K波段小型化收發(fā)前端的研制*

呂文倩，吳 亮，湯佳杰，孫曉瑋*

(1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

近年來，毫米波技術(shù)在現(xiàn)代雷達(dá)、制導(dǎo)武器等電子系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。由于工作環(huán)境及結(jié)構(gòu)的特殊性，精確制導(dǎo)武器及引信系統(tǒng)對(duì)其探測(cè)系統(tǒng)的體積有著嚴(yán)格的要求。因此，實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)，尤其是毫米波探測(cè)系統(tǒng)的小型化和微型化，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。而射頻收發(fā)前端的集成是促進(jìn)探測(cè)系統(tǒng)小型化和實(shí)用化的關(guān)鍵。三維3D系統(tǒng)集成技術(shù)可以提高電路性能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化［5-6］。在三維封裝中，芯片埋置技術(shù)以其高密度集成、引線短等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用來實(shí)現(xiàn)高性能的多芯片集成［7-8］。

本文介紹了多芯片系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)，制備了一款K波段雷達(dá)收發(fā)前端，并給出了測(cè)試結(jié)果，該前端具有良好的微波性能，滿足了系統(tǒng)小型化、高性能的要求。

1 雷達(dá)收發(fā)前端架構(gòu)設(shè)計(jì)

雷達(dá)收發(fā)前端采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)調(diào)制，雷達(dá)收發(fā)前端的接收功率可表示為

其中Pt為雷達(dá)發(fā)射功率，Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接收天線的增益，λ為工作波長(zhǎng)，σ為目標(biāo)散射截面積，R為雷達(dá)作用距離。信噪比為

其中k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，WB是中頻帶寬，F(xiàn)為噪聲系數(shù)。兩級(jí)級(jí)聯(lián)的接收機(jī)的噪聲系數(shù)Fn為

接收機(jī)的靈敏度即最小可檢測(cè)信號(hào)為

在本應(yīng)用中，R=5 m，Gt=Gr=10 dB，選擇合適的SNR，為了達(dá)到2 GHz的帶寬，根據(jù)式(1)～式(4)可得，發(fā)射功率應(yīng)不小于10 dBm。

如圖1所示，K波段雷達(dá)收發(fā)前端由壓控振蕩器(VCO)、威爾金森功分器、混頻器(Mixer)、低噪聲放大器(LNA)組成［9］。VCO作為毫米波源，經(jīng)過功分器分為兩路，一路為發(fā)射支路提供毫米波信號(hào)，另一路作為本振信號(hào)，接收支路的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)低噪聲放大器后作為混頻器的射頻信號(hào)，本振信號(hào)和射頻信號(hào)通過混頻器得到中頻輸出。

圖1 雷達(dá)收發(fā)前端架構(gòu)

2 毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝工藝

本文采用基于低阻硅埋置腔體和BCB/Au金屬互連的毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)制備K波段雷達(dá)收發(fā)前端，其具體工藝流程如圖2所示。為了解決BCB覆蓋不均的問題，本文采用兩層BCB涂覆、單層金屬布線的方法。

2.1 工藝流程

(1)在4英寸450 μm厚N＜100＞晶向的低阻硅(電阻率為1 Ω·c～10 Ω·cm)的襯底上熱氧化淀積1 μm ～2 μm 的 SiO2層(圖 2(a))。

(2)通過光刻在晶圓正面的光刻膠上形成腔體圖形，利用光刻膠作為掩膜，用氧化物蝕刻緩沖液(BOE)腐蝕SiO2層，將圖形轉(zhuǎn)移到SiO2層上(圖2(b))。

(3)利用 SiO2作為掩膜，在50℃、40wt%的KOH溶液中，濕法腐蝕出110μm深的腔體，腔體的大小與要埋置的芯片大小相當(dāng)(圖2(c))。

(4)在晶圓正面濺射一層金屬種子層(TiW/Au:20 nm/100 nm)。在種子層上涂覆光刻膠光刻，電鍍形成地屏蔽層圖形，電鍍金(Au)至3 μm，去膠后，采用離子束(Ion-beam)刻蝕(Ar+)去除種子層(圖2(d))。

(5)使用導(dǎo)電膠粘結(jié)MMIC芯片背面與硅片埋置槽底部，在150℃烘箱內(nèi)烘1 h固化導(dǎo)電膠，實(shí)現(xiàn)MMIC和硅基板粘合(圖2(e))。

圖2 多芯片封裝工藝流程

(6)涂覆約30 μm的光敏BCB，在110℃的熱板上前烘90 s，然后將涂覆有BCB的硅片在深紫外光下曝光，并放到80℃熱板上顯影前烘1 min，在40℃的顯影液DS3000中顯影5 min～8 min，可得互連通孔圖形。將硅片放在200℃回流爐中對(duì)BCB軟固化40 min(圖2(f))。

(7)在BCB層上濺射金屬種子層(Cr/Au:50 nm/300 nm)，光刻、電鍍金屬至3μm，實(shí)現(xiàn)芯片引出與第一層BCB介質(zhì)層上的圖形互連，并用Ion-Beam去除種子層。一些無源器件，包括電阻，電容，電感，濾波器等可以在形成布線的同時(shí)進(jìn)行制備(圖2(g))。

(8)重復(fù)以上步驟6和7進(jìn)行第2層BCB/金屬多層布線(圖2(h))。

3 通孔

如圖2所示，MMIC芯片埋置在金屬化的硅腔體中，芯片端口通過BCB通孔引出，芯片的接地通過BCB通孔與上層金屬互連接地，芯片之間通過微帶線互連。通孔影響著系統(tǒng)的散熱和電磁特性，本文對(duì)通孔的特性進(jìn)行了仔細(xì)的研究。R.Pucel等給出的通孔的電感值計(jì)算公式為:(其中r為通孔的半徑，h為介質(zhì)層的厚度)［10］

我們采用兩層 BCB，厚度為26 μm。當(dāng)r=25 μm時(shí)，由式(5)得到等效電感值為4.128 pH。在HFSS軟件中，對(duì)通孔進(jìn)行仿真，通孔的底端接地，頂端接信號(hào)，仿真得到等效電感約為7.98 pH，如圖3所示。在整個(gè)頻帶內(nèi)通孔的等效電感基本保持不變，對(duì)系統(tǒng)的微波性能影響較小。

圖3 通孔的等效電感

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為制備的K波段雷達(dá)收發(fā)前端實(shí)物圖，包括一個(gè)壓控振蕩器、功分器、混頻器、低噪聲放大器。

圖4 K波段雷達(dá)收發(fā)前端實(shí)物圖

對(duì)雷達(dá)收發(fā)前端發(fā)射支路測(cè)試得到VCO在不同的調(diào)諧電壓下的振蕩頻率，如圖5(a)所示，當(dāng)V從-0.1 V到-1 V變化時(shí)，振蕩頻率從22.6 GHz變化到22.9 GHz，偏壓在-0.8 V到-0.2 V的區(qū)間內(nèi)，VCO的線性度較好。圖5(b)為在不同振蕩頻率下的發(fā)射功率。工作頻率在22.6 GHz～22.9 GHz時(shí)，輸出功率成上升趨勢(shì)，最低為11 dBm。

圖5 雷達(dá)收發(fā)前端支路測(cè)試

對(duì)雷達(dá)收發(fā)前端接收支路測(cè)試得到在接收功率為-30 dBm時(shí)不同工作頻率下的中頻輸出增益如圖6所示。在不同的工作頻率下，中頻輸出增益大致在14 dB左右。雷達(dá)收發(fā)性能參數(shù)如表1所示。

圖6 不同工作頻率下的中頻輸出增益

表1 雷達(dá)收發(fā)前端性能參數(shù)

5 結(jié)論

本文研究了一種毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝工藝，以單晶硅作為基板，采用兩層BCB涂覆、單層金屬布線的方法解決BCB覆蓋不均的問題，基于此工藝制備了K波段雷達(dá)收發(fā)前端。該收發(fā)前端的尺寸僅為6.4 mm×5.4 mm，測(cè)試結(jié)果表明，在22.5 GHz～22.9 GHz的頻帶內(nèi)，發(fā)射功率高達(dá)11 dBm，中頻增益達(dá)到10 dB以上，發(fā)射端到中頻輸出端隔離度高于30 dB，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、高性能的要求。

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