基于三維集成的小型化Ku 波段收發(fā)組件

劉昊東，吳洪江，余小輝，馬戰(zhàn)剛

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

0 引言

微波組件是雷達(dá)和通信系統(tǒng)中的重要硬件支撐部分，承擔(dān)著信號的放大、混頻、調(diào)制和幅相控制功能。為了滿足性能更加強(qiáng)大的雷達(dá)和通信系統(tǒng)的需求，設(shè)備前端所使用的天線陣列規(guī)模越來越大，所需要的信號也越來越復(fù)雜，對于微波組件的技術(shù)指標(biāo)來說，就需要在同樣甚至更小的體積下有著更多的通道數(shù)、更高的通道間一致性和隔離度、更好的電磁兼容和更低的功耗，同時還要保證組件在極端環(huán)境下的可靠性。因此，微波組件正在向著小型化、輕量化、高工作頻率、多功能、高可靠性和低成本等方向發(fā)展[1-2]。然而，目前傳統(tǒng)的微波多芯片模塊和組件已經(jīng)漸漸無法滿足小體積、低功耗的需求。

本文介紹了一種以硅基三維集成器件為基礎(chǔ)的三維集成微波組件，采用盒體單層開腔，電源和信號集成至一整塊多層混壓PCB 板的形式[3-4]，將80%的射頻和中頻芯片、器件集成在硅基三維集成器件中，采用BGA安裝形式，晶圓級鍵合封裝，頂層還可以表貼阻容、電橋等無源器件；再將硅基模塊、中頻LC 濾波器、溫補衰減器、π 型衰減器和穩(wěn)壓電路、控制電路等所需要的器件表貼在PCB 板上形成完整的收發(fā)鏈路和控制電路，最終研制出的微波組件相對于其原型接收機(jī)增加了發(fā)射功能和一路多功能通道的情況下，整體體積降低至原接收機(jī)的一半，實際使用體積僅有原接收機(jī)的1/3；組件采用單層開腔、多層混壓PCB 板、通道功能硅基模塊化、整體裝配自動化的設(shè)計思路，使多功能組件在保證大批量生產(chǎn)的一致性的同時大幅降低所需要的裝配時間，提高組件大批量生產(chǎn)效率，降低人力成本和手工裝配所帶來的不穩(wěn)定性。

1 原理設(shè)計

收發(fā)組件的原理框圖如圖1 所示。收發(fā)組件主要分為發(fā)射部分、接收部分和電源及驅(qū)動電路部分[5-6]：

圖1 收發(fā)組件原理框圖

發(fā)射部分包括一路發(fā)射通道，對發(fā)射激勵信號進(jìn)行調(diào)制和功率放大，可輸出28.5 dBm±1.5 dB 的脈沖發(fā)射信號。

接收部分輸入包括兩路差信號接收通道，一路低中頻和接收通道，一路高中頻和接收通道和一路輔助校準(zhǔn)通道；輸出包括兩路差信號，一路低中頻和信號，一路高中頻和信號和一路輔助接收信號。其中，高低中頻的和信號接收通道共用一個輸入端口，輔助接收信號和高中頻和信號由切換開關(guān)控制共用一個輸出端口，主要功能為對從天線輸入的三路射頻信號進(jìn)行變頻、濾波和放大，可為微弱信號提供30 dB 接收增益，且通過消隱開關(guān)和數(shù)控衰減器組合實現(xiàn)接收信號的增益、衰減和關(guān)斷的狀態(tài)切換，確保接收通道在接收大信號時仍能正常工作，且不會因發(fā)射通道的高功率信號泄漏損壞。

電源及驅(qū)動電路包括穩(wěn)壓電路和低電壓差分信號(Low Voltage Differential Signaling，LVDS)電平轉(zhuǎn)換電路，為組件電路提供所需的穩(wěn)定工作電壓和控制信號。

2 組件電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 硅基三維集成模塊設(shè)計

硅基三維集成模塊以硅晶圓為原材料，采用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)工藝制作多層基板，在基板上制作各種集成無源器件，并將GaAs、GaN、互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)等材料制成的芯片以燒結(jié)、粘接、鍵合、倒裝焊等微組裝工藝填埋在基板內(nèi)部或表面而制成，在實現(xiàn)相同功能和指標(biāo)的情況下可以大幅降低組件體積和信號傳輸損耗[7]。硅基三維集成模塊的剖面結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 硅基三維集成模塊剖面結(jié)構(gòu)圖

由于硅基三維集成模塊在射頻下的優(yōu)異性能和高一致性，本次將收發(fā)鏈路中的大部分器件均集成進(jìn)硅基三維集成模塊中，將溫補衰減器、LC 濾波器、隔離器等體積較大的器件采用獨立貼裝的方式進(jìn)行裝配。本次硅基三維集成模塊采用5 層硅基板堆疊，第一層硅基下表面制作鎳金焊盤，用于BGA 植球；硅基采用干法刻蝕芯片掩埋腔體，采用微組裝工藝將單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)裝入芯片腔體中，并通過金絲鍵合實現(xiàn)互連；頂面貼裝元器件提高集成度。

2.2 單元電路設(shè)計

2.2.1 發(fā)射通道設(shè)計

發(fā)射通道要求發(fā)射輸出信號為調(diào)幅脈沖信號，具有100 kHz 和500 kHz 兩種重復(fù)頻率，輸入功率-1～4 dBm，輸出功率在環(huán)境溫度下全頻帶內(nèi)要求28.5 dBm±1.5 dBm，預(yù)調(diào)制深度大于80 dBc，因此整體電路分為驅(qū)放硅基模塊和功放硅基模塊，驅(qū)放硅基模塊集成單刀單擲開關(guān)、衰減器、驅(qū)動放大器和電源調(diào)制芯片等，功放硅基模塊集成單刀單擲開關(guān)、功率放大器、可編程負(fù)壓穩(wěn)壓芯片、電源調(diào)制芯片、濾波電容、調(diào)壓電阻等；功放芯片選用一款寬帶GaAs 放大器，小信號增益28 dB，飽和輸出功率30 dBm，動態(tài)漏極電流小于0.6 A，飽和輸出以保證帶內(nèi)平坦度和輸出功率要求。

輸出端貼裝隔離器以優(yōu)化端口駐波、增加端口反向隔離度。

2.2.2 接收通道設(shè)計

接收通道包括的主要器件包括硅基模塊、LC 濾波器、溫補衰減器等。硅基模塊按照通道功能分為和差通道硅基模塊、輔助/高中頻和通道硅基模塊和中頻放大硅基模塊。

和差通道硅基模塊首先包括由一對單刀雙擲開關(guān)、限幅器、低噪放、數(shù)控衰減器組成的消隱開關(guān)電路，實現(xiàn)導(dǎo)通(增益30 dB±2 dB)、衰減(衰減量25±3 dB)、關(guān)斷(通斷比51 dB±3 dB)三態(tài)控制；由于低中頻和通道需要輸出一路射頻信號給高中頻和通道進(jìn)行混頻，消隱開關(guān)后接功分器芯片，差通道不需要功分輸出時，將另一路的輸出端口以50 Ω 負(fù)載接地即可；功分器后接由鏡像抑制混頻器和90°電橋組成的鏡像抑制混頻電路，可提供20 dB 的鏡像抑制；電橋輸出混頻后的中頻信號，后接一中頻放大器，提供中頻增益。90°電橋和中頻放大器外圍電路皆為表貼器件，集成在硅基模塊最頂層。

輔助/高中頻和通道硅基模塊與和差通道硅基模塊類似，在其基礎(chǔ)上去掉了消隱開關(guān)電路，輸入端只保留限幅器。

中頻放大硅基模塊集成中頻放大器和其外圍電路，位于接收鏈路的最后端，保證信號經(jīng)過溫補衰減器和LC 濾波器后中頻輸出功率滿足要求。

2.2.3 電源及驅(qū)動電路設(shè)計

外部電源輸入組件后，通過線性穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓后再為有源器件提供電源，提高電源電路的抗干擾能力。

外部輸入的控制信號為LVDS 差分信號，組件內(nèi)部使用晶體管-晶體管邏輯電平(Transistor-Transistor Logic，TTL)進(jìn)行開關(guān)、衰減、功放調(diào)制等控制功能，因此需通過LVDS 接收電平轉(zhuǎn)換器件將六路LVDS 信號轉(zhuǎn)換為三路TTL 信號。為了避免信號通過控制電路產(chǎn)生串?dāng)_，和差通道分別采用獨立的開關(guān)驅(qū)動器以提高通道間隔離度。驅(qū)動電路原理框圖如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動電路原理框圖

2.2.4 本振電路設(shè)計

本振信號通過帶狀線進(jìn)行傳輸，通過威爾金森功分器形式，采用二功分器，進(jìn)行兩次信號一分二，從而實現(xiàn)了本振的四路等分。為滿足混頻器的本振輸入功率要求，將本振信號先功分后再放大，輸入到和差三路接收通道及輔助和路通道，保證混頻器的本振功率需求。

本振輸入功率為8～12 dBm，經(jīng)過兩級功分器后，加上微帶線的損耗，每路輸出功率約為0 dBm，放大器增益為25 dB，輸出1 dB 壓縮點14 dBm，放大器處于深飽和狀態(tài)，不利于本振鏈路的諧雜波抑制，故在放大器之前增加約10 dB 的衰減，同時可起到提高路間隔離的作用。此時，本振放大器可輸出功率14 dBm，可滿足混頻器的正常工作需求。

2.3 射頻傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 PCB 基板及走線設(shè)計

本次組件采用單板設(shè)計，雙層射頻基板與單層低頻基板混壓，走線共六層：前四層為兩層雙面射頻基板壓合，表層射頻微波信號采用共面波導(dǎo)形式進(jìn)行傳輸，并在輸入端口增加λ/4 短路線用于中頻信號隔離，中層組成帶狀線結(jié)構(gòu)進(jìn)行本振信號傳輸，且做埋阻以提高威爾金森功分器隔離度；后兩層為低頻基板；六層布線采用信號-屏蔽地的交錯結(jié)構(gòu)，信號層均可用于電源和低頻控制信號傳輸。多層板采用包邊處理，以增加電路板強(qiáng)度，且可以增強(qiáng)電路板接地效果[8]。板上電氣過孔均樹脂塞孔表面覆銅，保證焊盤平整度的同時，防止通孔溢錫污染焊盤，另設(shè)計有若干孔徑0.3 mm 的非金屬化透氣孔，在燒焊電路板時可以降低電路板空洞率。

2.3.2 波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計

接收部分的和差射頻輸入信號均采用壓縮波導(dǎo)進(jìn)行傳輸，而組件內(nèi)部使用射頻基板與微波基板混壓的多層PCB 板作為電路基板，采用共面波導(dǎo)形式進(jìn)行射頻信號傳輸，以降低射頻信號在混壓板上的損耗。因此，射頻信號在進(jìn)入組件時，需要實現(xiàn)兩種傳輸形式間的轉(zhuǎn)換。由于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位于接收通道最前端，因此其插入損耗和回波損耗對端口的匹配效果和通道的噪聲系數(shù)有極大的影響[9]。

常見的波導(dǎo)過渡形式主要有以下三種結(jié)構(gòu)：(1)波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過渡；(2)波導(dǎo)-鰭線過渡；(3)波導(dǎo)-微帶探針過渡[10]。然而以上三種結(jié)構(gòu)由于加工精度要求較高，裝配較為困難，且在惡劣的使用環(huán)境下難以保證傳輸性能的穩(wěn)定，因此本次設(shè)計采用較為穩(wěn)定的波導(dǎo)-同軸-共面波導(dǎo)過渡形式。

設(shè)計中對過渡模型進(jìn)行了仿真，建模如圖4 所示，最終仿真曲線如圖5 所示，可見在工作頻帶內(nèi)，插入損耗小于0.15 dB，回波損耗小于-15 dB，滿足組件使用要求。

圖4 波導(dǎo)-同軸-共面波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)仿真模型

圖5 波導(dǎo)-同軸-共面波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

在實際生產(chǎn)時，需要考慮盒體的加工方式和絕緣子的安裝方式。本次設(shè)計采用從波導(dǎo)頂部向下打孔的方式加工出絕緣子的安裝孔，裝配時通過波導(dǎo)頂部的孔裝入絕緣子；另設(shè)計了波導(dǎo)堵蓋，采用合適的焊料燒焊在盒體上以保證波導(dǎo)結(jié)構(gòu)完整。

2.3.3 垂直互連設(shè)計

由于硅基集成器件采用BGA 植球工藝進(jìn)行裝配，為了降低微波信號在硅通孔-錫球-共面波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)和硅通孔-錫球-帶狀線過渡結(jié)構(gòu)中傳輸時產(chǎn)生的損耗和串?dāng)_，需要對信號的垂直互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計。

圖6(a)為硅通孔-錫球-共面波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計，圖6(b)為硅通孔-錫球-帶狀線過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計。信號自硅基模塊底部焊盤輸出后，均通過直徑400 μm 的錫球與電路板焊盤進(jìn)行連接，球心間距設(shè)為800 μm；硅基模塊和電路板內(nèi)的傳輸線兩側(cè)均鋪設(shè)接地面，通過接地面與焊球間的電容效應(yīng)拓寬頻帶；垂直通孔均采用類同軸結(jié)構(gòu)，在信號通孔周圍以通孔中心為圓心等半徑放置接地孔作為屏蔽孔，不僅可以起到對電磁場的束縛和屏蔽作用，而且可以抑制由電磁場不連續(xù)性激發(fā)的寄生高次模[11-13]。同樣，在BGA 的信號球周圍等間距設(shè)置屏蔽球，可以實現(xiàn)物理支撐和信號屏蔽作用，降低外部信號串?dāng)_，提高通道間隔離度。圖7 和圖8 為兩種互連結(jié)構(gòu)工作頻帶內(nèi)仿真結(jié)果。

圖6 信號的垂直互連結(jié)構(gòu)仿真模型

圖7 硅通孔-錫球-共面波導(dǎo)垂直互連結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

圖8 硅通孔-錫球-帶狀線垂直互連結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

組件盒體采用防銹鋁材料，外表面導(dǎo)電氧化，內(nèi)部局部鍍金；對外信號接口均為密封式接頭，除和差通道波導(dǎo)輸入端口為壓縮波導(dǎo)形式外，剩余射頻和中頻端口均為SMA 接頭，電源和控制信號采用J30J 插頭連接。為了保證通道間隔離度，在電路板表面緊固活動隔墻以實現(xiàn)腔體隔離。

3 實物裝配與測試

設(shè)計完成后，按照要求對結(jié)構(gòu)件和電路板進(jìn)行了加工，并根據(jù)組件內(nèi)各種元器件的特點按照成熟溫度梯度的加工工藝設(shè)計了合適的工藝流程：

(1)將電路板燒焊在盒體上；

(2)將硅基模塊、穩(wěn)壓器、絕緣子、濾波器、隔離器、阻容等各種表面貼裝器件貼裝到電路板和盒體上；

(3)用低溫焊料貼裝硅基模塊上的90°電橋、阻容，并燒焊波導(dǎo)堵蓋；

(4)緊固裝配活動隔墻；

(5)將低頻插排的導(dǎo)線手工焊接至電路板；

(6)將隔離器的輸入輸出端口采用150 μm 金帶楔焊鍵合至電路板。

裝配完成后，對其進(jìn)行了測試，各接收通道增益曲線如圖9(a)所示，發(fā)射通道輸出功率曲線如圖9(b)所示，其余主要指標(biāo)結(jié)果如表1 所示。

表1 其余主要指標(biāo)測試結(jié)果

圖9 組件實物測試曲線

由測試可知，在工作頻帶內(nèi)，接收鏈路增益和發(fā)射輸出功率均滿足指標(biāo)要求，發(fā)射通道關(guān)斷比≥90 dB，脈沖信號前后沿延遲時間為25 ns，和差接收通道噪聲系數(shù)≤5.6 dB，鏡頻抑制≥22 dB，通道間隔離度≥50 dB，驗證了組件設(shè)計的可行性。圖9(a)可見和2 通道增益相比其他三路增益稍低，這是由于和2 通路包含兩個硅基三維集成模塊，互連時增加了兩次射頻信號垂直傳輸和一段帶狀線導(dǎo)致的，可以通過調(diào)整硅基模塊內(nèi)部固定衰減器或外部中頻π 型衰減器來調(diào)整增益。在設(shè)計時為了滿足外形要求，實際使用的體積僅占整體電路板的3/5，若按空間利用率最高進(jìn)行設(shè)計，可以將體積降低至目前的1/2。

4 結(jié)論

本文基于硅基三維集成器件、PCB 混壓工藝、BGA堆疊和各種過渡結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計，設(shè)計并實現(xiàn)了一款Ku波段小型化三維集成收發(fā)組件，并給出了實測結(jié)果。組件通過各種三維集成小型化技術(shù)，在減小整體組件體積的同時，大幅降低了設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試難度，提高了產(chǎn)品的可生產(chǎn)性和一致性。硅基三維集成器件的高精度光刻工藝使其實際應(yīng)用頻率可以達(dá)到100 GHz，然而，對于Ka 波段或以上的頻率來說，多層混壓PCB 的過孔加工精度難以保證；同時，由于硅基工藝和BGA 工藝的散熱能力有限，難以應(yīng)用于輸出功率較大的發(fā)射鏈路。因此，本次三維集成組件的設(shè)計思路更適用于輸出功率較低的微波組件，在應(yīng)用于毫米波頻段時，需要盡量縮短在PCB 上的傳輸距離，重點關(guān)注垂直互連結(jié)構(gòu)的設(shè)計。綜上所述，應(yīng)用硅基器件的三維集成組件設(shè)計方法在T/R組件、毫米波通信和探測、寬帶收發(fā)組件等領(lǐng)域均具有一定優(yōu)勢，對于實際工程中多功能微波組件的小型化和批量化生產(chǎn)有一定的借鑒意義。