基于硅基異構集成的T/R 組件設計

王蘊玉 劉 勇 趙丁雷 邱 宇

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽省天線與微波工程實驗室，安徽 合肥 230031）

射頻前端是相控陣體制雷達的重要組成部分，隨著雷達系統對于多功能、高集成、低成本等需求日益加深，射頻前端的輕量化、小型化設計成為亟待解決的問題[1]。基于硅基異構集成的系統級封裝技術可以靈活利用現有元器件進行集成和三維堆疊，極大縮短研發周期，批量化生產的條件下可顯著降低成本，是未來射頻前端發展的一個重要方向[2,3]。

美國在硅基三維集成方面投入多、水平高，DARPA先后啟動了“硅基化合物半導體（COSMOS）項目”、“多樣可用異質集成（DAHI）項目”、電子復興計劃（ERI）等，持續在微系統集成領域進行研發投入；國內各研究所、高校、企業也開展了相關研究，在TSV 技術、晶圓級封裝、異質/異構集成、制造設備和材料等方面取得了顯著成果[4]。

本文針對相控陣雷達對于射頻前端低剖面、輕量化的應用需求，設計了一款基于硅基異構集成的X 波段T/R 組件，其剖面厚度低于1.5mm，重量低于0.5g，將顯著降低雷達系統的體積、重量。同時，其具有接收低噪聲放大、發射功率放大、移相衰減等功能，單通道輸出功率大于10W，噪聲系數低于3.5dB，滿足系統性能指標要求。本文將從系統架構設計、關鍵電路仿真、加工工藝設計及樣件測試等幾個方面進行分析。

1 系統架構設計

本文設計的硅基T/R 組件由2 層硅片、20 個不同尺寸的器件組成，其物理架構如圖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接板上，然后以金絲鍵合的方式實現信號引出及器件功能互聯，所使用的硅轉接板厚度為200um，TSV 孔徑為30um。隨后，在硅轉接板表面通過環氧樹酯膠粘接一層封蓋結構，封蓋厚度為700um，帶有500um 深度的空腔；在轉接板背面通過植球與PCB 板進行互聯，實現射頻、控制、電源等信號輸入。所設計的T/R 組件的整體厚度約為1.4mm。

硅基T/R 組件的電訊架構如圖1（b）所示，由接收支路、發射支路、電源調制等幾部分組成，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，可以實現高功率輸出以及低噪聲接收，并且采用瓦片式封裝架構，可以根據需要進行功能擴展。

圖1 系統架構設計

發射時，激勵信號經過幅相多功能、GaN 功放、TSV+BGA 射頻傳輸結構輸出至天線上，其中GaN 功放芯片飽和輸出功率42.5dBm，射頻傳輸結構過渡損耗0.5dB。根據計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，從天線接收的小信號經過BGA+TSV 射頻傳輸結構、限幅低噪放，進入幅相多功能。BGA+TSV 射頻傳輸結構過渡損耗0.5dB、限幅低噪放芯片噪聲系數1.7dB，增益24dB。由計算結果可以得到接收噪聲系數2.23dB，滿足低噪聲接收需求。

2 關鍵電路仿真

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

圖3 硅基T/R 組件加工工藝流程

（1）硅轉接板表面信號水平傳輸。在硅轉接板表面，采用CPW 傳輸線進行設計，轉接板厚度為200um，表面金屬厚度為5um，傳輸線兩側采用垂直通孔進行信號屏蔽，經仿真優化，CPW 線寬為100um，間隔為100um。

（2）硅轉接板中TSV 垂直傳輸。與工藝加工規則相匹配，TSV 直徑設計為30um，金屬Cu 實心填充。為保證組件加工的可靠性，選用三個TSV 孔進行信號傳輸，呈正三角形排布；為保證射頻傳輸性能，在射頻TSV 四周進行接地TSV 排布，形成類同軸傳輸結構[5,6]；通過全波電磁仿真進行接地TSV 分布、射頻TSV 與接地TSV間距、焊盤與傳輸線匹配等優化，實現硅基垂直過度的低損耗傳輸。

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

（4）PCB 板上信號傳輸。射頻信號在PCB 板上主要經過表面微帶、垂直過孔、帶狀線轉換等幾個部分進行傳輸；其中帶狀線主要用于將射頻信號從硅基組件向四周傳輸，表面微帶線主要用于射頻信號經連接器與外部設備互聯。

在組件設計過程中，先進行各傳輸模塊的仿真優化，然后根據優化結果進行整個傳輸路徑的建模仿真，所得到的仿真結果如圖2（b）所示，在8-12GHz 頻段范圍內，S21 小于0.9dB，S21 大于17dB，滿足設計指標要求。

圖2 射頻傳輸仿真設計

3 加工工藝設計

硅基T/R 組件加工工藝流程如圖3 所示，主要包括轉接板制作、上蓋板制作、微組裝等。轉接板和上蓋板加工通過晶圓級流片工藝實現，其中轉接板加工是整個設計實現的核心內容，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現組件的密封，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。上蓋板與硅轉接板通過環氧樹酯膠實現粘貼。微組裝工藝主要包括元器件在轉接板表面的平貼、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、微組裝工藝進行整合，實現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 板上進行性能測試，所制備的射頻前端實物及測試曲線如圖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%，接收噪聲系數優于3.5 dB，具有顯著的輕量化、高效率特征。

圖5 實物及測試結果圖

5 結論

本文針對相控陣雷達射頻前端高集成、小型化、輕量化的應用需求，基于硅基異構集成技術，研制了一款X波段T/R 組件，集成發射功率放大、接收低噪聲放大、移相衰減等功能，實現單通道輸出功率大于10W，接收噪聲系數低于3.5dB，體積重量較傳統組件顯著降低，為高集成雷達系統研制提供技術支撐。