基于三维异构集成技术的X波段4通道收发模组

李晓林，高艳红，赵宇，许春良; LI Xiaolin; GAO Yanhong; ZHAO Yu; XU Chunliang

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基于三维异构集成技术的X波段4通道收发模组 PDF

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李晓林
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高艳红
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赵宇
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许春良

中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄市 050051

中图分类号： TN838； TN851

最近更新：2024-06-03

DOI：10.11805/TKYDA2022228

摘要

基于硅基微电子机械系统(MEMS)三维异构集成工艺，设计了一款适用于相控阵天线系统的三维堆叠4通道T/R模组。模组由3层功能芯片堆叠而成，3层功能芯片之间采用贯穿硅通孔(TSV)和球栅阵列实现电气互连；模组集成了6位数控移相、6位数控衰减、串转并、负压偏置和电源调制等功能，最终尺寸为12 mm×12 mm×3.8 mm。测试结果表明，在X波段内，模组的饱和发射输出功率为30 dBm，单通道发射增益可达27 dB，接收通道增益为23 dB，噪声系数小于1.65 dB。该模组性能优异，集成度高，适合批量生产。

关键词

微系统; T/R模组; 三维异构集成; 微电子机械系统; 硅通孔

有源相控阵系统一直在向轻量化、小型化与低成本化的方向发展。T/R模组作为有源相控阵的重要组成部分，决定了整个系统的性能、质量、体积以及成本^[

1]。为克服传统T/R模组体积和质量方面的缺点，研发人员经过大量实验，开发了多种新型集成技术。在众多集成技术中^{[参考文献 2

百度学术}2]，以硅基MEMS三维异构集成技术最引人关注，该项技术不仅克服了传统金属封装T/R模组体积和质量大的缺点，还兼具极高的芯片间电磁屏蔽特性。相较于高温共烧陶瓷集成技术，硅基MEMS三维异构集成技术具有更优异的微米量级加工精确度，可实现软件仿真结果与加工实测结果高度吻合^{[参考文献 3

百度学术}3]，真正实现免调试。

2018年南京电子器件研究所基于硅基三维异构集成技术实现了X波段8通道接收变频模组^[

4]，包含了接收多功能、8通道滤波、镜像抑制混频多功能、中频多功能以及3种中频带宽可切换功能，尺寸为20 mm×16 mm×

3 mm。2022年中电科第三十八研究所基于硅基异构集成工艺，设计出一款X波段单通道T/R组件^[

5]，其发射功率大于10 W，噪声系数低于3.5 dB，尺寸为16 mm×16 mm×1.4 mm。

为进一步提高器件的集成度，本文基于硅基MEMS三维异构集成工艺设计了一款X波段4通道三维集成T/R模组。利用硅通孔(TSV)和球栅阵列(BGA)工艺实现了不同层芯片间的垂直互连；模组内部各芯片腔之间采用高密度金属化TSV做电磁隔离屏蔽；模组集成了射频收发功能、6位数控移相功能、6位数控衰减功能、串转并功能、负压偏置和电源调制等功能，最终尺寸为12 mm×12 mm×3.8 mm。

1 电路与结构

1.1 方案介绍

采用的电路原理框图如图1所示，其中PM为电源调制功能。发射链路：射频信号由COM端口进入4通道幅相控制多功能芯片，经过芯片内部的一分四功分结构后变为4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6位数控衰减单元、6位数控移相单元和单刀双掷开关单元后，向下一级功率放大器芯片输出，经过放大处理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到天线辐射单元，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端口先进入限幅器芯片，再进入低噪声放大器芯片，防止射频信号过大，烧毁接收低噪放芯片。放大处理后的信号进入4通道幅相控制多功能芯片，经过芯片内部的单刀双掷开关单元、6位数控移相单元和6位数控衰减单元后合成一路射频信号，经COM端口对外输出^[

6]。

图1 T/R模组电路原理框图

Fig.1 Circuit schematic diagram of the T/R module

T/R模组共集成了4种不同材质的芯片：幅相控制多功能芯片、低噪声放大器芯片和限幅器芯片采用GaAs工艺制备；功率放大器芯片采用GaN工艺制备；电源调制芯片采用Si基CMOS工艺制备；内部集成的0.1 μF芯片电容采用陶瓷工艺制备。所需的10 μF电容元件采用陶瓷封装形式焊接在T/R模组上表面，实现了三维异构高集成目的，极大减小了产品尺寸^[

7]。

1.2 三维结构

4通道T/R模组共集成了3层芯片。第1层集成了限幅器芯片、低噪声放大器芯片、功率放大器芯片以及电容芯片；第2层集成了幅相控制多功能芯片和电容芯片；第三层集成了负压偏置芯片、电容芯片、电源调制芯片以及陶瓷封装电容。T/R模组的结构示意图如图2所示。

图2 T/R模组结构示意图

Fig.2 Structure diagram of the T/R module

第1层和第2层均由5层250 μm厚的硅片构成，每层硅片上下表面均有5 μm厚的镀金层，硅片间采用晶圆级金金热压键合工艺结合。底部2层硅片作为二次布线层以及芯片载托层，中间2层硅片作为二次布线层和芯片腔体支撑层，顶层硅片作为盖板层。第1层和第2层硅基封装结构之间采用直径250 μm的铅锡焊球连接。芯片腔体采用金属化TSV做屏蔽处理，可防止相邻芯片腔体间电磁干扰，该项措施可使整个T/R模组具有非常高的电磁兼容特性。芯片通过键合线、低损耗平面传输线、垂直互连TSV和焊球类同轴结构实现上下层间的信号互连。模组采用三维异构集成设计，内埋了4种材质芯片，共堆叠了3层，在提高收发系统性能的同时，极大提高了T/R模组的集成度。

1.3 电磁仿真

T/R模组由3层芯片堆叠构成，不同层芯片间均需通过垂直互连结构实现信号传递。实际应用的垂直互连方式有多种^[

8-10]，本文采用与硅基MEMS工艺最兼容的TSV和焊球类同轴结构作为主要的垂直互连方式。考虑到

T/R模组的可扩展性应用，方便与外置高功率芯片互连，射频对外接口采用GCPW形式。

为快速得出最优的类同轴结构参数，采用同轴结构的特性阻抗(Z₀)^[

11]来确定仿真初始参数：

Z_{0} = \frac{60}{\sqrt[]{ε_{r}}} l n \frac{D_{o}}{D_{i}}

(1)

式中： $ε_{r}$ 为介质相对介电常数； $D_{o}$ 为同轴结构外导体直径； $D_{i}$ 为同轴结构内导体直径。由于硅基MEMS工艺的硅通孔直径已被固化为100 μm，因此硅基内部的同轴结构内导体直径已经确定。硅基封装之间采用直径250 μm焊球互连，因此硅基封装之间的同轴结构内导体直径也已经确定。将已经确定的工艺参数代入式(1)，得到硅基内部同轴外导体直径为1 770 μm，硅基封装之间的同轴外导体直径为575 μm。

根据硅基MEMS三维集成结构建立了2种类同轴垂直互连仿真模型，第1种模型为模组第1层外部GCPW结构至第2层芯片的类同轴垂直传输结构；第2种模型为上下2层芯片之间的类同轴垂直传输结构。将得到的初始参数代入模型进行仿真优化，仿真过程中主要对匹配传输线的宽度和硅通孔焊盘大小进行优化。

第1种模型如图3所示，该结构实现了外部馈入信号至射频芯片的传输功能。仿真和测试结果如图4所示，在X波段内回波损耗优于-15 dB，带内插入损耗最大约为0.45 dB，整体性能优异。

图3 带GCPW端口的互连传输结构仿真模型

Fig.3 Simulation model of the interconnection transmission structure with the GCPW port

图4 带GCPW端口的互连传输结构仿真和测试结果

Fig.4 Simulation results and measurement results of the interconnection transmission structure with the GCPW port

第2种模型如图5所示，该结构实现了上下2层芯片之间的垂直互连传输功能。仿真和测试结果如图6所示，在X波段内回波损耗优于-14dB，带内插入损耗最大约为0.4 dB，整体性能优异。

图5 内部互连传输结构仿真模型

Fig.5 Simulation model of the internal interconnection transmission structure

图6 内部互连传输结构仿真结果和测试结果

Fig.6 Simulation results and measurement results of the internal interconnection transmission structure

除了垂直互连传输结构，T/R模组中还应用了GCPW形式的平面传输结构，用来解决模组对外互连问题。同样在软件中建立了GCPW的模型，并进行了优化仿真，模型如图7所示，仿真和测试结果如图8所示。

图7 GCPW仿真模型

Fig.7 Simulation model of the GCPW

图8 GCPW仿真结果和测试结果

Fig.8 Simulation results and measurement results of the GCPW

综合分析上述3种仿真模型的仿真和测试结果，可以得出T/R模组所使用的互连传输结构均具有较高的性能，可以满足应用需求。

2 测试结果与分析

装配完成后的T/R模组如图9所示，尺寸仅为12mm×12mm×3.8mm。搭建了X波段的探针台测试系统对T/R模组进行了全面的性能测试，指标测试结果如表1所示。发射通道饱和输出功率仿真和测试结果如图10所示，接收增益仿真和测试结果如图11所示，噪声系数仿真和测试结果如图12所示。

图9 T/R模组实物图

Fig.9 Photograph of the T/R module

表1 T/R模组测试结果

Table1 Test results of the T/R module

parameter	typical value
frequency/GHz	8~12
P_sat/dBm	＞30
receive gain/dB	＞23
noise figure/dB	＜1.65
RMS of phase shift/(°)	3
phase shift amplitude fluctuation/dB	±0.6
RMS of attenuation/dB	0.9
attenuation additional phase shift/(°)	±5
VSWR	＜2

图10 发射通道饱和输出功率仿真结果和测试结果

Fig.10 Simulation results and measurement results of the saturated transmitting power

图11 接收通道增益仿真结果和测试结果

Fig.11 Simulation results and measurement results of the receiving gain

图12 噪声系数仿真结果和测试结果

Fig.12 Simulation results and measurement results of the noise figure

从上述测试结果可以得出，硅基MEMS三维异构集成T/R模组在X波段发射通道饱和输出功率大于30 dBm，接收通道增益大于23 dB，噪声系数小于1.65 dB，同时具有6位移相和6位衰减功能，移相和衰减精确度均比较理想。得益于设计初期全面的仿真，设计结果与预期结果完全吻合。

3 结论

基于硅基MEMS工艺，将多种材质、多种功能的芯片集成在12 mm×12 mm×3.8 mm的模组内部，通过高密度金属化TSV实现了相同层不同芯片腔体间的电磁屏蔽，通过垂直互连结构实现了不同层芯片间的低损耗、高性能互连，最终测试结果良好，符合设计预期。T/R模组可以晶圆级自动化装配和测试，适合批量生产，同时免调试，极大提高了生产效率，降低了生产成本。本设计思路新颖，具有高性能、低成本、轻量化、小型化和易生产的优点，具有非常高的推广价值。

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