摘要
基于硅基微电子机械系统(MEMS)三维异构集成工艺,设计并制作了用于相控阵天线系统的三维堆叠式Ku波段双通道T/R组件。该组件由两层硅基结构通过球栅阵列(BGA)植球堆叠而成,上下两层硅基封装均采用5层硅片通过硅通孔(TSV)、晶圆级键合工艺实现。组件集成了六位数控移相、六位数控衰减、串转并、电源调制、逻辑控制等功能,最终组件尺寸仅为15 mm×8 mm×3.8 mm。测试结果表明,在Ku波段内,该组件发射通道饱和输出功率大于24 dBm,单通道发射增益大于20 dB,接收通道增益大于20 dB,噪声系数小于3.0 dB。该组件性能好,质量轻,体积小,加工精确度高,组装效率高。
T/R组件作为有源相控阵天线系统中核心部件,使用数量巨大,直接决定了整个系统的性能、质量、体积以及成本。整机系统一直在向小型化、轻量化及低成本方向发展,因此T/R组件走向高集成路线是必然趋
传统的T/R组件在金属盒体内采用传统的微组装工艺,整个T/R组件体积大,质量大,且工艺流程繁琐,已不能满足整机系统的应用需求。研发人员经过大量实验,开发了多种新型集成技
综上,本文基于硅基MEMS三维异构集成工艺,设计了一款Ku波段双通道三维集成T/R组件。通过硅通孔(TSV)和球栅阵列(BGA)工艺实现了组件内部垂直互连和组件的电磁屏蔽,通过晶圆级金金热压键合工艺实现了高效组装。组件集成了六位数控移相、六位数控衰减、串转并、电源调制、逻辑控制等功能,最终尺寸仅为
15 mm×8 mm×3.8 mm。
组件集成了2个功能相同的通道,每个通道包括发射链路和接收链路,电路原理框图如

图1 T/R模组电路原理框图
Fig.1 Schematic diagram of the T/R module circuit
发射链路:射频信号由COM端口进入一分二功分器变为双路射频信号,功分后的射频信号依次经过幅相控制多功能芯片内部的六位数控衰减单元、六位数控移相单元和单刀双掷开关单元后,输向下一级双向放大器多功能芯片内部的发射放大单元,经过功率放大后的射频信号采用地面共面波导(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)端口对外输出。此时的射频信号既可以直连天线辐射单元,也可以再次经过外置高功率功放芯片后连接至天线辐射单元,实际应用中具有非常高的灵活性。
接收链路:射频信号通过GCPW端口首先进入双向放大器多功能芯片内部的限幅器单元,然后进入低噪声放大器单元,防止射频信号过大,烧毁接收低噪声放大器。放大后的射频信号进入幅相控制多功能芯片,经过芯片内部的单刀双掷开关单元、六位数控移相单元和六位数控衰减单元后,经过一分二功合器合成一路射频信号从COM端口对外输
T/R组件内部集成了3种不同材质的芯片,其中幅相控制多功能芯片、双向放大多功能芯片采用GaAs工艺制备;控制芯片、稳压芯片、调制芯片等采用硅CMOS工艺制备;100 pF芯片电容采用单层陶瓷工艺制备。T/R组件表面焊接的10 μF电容元件采用陶瓷封装形式。组件实现了三维异构集成的目的,极大减小了产品尺
组件在三维布局中充分考虑电磁屏蔽、通道干扰等问题,将组件结构分为上下两层。其中上层结构中内埋通道幅相控制多功能芯片、电容芯片、负压偏置芯片、电源调制芯片;顶部集成表面贴装式陶瓷封装电容,该层主要布局小信号射频芯片、电源控制芯片。下层结构中内埋双向放大多功能芯片以及电容芯片,该层主要布局大信号芯片。上下层结构采用直径250 μm的铅锡焊球将上下层连接起来,实现了上下层结构的垂直互联,有效解决了大小信号的互扰问题。两通道之间刻蚀硅基腔体进行物理隔离,同时硅基腔体金属化TSV做屏蔽处理,防止相邻芯片腔体间电磁干扰,整个T/R组件具有非常高的电磁兼容特性。TR组件结构示意图如

图2 T/R模组结构示意图
Fig.2 Structure diagram of the T/R module
上层和下层结构均采用5层250 μm厚的硅片,每层硅片表面均有5 μm的镀金层,包含金属图形、通孔(侧壁电镀)、空腔(侧壁不电镀)等结构,多层硅片通过晶圆级金金热压键合工艺结合在一起。芯片通过导电胶粘结、键合等微组装工艺内埋在多层结构的空腔中,上层顶部焊接表贴陶瓷封装电容。组件实现了三维异构集成设计,内埋了3种材质芯片,共堆叠了3层,充分利用了纵向空间,极大提高了T/R组件的集成度。
设计的两通道T/R组件采用上下两层硅基结构堆叠的方式实现。微波信号的垂直传输采用TSV和焊球两种结构实现,两种结构均为类同轴结
(1) |
式中:为介质相对介电常数;Di为中心内导体的直径;Do为类同轴传输结构的外导体直径。
硅基的相对介电常数为11.9,TSV垂直过渡的中心内导体孔直径Di,根据MEMS工艺规则设计为65 μm,为保证传输结构与芯片更好地匹配,其特性阻抗应尽量接近50 Ω。根据
硅基结构内部含有带状线到TSV的穿层结构,再转到带状线,最后以GCPW作为端口与芯片进行连接,此垂直互连TSV类同轴结构的插入损耗直接影响发射的输出功率和接收的噪声系数,因此必须对该结构的插损和驻波进行优化仿真。
通过计算确定硅片层间TSV类同轴传输结构的外导体直径Do为500 μm,建立微波端口信号从第3层到第4层的传输模型,如

图3 硅基结构内部TSV类同轴仿真模型
Fig.3 TSV simulation model of silicon-based package

图4 硅基结构内部TSV类同轴仿真结果与测试结果
Fig.4 TSV simulation results and measurement results of silicon-based packaging
上下层硅基结构通过BGA植球连接,微波端口采用焊球垂直互连类同轴结构。该结构的插入损耗和驻波系数直接影响发射和接收的增益平坦度等指标,因此必须对该结构的插损和驻波进行优化仿真。
通过计算确定焊球的类同轴传输结构的外导体直径Do为1 000 μm,建立上层和下层植球连接的传输模型,如

图5 上下层硅基结构连接TSV类同轴仿真模型
Fig.5 TSV simulation model of upper and lower silicon package connection

图6 上下层硅基结构连接TSV类同轴仿真结果与测试结果
Fig.6 TSV simulation results and measurement results of upper and lower silicon package connection
除了垂直互连传输结构,组件内部还应用了GCPW形式的平面传输结构,用来连接芯片和对外互连。因所用芯片输入输出端口均已匹配到50 Ω,故微带电路阻抗匹配设计时重点考虑键合丝的寄生感性效应。建立微带匹配模型时,采用容性的宽带线抵消键合丝的寄生感性效应,再利用高阻抗的窄带线将阻抗实部降低到50 Ω,达到拓展宽带的效果。该组件为25%的相对带宽,微带阻抗匹配采用一级高低阻抗变换即可达到目的,通过仿真优化带线的宽度、长度等参数,进而得到微带电路阻抗设计参数。微带匹配电路仿真模型如

图7 微带匹配电路仿真模型
Fig.7 Simulation model of microstrip matching circuit
制作微带匹配仿真验证电路并进行测试,模型优化结果和实测结果如

图8 微带匹配电路的仿真结果和测试结果
Fig.8 Simulation results and measurement results of microstrip matching circuit
组件的装配工艺涉及硅基MEMS加工工艺和芯片微组装工

图9 MEMS三维集成的工艺过程
Fig.9 Process of MEMS 3D integration
完成的T/R组件如

图10 TR组件实物图
Fig.10 Photo of TR module

图11 探针台测试系统
Fig.11 The test system of the probe station
parameter | value |
---|---|
operating frequency/GHz | 12~18 |
saturation output power/dBm | >24 |
receive channel gain/dB | >20 |
noise figure/dB | <3.0 |
phase shift accuracy RMS/(°) | 3.5 |
attenuation accuracy RMS/dB | 0.45 |
voltage standing wave ratio | <2 |

图12 接收通道仿真曲线和测试曲线
Fig.12 Simulation curves and measurement curves of the receiving channel

图13 发射通道饱和输出功率仿真曲线和测试曲线
Fig.13 Simulation curves and measurement curves of the saturation output power

图14 移相衰减精确度RMS仿真曲线和测试曲线
Fig.14 Simulation curves and measurement curves of phase shift and attenuation accuracy RMS
从上述测试结果可以看出:硅基MEMS三维异构集成T/R组件在Ku波段发射通道接收增益大于20 dB,噪声系数小于3.0 dB;发射饱和输出功率大于24 dBm;通道移相精确度RMS小于3.5°,衰减精确度RMS小于0.45 dB,均达到了设计目标。通过正向全面仿真设计,仿真结果和测试结果高度吻合,真正做到了组件免调试。
基于硅基MEMS三维异构集成工艺,Ku波段双通道T/R组件实现了多种不同功能和不同材质芯片的3层堆叠,最终尺寸仅为15 mm×8 mm×3.8 mm;通过硅通孔和球栅阵列工艺实现了不同层芯片间的低损耗、高性能垂直互联,并兼有良好的电磁屏蔽效果;优于微米级精确度的硅基工艺,实现了组件正向仿真设计与实测结果的高度吻合,实现了免调试,最终测试结果良好,达到了设计预期。该组件可晶圆级自动装配和探针自动测试,非常适合批量生产,可极大提高生产效率,降低生产成本。该组件具有性能好,质量轻,体积小,加工精确度高,组装效率高等特点,具有非常高的推广价值。
参考文献
吴洪江,高学邦. 雷达收发组件芯片技术[M]. 北京:国防工业出版社, 2017. [百度学术]
WU Hongjiang,GAO Xuebang. Chip technology for T/R module[M]. Beijing:National Defense Industry Press, 2017. [百度学术]
王清源,吴洪江,赵宇,等. 一种基于MEMS体硅工艺的三维集成T/R模块[J]. 半导体技术, 2021,46(4):300-304,336. [百度学术]
WANG Qingyuan,WU Hongjiang,ZHAO Yu,et al. A 3D integrated T/R module with bulk silicon MEMS technology[J]. Semiconductor Technology, 2021,46(4):300-304,336. doi:10.13290/j.cnki.bdtjs.2021.04.008. [百度学术]
YEO S K,CHUN J H,KWON Y S. A 3D X-band T/R module package with an anodized aluminum multilayer substrate for phased array radar applications[J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2010,33(4):883-891. [百度学术]
LIU Enda,WU Hongjiang,ZHAO Yongzhi. Design of phased array T/R component microsystem based on heterogeneous integration technology[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2019(1325):012010. doi:10.1088/1742-6596/1325/1/012010. [百度学术]
LUCERO R,QUTTENEH W,PAVIO A,et al. Design of an LTCC switch diplexer front-end module for GSM/DCS/PCS applications[C]// 2001 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits(RFIC) Symposium. Phoenix:IEEE, 2001:213-216. doi: 10.1109/RFIC.2001.935678. [百度学术]
石海然,张涛,薛欣,等. Ka频段八波束接收组件的设计与实现[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2019,17(2):252-257. [百度学术]
SHI Hairan,ZHANG Tao,XUE Xin,et al. Design of a Ka band 8 beams receiver module[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2019,17(2):252-257. doi:10.11805/TKYDA201902.0252. [百度学术]
陈柏燊,唐杨,岳海昆,等. 基于LGA工艺的D波段微带线-波导过渡结构[J]. 太赫兹科学与电子信息学报, 2019,17(5):735-738. [百度学术]
CHEN Baishen,TANG Yang,YUE Haikun,et al. A D-band transition from microstrip to waveguide based on LGA technology[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2019,17(5):735-738. doi:10.11805/TKYDA 201905.0735. [百度学术]
王驰,卢伊伶,祝大龙,等. 基于硅基MEMS工艺的X频段三维集成射频微系统[J]. 遥测遥控, 2019,40(3):47-51. [百度学术]
WANG Chi,LU Yiling,ZHU Dalong,et al. Design of X-band three-dimensional integrated RF transceiver microsystem based on silicon based MEMS technology[J]. Journal of Telemetry,Tracking and Command, 2019,40(3):47-51. doi:10.3969/j.issn.2095-1000.2019.03.008. [百度学术]
ZHAO Yongzhi,WANG Shaodong,WU Hongjiang. A novel dual channel receive front-end module with MEMS technology[C]// 2018 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility and 2018 IEEE Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility. Suntec City:IEEE, 2018:674-677. doi:10.1109/ISEMC.2018.8393866. [百度学术]