基于QFN封裝的X波段GaAs T/R套片設(shè)計(jì)

謝媛媛，賈玉偉，方家興，曾 志，周 鑫，趙子潤

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

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基于QFN封裝的X波段GaAs T/R套片設(shè)計(jì)

謝媛媛，賈玉偉，方家興，曾 志，周 鑫，趙子潤

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

基于陶瓷方形扁平無引腳(QFN)封裝研制出4款X波段GaAs 微波單片集成電路(MMIC)，包括 GaAs幅相控制多功能芯片(MFC)、功率放大器、低噪聲放大器、開關(guān)限幅多功能芯片。利用QFN技術(shù)將這套芯片封裝在一起，組成2 GHz 帶寬的QFN封裝收/發(fā)(T/R)組件，輸出功率大于1 W，封裝尺寸為9 mm×9 mm×1 mm。通過提高GaAs MMIC的集成度、放大器單邊加電、內(nèi)部端口匹配，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了微波T/R組件的小型化。這幾款芯片中最復(fù)雜的X波段幅相控制多功能芯片集成了T/R開關(guān)、六位數(shù)字移相器、五位數(shù)字衰減器、增益放大器及串轉(zhuǎn)并驅(qū)動器。在工作頻段內(nèi)，收發(fā)狀態(tài)下，增益大于5 dB，1 dB壓縮輸出功率(P-1)大于7 dBm，移相均方根(RMS)誤差小于2.5 °，衰減均方根誤差小于0.3 dB，回波損耗小于-12 dB，裸片尺寸為4.5 mm×3.0 mm×0.07 mm。

陶瓷方形扁平無引腳封裝；T/R；X波段；GaAs微波單片集成電路；多功能芯片

0 引 言

收/發(fā)(T/R)組件是雷達(dá)天線的關(guān)鍵部件。1部雷達(dá)系統(tǒng)的天線陣面包含成千上萬個T/R組件，其造價約占系統(tǒng)造價的70%～80%。T/R組件的體積、性能、成本、可靠性等指標(biāo)直接影響著雷達(dá)系統(tǒng)的相應(yīng)指標(biāo)[1]。T/R組件主要由移相器、衰減器、T/R開關(guān)、數(shù)字驅(qū)動器、低噪聲放大器、功率放大器、限幅器、大功率開關(guān)等電路組成，隨著GaAs微波單片集成電路(MMIC)的發(fā)展，上述電路已全部實(shí)現(xiàn)芯片化。通常，將這些GaAs MMIC組裝在1個金屬盒體內(nèi)，構(gòu)成的X波段T/R組件的尺寸較大。

由于半導(dǎo)體芯片對環(huán)境比較敏感，選擇合適的封裝可以保證芯片較少承受機(jī)械應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力的影響，從而提高長期可靠性。近幾年的文獻(xiàn)報(bào)道稱，MTI公司的臺灣地區(qū)研究人員將GaAs衰減器芯片裝配在長寬為3 mm×3 mm的方形扁平無引腳(QFN)封裝內(nèi)[2]，美國加利福尼亞大學(xué)的研究人員將CMOS相控陣射頻芯片裝配在長寬為6 mm×6 mm的QFN封裝內(nèi)[3]。QFN封裝是一種焊盤尺寸小、體積小(高度約為1 mm)、重量輕的新興的表面貼裝芯片封裝技術(shù)，具有良好的電和熱性能[4]。

如果能夠進(jìn)一步提高T/R組件中芯片的集成度，就可以利用QFN技術(shù)創(chuàng)新性地在很小的封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)T/R組件的功能，從而降低雷達(dá)系統(tǒng)的造價。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，GaAs MMIC正在從單一功能向多功能集成電路發(fā)展。本文基于GaAs E/D工藝、低噪聲工藝、功率工藝和PIN工藝，基于陶瓷QFN封裝[5]，設(shè)計(jì)了4款GaAs MMIC，組成T/R套片，其中包括2款多功能芯片，組裝成小型的QFN封裝T/R組件。

1 QFN封裝T/R組件的結(jié)構(gòu)和工作原理介紹

本文采用如圖1所示的陶瓷QFN封裝，外形尺寸為9 mm×9 mm×1 mm，內(nèi)部芯片粘結(jié)區(qū)的長寬為6 mm×6 mm。

QFN封裝底部的中央有一個方形的大焊盤，圍繞大焊盤在封裝體的外圍有實(shí)現(xiàn)電連接的小焊盤[4]。芯片粘結(jié)在封裝內(nèi)部的芯片粘結(jié)區(qū)上，芯片的壓點(diǎn)通過鍵合線和內(nèi)部引線連通小焊盤?？梢?，芯片的大小由芯片粘結(jié)區(qū)決定。

為了提高T/R組件中的GaAs MMIC的集成度，各個功能電路依據(jù)加工的工藝分成4組：(1)移相器、衰減器、T/R開關(guān)、數(shù)字驅(qū)動器及增益放大器，可以全部用GaAs E/D工藝實(shí)現(xiàn)，組成幅相控制多功能芯片(MFC)；(2)功率放大器(PA)用GaAs功率工藝實(shí)現(xiàn)；(3)低噪聲放大器(LNA)用GaAs低噪聲工藝實(shí)現(xiàn)；(4)限幅器和大功率開關(guān)用GaAs PIN工藝實(shí)現(xiàn)，組成開關(guān)限幅多功能芯片(SW_LIM)?？梢姡辽傩枰O(shè)計(jì)4款芯片，芯片之間通過過渡線、鍵合線互連，構(gòu)成一個完整的T/R組件。

QFN封裝T/R組件的芯片布局見圖2，圖中標(biāo)注了芯片的長寬尺寸。幅相控制多功能芯片(MFC)的公共(COM)端和開關(guān)限幅多功能芯片(SW_LIM)的輸入(SW in)端分別連接到QFN封裝T/R組件的2個微波端口。

當(dāng)GaAs幅相控制多功能芯片和開關(guān)限幅多功能芯片的開關(guān)切換到接收通道時，微波信號從SW in端口進(jìn)入，經(jīng)過限幅，再經(jīng)過LNA進(jìn)行放大，最后經(jīng)過幅相控制電路多功能芯片改變信號的幅度和相位并通過COM端口輸出；當(dāng)開關(guān)切換到發(fā)射通道時，微波信號從COM端口進(jìn)入，經(jīng)過幅相控制多功能芯片改變幅度和相位，再經(jīng)過PA進(jìn)行放大，最后通過開關(guān)限幅多功能芯片的SW in端口輸出。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 幅相控制多功能芯片的設(shè)計(jì)

幅相控制多功能芯片是隨著GaAs增強(qiáng)/耗盡型贗配高電子遷移率晶體管(E/D PHEMT)工藝的發(fā)展，由單一功能的MMIC演變而來的，用于控制接收和發(fā)射通道的信號傳輸，是本文設(shè)計(jì)的4款芯片中集成度最高、最復(fù)雜的。E/D工藝能同時在GaAs襯底上制作增強(qiáng)型和耗盡型器件，因而能夠把微波電路和數(shù)字驅(qū)動電路集成在一個芯片上。GaAs E/D PHEMT工藝的模型庫包含開關(guān)器件、功率器件、E模二極管器件、D模二極管器件和無源元件模型。

圖3是幅相控制多功能芯片的功能框圖。片上集成了3個單刀雙擲(SPDT)開關(guān)、6位數(shù)字移相器(5.625°步進(jìn))、5位數(shù)字衰減器(0.5 dB步進(jìn))、2個增益放大器和串行數(shù)字驅(qū)動器。

設(shè)計(jì)微波電路時，依據(jù)多功能芯片的性能指標(biāo)給各功能單元分配指標(biāo)，制定出移相器、衰減器、開關(guān)和放大器的性能指標(biāo)。選定各單元電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對微波電路進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)。先對每種單元電路進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，駐波盡量優(yōu)化到最小，以減小各單元電路級聯(lián)時的相互影響，再將單元電路級聯(lián)起來進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，優(yōu)化多功能芯片的工作帶寬和增益平坦度等指標(biāo)。

數(shù)字電路采用串轉(zhuǎn)并驅(qū)動電路給移相器、衰減器、開關(guān)提供控制電壓，驅(qū)動器的邏輯結(jié)構(gòu)框圖見圖4。串行驅(qū)動器由輸入保護(hù)與電平轉(zhuǎn)換、串行移位寄存器、并行鎖存寄存器、輸出緩沖等單元電路組成[6]。

串行驅(qū)動器的工作模式：TTL串行數(shù)據(jù)(DAT)進(jìn)入驅(qū)動器，并隨著時鐘(CLK)在移位寄存器中移位，n個時鐘脈沖后鎖存信號(LD)控制并行寄存器更新輸出，通過互補(bǔ)輸出緩沖產(chǎn)生所需要的互補(bǔ)電平(Ob1,O1，…，On)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行輸出的串轉(zhuǎn)并功能[6]。

最后，按照圖3的電路排列方式對多功能電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。由圖2的芯片布局可以看出，幅相控制多功能芯片的驅(qū)動器輸入電平和增益放大器偏置電壓的壓點(diǎn)都需要設(shè)置在COM端的同一側(cè)，以便連接到QFN封裝的小焊盤上。

2.2 功率放大器的設(shè)計(jì)

X波段單片功率放大器采用0.25 μm GaAs PHEMT功率工藝，在設(shè)計(jì)時主要考慮了以下幾點(diǎn)：(1)為兼顧增益、效率和線性，用AB類放大器來實(shí)現(xiàn)功率放大器的仿真設(shè)計(jì)；(2)對10×100 μm GaAs器件做LOAD PULL仿真時，發(fā)現(xiàn)在最佳效率時，功率增益約9 dB，考慮到每級放大電路失配和元件損耗約為1～2 dB，每級增益實(shí)際約7～8 dB，為實(shí)現(xiàn)較高增益，電路采用3級放大，第1級器件柵寬0.5 mm，第2級器件柵寬1 mm，第3級器件柵寬2 mm(采用2路合成結(jié)構(gòu))；(3)放大器的3級電路均采用短路線饋電設(shè)計(jì)，同時增加外圍元件，提高偏置電路之間的隔離度，以保證放大器能穩(wěn)定工作；(4)通過良好的級間匹配提升放大器的功率、效率和穩(wěn)定性，優(yōu)化輸出匹配結(jié)構(gòu),得到最好的輸出駐波和輸出功率；(5)由于QFN封裝T/R組件對單片功率放大器有尺寸限制和裝配要求，該功率放大器采用單邊加電以減小面積，放大器單邊加電時，在兩胞器件(如第3級器件)之間加平衡電阻，實(shí)現(xiàn)電流平衡，以提高放大器的穩(wěn)定性。

穩(wěn)定性分析是放大器設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。小信號激勵下的穩(wěn)定性通常用電路的穩(wěn)定因子來判斷。式(1)是輸出穩(wěn)定因子的判斷公式[7]，式(2)是輸入穩(wěn)定因子的判斷公式[7]：

(1)

(2)

式中:Δ=S22·S11-S12·S21。

若滿足不了上述條件，放大器為潛在不穩(wěn)定或者振蕩，可以通過改變匹配、找到信號反饋?zhàn)畲蟮幕芈?、降低電路閉環(huán)增益來提高電路穩(wěn)定性，并給電路在惡化的負(fù)載阻抗、高低溫和激勵功率變化等情形下的穩(wěn)定性保留冗余度。在集成多級放大器中，共電耦合現(xiàn)象是常見信號反饋較大的原因之一，多級放大電路的供電是同一電源，信號在偏置回路間的隔離度通常不高，需增加額外的偏置外圍電路以增加其隔離度。

然而，即使電路在小信號下能穩(wěn)定工作，當(dāng)輸入的微波信號在較大范圍內(nèi)變化時，器件中的非線性元件如柵源電容、柵漏電容也會發(fā)生變化，此時功率放大器也有可能發(fā)生振蕩。

在大信號模式下，功率放大器處于非線性工作狀態(tài)，此時的穩(wěn)定性分析采用穩(wěn)態(tài)條件下的波動分析法。即先通過諧波平衡仿真，求得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解，然后加入一個波動電流，在周期穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近線性化。隨后通過掃描波動電流的工作頻率求得整個電路的閉環(huán)頻率響應(yīng)，以此判定電路是否穩(wěn)定。

利用微波電路設(shè)計(jì)軟件得到單片功率放大器的原理圖仿真結(jié)果并生成版圖，再對版圖進(jìn)行電磁場仿真和修正。X波段單片功率放大器的版圖見圖5。

2.3 低噪聲放大器的設(shè)計(jì)

X波段低噪聲放大器基于0.15μmGaAsPHEMT低噪聲工藝設(shè)計(jì)。由于低噪聲放大器的增益指標(biāo)要求較高，選用三級放大電路拓?fù)洌妶D6。較高的增益容易引起自激，為避免級間環(huán)路自激，采用有耗匹配方式。較低的噪聲系數(shù)要求也是該電路的難點(diǎn)，為了降低噪聲，在每級源電路中引入串聯(lián)反饋電感，通過改變電感值，可使場效應(yīng)晶體管(FET)的輸入阻抗增加到接近于最佳輸入噪聲阻抗，使電路具有最佳的噪聲性能。

另外，因?yàn)镼FN封裝T/R組件對低噪聲放大器的尺寸有限制，芯片的版圖布局也需要仔細(xì)考慮，采用單電源供電，漏電壓加在同一邊，以減小芯片的面積，方便使用。

2.4 開關(guān)限幅多功能芯片的設(shè)計(jì)

在QFN封裝T/R組件中，幅相控制多功能芯片工作于公共通道，低噪聲放大器位于接收通道，功率放大器置于發(fā)射通道。大功率開關(guān)用來選擇接收支路或發(fā)射支路，限幅器起著保護(hù)接收前端低噪聲放大器的作用。因此，當(dāng)大功率開關(guān)和限幅器集成在同一個芯片上，限幅器應(yīng)設(shè)計(jì)在開關(guān)的接收支路上。開關(guān)限幅多功能芯片基于GaAsPIN二極管單片工藝設(shè)計(jì)。PIN二極管具有擊穿電壓高、功率容量大、開關(guān)速度快、插入損耗小等特點(diǎn)。由于PIN工藝不能集成數(shù)字電路，開關(guān)控制位需外接驅(qū)動電路。設(shè)計(jì)PIN開關(guān)時適當(dāng)提高開關(guān)導(dǎo)通支路的控制電壓，可以提高開關(guān)的功率壓縮點(diǎn)。開關(guān)限幅器多功能芯片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示, 設(shè)計(jì)方法見參考文獻(xiàn)[8]。

3 工藝實(shí)現(xiàn)和測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的幅相控制多功能芯片采用GaAsE/DPHEMT工藝制作，單片功率放大器采用0.25μmGaAsPHEMT功率工藝制作，單片低噪聲放大器采用0.15μmGaAsPHEMT低噪聲工藝制作，開關(guān)限幅多功能芯片基于GaAsPIN二極管單片工藝制作。芯片加工完成后，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針系統(tǒng)進(jìn)行在片測試。

X波段幅相控制多功能芯片的主要電性能測試曲線如圖8～圖11所示，實(shí)線代表接收狀態(tài)，虛線代表發(fā)射狀態(tài)。實(shí)測結(jié)果：工作頻率：(f0-1) GHz～(f0+1) GHz，在接收和發(fā)射狀態(tài)下，增益大于5 dB，1 dB壓縮輸出功率(P-1)大于7 dBm，64態(tài)移相均方根(RMS)誤差小于2.5 °，32態(tài)衰減RMS誤差小于0.3 dB，回波損耗小于-12 dB，移相附加幅度波動小于±0.8 dB，衰減附加相移小于±5 °。+5 V電源工作電流小于55 mA，-5 V電源工作電流小于15 mA。芯片尺寸4.5 mm×3.0 mm×0.07 mm。

圖12、圖13給出了X波段單片功率放大器的測試曲線。工作頻率(f0-2) GHz～(f0+2) GHz，功率增益21 dB，飽和輸出功率31 dBm，功率附加效率35%。漏加電+8 V，靜態(tài)電流150 mA。芯片尺寸為2.3 mm×1.3 mm×0.08 mm。

X波段低噪聲放大器測試曲線見圖14、圖15。工作頻率(f0-2) GHz～(f0+2) GHz，帶內(nèi)噪聲系數(shù)小于1.6 dB，增益大于31 dB，P-1大于9 dBm，輸入輸出駐波小于1.6，加電+5 V下靜態(tài)電流40 mA。尺寸為2.5 mm×1.0 mm×0.07 mm。

開關(guān)限幅多功能芯片集成了輸入輸出隔直電容，芯片尺寸為3.1 mm×1.0 mm×0.1 mm。其頻率范圍(f0-2)GHz～(f0+2) GHz，插入損耗小于1.5 dB(接收支路的插損比發(fā)射支路大)，輸入輸出駐波小于2.0，限幅電平小于15 dBm，開關(guān)隔離度大于40 dBm。圖16～圖18給出了主要參數(shù)的測試曲線。

從研制結(jié)果可以看出，這4款芯片具有良好的電性能和較小的尺寸，可以組成T/R套片使用。由于幅相控制多功能芯片的工作頻帶只有2 GHz，比其他3款芯片的頻帶窄，整個T/R組件的工作帶寬受到了限制。在下一步工作中，將拓寬幅相控制多功能芯片的帶寬，使4款芯片全部工作到4 GHz帶寬。圖19是這4款芯片的照片。圖20是這4款芯片進(jìn)行QFN封裝后裝配在測試板上的照片，芯片的端口之間通過陶瓷片過渡線、金絲鍵合線連接。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)出基于QFN封裝T/R組件的4款GaAs MMIC芯片，包括X波段幅相控制多功能芯片、單片功率放大器、單片低噪聲放大器和開關(guān)限幅多功能芯片。通過提高GaAs MMIC的集成度、放大器單邊加電、內(nèi)部端口匹配，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了微波T/R組件的小型化。用這4款芯片組裝成的QFN封裝T/R組件的尺寸僅為9 mm×9 mm×1 mm。本文取得的研究成果給微波T/R組件的小型化提供了新的參考，將進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品的研制和發(fā)展。

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Designed of A Suit of X-band GaAs T/R Chips Based on QFN Package

XIE Yuan-yuan,JIA Yu-wei,FANG Jia-xing,ZENG Zhi,ZHOU Xin,ZHAO Zi-run

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Based on ceramic quad flat non-lead (QFN) package,four X-band GaAs microwave monolithic integrated circuits (MMICs) have been developed,which include GaAs amplitude-phase control multi-function chip (MFC), power amplifier (PA),low noise amplifier (LNA) and switch-limiter MFC.The suit of chips can be packaged using QFN technology to build up a QFN-packaged transceiver/receiver (T/R) subassembly of 2 GHz bandwidth.For the T/R subassembly,the output power is higher than 1 W and the package size is 9 mm×9 mm×1 mm.Microminiaturization of the microwave T/R subassembly has been realized by increasing the integration level of GaAs MMIC,changing the amplifier bias voltage to single side,matching the inside ports.The most complex chip among these MMICs is the X-band amplitude-phase control MFC,which is integrated with T/R switch,6 bit digital phase shifter,5 bit digital attenuator,gain amplifier and serial to parallel switch driver.In working frequency,in receiving and transmitting mode,the gain is higher than 5 dB and the 1 dB compressed output power (P-1) is higher than 7 dBm,the root mean square (RMS) errors of phase shift and amplitude are less than 2.5 ° and 0.3 dB,the echo loss is less than -12 dB,the die size is 4.5 mm×3.0 mm×0.07 mm.

ceramic quad flat non-lead package;transceiver/receiver;X-band;GaAs microwave monolithic integrated circuit;multi-function chip

2017-01-09

TN82

A

CN32-1413(2017)02-0099-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.023