微波射频集成电路技术.ppt

解放军理工大学通信工程学院,课程名称 射频微电子学 课程性质 （考试） 学 时 理论40学时 授课对象 2011级硕士研究生,微波射频集成电路技术,第13章 微波集成电路和LTCC 技术及其应用简介 131 微波毫米波集成电路的发展趋势 132 国内外研究现状 133 多芯片组件（MCM）简介 1331 MCM的分类 1332 MCM 的主要特点及应用 134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术 1341 LTCC 加工工艺流程 1342 LTCC 基板的材料特性 1343 LTCC 技术特点 35 微波集成电路 1351 混合微波集成电路 1352 单片微波集成电路,微波毫米波集成电路的发展趋势 随着微电子技术的不断发展，对电子系统的体积、重量、成本和性能的要求越来越高。通信、雷达、导航、测控等系统所需的微波毫米波集成电路也是向着短、小、轻、薄，以及高可靠性、高性能、低成本的方向快速发展。微波毫米波集成电路一直沿着初期的波导立体电路混合集成电路单片集成电路多层多芯片模块（MCM）这一趋势在继续向前发展。目前，采用混合微波集成电路（HMIC）实现微波毫米波系统的技术已趋于成熟。尤其是随着单片微波集成电路（MMIC）技术的发展，集成度及可靠性得到进一步的提高。但对于有些集成度要求高的系统，HMIC技术已经不能满足要求。,微波毫米波电路的发展,Ka 波段下变频器,美国EDO公司的Ka波段下变频器，它的RF 为 25 到 30GHz中的任意 2GHz频段，IF输出14.8+/0.325GHz，变频增益为45dB，噪声系数小于2.5，输入输出驻波比小于 1.3，输出功率大于10dBm。实物图,微波毫米波电路的发展国内外研究现状,2009 年德国IMST GmbH中心的W. Simon，J. Kassner，O. Nitschke 等人采用LTCC 技术制作了用于卫星通信的 Ka频段发射前端。在一块基板集成了天线阵、射频链路、本振链路以及直流偏置电路，并采用水冷散热系统使得模块热功率在30W 时依然能维持在 35 摄氏度以下。,微波毫米波电路的发展,Ka_C波段上_下变频组件研究,2009年 K.HettaK等人研制出了一种新型紧凑单面基带频率20GHz的直接下变频 I/Q 频率输出，GaAsMMIC.芯片创新的利用 ACPS枝节和 CPW结构设计电容电感减小芯片体积。利用ACPS 结构设计魔T不仅降低了结构尺寸而且提高本振LO和射频RF的隔离和高的杂散抑制度。,微波毫米波电路的发展,微波毫米波电路的发展,2007年台湾大学的Yu-Hsun Peng研制出基于0.18mCMOS工艺的Ku波段频率综合器。该频率合成器频率输出范围是14.8GHz16.9GHz；供电电压2V；直流功耗仅为70mW；在输出15GHz时相位噪声为-104.5dBc/Hz1MHz；由于采用了先进的0.18mCMOS工艺，该频率合成器的面积仅为0.98mm0.98mm。经过测试，该频率合成器在输出15.6GHz 时，功率可达-10dBm，相位噪声为-110dBc/Hz1MHz。下面列出Ku波段频率合成器的原理图和加工版图。,微波毫米波电路的发展,2009 年电子科技大学李平等人采用LTCC技术设计一个毫米波精确制导收发前端。其发射功率达到7.34dBm，接收支路增益大于30dB，噪声系数小于5.5dB。,微波毫米波电路的发展,报道了一种应用于Very Small Aperture Terminal （VSAT） OutdoorUnit （ODU）的低成本Ka波段发射模块。整个模块的电路图及实物图如图1-1 和1-2所示,毫米波单元采用LTCC技术实现，如图所示。毫米波单元中单独设计的低成本多功能 MMIC芯片安装在LTCC基板上，同时LTCC基片上也集成了高可靠性及低成本的滤波器和波导微带过渡结构。这些设计都有利于降低组件成本和减小体积，并适宜于大规模生产。该Ka波段发射模块的输出功率大于1W。,微波毫米波电路的发展,用HMIC和LTCC工艺制作的两种Ka波段发射模块，其电路图相同，主要包括以下单元电路： 1.Ka 波段的单边带调制器； 2.驱动放大器； 3.微带定向耦合器； 4.带反馈的检波电路。 图 1-6 是两种电路的实物图。使用LTCC技术的电路面积仅527 平方毫米，较 MIC 的电路尺寸减少了57%。HMIC的最大变频增益为 9.6dB,而LTCC的只有6.1 dB。这是因为各原件之间的失配和互连损耗，并且MMIC放大器单片和调制器的器件差异也是原因之一。,混合集成发射模块实物图,基于 LTCC 技术的发射模块实物,微波毫米波电路的发展,报道了一种工作频率40.5GHz到41.5GHz的毫米波收发前端，射频部分采用LTCC基板设计。该收发前端的电路结构图和实物图如图所示。该模块应用3-D 集成的新概念，在LTCC基板下面使用了FR-4 PCB介质基板，这样加强了整个基板的机械强度，降低了组件成本。模块的尺寸仅为32mm28mm3.3mm，在40.5GHz 到41.5GHz范围内，1dB压缩点输出功率为15dBm，噪声系数为9.72dB。,（a） 收发前端电路结构图（b） 收发前端实物图,一种工作频率 40.5GHz 到 41.5GHz 的毫米波收发前端,多芯片组件（Multi-Chip Module,简称 MCM）技术是继20世纪80年代的表面安装技术(SMT)之后，90年代在微电子领域兴起并获得迅速发展的一项最引人瞩目的微电子组装技术，也是电子元器件与整机系统之间的一种先进接口技术。MCM是将2个或2个以上的大规模集成电路（LST）裸芯片和其他微型元器件（含片式化元器件）互连组装在同一块高密度、高层基板上，并封装在同一外壳内构成功能齐全、质量可靠的电子组件。,33 多芯片组件（MCM）简介,MCM 基本结构示意图,1331 MCM的分类 MCM 因使用的材料与工艺技术的不同，种类繁多，其分类方法也因认识角度的不同而异。按基板类型分类，可把MCM分成厚膜MCM、薄膜MCM、陶瓷MCM和混合MCM。而国际比较流行的是按基板材料与基板制作工艺来分类，提出的按照MCM的结构进行分类的方式，将MCM分为如表13-1所示的三个基本类型：MCM-L (叠层多芯片组件)、MCM-C (共烧陶瓷多芯片组件)、MCM-D（淀积多芯片组件）。,MCM的类型（IPC标准）,低温共烧陶瓷(LTCC-Low Temperature Co-fired Ceramic)技术是 MCM-C (共烧陶瓷多芯片组件)中的一种多层布线基板技术。它是一种将未烧结的流延陶瓷材料叠层在一起而制成的多层电路，内有印制互连导体、元件和电路，并将该结构烧成一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面安装 IC、LSI裸芯片等构成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件技术。随着VLSI（超大规模集成）电路传输速度的提高及电子整机与系统进一步向小型化、多功能化、高可靠性方向发展，从而要求发展更高密度、高可靠性的电子封装技术。,134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术,它是近年来兴起的一种多学科交叉的整合组件技术，具有优异的机械、热力学和机械特性。LTCC是休斯公司在1982年研发出的一种新型材料，它是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生磁带，在生磁带上利用激光打孔、微孔注浆、及精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件（如电阻、滤波器、低容值电容等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在900下烧结，加工成三维空间互不干扰的高密度电路。另外，可以利用LTCC技术设计内埋无源元件的三维电路基板，在其表面贴装IC和其它有源器件，制成有源和无源电路集成的电路模块，实现电路的微型化。,134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术,1341 LTCC 加工工艺流程 LTCC 多层基板的主要工艺步骤包括配料、流延、打孔、填充通孔、印刷导体浆料、叠层热压、切片和共烧等工序。其工艺流程如图所示。其中的关键制造技术如下： 1. 流延：将有机物（主要由聚合物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成）和无机物（由陶瓷和玻璃组成）成分按一定比例混合， 2. 划片：把生（未烧结）瓷带按需要尺寸进行裁减，可采用切割机，激光或冲床进行切割。 3. 打孔：生瓷片打孔主要有三种方法：钻孔，冲孔和激光打孔。对于低温共烧工艺来说，通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量。 4. 通孔填充：属于生瓷片金属化技术的第一个步骤，其第二步骤是导电带图形的形成。 5. 导电带形成：导电带形成的方法有两种，传统的厚膜丝网印刷工艺和计算机直接描绘法。 6. 叠片与热压技术 烧结前应把印刷好金属化图形和形成互连通孔的生瓷片，按照预先设计的层数和次序叠到一起， 7. 排胶与共烧技术 将叠片热压后的陶瓷生坯放入炉中排胶。排胶是有机粘合剂气化和烧除的过程。,134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术,LTCC技术工艺流程图,LTCC集成电路与组件,134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术,低温共烧陶瓷(LTCC)技术 低温共烧陶瓷(LTCC-Low Temperature Co-fired Ceramic)技术是MCM-C(共烧陶瓷多芯片组件)中的一种多层布线基板技术。它是一种将未烧结的流延陶瓷材料叠层在一起而制成的多层电路，内有印制互连导体、元件和电路，并将该结构烧成一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面安装IC、LSI裸芯片等构成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件技术。 它是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生磁带，在生磁带上利用激光打孔、微孔注浆、及精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件（如电阻、滤波器、低容值电容等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在900下烧结，加工成三维空间互不干扰的高密度电路。,X波段LTCC交 指型带通滤波器,134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术,LTCC 加工工艺流程 LTCC 多层基板的主要工艺步骤包括配料、流延、打孔、填充通孔、印刷导体浆料、叠层热压、切片和共烧等工序,图 2-1 典型的 LTCC 组件,134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术,由于LTCC优异的性能，现已成功用于集成电路组装、多芯片模块、各种片式元件（如电感、电容、变压器等）等。应用领域涉及汽车电子、航空航天、军用电子和移动通信。LTCC技术的主要特点有以下七个方面： 1. LTCC技术可以实现集成一体化互连封装。采用LTCC技术实现的MCM，可以把封装外壳和互连基板一体化。 2. LTCC 瓷带可以冲孔，做出各种复杂形状的封装，实现的电路模块密封性好、可靠性高，适合环境恶劣的情况。 3. 采用高导电率的金属或合金做导体。 4. LTCC技术是平行加工技术。冲孔、填孔、印刷、叠片、层压。叠片的层数可以多达数十层，只需一次共烧。LTCC工艺便于自动化大批量生产，是一项低成本的技术。 5. 高密度的导体布线能力。用厚膜印刷工艺能轻松地实现0.1mm 6. LTCC 基板内实现无源元件的集成。电阻、电容、电感和微带元件等都可以实现内埋。减少了表面贴装无源元件的数量，可以大幅度提高封装密度。,134 低温共烧陶瓷(LTCC)技术,任何一种成熟的电子技术都趋向于缩小尺寸、减轻重量、降低价格并增加复杂程度。微波技术沿着这个方向推进已延续了1020年，以便向微波集成电路发展。这一技术用尺寸小和不太贵的平面电路元件代替笨重而费用高的波导和同轴元件，这类似于导致计算机系统的复杂性快速增长的数字集成电路系统。微波集成电路(MIC)可以与传输线、分立电阻、电容和电感以及有源器件(如二极管、晶体管)组合在一起。MIC技术已推进到这样的地步，即可把完整的微波子系统(诸如接收机前级、雷达的发射接收模块)集成在一块芯片上，大小仅有几个平方毫米。,35 微波集成电路,由于实现了在个芯片中集成微波系统的概念，致使射频和微波集成电路(RFIC和MIC)给射频微波工业带来一场革命。该技术中，组半导体材料(如GaAs、InP等)的应用补充完善了低频硅集成电路技术。它仍采用低频集成电路技术，但用位于元素周期表III-V族的半导体材料(如GaAs、InP等)取代原低频中的硅基片。 射频微波集成电路是由不同功能的电路通过微带线组合而成。而各电路均由平面化的半导体器件、无源集总参数元件和分布参数元件构成。与采用印制电路技术的传统电路相比，射频微波集成电路的优势可归结为以下几点：高可靠性、重复性、性能更好、体积小、成本低。 微波集成电路(MIC)可以分为两大类： 混合微波集成电路(HMIC) 单片微波集成电路(MMIC) 混合微波集成电路可进一步细分为标准电路和小型电路。,1351 混合微波集成电路 1HMIC的特性 混合微波集成电路起始于20世纪60年代，迄今已广泛应用于商业、空间、军事等方面。标准混合MIC采用单层金属化技术制作导体层和传输线，而将分立电路元件(如晶体管、电感、电容等)焊接到该基片上。采用单层金属化技 术的标准混合MIC来构成RF部件是一项 非常成熟的技术。一个典型的标准混合。 混合微波集成电路(HMIC)中所含的固态器件和无源元件被焊接在介质基板上。其中，无源元件(包括集总参数和分布参数元件)采用厚膜或薄膜技术制作。集总参数元件既可以芯片形式焊接也可采用多层沉淀和电镀技术制作，分布参数元件使用单层金属化工艺制造。,混合MIC技术广泛应用于不同的场合，例如：电子系统和设备、卫星通信、相控阵雷达系统、电子对抗、航空领域。这些应用需要设计和制造诸如放大器、混频器、发射接收组件、移相器、振荡器等器件，所有这些器件均已在前几章中作过详细讨论。 对任何类型的MIC来说，材料选择都是要考虑的重大问题；必须对特性(诸如电导率、介电常数、损耗角、热量转移、机械强度和加工兼容性)进行评估。般来说，最为看重的是基片材料。对于混合MIC，氧化铝、石英和聚四氟乙稀(Teflon)纤维是常用的基片材料。氧化铝是坚硬的类陶瓷材料，其介电常数约为910。对于较低频率的电路，经常希望能用高介电常数材料，这样可有较小的电路尺寸。,1351 混合微波集成电路,典型的混合MIC射频前端发射电路布局图,正面腔体部分既有数字电路又有模拟电路，主要包括晶振、FPGA、DDS、电源和倍频分频电路等。这些都为低频电路，电路板都用Protel软件布线，电源采取并联结构，通过腔体通孔连接到背面腔体各个电路，正面腔体电路供电则通过腔体壁通孔提供，正面腔体电路布局如图1313所示。其中数字部分包括 DDS 和 FPGA，DDS位于右下角，左下角的 FPGA控制DDS，左上角的FPGA控制PLL，其余部分为模拟部分，各个功能电路分腔设计，所以相互之间干扰较小。,1351 混合微波集成电路,背面腔体部分为射频电路，采用了具有相对较高介电常数的基片，有效的减小了电路的尺寸，主要包括S波段跳频源电路、12.8GHz点频源电路和混频滤波电路等。这些都为高频电路，电路板都采用AutoCAD设计，另外，在器件的选择上选用了小型化的元器件，各类电阻、电容、电感元件和集成电路均选用贴片器件，并进行高密度的电路排版和装配，减小了电路板的面积，各个功能电路也采用分腔设计，所以相互之间干扰也较小。背面腔体电路实物如图,背面腔体电路实物图,1351 混合微波集成电路,2HMIC的材料与工艺 制造印制电路及HMIC的基本材料，可分为如下四类： 介质薄膜：氧化硅、二氧化硅、四氧化三硅、五氧化二钽； 导体材料：铜、金、银、铝等； 基板材料：蓝宝石、氧化铝、氧化铍/石榴石、硅、RT/复合介质板、FR-4、石英、砷化镓、磷化铟等； 电阻薄膜：氧化镍、钽、钛、氧化钽、金属陶瓷、砷化镓、硅等。 (1)基板材料 MIC基板具有下列一般特性： 基板表面光洁度应该好(约0.050.1m光洁度)，且相应地去除空隙，以保持导体损耗低和保持好的金属薄膜附着力： 具有好的机械强度和导热性： 在电路加：工过程中不变形； 应该与固态器件的热膨胀系数匹配，且附上包装材料或避免用对温度变化敏感的材料，以提高可靠性： 基板的价格相对于其应用是合理的； 选择厚度和介电常数，以决定阻抗范围及可用频率范围； 损耗角正切值应该足够低，以便忽略介质损耗。,1351 混合微波集成电路,HMIC基板的性能,1351 混合微波集成电路,在应用20GHz的基板材料上，氧化铝( )是最常用到的一种材料。对于低至46GHz的电路和高达20GHz及以上的阵列天线，可采用塑料基板(24)。对于的等级区分，可采用薄膜或厚膜两种制造工艺。一般不用纯度为85的氧化铝，因为其介质损耗高且可生产性差。氧化铝的介电常数相对毫米波电路太高，因此很难制造出高精度的高阻抗线，且损耗太大。介电常数为4的石英晶体更适合高频段(大于20GHz)微波和毫米波集成电路。,1351 混合微波集成电路,3微波器件装配工艺简介 由于MMIC功率单片为静电敏感器件，在操作时要有静电预防措施，如带防静电护腕，工作台可靠的接地等。装配工艺是影响电路工作性能好坏的重要因素之一，必须对装配工艺予以高度重视。GaAs MMIC 芯片的装配工艺主要有金丝键合技术、导电胶粘接技术、共晶焊接技术等几种。 (1)金丝键合技术 在毫米波频段，信号传输、芯片直流供电都是靠金丝来实现的。因此金丝键合是功率放大器模块制作的关键。应用于毫米波功率放大器的金丝直径一般为25微米或30微米，金丝直径一般要根据芯片焊盘大小和芯片工作频率来确定。金丝过粗会给焊接带来困难，可能造成虚焊；过细则不能提供一定的强度，且在毫米波频段会带来比较明显的感抗。金丝焊接的方法包括锲型焊接和球型焊接。金丝焊接的过程中必须要使用一定的方法使金丝附着到焊盘上面，焊接附着方法主要有：热压法、超声波法、热压超声法等。,1351 混合微波集成电路,(2)导电胶粘接技术 导电胶粘接技术的工艺性好，固化容易，粘接力强，但耐热性有限。导电胶的粘接厚度与导电胶的热阻都有密切的关系，胶层太厚会阻碍热的传导，而胶层太薄时，容易产生胶层不连续、不均匀等缺陷，致使热阻变大。导电胶的固化温度、固化时间将影响其粘接强度。 (3)共晶焊接技术 共晶焊接技术具有机械强度高、热阻小、稳定性好和可靠性高等优点。焊接在氮气的保护下进行，在适当的温度下，使呈熔融态的金锡焊料与管芯及载体上的镀金层相接触，再加上一定压力和摩擦力的作用，形成金-锡合金体系，把芯片牢固焊接在载体上。共晶焊接技术的优势在毫米波功率器件上比较明显。功率器件对散热要求比较高，共晶焊接技术因具有焊区导电、导热性好、机械强度高、成品率高等优点被广泛地应用于功率单片的安装。,1351 混合微波集成电路,1351 混合微波集成电路,1351 混合微波集成电路,1351 混合微波集成电路,1351 混合微波集成电路,4KaC波段下变频组件 MMIC芯片与基片的贴装常用方法有两种：环氧粘接法和共晶贴装法。环氧粘接法成本低，工艺简单且易于返修；共晶贴装法具有热导率高、电阻小、传热快、可靠性强、粘接后剪切力大的优点，适用于高频、大功率器件中芯片与基板、基板与管壳的互联。对于有较高散热要求的功率器件必须采用共晶焊接,共晶贴装法和环氧粘接法对比,1351 混合微波集成电路,芯片和基片安装结束后需进行电气互连，常用微连接技术有金丝键合、凸点倒装连接和载带贴装。微波混合集成电路中电气连接广泛使用的互联结构是金丝键合。采用金丝键合其优点主要有：金丝互联结构不易变形和脱落，电路工作时，可以避免因温度变化所造成的热胀冷缩的金丝脱落的影响。计算结果往往也不易于精确地应用到实际工程中，其性能主要是与金丝的直径、长度、拱高以及金丝条数有关。一般考虑原则是芯片和金丝、金丝和电路基板之间实现阻抗匹配。,1351 混合微波集成电路,电路组装流程设计制作流程,1351 混合微波集成电路,电路装配完成后部分实物图：图包括锁相环路和直流供电电路，图1317为下变频器变频链路，变频通道和本振倍频链路设计在腔体正面，锁相环路和直流供电设计在腔体背面，上下腔体采用玻珠连接供电。,锁相环路实物图,1351 混合微波集成电路,下变频器实物图,1351 混合微波集成电路,微波接收机本振模块研究唐小宏,微波接收机本振模块研究唐小宏,毫米波频率综合器的研究与设计,毫米波频率综合器的研究与设计,DDS 芯片,PLL,毫米波频率综合器的研究与设计,毫米波频率综合器的研究与设计,FPGA 模 块PCB,毫米波频率综合器的研究与设计,毫米波频率综合器的研究与设计,1352 单片微波集成电路 MMIC的首次报道于1964年，而直至20世纪70年代末和80年代初才将MMIC技术广泛应用于MESFET的生产制作中。自20世纪70年代后期，GaAs材料处理和器件开发的进展已经指明单片微波集成电路是可以实现的，在单片MIC中一给定电路所需的无源和有源元件可以在基片上生长或植入。从潜在可能性上说，MMIC可以在低价格下制成，因为它消除了加工混合MIC时所需的手工劳动。此外，可在单个晶片上包含有大量的电路，所有这些电路可以同时进行处理和加工。 微波单片集成电路(MMIC)的概念起源于低频集成电路(IC)。一个集成电路的制作过程如图所示。下述几方面的考虑已成为推动微波电路设计和制作发展的主要动力：,1352 单片微波集成电路,下述几方面的考虑已成为推动微波电路设计和制作发展的主要动力： (1)先进的微波电子系统的发展趋势是增加其集成度、可靠性及低成本下的产量。 (2)新型毫米波电路的应用要求尽量减小焊线的寄生干扰和避免使用分立元件。 (3)此外，军事、商业、民用市场中微波系统设计的新发展要求采用先进的批量生产方式及具有多倍频程带宽响应的电路。 定义:单片微波集成电路(MMIC)，通过多层加工工艺将所有有源、无源电路元件及其连线集成在半绝缘的半导体基片内部或表面上所获得的微波电路。 MMIC的研究和发展不断升温的原因可简略归结为 (1)材料制造技术的迅猛发展，如外延生产、离子注入技术。 (2)60GHz低噪声MESF