（电路与系统专业论文）基于LTCC的3DMIC中内埋无源元件的设计与分析[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于i t c c 的3 d m i c 中内埋无源元件 的设计与分析 摘要 信息时代的到来，对微波集成电路提出了更高的要求。超大规模单片集成电路已 经达到其集成或微型化的极限，要进一步提高其组装密度和扩展功能，唯一的途径就 是发展三维微波集成电路( 3 d m i c ) 。但是3 d m i c 需要高性能的封装材料( 特别是对 于微波损耗来说) ，高容量、低成本的生产能力。低温共烧陶瓷( l 1 c c ) 因其各方面的 性能优异( 它最突出的优点就是能够内埋无源元件) ，从而真正实现了3 d m i c 。 本文介绍了3 d m i c 的产生过程、分类及其技术进展；详细综述了l t c c 技术的 工艺和技术特点，并对其内埋各种无源元件( 如：电阻、电容和电感等) 技术进行了 全面的论述；利用a g i l e n t 公司的电磁仿真软件a d s 设计出了一系列结构新颖的多层 螺旋电感，并给出了一些仿真结果来证明设计的合理性：研究了多层螺旋电感的钡4 试 结构及其测试方法。 关键词：三维微波集成电路低温共烧陶瓷内埋无源元件 多层螺旋电感 d e s i g na n da n a l y s i s o fe m b e d d e dp a s s i v e c o m p o n e n t s i nl t c c b a s e d3 d m i c a b s t r a c t a si n f o r n l a t i o na g ei sc o m i n g ，w em a k eh i g h e rd e m a l l d so ft l i em i c r o 、v a v ei n t e g r a t e d c i r c l l i t s t h ev e r yl a r g es c a l em o n o l i l i ci n t e g r a t e dc i r c u i t sh a v ea l r e a d yr e a c h e d 恤l i i n i to f i n t e g 洲o no rm i n i a t u r i z a t i o n i f 、v e w a n tt or a i s ei t s p a c k a g i n gd e n s i t ya n de x p a n di t s 劬c t i o n 缸t t l e r ，d e v e i 叩i n g 血et l l r e ed i m e n s i o n a lr n i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( 3 d m i c ) i st h eo n l yw a y b u t3 d m i cn e e dt 1 1 ep a c k a 百n gm a t e r i a lw h i c hh a st h eh i g h e r p e r f o r n l a n c e ( e s p e c i a l l y t om i c r o w a v el o s s ) a n dt l l ep r o d u c t i o nc a p a c i t y 、 ，h i c hh 船t l l eh i 曲e rv o l u m e a i l dl o w e rc o s tb e c a u s eo ft h ee x c e l i e n t p e r f o m e n c e o fl o w t e m p e r a t l l r e c o n r e d c e r a m i c ( i t c c ) i ns o m ea s p e c t s ( i t sm o s to u t s t a n d i n ga d v a l 】曲g e i st l l a ti tc a ne m b e d p 勰s i v ec o m p o n c m s ) ，3 d m i c s a r er c a l i z e dr e a l l y t h i sp a p e ri n 仃o d u c e st h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，c l a s s i f l c a t i o na n dt e c h n i c a lp r o g r c s so f 3 d m i c w es 啪m a r i z et h es c h e d u l ed r a w i n g 孤dt e c h i l i c a lc h a r a 曲e r i s t i c so fu c c ，也e n p r e s e m i n gi t s f u l l c t i o no fe m b e d d i n gp 鹤s i v ec o m p o n e n t s ( s u c h 船r e s i s t o r ，c 印a c i t o r 如d i n d u c t o r e t c ) r o u n d l y t h ea d s ，e l e c 仃o m 孕g n e t i s m s i m u l a t i o ns o f b a r eo f 血e a g i l e n t c o m p 卸弘i su s e dt od e s i g nas e r i e so fn o v e l 瑚【u m l a y e rs p i r a li n d u c t o r s ，a i l dw eg i v es o m e s i m u l a t i o nr e s u l tt op m v et h e i rr a t i o n a l i t y w br e s e a r c ht l l et e s tp a t t e ma i l dt e s tm e m o do f n o v e l m u l t i l a y e rs p i r a li n d u c t o r s i ( e yw o r d s ：t h r e ed i m e n s i o n a lm i c r o w a v ei n t e g r a t e d c i r c l l i t s l o w t e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c 锄b e d d c d p 髂s i v ec o m p o n e n t sm u l t i l a y e rs p i r a li n d u c t o r 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席：尹墩屈胎吱乃千砩协z 绎弘 妥固c 拎锄趔娥声市乏 褰篮绎俞弛姒謦酬鬏次 瓢酝玺搿旅导厩汤杈孙枷古压伊彳文圾 铷拟芬教良 插图清单 低频电路与微波电路的发展” 3 d m m i c 的构成 3 d m m i c 的基本结构“ l 4 功率分配器多层结构示意图- 基于l t c c 的3 d m i c 结构示意图” l t c c 生瓷带的制作工艺流程 i t c c 工艺流程图 空白生瓷片 1 。t c c 典型烧结i i f l 线 零收缩控制示意图 两种芯片连接方式的散热效果 内埋无源元件示意图”t 内埋电阻结构 激光调阻槽” 内埋电容结构 内埋电感结构 多层螺旋电感的典型结构 垂直通孔与导带的连接方式 部分电感电感量的仿真结果 多层螺旋电感的测试结构弓噶口：2”如拍卯拍弘”粥钉虬观们 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 l 2 3 4 5 2 3 4卜扛0卜卜卜舢“舡乳p弘图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表4 1 表4 2 表5 1 表格清单 常用三维高频电磁仿真软件7 部分公司材料性能表】4 烧结曲线与基板平整度和收缩率的关系2 0 l t c c 采用的导体材料2 l 不同导体材料的电气特性- 一2 3 热导系数与通孔填充面积的关系2 8 内埋电阻与表面电阻的阻值3 7 平板电容与垂直叉指电容的性能比较”3 8 通孔与焊盘的尺寸4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成粜。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆王些盘堂或其他教百机构的学位或证书而使用过的材 料。与我+ 同工作的同志对本研究所做的任何贯献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字 魏雇a 签字日期：年月日 聊r 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒8 巴些太坐有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 胆王些盘堂可咀将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者簦 签字日期：年月 黧蹶菖麓 工作单位：上澎受厢兵孝? 通讯地址： 。7 u 、9 重撩 谴f6 电话 邮编 致谢 三年的研究生生活转眼即逝，其间有很多美好的回忆值得我永远珍藏；有 很多老师和同学值得我永远铭记于心，在此对他们给予我的帮助表示感谢 首先要感谢的是我的导师孟庆鼐教授。三年来孟老师对我在学术上孜孜 不倦的教诲，在生活上无微不至的关怀令我终生难忘。他不仪教会了我很多知 识，更教导了我很多待人接物方面的东西，使我终身受用不尽。可以说，我所 取得的每一进步无不渗透这盂老师的心血。尤其在论文撰写的过程中，无论从 论文的选题还是资料的收集直至论文最后成稿，都是在孟老师悉心的指导下完 成的。孟老师渊博的知识、严谨的治学态度、诲人不倦的教育情怀、兢兢业业 的科研精神和平易近人的作风，使我受益匪浅，为我今后的学习工作树立了高 标；盂老师将是我一生的楷模。值此论文完成之际，谨向孟老师致以我崇高的 敬意和衷心的感谢! 在从事课题研究期间，还得到了中国电子科技集团3 8 所接收部李佩主任 的悉心指导。获得了张德智工程师和蔡德林主任的全力支持。除此之外陈兴 国、刘晓政等人也在各个方面给予了帮助。在他们的大力指导和帮助下，我才 得以顺利地完成了课题研究。在此向他们致以深深的谢意! 感谢师妇宋静给予我的各方面的帮助! 感谢计算机与信息学院的领导和老师给予我的帮助和教诲! 感谢在论文中所有列出的和未列出的被引用文献的作者! 最后，我要衷心的感谢我的家人，是他们对我一如既往的关心、支持和理 解才使得我能够顺利的完成学业! 作者：魏启甫 2 0 0 5 年5 月 第一章绪论 1 1 三维微波集成电路概述 三维微波集成电路( 3 d m i c ) 分为多层微波集成电路( m u m i c ) 与三维 单片微波集成电路( 3 d m m i c ) 两种基本类型。m u m i c 是由分立的有源器件与 多层集成的无源器件、连接线构成的集成电路。3 d m m i c 则是在同一基片上将 集成的有源器件、无源器件、连接线等用薄介质层相隔而形成的多层紧凑的单 片集成电路。3 d m i c 可以有效地减小电路的尺寸，提高集成度可以大大降低 成本，从而使3 d m i c 可以广泛应用于通信、电子测量仪器等，进一步拓宽了 微波集成电路的应用领域。 目前，在国内3 d m i c 的实际研制尚处在初级阶段，在国外也是在9 4 年以 后，且仅有日本等少数几个国家开始这方面的研究工作。目前，在理论分析设 计、无源元件的形成、有源电路的制作等方面均取得了较大的进展，并且已有 相关产品面世。 近几年来在3 d m i c 无源元件的形成方面出现了一些特有的元件，如：利 用薄介质层形成的多层m m i c 定向耦合器、用宽边耦合微带线构成的定向耦 合器、用宽边耦合共面波导构成的定向藕合器【2 j 等，在相同的传输损耗的情况 下，这些电路元件不到传统电路元件尺寸的一半，由此可看出3 d m i c 的明显 优点，因而具有良好的应用前景。例如，数字蜂窝电话的工作频率为1 5 g h z ， 在此频率上电路的匹配网络尺寸较大，因而m m i c 的尺寸也较大，为了利用空 间以减小平面尺寸，日本三菱公司采用g a a sm u m i c 制作成功了1 5 g h z 功率 放大器p 】，输出功率为1 1 w ，效率为4 8 ，工作电压为3 5 v ，将三层平面电 路叠在一起，做到了超小型化，电路体积为o 2 c m 3 。 3 d m m i c 是日本n t t 公司1 9 9 6 年提出的新型电路i “，它采用g a a s 基片 上加化合物薄膜形成3 d m m i c 的方法可显著提高集成水平，由于采用几个介质 层，无源电路的线宽和间距可以很窄，其集成的芯片面积仅为2 6 m m 2 。 3 d m i c 还可以制作主一从组合式电路，在主片上集成有源器件阵列，用不 同的无源元件和连线构成的从片与其组合，就可形成不同用途的3 d m i c 【5j ，这 是3 d m i c 的又一新发展。 尽管3 d m i c 的发展起步比较晚，但是由于其诸多的优点已经引起了国内 外研究机构的重视。3 d m i c 具有优良的电气性能和微小的电路尺寸，它必将在 通信设备中获得广泛的应用，特别是基于l t c c 的3 d m i c 的制作成功，大大降 低了成本，从而极大地促进了这种新一代微波电路的发展。 1 2 低温共烧陶瓷技术 虽然3 d m i c 优点众多，但是它需要高性能的封装材料( 特别是对于微波 损耗来说) ，高容量、低成本的生产能力。过去常采用有机聚合物材料作为封装 材料，因为这些材料能满足生产和成本要求。但这些材料性能和耐用性有限， 尤其是在目前技术所需的更高的频率范围内使用时，更是如此。正是由于这个 原因，制造商一直致力于寻求新型材料。低温共烧陶瓷( l t c c ) 非常适用于此。 这种材料具有高可靠性，并带来了设计上的灵活性，它使得元器件有更高的集 成度，使得原来片式电容、片式电感和片式组合器件向全面的l t c c 集成技术 过渡，从而真正实现三维结构( 采用传统材料无法获得这种结构) ，以满足市场 对微波集成电路的要求。 l t c c 是于1 9 8 2 年由休斯公司开发的新型材料技术，它采用厚膜材料，根 据共烧陶瓷设计的结构制造1 6j 。所谓l t c c 技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成 厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孑l 注浆、精密导体 浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠 压在一起，在9 0 0 下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内 置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装i c 和有源器件，制成无源有 源集成的功能模块。总之，利用这种技术可以成功地制造出各种高技术l t c c 产品。按其技术层次，我们可粗略地分为以下四类：a 高精度片式元件：如高 精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列。b 无源 集成功能器件：如片式射频无源集成组件，包括l c 滤波器及其阵列、定向耦 合器、功分器、功率合成器、b a l u n 、天线、延迟线、衰减器，共模扼流圈及其 阵列，e m i 抑制器等。c 无源集成基板封装：如蓝牙模块基板、手机前端模 块基板、集中参数环行器基板等。d 功能模块：如蓝牙模块、手机前端模块、 天线开关模块、功放模块等。这些l t c c 产品的应用领域很广泛，除了前面提 到的还有：g p s 、p d a 、数码相机、w l a n 、汽车电子、光驱等。其中，手机 的用量占据主要部分，约达8 0 以上。其次。是蓝牙模块和w l a n 。由于l t c c 产品的可靠性高，汽车电子中的应用也日益上升。手机中使用的l t c c 产品包 括l c 滤波器、双工器、功能模块、收发开关功能模块、平衡不平衡转换器、 耦合器、功分器、共模扼流圈等。 目前，l t c c 已经进入产业化阶段，日美欧等各家公司纷纷推出了各种性 能的l t c c 产品。l t c c 在我国台湾省发展也很快。世界上能提供l t c c 相关 产品的有i b m ，m o t o l o r a ，m u r a t a ，t d k ，r o c k w e l l ，k y o l e r a 等国际公司。据 报道美国i b m 公司已研制出8 0 多层i j c c 基板的多芯片组件。另外，( 中创信 息网) 三星公司目前即将开发完成的支持卫星广播d b m 方式的调谐器，计划 2 0 0 4 年下半年量产。该调谐器的芯片组均为手机专用，芯片采用l t c c 基板内 置无源元件。据说采用了2 0 层的l t c c 基板，目标规格方面尺寸为 l o 1 0 1 4 m m 3 。l t c c 也为蓝牙模块的发展提供了条件。蓝牙模块除了要求低 成本外，对于面积的要求也是相当苛刻。利用l t c c 技术，将晶片组及各种分 2 离式元件封装在多层陶瓷基板上，将可使模块体积微型化。目前利用l t c c 可 做出全球最小的蓝牙模块，大小为7 7 1 8 m m 3 。 但是，由于l t c c 产品刚刚进入市场，因而对它的统计数据不多。日本市 场调研公司n a v i a n 发布的数据为：l t c c 在2 0 0 3 年后快速发展，平均增长速 度达到1 7 7 ；从目前来看，今后几年的发展速度将会超过1 7 7 这一数值。 这些数据说明了l t c c 产业的目前概况和发展前景。尽管，这些统计数据是不 完整的，一些国家和地区的公司未被统计进去，但这些数据所反映的基本发展 趋势还是具有重要参考价值的。 至于l t c c 具体的物理特性及其技术优点将在以后章节叙述。 1 3本课题的来源及意义 本课题来自中国电子科技集团公司第三十八研究所，是三维微波集成电路 课题中的一个预研课题。 由于信息时代的到来，移动通信、卫星通信、相控阵雷达以及星载电子等 方面的迅猛发展，对微波集成电路提出了更高的要求。设备的高可靠性、微型 化、低价格及良好的温度特性，要求微波集成电路在满足电气性能指标的同时， 应尽可能减小电路占用面积。而且超大规模单片集成电路已经达到其集成或微 型化的极限，要进一步提高其组装密度和扩展功能，唯一的途径只能是扩展电 路的空间自由度和拓扑结构，发展三维集成技术。特别是基于l t c c 的三维微 波集成电路的研制成功，在很大程度上降低了三维微波集成电路的造价，给三 维微波集成电路开拓了更广阔的市场前景。所以，对其研究无论在理论上还是 在经济上都是十分有意义的。 虽然3 d m i c 的出现仅有几年的时间，但己引起国内外研究机构的重视。 据报道，有些公司已生产出了基于l t c c 的三维微波集成电路的产品。但他们 对无源元件的建模仍处于研究阶段，尤其是对电感的建模因其结构复杂使得研 究的难度很大。然而由于现在通信系统中所用无源元件与有源元件的比例高达 5 0 比l ，有些甚至达到1 0 2 数量级；所以在现阶段对无源元件的建模将是这一 研究领域的重点。我国在这方面的研究正处于起步状态，有很多工作期待着我 们去探讨和研究。 1 4 本论文的主要内容及结构 本文简单地介绍了3 d m i c 及其新技术l t c c 的物理性能及主要特点；详细 阐述了l t c c 技术的工艺流程及其布线规则：重点讨论了基于l t c c 的三维微 波集成电路和内埋无源元件技术。 本论文包括以下几个方面的内容： 第一章介绍了微波集成电路的发展现状及趋势，并说明了本课题的来源及 意义。 第二章介绍了3 d m i c 的产生背景、关键技术及其发展方向：对基于l t c c 的3 d m i c 及其优点也作了简单介绍。 第三章详细讨论了l t c c 技术的工艺流程、技术特点及其所存在的问题。 第四章介绍了基于l t c c 的内埋无源元件技术。 第五章利用a g i l e n t 公司的电磁仿真软件a d s 设计出了一系列结构新颖的 多层螺旋电感，并给出了一些仿真结果来说明设计的合理性；分析了多层螺旋 电感设计中需要注意的问题，并提出了自己的意见。 第六章总结了本课题所完成的工作，并对后续的研究提出建议。 4 第二章三维微波集成电路 2 1微波电路的发展及分类 作为电子学中的一个分支微波技术问世已经有半个多世纪，发展迅 速、应用广泛。微波电路开始于四十年代应用的分立微波电路，随后经历了平 面微波集成电路、单片微波集成电路，现在已经发展到了三维微波集成电路阶 段。其中分立微波电路是由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管组成。 平面微波集成电路是由微带元件、集总元件、微波固体器件等利用扩散、外延、 沉积、蚀刻等制造技术将这些无源微波器件和有源微波元件制作在一快半导体 基片上的微波混合电路。单片微波集成电路则是将所有无源元件、有源元件和 连接线集成在同一块半导体芯片上所得的集成电路。微波电路的发展基本上遵 循着低频电路的历程。图2 1 为低频电路和微波电路的发展过程，两者均以分 低频分立电路微波分立电路 l l - c i l m - c l 八l il s i cm u i cv h s i c 3 d m i c gm m i co s d l l l r l - l v l s l cm c m h 3 d m m i c g h m i m l co m m l c fl m e m ss m m m o e m s 图中3 d m i c g 分为：m u m i c 和3 d m l c ；m i c 包含h m i c ； 3 d m m i c g 分为m u m m i c 和3 d m m i c v l s i c 一超大规模集成电路m u i c 一多层集成电路v h s i c 一超高速集成电路 m i c 一微波集成电路h m i c 一混合微波集成电路m c m 一多芯片模块 3 d m i c g 一三维m i c ( 广义)3 d m m i c g _ 三维m m l c ( 广义) m m i c 一单片微波集成电路m u m i c 一多层m i cm u m m i c 一多层m m i c o m m i c 一光m m l cm i m i c 一微波与毫米波m m i c o s d 一光固态器件 m o e m s 一微光电一机械系统s m m 一屏蔽膜片微带m e m s 一微机电系统 图2 1低频电路与微波电路的发展 立电路为起点。在低频电路方面，继i c 和l s i c 后，出现了v l s i c ，其线宽达 亚微米量级。同时研制出m u i c ，在电路厚度不显著增大的前提下，面积显著 缩小，已有数十层的m u i c 成品：v h s i c 是速率达g b s 量级的i c 。对于低频， m c m 系结合m u i c 、v h s i c 等而成的。至于其更广泛的含义将在后面叙述。 分别于六十年代和七十年代出现的混合微波集成电路( h m i c ) 和单片微波 集成电路( m m i c ) 均是单层电路。自八十年代以来已被广泛应用，从单功能电路 发展到多功能组件( 如t r 模块等) o “，使微波工业经历了次革命。 9 0 年代研制成可用于毫米波段的m m i c ，随即出现了m i m i c 这一名称， 即微波与毫米波单片集成电路。9 8 年对1 9 0 g h z 磷化铟高电子迁移率晶体管( i n p h e m n m m i c 低噪声放大器及9 5 g h zi n ph e m tm m i c 功率放大器已有报导 【8 ，9 1 。 由于光固态器件( o s d ) ，如激光二极管、光探测器、调制器等采用与制作 微波器件相同的材料( 如g a a s 和i n p 等) 和相同的制造工艺，因此有可能将这些 器件与f e t 、h e m t 等集成在同块芯片上并制成光微波单片集成电路 ( o m m i c ) 【1 叭。 自九十年代以来陆续出现了三维微波集成电路( 包括m u m i c ，3 d m i c ， m u m m i c 和3 d m m i c ) ，又一次迎来微波电路的革新。 2 2 三维微波集成电路 2 2 1 三维微波集成电路的发展背景 1 对提高单位面积集成度的要求 信息时代的到来，特别是移动通信、卫星通信、相控阵雷达以及星载电子 等方面的迅猛发展，对微波集成电路提出了更高的要求。设各的高可靠性、微 型化、低价格及良好的温度特性，要求微波集成电路在满足电气性能指标的同 时，应尽可能减小电路占用面积。参照日本n t t 公司对m m i c 集成度的定义】： ，= g ( v 厶) ，s ，其中，g 为增益( d b ) ，d 砌为相对带宽，s 为集成电路面积( m m 2 ) 。 对各大公司m m i c 成品的大量统计结果表明【1 2 】：单层单芯片集成度的近似限制 关系为：厂怛“2 ，以g h z 表示。同时需要实现布局合理、性能更优( 即兼有 传统射频立体电路性能和m i c 集成优势) 的电路。这将体现在元器件或电路的 物理结构与电磁关系两方面的革新。由此可见超大规模单片集成电路已经达到 其集成或微型化的极限，要进一步提高其组装密度和扩展功能，唯一的途径就 是扩展电路的空间自由度和拓扑结构，发展三维集成技术。 2 微波集成电路的材料 近四十年来微波界拒绝采用已广泛应用于i c 及日常生活中的s i 来制作 m m i c 衬底，原因是其晶片电阻率过低( 1 2 0 q c m ) ，损耗过大：且s i 器件 ( b j t 等) 工作频率低，不宜作微波器件，而惯用价格昂贵的g a a s 、i n p 等材料。 经过多年的努力，具有高电阻率( 1 0 0 0 q c m ) 的s i 晶片已经出现并走向市场。 同时又研制出工作频率高达1 0 0 g h z 的s i 二极管。在s i 器件中加入g e 材料， 6 实现了微波性能优良的h b t ( 异质结双极型晶体管) ，使基于s i 的有源电路可工 作至6 0 g h z 以上。这些器件的制作工艺与标准s i 工艺相兼容。尤为重要的是 s i 的使用降低了m m i c 的成本。 3 新的薄膜工艺的使用 如s i 上生长低损耗s i 0 2 薄膜，或加入稍厚的有机化合物层( 均为u m 量级) ， 如聚酰孤氨( p o l y i m i d e ) ，以隔离有耗衬底，实现与g a a s 衬底相仿的性能i ”j 。 而s i 晶片上直接扩散某种复合物制作多层电路也是一种廉价而有效的方法。 4 微波多芯片组件( m c m ) 封装技术的发展 这里将涉及的多芯片模块是一种广义的3 d m i c ，m c m 是将两个以上的大 规模集成电路裸芯片和其它微型元器件互连组装在同一块高密度，高层基板上， 并封装在同一管壳内构成功能齐全，质量可靠的电子组件。m c m 是实现电子装 备小型化，轻量化，高速度，高可靠，低成本电路集成不可缺少的关键技术， 它与传统的混合i c 主要区别在于m c m 采用多块裸芯片与多层布线基板，并实 现高密度互连。从工艺上可分为淀积多芯片模块m c m d ( d e p o s i t e ) 和叠层多芯 片模块m c m l ( l a m i n a t e d ) 两种。下面将要介绍的m u m m i c 中能实现较强功能 的就属m c m d 其制造过程系通过m m i c 工艺，如外延生长、淀积、蚀刻等完 成。m c m l 则是将已制成的芯片( 包括g a a s 、s i 衬底或陶瓷衬底) 通过特定工 艺，包括独立制作的垂直结构m c m v ( v e r t i c a l ) 相连接等，形成多功能块，实现 3 d 微包封。其相关技术包括：由多片m m i c 构成m c m 、低温共烧陶瓷( l t c c ) 、 高温共烧陶瓷( h t c c ) 等等。特别是l t c c 技术的出现在很大程度上降低了 3 d m i c 的造价，给3 d m i c 开拓了更广阔的市场前景。 5 各种电磁场数值计算方法日趋成熟，商用3 d 仿真软件大量推出并被广泛应 用。 随着计算机运算速度和内存的不断提高，有些国外的公司已经推出了微机 操作的3 de m 仿真软件，如表2 1 所示。这些软件可预先提 表2 1常用三维高频电磁仿真软件 软件 h p h f s se n s e m b l eh f s si e 3 df i d e l i t ve m s u i t e 名m o m e n t u m 生产 a n s o f ta n s o r a g i l e n ta g i l e n t z e l a n dz e l a n ds o n n e t 方 仿真 f e mm o mf e mm o mm o mf d t dt l m 方法 供如矢量场等有关信息，有助于提高设计精度。常用的3 d 仿真方法有：矩量 法( m o m ) 、有限元发( f e m ) 、时域有限差分发( f d t d ) 和传输现矩阵法( t l m ) 。 教有效的被采用的还有：直线法( m o l ) 、边界元发( b e m ) 、谱域法等。对3 d 仿真教详尽的论述参见文献【1 4 l 等。 2 2 2 三维微波集成电路的分类 从广义上说3 d m i c 可分为多层微波集成电路( m u m i c ) 与三维单片微波集 成电路( 3 d m m i c ) 两种基本类型。m u m i c 是由分立的有源器件与多层集成无源 元件、连接线构成的集成电路。它是日本三菱公司于1 9 9 4 年提出的。3 d m m i c 则是在同一基片上将集成的有源器件、无源元件、连接线等用薄介质层相隔而 形成的多层紧凑的单片集成电路。它是日本n t t 于1 9 9 6 年提出的。两者有着 相似的结构，我们将它们统称为三维微波集成电路。下面就此分别做一介绍。 1 三维单片微波集成电路 从广义上讲m u m m i c 也是一种3 d m m i c 。所谓m u m m i c ，就是在晶体发 展半导体基板，重叠多层低介电率的层间绝缘膜材料聚酰胺和金属布线，具有 多层结构布线的微波单片集成电路。此处我们将要讨论的3 d m m i c 就是由水平 m u m m i c 结合垂直微波结构而成，如图2 - 2 所示“。图2 - 2 ( a ) 是其多层布线 结构，它可很好地处理在微波领域布线间的电磁性能结合和屏蔽，可以构成各 图2 23 d m m i c 的构成 种功能的电路和无源器件。因此人们的观念，已从单纯的布线集成结构向电路 小型化、高性能化拓展。当时，在微波无源电路中处于主要位置的是m u m m i c 。 但是随着半导体基板上大量晶体管集成技术的发展，已不仅仅是平面结构上的 重叠布线，而是垂直纵向的布线。如图2 2 ( b ) 所示，它是一种将微型化传输 线、电感等做成垂直墙状的微波结构( 该结构可使其体积比常规m m i c 的小很 多) 。这样就充分利用了三维布线的相互作用，进而发展为3 d m m i c 形态。图 2 2 ( c ) 为前两者的结合而成的3 d m m i c ，以实现高密度、多功能微封装。 3 d m m i c 的优点首先是可以实现电路的小型化。此外，其电路内可以自 由屏蔽电磁作用，可以实现过去渴望不可及的微波电路主片化和s i 基板微波电 路，而产生了全新的概念：主片式m m i c 和s im m i c 。微波电路的设计需要设 计与各种电路调谐的布线图形，必须考虑微波电路的独特的电磁特性。对电路 开发人员而言，他们希望在微波电路设计中也能象设计数字电路门阵列那样采 用较为简易的方法。这样，不但可大幅度缩短开发周期，也可以降低制作成本。 而3 d m m i c 的问世改变了这一现状。采用3 d m m i c 技术能够在g a a s 或s i 上 制成主电路，即在晶片上形成包含晶体管、电阻和m i m 电容下电极等通用主 阵列，按需选择元件，为电路不需的元件则复以接地金属g n d l 。g n d l 上再 迭以薄介质层和附加g n d 2 ，以便在其上形成由其它元件组成的从片，如图2 3 ( a ) 3 d m m i c 主片基本结构 摊列元 量赢毫一 生岸 2 。l _ x 2 3 蛆 ( b ) 阵列单元 图2 33 d m m i c 的基本结构 9 所示【1 2 】。这样主一从组合可构成用途不同的3 d m m i c ，在适应电路变化及降低 成本方面富有潜力。对比低频集成电路，主、从结构类似由门阵列通过m u i c 互连成专用集成电路( a s i c ) 。采用该技术实现了集成于s i 衬底、包含k 波段接 收机( 由r f 放大器、本振、镜抑混频器等组成) 和1 8 分频器的3 d m m i c ，芯片 面积：3 _ 8 m m 2 8 m m 【1 6j 。这就表明可结合模、数集成电路于m m i c 单芯片， 也说明a s i c 设计方法可以应用于m m i c 。通过以上实例，可预计如将目前使 用中的微波设备( 或系统) 更换为高度集成的3 d m m i c ，体积、重量将至少减小 三个数量级”。 2 多层微波集成电路 m u m i c 与人们所熟悉的其他多层电路一样，实际上是平面微波电路的一种 折叠结构形式。将多个对称带线重叠在一起，每一层带状线构成一个独立的仓， 仓内有特定的微波网络或直流控制与供电电路。层与层之间以金属化小孔实现 微波或直流电路的垂直互联。这种多层结构与常规的平面微波电路相比较，具 有三个明显的优点： ( 1 ) 体积小，结构紧凑，适合制作微波功能模块。如功放模块，低噪声高放 模块。将功率合成网络和供电与控制电路置于多层基板内部，通过垂直互联孔 将多层电路联通，把与单片相接的各端口也用垂直互联孔馈至多层基板的上表 面形成焊盘或金属凸台，再将微波单片与其他控制以及供电芯片用键合或倒装 焊的形式进行表面安装。对功率芯片还需考虑热设计。 ( 2 ) 电磁兼容性与自身去耦性能好。因为多层电路中的各个仓是相互屏蔽 的，从而避免了电磁波杂散辐射引起的相互干扰。在相控阵雷达行馈与列馈平 面电路中，由于各分路之间的互耦可引入很大的幅相随机误差，工作频率愈高， 影响也会更大。为此，需在平面电路当中附加隔离墙，或者做成“坑道”式微 图2 4 1 ，4 功率分配器多层结构示意图 l o 带线，即微带线置在金属屏蔽的坑道中。这样一来不但加工复杂，重量也加大。 在多层微波电路中能很容易地解决这个问题，以l 4 功率分配器为例，其电路 结构如图2 4 【1 8 j 所示。 从图中可以看出，第一层分配与第二层分配是相互隔离的两个仓，中间的 接地板仅有两小孔用于层与层之间的垂直互连。对于无源微波网络，每层介质 厚度一般取小于0 3 m m 。薄的介质层会使t e m 波束缚在导带周围，自然减少 了电路之间的相互干扰。若以与其配套的电阻浆料通过丝网印刷，在电路层中 制l o o o 吸收电阻，即为隔离式分配模块。顺便指出，在多层数字电路之中， 随着传输速率的提高，也将有层与层之间的互耦，同样可以用上述分仓的办法 处理。另外，用垂直互连孔构成接地栅网，将各层接地板相连形成无感接地， 是电磁兼容的关键。 ( 3 ) 高可靠，高效率。多层电路微波模块内部使用了高可靠的垂直互连技术， 大大地减少了用于外部连接的接插件使用数量。多层结构可以在三维空间有更 合理的布线，缩短连线距离约1 2 左右。从而降低了电路插入损耗，提高了系 统的效率。 3 基于u c 的3 d m i c 基于u l c c 的3 d m i c 是3 d m i c 又一新的发展，它可大大降低3 d m i c 的 成本，从而使3 d m i c 可广泛用于民用通信设备，进一步拓宽了3 d m i c 的应用 领域。图2 5 为其三维结构【”】。 图2 s 基于【t c c 的3 d m i c 结构示意图 基于l t c c 的3 d m i c 其实是一种m u m i c 。正如前面所述的一样，m u m i c 是由分立的有源器件与多层集成无源元件、连接线构成的集成电路。所以基于 l t c c 的3 d m i c 最大的特点是能够将几乎所有的无源元件集成在衬底之中，然 后表贴有源元件，层与层之间以金属化小孔实现微波或直流电路的垂直互连， 从而形成一个紧密的整体。由于它的这种结构特点，可以充分利用介质层中导 体层间的电磁耦合形成特有的电路元件，有效地减小电路的尺寸，提高集成度。 在基于l t c c 的3 d m i c 中，可以利用薄介质层间隔的导带形成多层定向耦合器， 也可利用宽边耦合共面波导构成滤波器和定向耦含器等电路元件或部件。因而 与平面电路相比，在电路形式上有很大的灵活性。并且由于它内部使用了高可 靠的垂直互连技术，大大地减少了用于外部连接的接插件的使用数量，从而使 其具有高可靠性和高效率。关于l t c c 的物理特征即其技术特点将在以后的章 节里介绍，在此不再赘述。 2 3三维微波集成电路的技术进展 目前在国内对3 d m i c 的研制尚处于初级阶段，在国外也是在9 4 年以后， 仅有日本等少数几个国家开始这方面的工作，目前不论在理论分析设计、无源 元件的形成，有源电路的制作等方面均取得了一定进展，并且有些电路已经用 于通信设备之中。 ( 1 ) 理论分析、设计方面。3 d m i c 与平面电路相比，在分析设计方面，主要 应考虑多层介质中多导体的情况。3 d m i c 中由处在不同介质层的导体构成电路 元件和部件，这增加了电路设计布局的灵活性，但同时也给电路的分析和设计提 出了新的课题。 采用全波分析和网络模型法分析和设计3 d m i c 。全波分析法包括谱域法、 矩量法、直线法等，其精度高，适用频率范围宽，但计算量大。网络模型法计 算量小，可应用较成熟的电路理论，但在模型抽象时有一定的近似，因而精度 不高，适用于有限的频率范围。全波分析和网络模型法结合在一起，首先运用 网络模型法进行初步分析设计，再用全波分析进行验证。这样，既能保证精度， 又可节省时间。g u p t a 等人对多层滤波器与巴仑的设计可代表这一方法的最新 应用【2 们。他们用边界元法计算了各个耦合线的l 和c 的矩阵，然后用多导体耦 合线法来设计。所得结果再用矩量法分析验证，两者结果相符。 ( 2 ) 无源元件的形成。当今便携式无线产品里使用的大多数器件是无源元件。 如果把这些无源元件集成到一个衬底或一个独立的器件上将能明显地提高产品 性能、降低成本和减小尺寸。对电阻、电容在这方面的设计和制作技术已经相 当成熟。但对于电感，由于其结构复杂、影响性能的因素较多，一直以来这方 面的研究都是本领域的难点。但是它又是电子设备里不可或缺的元件。正如便 携式无线电子产品一样，它的发展趋势是将数字和射频电路组成小型的混合信 号组件，在这些系统的实现中电感就是关键的元件，它能形成滤波电路部件， 偏置网络，耦合器，锁相环，低噪声放大器等等。因此对电感的研究是非常有 意义的，本文中我们将介绍一种基于l t c c 技术实现的多层螺旋电感。与传统 的平面电感相比，基于l t c c 的多层螺旋电感体积小、q 值高、电感量大，自 谐振频率也能满足要求。它能够广泛用于计算机、汽车电子、自动化设施、传 1 2 呼机和移动电话等新型电子整机。我们将在以后的章节中对此作一详细的介绍。 近几年来也出现了一些特有的元件。定向耦合器在微波电路中是一个非常重要 的元件，但在微波集成电路中很难实现紧耦合。在3 d m i c 中出现了许多新型 的定向耦合器，如：利用薄介质层形成的m u m m i c 定向耦合器、用宽边耦合 微带线构成的定向耦合器、用宽边耦合共面波导构成的定向耦合器等等。它们 可以在很大程度上提高耦合器的性能，且元件的尺寸较传统元件的小很多。 ( 3 ) 大量的3 de m 仿真软件的出现大大地加快了3 d m i c 的发展。 2 4结束语 回顾微波电路技术的发展历程：从分立电路到平面微波集成电路，然后到 多层和三维微波集成电路、多芯片模块。微波、毫米波部件和整机征迅速更新 其面貌。微波电路或系统的革新体现在元、器件物理结构和电磁关系两方面。 这种革新来源于对电磁场理论的灵活运用，其实现有赖于新材料、新工艺，特 别是微加工技术的成就，而付诸应用将取决于：该结构可批量生产且价格低廉， 性能优良或满足要求。 三维微波集成电路的出现虽然仅有几年的时间，但己引起国内外研究机构 的重视。由于三维微波集成电路具有优良的电气性能和微小的电路尺寸，它将 会在通信设备中获得广泛的应用。特别是l t c c 技术的介入更为其带来了前所 未有的机遇。它为