技術(shù)

滿足60GHz及更高頻率應(yīng)用需求的MMIC

2010-03-15 來(lái)源：微波射頻網(wǎng) 字號(hào)：大中小

微波元件和模塊的自動(dòng)化生產(chǎn)已有多年歷史。無(wú)數(shù)應(yīng)用得益于大規(guī)模微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接所提供的能力。但在頻率約為60GHz的毫米波頻段，這些產(chǎn)品仍無(wú)法實(shí)行自動(dòng)化生產(chǎn)。

通過集成各種甚高頻單片器件來(lái)成功實(shí)現(xiàn)毫米波模塊和子系統(tǒng)往往需要豐富的經(jīng)驗(yàn)。在模塊封裝設(shè)計(jì)以及如何調(diào)適組件、如何在適當(dāng)?shù)牡胤教砑游詹牧弦允鼓K正常工作并優(yōu)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(guī)模的業(yè)內(nèi)專家，它們?yōu)檐娛隆⒑娇蘸教旌脱芯繎?yīng)用手工制造產(chǎn)品。封裝和制造方面的困難限制了毫米波系統(tǒng)的部署以及這些頻段的使用，這些困難使產(chǎn)品難以大幅降低成本、縮小體積、減輕重量。

對(duì)60GHz及更高頻率元件的需求

隨著手機(jī)以及廣播和閉路電視內(nèi)回程高清視頻對(duì)視頻流需求的增加，人們對(duì)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(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)服務(wù)才剛剛開始在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上部署，每個(gè)基站都需要100Mbps的回程能力。在毫米波頻段，共有多達(dá)7GHz帶寬可供這些應(yīng)用使用。

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

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

滿足60GHz及更高頻率應(yīng)用需求的MMIC

封裝問題

大多數(shù)微波和毫米波器件及子系統(tǒng)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(duì)它們起著保護(hù)作用，并使它們免受外部環(huán)境的侵害。外殼還使器件免受由系統(tǒng)內(nèi)其它電子器件及工作環(huán)境引入的電磁輻射的干擾。

當(dāng)然，對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說，這種金屬模塊在尺寸、重量和成本方面遠(yuǎn)非理想。例如，用于提供協(xié)助飛行員在黑暗場(chǎng)所、惡劣天氣以及“燈光管制”條件下(沙塵暴)起停直升機(jī)的實(shí)時(shí)圖像的空中系統(tǒng)需要小巧輕便的毫米波組件，這種要求與對(duì)目前正在測(cè)試的無(wú)人駕駛飛行器上的成像系統(tǒng)的要求一脈相承。

所有微波電路都輻射能量，互連導(dǎo)線、綁定線和芯片本身都是輻射源。當(dāng)波長(zhǎng)接近MMIC芯片大小的時(shí)候，許多或許可在較低頻率下忽略不計(jì)的電磁效應(yīng)，開始變得嚴(yán)重得多，此時(shí)電磁效應(yīng)甚至主導(dǎo)系統(tǒng)功能從而破壞系統(tǒng)性能。

耦合進(jìn)電路其它部分的輻射能量往往導(dǎo)致不期望、甚至災(zāi)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(gòu)造內(nèi)的非體傳導(dǎo)所產(chǎn)生的共振就是例證。共振往往導(dǎo)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(jìn)并影響到系統(tǒng)內(nèi)所有部件的情況使實(shí)用裝備的制造面臨艱巨挑戰(zhàn)。

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(jī)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(diǎn)。但，即使是非導(dǎo)體基板表面的接近都會(huì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積接觸。因此，必須借助芯片前面和焊固凸點(diǎn)對(duì)許多高頻MMIC芯片來(lái)說相對(duì)高的散熱加以管理。MMIC芯片和基底材料間熱系數(shù)的不匹配也可能在運(yùn)行中產(chǎn)生可靠性問題。

諸如在MMIC芯片和基板間灌入非導(dǎo)電填料等針對(duì)該問題的解決方案，常會(huì)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(diǎn)。意欲對(duì)倒晶封裝芯片進(jìn)行查驗(yàn)、調(diào)整調(diào)適甚至返工的無(wú)能為力也意味著倒晶芯片組裝技術(shù)并非對(duì)所有毫米波子系統(tǒng)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(huì)耦合進(jìn)器件和基板，從而繼續(xù)嚴(yán)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(guī)避共振而把空腔做得足夠小的要求就變得不切實(shí)際了，特別是當(dāng)需要對(duì)MMIC芯片進(jìn)行低成本自動(dòng)裝配和綁定時(shí)。

最重要的是，在60GHz及更高波頻，為顯著降低系統(tǒng)成本，有對(duì)片上更高集成度的強(qiáng)勁需求。這終將導(dǎo)致越來(lái)越大毫米波芯片的產(chǎn)生。例如，已有一系列把工作在60和70GHz的集成接收器和發(fā)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(lái)以在60、70甚至94 GHz頻段實(shí)現(xiàn)大功率輸出的產(chǎn)品出現(xiàn)。

吸收器方案

應(yīng)對(duì)這些問題的另一種方法是采用輻射吸收材料(RAM)來(lái)封裝芯片。RAM對(duì)微波能量反射少，而微波能量對(duì)其穿透能力低。對(duì)芯片空腔的內(nèi)部以及空腔內(nèi)RAM的焊固區(qū)位進(jìn)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(nèi)的RAM塊就并非易事。很多時(shí)候，它需要訓(xùn)練有素工程師的人為干預(yù)。這反過來(lái)又提升了成本、降低了產(chǎn)量。

其它薄些的材料往往依賴波長(zhǎng)效應(yīng)來(lái)吸收輻射。這就使它們與生俱來(lái)地具有窄帶特征且可能無(wú)法抑制某個(gè)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(shí)的吸收效率會(huì)變得相當(dāng)?shù)汀．?dāng)挨近MMIC芯片使用可吸收毫米波能量的材料來(lái)抑制有害影響時(shí)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(wú)法工作。

半導(dǎo)體封裝

對(duì)諸如60GHz極短距離無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)或77/79 GHz汽車?yán)走_(dá)等一兩個(gè)毫米波應(yīng)用來(lái)說，其工作帶寬相對(duì)窄或輸出功率低。在這些場(chǎng)合，可采用低成本、用塑料封裝MMIC芯片的傳統(tǒng)半導(dǎo)體封裝，但它以性能為代價(jià)。這種封裝在高頻時(shí)的巨大損耗清楚表明，它實(shí)在不適用于大多數(shù)微波應(yīng)用，更不用說用在毫米波部件和系統(tǒng)中了。

其它方案包括用于半導(dǎo)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(huán)境侵襲的能力，但對(duì)商業(yè)用途來(lái)說仍很昂貴。其中一些方法涉及機(jī)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(shù)仍需要導(dǎo)電的涂層或表面甚至RAM來(lái)吸收任何不需要的微波能量。

MMIC Solutions使用簡(jiǎn)單的低成本技術(shù)在多層電路板內(nèi)為MMIC芯片形成一個(gè)空腔，它無(wú)需金屬加工且用一個(gè)低成本封蓋來(lái)保護(hù)MMIC器件(圖2)。很容易制造的封蓋可以自動(dòng)組裝。對(duì)其涂覆的導(dǎo)電表面進(jìn)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(shù)已被用于建構(gòu)60GHz/V頻段(圖3)射頻通信模塊以及100GHz/W頻段的被動(dòng)成像應(yīng)用。

滿足60GHz及更高頻率應(yīng)用需求的MMIC

裝配問題

模塊和組件的自動(dòng)化裝配會(huì)提供重復(fù)性(例如，芯片位置和綁定線長(zhǎng)度)以及更可預(yù)測(cè)的性能。確實(shí)，自動(dòng)化往往能降低損耗并有助于提升性能，多年來(lái)它一直在微波組件領(lǐng)域使用。即使在若干小批量軍事和航空應(yīng)用中也確信無(wú)疑在采用自動(dòng)化方法。

自動(dòng)化還對(duì)降低用于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)通信回程鏈路中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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?yán)走_(dá)系統(tǒng)中。

然而，自動(dòng)化制造60GHz及以上頻率的毫米波系統(tǒng)要困難得多。對(duì)安置和綁定 MMIC芯片的公差要求更嚴(yán)苛，擁有所需昂貴設(shè)備的制造商也更少。封裝還必須足夠大以便相關(guān)設(shè)備及自動(dòng)化裝配過程中所用的拾取夾具能對(duì)其進(jìn)行操控，從而將引發(fā)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(yīng)用固有的高階調(diào)制和快速頻率捷變等高度復(fù)雜的系統(tǒng)問題不僅助推了對(duì)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(jìn)更多器件。

這些組件可以是“芯片和導(dǎo)線”類的MMIC器件或諸如連接器、電容器、穩(wěn)壓器和振蕩器等各種表貼器件。常規(guī)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(wú)法實(shí)現(xiàn)小型化也做不到大范圍部署所需的低成本。

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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(shí)現(xiàn)一個(gè)帶

表貼元件和高頻“芯片和導(dǎo)線”器件的模塊就有可能。Rogers (比如其Duroid產(chǎn)品)、Taconic及其它一些廠家生產(chǎn)的多層基板材料就因適用于微波應(yīng)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(dāng)對(duì)這些材料進(jìn)行切割以為MMIC芯片生成凹槽或空腔時(shí)，會(huì)引發(fā)問題。纖維材質(zhì)粗糙的邊沿可能迷惑高精度自動(dòng)裝配所使用的機(jī)器視覺系統(tǒng)。

另外，在高溫裝配過程中，因?yàn)椴煌瑢觾?nèi)纖維的導(dǎo)向不同，所以各層可能會(huì)有相對(duì)移動(dòng)。這可能會(huì)大大降低其性能，結(jié)果甚至是災(zāi)難性的，因?yàn)樽詣?dòng)化毫米波組裝需要高精密的結(jié)構(gòu)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(chǎn)的MMIC芯片和表貼器件的自動(dòng)裝配技術(shù)來(lái)制造可工作在60GHz及更高頻率的模塊成為可能。

100GHz的被動(dòng)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(nèi)可被檢測(cè)到的最小差異。這就要求接收器具有很低的噪聲指標(biāo)(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(cè)得損耗小于0.2dB/mm。MSi102與標(biāo)準(zhǔn)WR-10機(jī)械接口配伍，接口也是在模塊基板上形成的。波導(dǎo)終止(截止電路)是由用于裹封MMIC器件的封蓋成形的(圖4)。

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