K波段小型化收發前端的研制*

呂文倩，吳 亮，湯佳杰，孫曉瑋*

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

近年來，毫米波技術在現代雷達、制導武器等電子系統中得到了廣泛的應用［1-4］。由于工作環境及結構的特殊性，精確制導武器及引信系統對其探測系統的體積有著嚴格的要求。因此，實現毫米波系統，尤其是毫米波探測系統的小型化和微型化，具有重要的應用價值。而射頻收發前端的集成是促進探測系統小型化和實用化的關鍵。三維3D系統集成技術可以提高電路性能，實現系統的小型化［5-6］。在三維封裝中，芯片埋置技術以其高密度集成、引線短等優點被廣泛用來實現高性能的多芯片集成［7-8］。

本文介紹了多芯片系統級封裝技術，制備了一款K波段雷達收發前端，并給出了測試結果，該前端具有良好的微波性能，滿足了系統小型化、高性能的要求。

1 雷達收發前端架構設計

雷達收發前端采用調頻連續波(FMCW)調制，雷達收發前端的接收功率可表示為

其中Pt為雷達發射功率，Gt、Gr分別為發射天線和接收天線的增益，λ為工作波長，σ為目標散射截面積，R為雷達作用距離。信噪比為

其中k為波爾茲曼常數，T為絕對溫度，WB是中頻帶寬，F為噪聲系數。兩級級聯的接收機的噪聲系數Fn為

接收機的靈敏度即最小可檢測信號為

在本應用中，R=5 m，Gt=Gr=10 dB，選擇合適的SNR，為了達到2 GHz的帶寬，根據式(1)～式(4)可得，發射功率應不小于10 dBm。

如圖1所示，K波段雷達收發前端由壓控振蕩器(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，經過功分器分為兩路，一路為發射支路提供毫米波信號，另一路作為本振信號，接收支路的信號經過一個低噪聲放大器后作為混頻器的射頻信號，本振信號和射頻信號通過混頻器得到中頻輸出。

圖1 雷達收發前端架構

2 毫米波系統級封裝工藝

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級封裝技術制備K波段雷達收發前端，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(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)使用導電膠粘結MMIC芯片背面與硅片埋置槽底部，在150℃烘箱內烘1 h固化導電膠，實現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，實現芯片引出與第一層BCB介質層上的圖形互連，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進行制備(圖2(g))。

(8)重復以上步驟6和7進行第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。通孔影響著系統的散熱和電磁特性，本文對通孔的特性進行了仔細的研究。R.Pucel等給出的通孔的電感值計算公式為:(其中r為通孔的半徑，h為介質層的厚度)［10］

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

圖3 通孔的等效電感

4 實驗結果

圖4為制備的K波段雷達收發前端實物圖，包括一個壓控振蕩器、功分器、混頻器、低噪聲放大器。

圖4 K波段雷達收發前端實物圖

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

圖5 雷達收發前端支路測試

對雷達收發前端接收支路測試得到在接收功率為-30 dBm時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。雷達收發性能參數如表1所示。

圖6 不同工作頻率下的中頻輸出增益

表1 雷達收發前端性能參數

5 結論

本文研究了一種毫米波系統級封裝工藝，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波段雷達收發前端。該收發前端的尺寸僅為6.4 mm×5.4 mm，測試結果表明，在22.5 GHz～22.9 GHz的頻帶內，發射功率高達11 dBm，中頻增益達到10 dB以上，發射端到中頻輸出端隔離度高于30 dB，實現了系統的小型化、高性能的要求。

［1］Meta A，Hoogeboom P，Ligtjart L P，et al.Signal Processing for FMCW SAR［J］.IEEE Trans Geosci Romote Sens，2007，45(11):3519-3531

［2］Wang W Q.Analysis of Waveform Errors in Millimeter-Wave LFWCW Synthetic Aperture Radar Systems［J］.Int J Infrared Milli Waves，2006，27(10):1433-1444

［3］程知群，張勝，李進，等.寬帶無線通信射頻收發前端設計［J］.電子器件，2010，33(2):186-188

［4］曾隆月，黃繼偉，張常紅，等.基于0.13 μm CMOS工藝的全集成北斗導航射頻接收機［J］.電子器件，2012，35(6):717-722

［5］Donnay S，Pieters P，Vaesen K，et al.Chip-Package Codesign of a Low-Power 5-GHz RF Front End［J］.Proceedings of the IEEE，2000，88(10):1583-1597

［6］Carrillo-Ramirez R，Jackson R W.A Technique for Interconnecting Millimeter Wave Integrated Circuits Using BCB and Bump Bonds［J］.Microwave and Wireless Components Letters，2003，13(6):196-198

［7］Geng Fei，Ding X Y，Luo Le，et al.A Wafer-Scale Packaging Structure with Monolithic Microwave Integrated Circuits and Passives Embedded in a Silicon Substrate for Multichip Modules for Radio Frequency Applications［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2009，19(10):105011-105019

［8］Nilsson P，Jonsson M，Stenmark L.Chip Mounting and Interconnection in Multi-Chip Modules for Space Applications［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2001，11(4):339-343

［9］崔恒榮，王偉，孫蕓，等.60 GHz微帶波導轉換結構設計及其在通信集成前端中的應用［J］.電子器件，2012，35(5):509-513

［10］Kubo R.Electronic Properties of Metallic Fine Particles［J］.Journal of the Physical Society of Japan，1962，17(6):975-986