复合材料中组成仿生结构系统的智能蒙皮技术是关键路径，是实现雷达装备结构功能一体化共形、载荷平台一体化设计的关键技术。

2.4 雷达装备绿色制造和智能制造技术

先进制造技术总体发展趋势是绿色制造和智能制造，雷达装备的制造技术发展也不例外。其中，绿色制造的理论研究在国内多所高校得以开展，已经初步形成了绿色制造的体系结构[25]。绿色制造的核心是以资源环境为导向的现代制造模式，智能制造是实现绿色制造的重要手段或模式的一个方面。当前，各主要国家都在制定和实施制造业发展的新战略，诸如工业4.0、中国制造2025等，其核心目标都是建立高度灵活的个性化和数字化产品与服务的生产模式，实现智能制造，其影响将非常巨大和深远[26-29]，因其重要性和颠覆性，学术界和产业界称之为第四次工业革命。

雷达装备的研制需要紧密结合绿色制造和智能制造的发展趋势，围绕绿色资源、绿色生产、绿色产品3项核心内容，以资源保护、资源优化为目标，面向物料转化和产品生命周期2个过程开展研究。基于当前雷达装备的制造技术与相关工业技术水平，可在以下几方面提升雷达装备绿色制造、智能制造能力[30]：1)建立智能化SMT生产线，提升雷达多品种、小批量电子电路的制造效能；2)采用低残留成分的免洗焊剂、无铅焊料、惰性气体保护的免洗焊接设备等，推进无铅焊接系列技术全面实用化，促进板级电路绿色制造；3)在微波器件、组件的电子功能电镀方面，以日趋成熟的智能化无氰电镀技术逐步取代传统人工有氰电镀线；4)在电子电路组装、封装和微电子元器件制造过程中，采用新型无氟溶剂和干法清洗技术(如离心清洗技术和等离子清洗技术等)，实现绿色清洗。

当前，雷达装备研制尤其要结合“中国制造2025”，针对系统规模“极大化”的新一代相控阵雷达核心组件的制造需求，围绕中大批量的“极小化”射频前端以及阵列组件单元的智能制造技术实现，开展智能组装单元、智能生产线构建、生产线智能决策与调度、生产线物料智能配送、基于工艺知识库的生产过程实时感知与控制技术等多项共性技术研究。在现有自动化生产线的基础上建成智能制造线，以有效提高多通道阵列组件一次试制成功率、生产效率、混线生产能力、组件装配自动化程度和组件调试成功率，有效提升相控阵雷达核心组件智能制造技术水平，为智能制造技术在军事电子装备领域的推广应用奠定基础。

3 结束语

雷达装备制造技术是多领域、多学科的制造技术综合集成。应在现有制造技术体系的基础上，伴随着新一代雷达装备技术的发展，不断融合和集成各领域先进制造技术成果，通过创新研究和应用，推动雷达装备的制造技术体系范围不断演变和优化，进一步丰富雷达装备先进制造技术的内涵。其中，围绕绿色制造和智能制造，推进雷达装备两极融合的集成制造，是雷达装备先进制造技术发展的总方向。

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殷东平 (1972-)，男，高级工程师，主要从事雷达装备的工艺总体技术研究与设计工作。

Present Status and Development Trend of Advanced ManufacturingTechnology of Radar

YIN Dong-ping

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The radar equipment manufacturing is an important part of the modern weapon manufacturing system. The radar manufacturing technology system mainly includes the mechanical manufacturing technology, the microwave and electronic part manufacturing technology and the special manufacturing technology. The system and present status of the advanced manufacturing technology (AMT) applied to the radar are introduced in this paper. And the development trends of some AMT applied to manufacturing of the new radar system are discussed on this basis, such as the numerical manufacturing technology, the microelectronics fabrication technology, the micro-assembly and electric interconnecting technology, the advanced composite materials, the green manufacturing and the intelligent manufacturing technology.

radar; advanced manufacturing technology (AMT); microelectronics fabrication technology; micro-assembly and electric interconnecting technology; advanced composite materials; green manufacturing; intelligent manufacturing

2016-05-30

TN95

A

1008-5300(2016)04-0001-06