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一种基于硅基MEMS三维异构集成技术的T/R组件  PDF

  • 陈兴
  • 张超
  • 李晓林
  • 赵永志
中国电子科技集团公司 第十三研究所,河北 石家庄 050051

中图分类号: TN958.92

最近更新:2024-04-03

DOI:10.11805/TKYDA2023208

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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[

1-2]

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[

3-5],其中硅基MEMS三维异构集成技术最引人关注。该技术实现了T/R组件的垂直互连,打破了集成密度在二维尺度上的诸多限制,将电路布局拓展到三维,不仅克服了传统T/R组件体积大和质量大的缺点,还兼具极高的芯片间电磁屏蔽特性。相较于低温共烧陶瓷和高温共烧陶瓷集成技术,硅基MEMS三维异构集成技术更具有微米量级加工精确度,可实现正向仿真设计与实测结果的高度吻合,真正实现免调试。

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。

1 电路与结构

1.1 方案介绍

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所示。组件所用的射频芯片进行了集成,考虑工艺兼容性,将链路前端开关电路、功率放大器、限幅器和低噪声放大器集成到一款双向放大器多功能芯片上;将数控移相、数控衰减和增益补偿放大器集成到一款幅相控制多功能芯片上,大幅减小了二维平面尺寸。

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[

6]。组件具有通道控制、电源稳压、时序保护和调制等功能。

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[

7]

1.2 三维结构

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所示。

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。

2 关键技术仿真

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[

2]。该结构有效地减小了组件体积,提高集成密度。TSV垂直过渡同轴结构的阻抗为:

Z0=60εrlnDoDi (1)

式中:εr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。根据式(1),可确定Do

2.1 硅基结构内部TSV类同轴结构

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所示。制作硅片层间TSV类同轴传输结构仿真验证电路并进行测试,模型仿真结果与实测结果如图4所示。结果显示仿真曲线和实测曲线高度吻合,在14~18 GHz频段内,端口回波损耗低于-28 dB,插入损耗小于0.2 dB,正向仿真具有很高的设计指导意义。

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

2.2 上下层间焊球类同轴结构

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所示。制作上层和下层植球连接的传输结构仿真验证电路并进行测试,模型优化结果和实测结果如图6所示。结果显示仿真曲线和实测曲线高度吻合,在14~18 GHz频段内端口回波损耗低于-19 dB,插入损耗小于

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

0.5 dB,正向仿真具有很高的设计指导意义。

2.3 微带电路阻抗设计

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所示。

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所示。结果显示正向仿真具有很高的设计指导意义,在2~20 GHz频段内,端口回波损耗低于-25 dB,插入损耗小于0.2 dB。

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

3 组件装配与测试

组件的装配工艺涉及硅基MEMS加工工艺和芯片微组装工[

8-9]。首先采用MEMS体硅微加工工艺,在晶圆硅片衬底上刻蚀出放置芯片的腔体、盖板的腔体和TSV过孔,并制作图形;再采用微组装工艺将微波芯片粘结在腔体内,并进行金丝键合,然后进行晶圆级金金热压键合、划片分割,得到上下层的硅基结构;最后使用球焊机完成硅基封装表面的植铅锡球,上下层硅基模块采用回流焊的方式实现植球堆叠。具体工艺过程如图9所示。

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所示,尺寸仅为15 mm×8 mm×3.8 mm。组件对外端口均为GCPW形式,可方便高效地利用探针台进行自动测试,如图11所示。测试系统包含:矢量网络分析仪、可编程控制板、计算机、通用型接口总线(GBIP线)。对TR组件进行了全面指标测试,指标测试结果如表1所示。接收通道增益、噪声系数仿真曲线和测试曲线如图12;发射通道饱和输出功率仿真曲线和测试曲线如图13;收发公共通道64态数控移相均方根(Root-Mean-Square,RMS)、64态数控衰减RMS仿真曲线和测试曲线如图14,仿真结果和测试结果高度吻合。

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

表1  T/R模块测试结果
Table1  Test results of the T/R module
parametervalue
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。

4 结论

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。

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