基于硅基異構(gòu)集成的T/R 組件設(shè)計(jì)

王蘊(yùn)玉 劉 勇 趙丁雷 邱 宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

射頻前端是相控陣體制雷達(dá)的重要組成部分，隨著雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于多功能、高集成、低成本等需求日益加深，射頻前端的輕量化、小型化設(shè)計(jì)成為亟待解決的問題[1]?；诠杌悩?gòu)集成的系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)可以靈活利用現(xiàn)有元器件進(jìn)行集成和三維堆疊，極大縮短研發(fā)周期，批量化生產(chǎn)的條件下可顯著降低成本，是未來射頻前端發(fā)展的一個(gè)重要方向[2,3]。

美國在硅基三維集成方面投入多、水平高，DARPA先后啟動(dòng)了“硅基化合物半導(dǎo)體（COSMOS）項(xiàng)目”、“多樣可用異質(zhì)集成（DAHI）項(xiàng)目”、電子復(fù)興計(jì)劃（ERI）等，持續(xù)在微系統(tǒng)集成領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)投入；國內(nèi)各研究所、高校、企業(yè)也開展了相關(guān)研究，在TSV 技術(shù)、晶圓級(jí)封裝、異質(zhì)/異構(gòu)集成、制造設(shè)備和材料等方面取得了顯著成果[4]。

本文針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)對(duì)于射頻前端低剖面、輕量化的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一款基于硅基異構(gòu)集成的X 波段T/R 組件，其剖面厚度低于1.5mm，重量低于0.5g，將顯著降低雷達(dá)系統(tǒng)的體積、重量。同時(shí)，其具有接收低噪聲放大、發(fā)射功率放大、移相衰減等功能，單通道輸出功率大于10W，噪聲系數(shù)低于3.5dB，滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。本文將從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵電路仿真、加工工藝設(shè)計(jì)及樣件測試等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硅基T/R 組件由2 層硅片、20 個(gè)不同尺寸的器件組成，其物理架構(gòu)如圖1（a）所示。單層硅基板外形尺寸16mm*16mm，元器件以平貼的方式粘接在硅基轉(zhuǎn)接板上，然后以金絲鍵合的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)引出及器件功能互聯(lián)，所使用的硅轉(zhuǎn)接板厚度為200um，TSV 孔徑為30um。隨后，在硅轉(zhuǎn)接板表面通過環(huán)氧樹酯膠粘接一層封蓋結(jié)構(gòu)，封蓋厚度為700um，帶有500um 深度的空腔；在轉(zhuǎn)接板背面通過植球與PCB 板進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)射頻、控制、電源等信號(hào)輸入。所設(shè)計(jì)的T/R 組件的整體厚度約為1.4mm。

硅基T/R 組件的電訊架構(gòu)如圖1（b）所示，由接收支路、發(fā)射支路、電源調(diào)制等幾部分組成，集成饋電接口、容阻、電源、功放、低噪放、限幅器和幅相控制等功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)高功率輸出以及低噪聲接收，并且采用瓦片式封裝架構(gòu)，可以根據(jù)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)射時(shí)，激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過幅相多功能、GaN 功放、TSV+BGA 射頻傳輸結(jié)構(gòu)輸出至天線上，其中GaN 功放芯片飽和輸出功率42.5dBm，射頻傳輸結(jié)構(gòu)過渡損耗0.5dB。根據(jù)計(jì)算可以得到組件飽和輸出功率約為42dBm，滿足高功率輸出需求。

接收時(shí)，從天線接收的小信號(hào)經(jīng)過BGA+TSV 射頻傳輸結(jié)構(gòu)、限幅低噪放，進(jìn)入幅相多功能。BGA+TSV 射頻傳輸結(jié)構(gòu)過渡損耗0.5dB、限幅低噪放芯片噪聲系數(shù)1.7dB，增益24dB。由計(jì)算結(jié)果可以得到接收噪聲系數(shù)2.23dB，滿足低噪聲接收需求。

2 關(guān)鍵電路仿真

硅基三維集成設(shè)計(jì)中，水平傳輸線、TSV 通孔及BGA垂直過度等的微波性能對(duì)T/R 組件的性能具有較大的影響，因此需要對(duì)其傳輸路徑進(jìn)行射頻仿真。本文采用HFSS 軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，如圖3（a）所示，信號(hào)在系統(tǒng)中的傳輸路徑主要包括以下幾點(diǎn)：

圖3 硅基T/R 組件加工工藝流程

（1）硅轉(zhuǎn)接板表面信號(hào)水平傳輸。在硅轉(zhuǎn)接板表面，采用CPW 傳輸線進(jìn)行設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)接板厚度為200um，表面金屬厚度為5um，傳輸線兩側(cè)采用垂直通孔進(jìn)行信號(hào)屏蔽，經(jīng)仿真優(yōu)化，CPW 線寬為100um，間隔為100um。

（2）硅轉(zhuǎn)接板中TSV 垂直傳輸。與工藝加工規(guī)則相匹配，TSV 直徑設(shè)計(jì)為30um，金屬Cu 實(shí)心填充。為保證組件加工的可靠性，選用三個(gè)TSV 孔進(jìn)行信號(hào)傳輸，呈正三角形排布；為保證射頻傳輸性能，在射頻TSV 四周進(jìn)行接地TSV 排布，形成類同軸傳輸結(jié)構(gòu)[5,6]；通過全波電磁仿真進(jìn)行接地TSV 分布、射頻TSV 與接地TSV間距、焊盤與傳輸線匹配等優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)硅基垂直過度的低損耗傳輸。

（3）硅轉(zhuǎn)接板與PCB 板之間的垂直傳輸。選用直徑為500um 的BGA 焊球進(jìn)行硅轉(zhuǎn)接板與PCB 板之間的垂直傳輸，為保證射頻傳輸性能，同樣在射頻BGA 四周進(jìn)行接地BGA 排布，形成類同軸傳輸結(jié)構(gòu)。

（4）PCB 板上信號(hào)傳輸。射頻信號(hào)在PCB 板上主要經(jīng)過表面微帶、垂直過孔、帶狀線轉(zhuǎn)換等幾個(gè)部分進(jìn)行傳輸；其中帶狀線主要用于將射頻信號(hào)從硅基組件向四周傳輸，表面微帶線主要用于射頻信號(hào)經(jīng)連接器與外部設(shè)備互聯(lián)。

在組件設(shè)計(jì)過程中，先進(jìn)行各傳輸模塊的仿真優(yōu)化，然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行整個(gè)傳輸路徑的建模仿真，所得到的仿真結(jié)果如圖2（b）所示，在8-12GHz 頻段范圍內(nèi)，S21 小于0.9dB，S21 大于17dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖2 射頻傳輸仿真設(shè)計(jì)

3 加工工藝設(shè)計(jì)

硅基T/R 組件加工工藝流程如圖3 所示，主要包括轉(zhuǎn)接板制作、上蓋板制作、微組裝等。轉(zhuǎn)接板和上蓋板加工通過晶圓級(jí)流片工藝實(shí)現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)接板加工是整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容，所需工藝包括TSV 通孔刻蝕、種子層金屬沉積、TSV 通孔電鍍、表面布線等[7]；上蓋板加工是為了實(shí)現(xiàn)組件的密封，保證其工作的可靠性，所需工藝主要包括深腔刻蝕，金屬沉積等。上蓋板與硅轉(zhuǎn)接板通過環(huán)氧樹酯膠實(shí)現(xiàn)粘貼。微組裝工藝主要包括元器件在轉(zhuǎn)接板表面的平貼、芯片上的金絲鍵合、組件底部植球、組件倒裝鍵合到PCB 板等。通過將晶圓工藝、微組裝工藝進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)硅基射頻前端的可靠加工，如圖4 所示為晶圓加工過程圖。

圖4 射頻前端工藝加工圖示

4 實(shí)物測試

硅基T/R 組件背部植球后，通過倒裝鍵合工藝將其貼裝到PCB 板上進(jìn)行性能測試，所制備的射頻前端實(shí)物及測試曲線如圖5 所示，其尺寸為16*16*1.4mm3，重量0.46g，其單通道輸出功率大于40 dBm，組件效率高于40%，接收噪聲系數(shù)優(yōu)于3.5 dB，具有顯著的輕量化、高效率特征。

圖5 實(shí)物及測試結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)射頻前端高集成、小型化、輕量化的應(yīng)用需求，基于硅基異構(gòu)集成技術(shù)，研制了一款X波段T/R 組件，集成發(fā)射功率放大、接收低噪聲放大、移相衰減等功能，實(shí)現(xiàn)單通道輸出功率大于10W，接收噪聲系數(shù)低于3.5dB，體積重量較傳統(tǒng)組件顯著降低，為高集成雷達(dá)系統(tǒng)研制提供技術(shù)支撐。