【《太赫兹封装技术发展研究文献综述》3800字】

太赫兹封装技术发展研究文献综述1.1封装工艺发展现状随着技术进步与应用需求的扩展，通信系统封装形式逐渐从早期的真空电管发展到如今上百GHz的集成电路。目前在使用集成电路时，通常将其装配在载体上，再与其他功能模块进行互联。通过此种方式实现的互联结构，由于并非连续，会使芯片的端口处引入额外的寄生效应，使整体模块的传输效果变差。为了尽量减小寄生效应所带来的恶化，应该对封装结构中存在的不连续结构、封装工艺参数、电磁波的泄露等各方面进行仿真，设计相应的弥补措施，尽可能完整实现模块的性能，这就是电子封装设计的主要工作。高频封装互联主要表现为芯片与芯片或芯片与电路之间的互联。目前应用较为广泛的芯片互联方式为金丝键合，该工艺经常应用于微波组件的制造工艺中，例如芯片与芯片、芯片与介质板、介质板与介质板、射频连接器与介质板之间等形式的互联[51]。因高频器件体积较小且结构复杂，其金丝键合通常采用人工操作方式进行。在射频输出部分，金丝键合的合理性直接决定器件的整体性能。另外，引线材料、键合区镀层质量等工艺参数同样会对最终的键合部分产生影响。图1.9金丝键合工艺金丝键合工艺作为已经广泛应用于低频电路互联的传统互联工艺，具备价格低廉以及操作便捷的优势。然而在对高频模块进行金丝键合时需要考虑到的是，细长的金丝会引入强烈的寄生电感效应，导致互联结构的传输性能变差。针对这个问题，目前许多实验室已经研究了各种新的高频封装技术。例如倒装芯片工艺，其同样为传统工艺，目前也逐渐朝着高频方向发展。文献[52]利用倒装芯片键合技术设计了77GHz汽车雷达天线阵列。倒装芯片键合是一种使芯片利用金属植球，直接朝着基板组装的组装方法。它具有许多优点，例如缩短了互连的距离，并且有效地减小了寄生电感的影响。同时，其介质板的占用面积很小，能够实现高度集成化。图1.10倒装焊工艺除了倒装键合工艺以外，Quilt封装工艺同样吸引了较多研究者的注意力，其具备减少互联器件之间距离的显著优势[53-54]。此种封装工艺的主要特征是从模具边缘突出的坚固金属结构，称为“结节”。这些结节与其他芯片上的互补结节配对以形成电气和机械。光刻定义的结节在尺寸和几何形状上完全可自定义，从而具有独特的互锁特征。通过这些结节相互连接的芯片形成了多芯片互联结构。Quilt封装在多个应用方向上中带来了多种优势，可以尽量减小芯片到芯片之间的距离，利于芯片间对准，并提供类似于芯片上互连的互连性能。同时，Quilt封装技术可以在多种基材中实现，从而可以实现异种材料和工艺技术的异构集成，从而实现优化的系统性能以及尺寸，重量和成本的降低。图1.11Quilt封装工艺同时，为了减小键合部分所引入的寄生效应，目前许多研究团队开始采用片上集成的封装形式[55]，其通常用来芯片片上集成天线或片上集成转换结构。利于文献[]采用芯片片上直接集成CPW传输线以及E面探针，避免了在使用各种键合工艺过程中的寄生影响，同时还减小了封装体积。图1.12片上集成转换结构综上所述，由于金丝键合工艺在高频场合会引入寄生效应导致系统整体性能恶化，目前许多实验室已经开始探索各种新的高频封装工艺。随着生产工艺的不断成熟以及频段的应用需求扩展，非金丝封装工艺体系将逐渐发展为行业的研究热点，但其目前由于生产线尚未成熟，同时对芯片的端口需要进行各种处理，限制了芯片的封装方案，并且成本上不占据优势。同时，类似于金丝键合技术与倒装焊技术这种传统工艺，由于成本低廉，相比于新开发的封装体系，具备加工渠道丰富且性能稳定的优势。如果能够通过补偿结构的设计以及工艺参数的仿真来尽量减少寄生参数的影响，也将成为一种不错的高频封装方案。1.2传输线转换结构研究现状由于低损耗和高功率处理能力，波导被广泛用于毫米波和亚毫米波系统中，其宽度和高度由频带定义，主要用作级联不同组件和系统的标准化接口。由于系统封装的需要，矩形波导和平面传输线之间的过渡结构正在深入研究中。这种过渡的性能要求是具备大带宽，低插入损耗，同时对于封装现有组件和芯片而言是通用且紧凑的，并且需要考虑到现有生产线以及加工成本的问题。现阶段，许多高频无源模块通常是在平面传输线的基础上进行结构设计[56-63]；而类似于检波器、功率放大器、倍频器以及混频器等毫米波有源器件输出端通常都是采用微带传输线形式[64-66]。在对高频模块进行实测时，通常需要用到配备扩频模块的矢量网络分析仪，且常用波导来进行高频部分之间的互联[67]。针对这个现状，设计高性能的波导转换结构将直接影响了整体模块的输出性能，如何在降低成本减小封装体积的条件下保证整体的性能，成为了国内外学者的一个研究热点。现阶段功率放大器和UTC-PD等高频芯片采用的主要传输线形式为共面波导（CPW），目前所出现的CPW-波导转换结构大部分都期望尽可能完整的将芯片的输出信号转换到波导中。该结构根据波导的传输原理，主要有两种方式来实现。一是令二者的传输方向正交，然后利用E面探针将CPW上的高频电磁波耦合到矩形波导中[68]，此种方式目前已经广泛应用于多种有源器件的封装结构[69-71]。如图1-13所示，为D波段的CPW-矩形波导过渡结构。通过在波导的宽边上打开一个窗口，将搭载了E平面探针的共面波导介质板通过该窗口深入波导内部，调节E平面探针的位置与尺寸可以实现较好的传输性能。另外一种方式为，令二者的传输方向一致，然后采用脊波导等形式直接将共面波导上的能量耦合进波导内部[72]。图1.13采用E面探针转换形式的CPW-矩形波导过渡图1.14CPW-矩形波导金属脊过渡如图1.14所示为直接过渡的共面波导-波导转换结构，其中矩形波导通过金属脊实现到共面波导的过渡，其中CPW上的信号通过一个采用阶梯阻抗变换的金属脊直接送入矩形波导内，该结构具备加工便捷的优势，但同时需要考虑到CPW介质板与金属脊之间对位的问题。采用此种方式的结构在122-156GHz频段内，插入损耗在2-3dB范围内，回波损耗优于12.5dB[73]。文献[74]提出的该过渡将电磁场直接从单片微波集成电路（MMIC）微带线通过介质集成波导和片外短线部分耦合到金属脊部分。微带线中的能量通过四阶切比雪夫脊阻抗变换器转换到矩形波导中。如图1.15所示，通过在石英介质板的顶部配置匹配脊来实现二者之间的互联，在75-110GHz频率范围内，单个结构的插入损耗优于0.8dB，回波损耗优于20dB。另外，CPW可以先在平面介质板上转换为SIW，然后通过图1.17中的过渡结构耦合进波导种，采用这种转换结构可以减小封装体积，但是需要考虑更高频率时SIW损耗会变大等因素。图1.15MMIC-脊波导过渡封装图1.16微带-间隙波导转换结构如图1.16所示，为平面传输线-间隙波导转换结构。该结构采用一个三角形的贴片来进行电磁耦合，同时采用阶梯脊的方式进行微带线和间隙波导之间的阻抗变换[75]，接着利用文献[79]设计的过渡，利用槽缝间隙波导与标准波导之间的过渡结构，将平面传输线上的能量通过波导进行输出。SIW主要采用周期性的金属化通孔形成理想磁壁的方式进行信号传输。在设计转换结构时，一般是利用贴片来进行磁场耦合的方法，完成SIW-矩形波导之间的过渡。例如文献[76]所提出的结构，直接将矩形波导安装在介质板的输出位置，介质板上的SIW传输结构通过电磁场耦合的方式将能量耦合进矩形波导种进行传输，此种方式降低了封装体积，但是需要考虑到耦合效率等因素。ab图1.17SIW-矩形波导转换结构a输出端仿真结构b实物模型同时，为了展宽SIW-矩形波导转换结构的带宽，文献[77]中的设计结构将高频介质板插入矩形波导，利用阶梯阻抗变换的方法来对传输性能进行优化。另外，Sebak等人设计了一种工作频率为V波段的SIW-矩形波导的单层直角宽带过渡，在回波损耗小于-10dB时，可实现大于48％的阻抗带宽。如图1-17所示，所提出的背对背过渡是通过印刷电路板技术在单层基板上制造的，通过两个90°转换波导进行测试，该结构封装体积较为紧凑，且成本较低，但是需要对电磁波的泄露问题进行抑制，否则性能会急剧恶化[78]。2009年，Per-SimonKildal等人提出了一种可用于高频封装的间隙波导结构。其基本结构通常表现为相互平行且具备一定间隔的两个金属板，可以实现对电磁波泄露的抑制，设计出更加紧凑的封装结构。在应用于平面传输线转换结构时，通常在波导内部设置一个阶梯阻抗变化的金属脊实现与芯片或者介质板互联，从而完成能量到矩形波导内部的宽带转换[79]。ab图1-18采用倒置形式的微带间隙波导-矩形波导转换结构如图1-18所示，文献[80]设计了一个倒置微带间隙波导-矩形波导的转换结构。该结构利用一个平面传输线形式的阻抗变换器来实现阻抗匹配，同时在设计腔体时，将腔体内壁距离平面微带线介质板的距离设计成λ/4以减小回波损耗，以此来实现与矩形波导之间传播模式的转换。参考文献SiegelPH.Terahertztechnology[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2002,50(3):910-928.刘盛纲，钟任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展[[J].电子科技大学学报，2009,38(05):481-486.程兆华，祝大军，刘盛纲.太赫兹技术的研究进展[J].现代物理知识，2005(05):40-44.NicholsEF,TearJD.JoiningtheInfra-redandElectricWaveSpectra[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,1923,9(6):211-214.孙美玉，祁峰，雷静，等.太赫兹技术在医疗领域的研究现状与应用前景[Jl.中国医疗设备，2018,33(07):1-8+36.周俊，刘盛纲.太赫兹生物医学应用的研究进展[[J].现代应用物理，2014(2):85-97.蒋林华，王尉苏，童慧鑫，等.太赫兹成像技术在人体安检领域的研究进展[[J].上海理工大学学报，2019,41(01):46-51.KangaslahtiP,SchlechtE,JiangJ,etal.,editors.CubeSatscalereceiversformeasurementoficeinclouds.201614thSpecialistMeetingonMicrowaveRadiometryandRemoteSensingoftheEnvironment(MicroRad);201611-14April2016.JastehD,HoareEG,CherniakovM,etal.ExperimentalLow-TerahertzRadarImageAnalysisforAutomotiveTerrainSensing[J].IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters,2016,13(4):490-494.WangC,LinC,ChenQ,etal.A10-Gbit/sWirelessCommunicationLinkUsing16-QAMModulationin140-GHzBand[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2013,61(7):2737-2746.BlundellR,BarrenJ,GibsonH,etal.,editors.ProspectsforterahertzradioastronomyfromnorthernChile.ThirteenthInternationalSymposiumonSpaceTerahertzTechnology;2002.ChenZ,MaX,ZhangB,etal.ASurveyonTerahertzCommunications[J].ChinaCommunications,2019,16(2):1–35.SongH，NagatsumaT.PresentandFutureofTeraher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