硅基三維集成相控陣子陣微系統(tǒng)

張樂琦,馬林星,盧 振,周 凱,蘇 坪

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

精確制導(dǎo)武器平臺(tái)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭射頻前端的要求較高,需要在有限的空間內(nèi),在保證可靠工作的前提下,實(shí)現(xiàn)最大發(fā)射功率輸出,達(dá)到最大探測距離。研究方向可歸納為兩個(gè):一是大幅提高單片微波集成電路(monolithic microwave integrated circuit,MMIC)的技術(shù)水平,使相控陣?yán)走_(dá)用發(fā)射/接收(transmitter/receiver,T/R)組件功能發(fā)生革命性變化；二是采用新的微波/毫米波三維集成方案,在提高T/R 組件性能的同時(shí),在體積、重量和成本方面取得突破。隨著硅通孔(through silicon via,TSV)技術(shù)的日漸成熟,近年來越來越多的基于硅材料的微系統(tǒng)被應(yīng)用。與此同時(shí),微系統(tǒng)的集成方式也從傳統(tǒng)的“磚塊式”向三維“瓦片式”轉(zhuǎn)化。

本文以復(fù)雜多功能芯片為基礎(chǔ),采用基于TSV 的電子互連、高精度圓片級(jí)鍵合等微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)加工技術(shù),實(shí)現(xiàn)一體化可擴(kuò)展相控陣子陣射頻微系統(tǒng)。解決目前相控陣導(dǎo)引頭面臨的體積受限、彈徑不同導(dǎo)致T/R 組件規(guī)格種類過多等問題,滿足彈載相控陣導(dǎo)引頭小型化集成化的發(fā)展需求。

1 相控陣子陣微系統(tǒng)

1.1 微系統(tǒng)架構(gòu)

相控陣子陣微系統(tǒng)采用基于TSV 的三維互聯(lián)與集成封裝工藝實(shí)現(xiàn)硅基全集成T/R 組件。將不同材料的射頻芯片在硅基上進(jìn)行異構(gòu)集成,充分利用垂直方向空間,采用在硅基板內(nèi)多層布線的方法,使得微波信號(hào)從傳統(tǒng)的單一橫向傳播變?yōu)闄M向、縱向的三維立體式傳播,減小子陣的縱向尺寸,達(dá)到小型化的目標(biāo)。同時(shí)采用合理的硅基單元分層設(shè)計(jì)及圓片級(jí)集成封裝,解決子陣的電磁兼容以及氣密問題,確保良好微波電性能的實(shí)現(xiàn)。將硅基T/R 組件可靠焊接于散熱結(jié)構(gòu)上,實(shí)現(xiàn)組件與外部對(duì)流散熱。

本文設(shè)計(jì)的相控陣微系統(tǒng)最小模塊單元為2×2相控陣子陣,包括硅基T/R 組件、轉(zhuǎn)接電路板、70%高硅鋁合金(Si-Al)散熱結(jié)構(gòu)、封裝蓋板和毛紐扣射頻/低頻電連接器,如圖1所示。其中,70%Si-Al散熱結(jié)構(gòu)與封裝蓋板連接形成一個(gè)封閉腔體,用于容置彼此連接的硅基T/R 組件和轉(zhuǎn)接電路板。硅基T/R 組件的焊球陣列(ball grid array,BGA)封裝通過焊料焊接在轉(zhuǎn)接電路板頂層的金屬焊盤上,轉(zhuǎn)接電路板底層金屬焊盤通過焊接于封裝蓋板內(nèi)的毛紐扣低頻電連接器與外部波控板互聯(lián)。

圖1 2×2相控陣子陣

以2×2相控陣子陣為最小模塊單元進(jìn)行可擴(kuò)展的相控陣子陣微系統(tǒng)的一體化架構(gòu)設(shè)計(jì)和集成。根據(jù)需要對(duì)子陣規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)展,采用通用架構(gòu)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)。在不影響功能的前提下,避免采用多種不同規(guī)格T/R 組件,提高微系統(tǒng)通用化水平,滿足不同平臺(tái)、不同場合的應(yīng)用需求。一體化可擴(kuò)展相控陣子陣微系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 一體化可擴(kuò)展相控陣子陣微系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 硅基T/R組件

彈載寬帶相控陣子陣射頻微系統(tǒng)中的T/R組件模塊基于圓片級(jí)集成技術(shù),將不同工藝、不同功能的芯片垂直堆疊在硅基襯底上。利用TSV技術(shù),結(jié)合芯片和硅轉(zhuǎn)接板中的微小銅柱、凸點(diǎn)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)射頻信號(hào)在垂直方向的傳播,減少對(duì)寄生敏感的微波信號(hào)的傳輸長度,降低其傳輸損耗,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)微系統(tǒng)的高度集成。

(1)T/R 組件接口

4通道硅基T/R 組件的對(duì)外接口示意如圖3所示。4通道硅基T/R 組件的天線面與散熱結(jié)構(gòu)互聯(lián),其上設(shè)有射頻收發(fā)口,用于硅基組件發(fā)射大功率信號(hào)和接收小功率信號(hào),其余部分為大面積金屬,用于散熱,如圖3(a)所示。射頻信號(hào)通過射頻收發(fā)口與焊接在散熱結(jié)構(gòu)內(nèi)的毛紐扣射頻同軸電連接器彈性互聯(lián)。4通道硅基T/R組件的激勵(lì)面與轉(zhuǎn)接電路板互聯(lián),激勵(lì)面上的BGA 焊球用于實(shí)現(xiàn)組件與外部射頻激勵(lì)信號(hào)、低頻控制信號(hào)、直流電信號(hào)的連接,如圖3(b)所示。

圖3 硅基T/R 組件

(2)基于多功能芯片的T/R 組件射頻鏈路

硅基T/R 組件射頻收發(fā)鏈路采用氮化鎵(GaN)及砷化鎵(Ga As)多功能芯片,將內(nèi)部電路按功能進(jìn)行劃分,在保證有源子陣電性能的同時(shí)盡量減少微波芯片的使用數(shù)量,以實(shí)現(xiàn)子陣小型化并大幅降低成本。

4通道T/R 組件單路射頻收發(fā)鏈路包含Ga N 開關(guān)和功放芯片、Ga As限幅低噪聲放大器芯片以及幅相控制多功能芯片,如圖4所示。其中M1為4通道幅相收發(fā)放大多功能芯片,L1～L4為限幅低噪聲放大器,A1～A4 為GaN 功率放大器,S1～S4為Ga N 大功率開關(guān)。

圖4 4通道T/R 組件單路射頻收發(fā)鏈路原理圖

(3)硅基單元的分層結(jié)構(gòu)

硅基單元是硅基三維集成微系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),由集成TSV 的硅基轉(zhuǎn)接板、微波及控制芯片、硅腔體(硅帽)等組成,如圖5所示。芯片安裝在硅轉(zhuǎn)接板上,在完成硅轉(zhuǎn)接板與硅帽圓片級(jí)氣密鍵合的同時(shí)實(shí)現(xiàn)腔體內(nèi)外的電磁屏蔽。硅基單元內(nèi)信號(hào)的傳輸路徑依次為芯片電路輸出、電路同層傳輸和層間互聯(lián)等幾個(gè)部分,橫向采用多層布線實(shí)現(xiàn)同層互聯(lián),縱向采用TSV 實(shí)現(xiàn)層間互聯(lián)。

圖5 硅基單元示意圖

硅基T/R 組件包括收發(fā)放大層和控制電路層兩個(gè)硅基單元結(jié)構(gòu)。位于底層的收發(fā)放大層主要放置射頻芯片,實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)放大、移相以及接收信號(hào)放大、移相、衰減的功能。位于頂層的控制電路層,包括各種控制和驅(qū)動(dòng)電路,通過BGA 焊球?qū)崿F(xiàn)與外部的控制、直流、射頻等各種信號(hào)的傳輸。

1.3 微系統(tǒng)散熱

(1)散熱途徑

相控陣子陣微系統(tǒng)中元器件的散熱主要采用傳導(dǎo)方式。子陣內(nèi)最大熱源是末級(jí)的Ga N 功放。由于子陣輸出功率大,且組件效率有限,需合理安排功放位置,并將發(fā)熱器件分散放置以利于散熱。

因銅的熱導(dǎo)率(約為400 W/m K)是硅(約為160 W/m K)的兩倍以上,采用高導(dǎo)熱納米銀膠焊料將GaN 功率放大器粘接在具有金屬TSV 陣列的硅轉(zhuǎn)接板上,有利于提高散熱效率。

GaN 功率放大器產(chǎn)生的熱量通過實(shí)心銅通孔、TSV 陣列傳至硅基多層布線的大面積地層,散熱途徑如圖6所示。傳至地層的熱量再通過70%Si-Al散熱結(jié)構(gòu)散發(fā)至外部,從而保證功率放大器的正常穩(wěn)定工作。

圖6 GaN 功率放大器散熱途徑

納米銀膠作為一種新型連接材料,可在(150～250)℃的傳統(tǒng)電子制造互連工藝溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)互連,而且其燒結(jié)互連焊點(diǎn)滿足大功率密度電子器件高溫服役的要求。同時(shí),納米銀顆粒燒結(jié)互連焊點(diǎn)具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性,有利于大功率密度電子封裝系統(tǒng)散熱冷卻。因此,相比于AuSn焊料,納米銀膠焊料可在較低溫度條件下完成功率芯片的裝配,同時(shí)其優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、高粘結(jié)強(qiáng)度、高穩(wěn)定性以及低溫固化高溫服役的特點(diǎn),可解決當(dāng)前復(fù)雜組件和模塊類產(chǎn)品中多元器件燒結(jié)的難題,以及工藝溫度梯度無法滿足裝配要求的問題。因此可以采用納米銀膠作為功率芯片與硅轉(zhuǎn)接板、散熱結(jié)構(gòu)與硅基T/R 組件之間的粘接材料。

相控陣子陣微系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)采用70%Si-Al材料制備。70%Si-Al 材料的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion,CTE)約為7×10/℃,更為貼近Si芯片的熱膨脹系數(shù)(4.1×10/℃),采用其制作散熱結(jié)構(gòu),可進(jìn)一步降低材料的熱膨脹系數(shù)和重量,減少硅基與金屬間的內(nèi)應(yīng)力,大大減少金屬結(jié)構(gòu)與Si材料焊接時(shí)CTE失配引起的焊接可靠性問題,延長產(chǎn)品使用壽命。

(2)散熱仿真驗(yàn)證

為評(píng)估相控陣子陣微系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)效果,根據(jù)2×2相控陣子陣微系統(tǒng)內(nèi)芯片布局以及散熱方式,通過熱仿真軟件建立了散熱仿真模型,并按子陣的實(shí)際工作條件進(jìn)行了熱仿真。相控陣子陣微系統(tǒng)內(nèi)最大熱源為GaN 功率放大器芯片,其它芯片熱耗較小,仿真時(shí)忽略其影響。微系統(tǒng)中使用的Ga N 功率放大器芯片尺寸為2.60 mm×2.00 mm×0.08 mm,飽和輸出功率為42 d Bm。仿真條件為:發(fā)射信號(hào)脈寬100μs、占空比10%,工作溫度25℃,4通道同時(shí)工作。相控陣子陣微系統(tǒng)的熱仿真結(jié)果如圖7所示。芯片表面最高溫度為167℃,滿足功率芯片Ⅱ級(jí)降額(功率芯片允許最高結(jié)溫為250℃)的使用需求。

圖7 環(huán)境溫度25℃時(shí)散熱仿真結(jié)果

進(jìn)行GaN 功率放大器納米銀膠粘結(jié)樣品與AuSn焊料燒結(jié)樣品散熱效果的對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)兩種樣品進(jìn)行熱阻測試,結(jié)果表明:采用AuSn焊料燒結(jié)的功放芯片的結(jié)溫為162.09℃,采用納米銀膠粘結(jié)的功放芯片結(jié)溫為143.03℃,相比下降了約19℃。

2 微系統(tǒng)性能測試

對(duì)X 波段硅基2×2相控陣子陣微系統(tǒng)進(jìn)行性能測試,測試樣件如圖8所示。其中2×2相控陣子陣微系統(tǒng)尺寸為27.56 mm×27.58 mm×11.56 mm(不含電連接器凸起部分),質(zhì)量為23.3 g,僅為傳統(tǒng)“磚塊式”結(jié)構(gòu)X 波段4 通道T/R組件的1/4。

圖8 2×2相控陣子陣微系統(tǒng)測試樣件

采用標(biāo)準(zhǔn)儀表對(duì)2×2相控陣子陣微系統(tǒng)測試樣件的功能性能進(jìn)行測試。測試子陣的發(fā)射性能時(shí),設(shè)置微波信號(hào)源工作頻率為(8～12)GHz,輸入功率為10 d Bm,在輸入信號(hào)脈寬1μs、占空比10%的條件下測試單通道峰值輸出功率等指標(biāo)。測試子陣接收性能時(shí),設(shè)置測試系統(tǒng)中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀的工作頻率為(8～12)GHz,輸入功率為-35 dBm,在連續(xù)波接收的條件下測試子陣的單通道接收增益、單通道噪聲系數(shù)、移相衰減功能等指標(biāo)。效率根據(jù)測得的單通道峰值輸出功率、接收增益和單通道電源及電流消耗進(jìn)行計(jì)算。測試結(jié)果見表1,其中為衰減量。

表1 2×2相控陣子陣微系統(tǒng)性能測試結(jié)果

由表1可看出,基于硅基MEMS工藝的2×2相控陣子陣微系統(tǒng)單通道峰值輸出功率大于41 d Bm,接收增益大于20 d B,噪聲系數(shù)小于4.2 d B,6位均方根移相精度不超過5°,6位衰減精度不超過0.3 d B+0.07,效率大于24%,各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文提出了基于硅基三維互聯(lián)與集成封裝技術(shù)的一體化可擴(kuò)展彈載相控陣子陣微系統(tǒng)架構(gòu),并對(duì)硅基一體化集成帶來的信號(hào)傳輸、小空間散熱、電磁兼容等問題進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上制備出一個(gè)2×2相控陣子陣微系統(tǒng)。采用本文所提的微系統(tǒng)構(gòu)架,可大幅降低相控陣T/R 組件的體積與重量,滿足彈載應(yīng)用需求。硅基三維集成的微系統(tǒng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多功能與模塊化、低成本與小型化裝備的最佳選擇,代表了未來射頻微系統(tǒng)的發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用前景。