微波元件和模塊的自動化生產已有多年歷史。無數應用得益于大規模微波點對點鏈接所提供的能力。但在頻率約為60GHz的毫米波頻段，這些產品仍無法實行自動化生產。

通過集成各種甚高頻單片器件來成功實現毫米波模塊和子系統往往需要豐富的經驗。在模塊封裝設計以及如何調適組件、如何在適當的地方添加吸收材料以使模塊正常工作并優化其性能方面，工程師門遇到了重重困難。

幾乎沒有例外，毫米波公司都是小規模的業內專家，它們為軍事、航空航天和研究應用手工制造產品。封裝和制造方面的困難限制了毫米波系統的部署以及這些頻段的使用，這些困難使產品難以大幅降低成本、縮小體積、減輕重量。

對60GHz及更高頻率元件的需求

隨著手機以及廣播和閉路電視內回程高清視頻對視頻流需求的增加，人們對毫米波頻可用的充裕帶寬很感興趣。未壓縮高清視頻需要1.4Gbps帶寬。此外，3G長期演進(LTE)服務才剛剛開始在移動網絡上部署，每個基站都需要100Mbps的回程能力。在毫米波頻段，共有多達7GHz帶寬可供這些應用使用。

這些超高頻段內的充裕帶寬還可為雷達和成像系統提供更高分辨率。例如，調頻連續波(FMCW)雷達的目標間隔分辨力正比于掃頻帶寬。用于諸如車輛自適應巡航控制和車道變換輔助等非軍用批量應用的精確毫米波雷達，目前已部署在77和79GHz頻段。

用于檢測衣服內所藏匿武器和爆炸物的最新掃描系統也需要毫米波頻段內的寬帶寬(圖1)。主動發射系統通常依賴于類似雷達的掃頻方式；而僅接收的被動系統則要求在約100GHz附近的W頻段、超過20GHz的帶寬內都要有良好的靈敏度和高增益。

封裝問題

大多數微波和毫米波器件及子系統包含金屬外殼或涂覆著金屬層的外殼，在殼體上要磨制成形用于安裝小型MMIC芯片和其它元件的空腔。在MMIC芯片、綁定線和其它元件的制造和使用過程中，這些通常鍍金的外殼對它們起著保護作用，并使它們免受外部環境的侵害。外殼還使器件免受由系統內其它電子器件及工作環境引入的電磁輻射的干擾。

當然，對許多應用來說，這種金屬模塊在尺寸、重量和成本方面遠非理想。例如，用于提供協助飛行員在黑暗場所、惡劣天氣以及“燈光管制”條件下(沙塵暴)起停直升機的實時圖像的空中系統需要小巧輕便的毫米波組件，這種要求與對目前正在測試的無人駕駛飛行器上的成像系統的要求一脈相承。

所有微波電路都輻射能量，互連導線、綁定線和芯片本身都是輻射源。當波長接近MMIC芯片大小的時候，許多或許可在較低頻率下忽略不計的電磁效應，開始變得嚴重得多，此時電磁效應甚至主導系統功能從而破壞系統性能。

耦合進電路其它部分的輻射能量往往導致不期望、甚至災難性的行為。用于固放MMIC芯片的“空腔”以及非平面電路板上過濾器構造內的非體傳導所產生的共振就是例證。共振往往導致毫米波模塊完全失效。不期望的毫米波輻射輕易地“泄漏”進并影響到系統內所有部件的情況使實用裝備的制造面臨艱巨挑戰。

倒晶封裝方案

倒晶封裝MMIC是有助于減輕這些影響的一種方法，其中，芯片“臉”朝下與帶互連的基板固焊在一起。由石英或陶瓷(通常是氧化鋁)以及多種有機高頻電路板材料形成的薄膜或厚膜電路就屬于這類基板。

芯片連接通常是可在高頻下提供低損耗過渡的由各類焊料形成的凸點。但，即使是非導體基板表面的接近都會影響芯片的高頻性能。

但因缺少熱效率足夠的基板，倒晶芯片組裝無法實現大面積接觸。因此，必須借助芯片前面和焊固凸點對許多高頻MMIC芯片來說相對高的散熱加以管理。MMIC芯片和基底材料間熱系數的不匹配也可能在運行中產生可靠性問題。

諸如在MMIC芯片和基板間灌入非導電填料等針對該問題的解決方案，常會影響微波性能。此外，大多MMIC芯片的平面特征可能不足以為所有連接提供可靠的低損耗凸點。意欲對倒晶封裝芯片進行查驗、調整調適甚至返工的無能為力也意味著倒晶芯片組裝技術并非對所有毫米波子系統都適用。

小體積空腔

為防止在該電路的基本工作頻率上建立起共振模式，有可能使裹覆有源器件的空腔足夠小。然而，在更高頻率下的共振模式仍然會耦合進器件和基板，從而繼續嚴重影響電路性能。

即使是這種方法，吸波材料也必不可少。另外，在60GHz及更高的毫米波頻，為規避共振而把空腔做得足夠小的要求就變得不切實際了，特別是當需要對MMIC芯片進行低成本自動裝配和綁定時。

最重要的是，在60GHz及更高波頻，為顯著降低系統成本，有對片上更高集成度的強勁需求。這終將導致越來越大毫米波芯片的產生。例如，已有一系列把工作在60和70GHz的集成接收器和發射器芯片(其中一些基于硅鍺(SiGe)BiCMOS工藝)以及帶片上功放的寬帶寬砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)放大器整合起來以在60、70甚至94 GHz頻段實現大功率輸出的產品出現。

吸收器方案

應對這些問題的另一種方法是采用輻射吸收材料(RAM)來封裝芯片。RAM對微波能量反射少，而微波能量對其穿透能力低。對芯片空腔的內部以及空腔內RAM的焊固區位進行涂覆是常用作法。

然而，其中一些材料必須做得很厚才能有效地匹配毫米波頻的輻射能量阻抗。因此，要形成恰好可放置在合適位置并被固焊在只有幾毫米大小空腔內的RAM塊就并非易事。很多時候，它需要訓練有素工程師的人為干預。這反過來又提升了成本、降低了產量。

其它薄些的材料往往依賴波長效應來吸收輻射。這就使它們與生俱來地具有窄帶特征且可能無法抑制某個特定頻率的諧波以及空腔的高階共振模式。此外，許多可吸收微波頻率的材料在60、70和100GHz時的吸收效率會變得相當低。當挨近MMIC芯片使用可吸收毫米波能量的材料來抑制有害影響時要非常小心才可能避免惡化期望的電路性能以至造成電路無法工作。

半導體封裝

對諸如60GHz極短距離無線個人局域網或77/79 GHz汽車雷達等一兩個毫米波應用來說，其工作帶寬相對窄或輸出功率低。在這些場合，可采用低成本、用塑料封裝MMIC芯片的傳統半導體封裝，但它以性能為代價。這種封裝在高頻時的巨大損耗清楚表明，它實在不適用于大多數微波應用，更不用說用在毫米波部件和系統中了。

其它方案包括用于半導體的陶瓷封裝，如低溫共燒陶瓷(LTCC)或氧化鋁。這些方案常用于軍事或航空組件，它們一般能提供良好的可靠性及抵御環境侵襲的能力，但對商業用途來說仍很昂貴。其中一些方法涉及機加工或蝕刻處理以及隨后的硅基板涂覆，這些處理的成本很高。所有這些技術仍需要導電的涂層或表面甚至RAM來吸收任何不需要的微波能量。

MMIC Solutions使用簡單的低成本技術在多層電路板內為MMIC芯片形成一個空腔，它無需金屬加工且用一個低成本封蓋來保護MMIC器件(圖2)。很容易制造的封蓋可以自動組裝。對其涂覆的導電表面進行精確安放以吸收不期望的毫米波能量，并使其能在即使高于100GHz工作頻率的條件下消除共振問題。該技術已被用于建構60GHz/V頻段(圖3)射頻通信模塊以及100GHz/W頻段的被動成像應用。

裝配問題

模塊和組件的自動化裝配會提供重復性(例如，芯片位置和綁定線長度)以及更可預測的性能。確實，自動化往往能降低損耗并有助于提升性能，多年來它一直在微波組件領域使用。即使在若干小批量軍事和航空應用中也確信無疑在采用自動化方法。

自動化還對降低用于移動運營商網絡通信回程鏈路中點對點射頻的微波模塊的成本起著重要作用。此外，它還被用在更新的低成本汽車雷達系統中。

然而，自動化制造60GHz及以上頻率的毫米波系統要困難得多。對安置和綁定 MMIC芯片的公差要求更嚴苛，擁有所需昂貴設備的制造商也更少。封裝還必須足夠大以便相關設備及自動化裝配過程中所用的拾取夾具能對其進行操控，從而將引發如前所述的空腔共振、吸收材料及其它方面的問題。

諸如許多商用毫米波應用固有的高階調制和快速頻率捷變等高度復雜的系統問題不僅助推了對更高芯片集成度的要求且正如這些問題本身所引致的，它也要求在模塊封裝中整合進更多器件。

這些組件可以是“芯片和導線”類的MMIC器件或諸如連接器、電容器、穩壓器和振蕩器等各種表貼器件。常規作法是，把金屬外殼做得大些以裝下通過玻璃金屬密封的互連著高頻元件的表面貼裝電路板。但這種方法無法實現小型化也做不到大范圍部署所需的低成本。

電路板模塊

如果電路板材具有良好的微波或毫米波特性，則在一塊電路板上組裝實現一個帶

表貼元件和高頻“芯片和導線”器件的模塊就有可能。Rogers (比如其Duroid產品)、Taconic及其它一些廠家生產的多層基板材料就因適用于微波應用而廣為人知。

但出于剛性和支撐方面的考慮，大多這類高頻電路板采用的都是玻璃纖維。當對這些材料進行切割以為MMIC芯片生成凹槽或空腔時，會引發問題。纖維材質粗糙的邊沿可能迷惑高精度自動裝配所使用的機器視覺系統。

另外，在高溫裝配過程中，因為不同層內纖維的導向不同，所以各層可能會有相對移動。這可能會大大降低其性能，結果甚至是災難性的，因為自動化毫米波組裝需要高精密的結構和器件安置。

就前面提到的多層電路板，MMIC Solutions使用Rogers的新型液晶聚合物(LCP)材料。這種材料消除了這種影響，從而使采用高產的MMIC芯片和表貼器件的自動裝配技術來制造可工作在60GHz及更高頻率的模塊成為可能。

100GHz的被動成像需要很好的接收靈敏度，該靈敏度通常被約定為噪聲等效溫差(60GHz)，它是寬帶噪聲內可被檢測到的最小差異。這就要求接收器具有很低的噪聲指標(約5dB@100GHz)，另外，模塊的電路板還要有非常低的高頻損耗。

MMIC Solutions用于W波段成像的MSi102多層 LCP基板的植埋帶狀線的測得損耗小于0.2dB/mm。MSi102與標準WR-10機械接口配伍，接口也是在模塊基板上形成的。波導終止(截止電路)是由用于裹封MMIC器件的封蓋成形的(圖4)。

在成像應用中，接收器陣列的裝入密度對確定圖像的分辨率尤其重要，因此，在系統檢測可能有危險的小型物體的能力方面發揮著重要作用。因此，成像陣列的模塊小型化也許在所有毫米波應用中最具挑戰性。

使用最新的多層基板來減小體積，MMIC Solutions為成像系統開發了其最新的MSi200系列接收器。這些模塊的大小為：18mm(長)* 8.5mm(寬)*5.5mm(高)、小于850 mm3。

本文小結

不是所有工作在毫米波段的系統為了批量部署都要求體積小、重量輕、成本低。某些軍事、航空航天和研究領域的無線電和雷達應用在數量上當然不會太多，對它們來說，“專家手工制作”是正確的作法。

但把毫米波頻段豐富的可用帶寬用于商業系統和服務的日益強勁的需求，對新方案提出了要求。一些應用要求更小、更輕的元件，而幾乎所有應用都歡迎這樣的元件。

作者：John McNicol

業務開發和營銷總監

MMIC Solutions