微波射频集成电路技术

解放军理工大学通信工程学院课程名称《射频微电子学》课程性质（考试）学时理论40学时授课对象2011级硕士研究生微波射频集成电路技术第13章微波集成电路和LTCC技术及其应用简介13．1微波毫米波集成电路的发展趋势13．2国内外研究现状13．3多芯片组件（MCM）简介13．3．1MCM的分类13．3．2MCM的主要特点及应用13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术13．4．1LTCC加工工艺流程13．4．2LTCC基板的材料特性13．4．3LTCC技术特点１3．5微波集成电路13．5．1混合微波集成电路13．5．2单片微波集成电路微波毫米波集成电路的发展趋势随着微电子技术的不断发展，对电子系统的体积、重量、成本和性能的要求越来越高。通信、雷达、导航、测控等系统所需的微波毫米波集成电路也是向着短、小、轻、薄，以及高可靠性、高性能、低成本的方向快速发展。微波毫米波集成电路一直沿着初期的波导立体电路→混合集成电路→单片集成电路→多层多芯片模块（MCM）这一趋势在继续向前发展。目前，采用混合微波集成电路（HMIC）实现微波毫米波系统的技术已趋于成熟。尤其是随着单片微波集成电路（MMIC）技术的发展，集成度及可靠性得到进一步的提高。但对于有些集成度要求高的系统，HMIC技术已经不能满足要求。微波毫米波电路的发展Ka波段下变频器美国EDO公司的Ka波段下变频器，它的RF为25到30GHz中的任意2GHz频段，IF输出14.8+/0.325GHz，变频增益为45dB，噪声系数小于2.5，输入输出驻波比小于1.3，输出功率大于10dBm。实物图微波毫米波电路的发展国内外研究现状2009年德国IMSTGmbH中心的W.Simon，J.Kassner，O.Nitschke等人采用LTCC技术制作了用于卫星通信的Ka频段发射前端。在一块基板集成了天线阵、射频链路、本振链路以及直流偏置电路，并采用水冷散热系统使得模块热功率在30W时依然能维持在35摄氏度以下。微波毫米波电路的发展Ka_C波段上_下变频组件研究2009年K.HettaK等人研制出了一种新型紧凑单面基带频率20GHz的直接下变频I/Q频率输出，GaAsMMIC.芯片创新的利用ACPS枝节和CPW结构设计电容电感减小芯片体积。利用ACPS结构设计魔T不仅降低了结构尺寸而且提高本振LO和射频RF的隔离和高的杂散抑制度。微波毫米波电路的发展微波毫米波电路的发展2007年台湾大学的Yu-HsunPeng研制出基于0.18μmCMOS工艺的Ku波段频率综合器。该频率合成器频率输出范围是14.8GHz～16.9GHz；供电电压2V；直流功耗仅为70mW；在输出15GHz时相位噪声为-104.5dBc/Hz@1MHz；由于采用了先进的0.18μmCMOS工艺，该频率合成器的面积仅为0.98mm×0.98mm。经过测试，该频率合成器在输出15.6GHz时，功率可达-10dBm，相位噪声为-110dBc/Hz@1MHz。下面列出Ku波段频率合成器的原理图和加工版图。微波毫米波电路的发展2009年电子科技大学李平等人采用LTCC技术设计一个毫米波精确制导收发前端。其发射功率达到7.34dBm，接收支路增益大于30dB，噪声系数小于5.5dB。微波毫米波电路的发展报道了一种应用于VerySmallApertureTerminal（VSAT）OutdoorUnit（ODU）的低成本Ka波段发射模块。整个模块的电路图及实物图如图1-1和1-2所示毫米波单元采用LTCC技术实现，如图所示。毫米波单元中单独设计的低成本多功能MMIC芯片安装在LTCC基板上，同时LTCC基片上也集成了高可靠性及低成本的滤波器和波导微带过渡结构。这些设计都有利于降低组件成本和减小体积，并适宜于大规模生产。该Ka波段发射模块的输出功率大于1W。微波毫米波电路的发展用HMIC和LTCC工艺制作的两种Ka波段发射模块，其电路图相同，主要包括以下单元电路：1.Ka波段的单边带调制器；2.驱动放大器；3.微带定向耦合器；4.带反馈的检波电路。图1-6是两种电路的实物图。使用LTCC技术的电路面积仅527平方毫米，较MIC的电路尺寸减少了57%。HMIC的最大变频增益为9.6dB,而LTCC的只有6.1dB。这是因为各原件之间的失配和互连损耗，并且MMIC放大器单片和调制器的器件差异也是原因之一。混合集成发射模块实物图基于LTCC技术的发射模块实物微波毫米波电路的发展报道了一种工作频率40.5GHz到41.5GHz的毫米波收发前端，射频部分采用LTCC基板设计。该收发前端的电路结构图和实物图如图所示。该模块应用3-D集成的新概念，在LTCC基板下面使用了FR-4PCB介质基板，这样加强了整个基板的机械强度，降低了组件成本。模块的尺寸仅为32mm×28mm×3.3mm，在40.5GHz到41.5GHz范围内，1dB压缩点输出功率为15dBm，噪声系数为9.72dB。（a）收发前端电路结构图（b）收发前端实物图一种工作频率40.5GHz到41.5GHz的毫米波收发前端射频开关40.5－41.5GHz发射部分BW=3GHz输入IF2.4GHz本振输入19.2GHz波导传输中频输出2.4GHzBW=3GHz接收部分中频放大前端部分BW=1GHz多芯片组件（Multi-ChipModule,简称MCM）技术是继20世纪80年代的表面安装技术(SMT)之后，90年代在微电子领域兴起并获得迅速发展的一项最引人瞩目的微电子组装技术，也是电子元器件与整机系统之间的一种先进接口技术。MCM是将2个或2个以上的大规模集成电路（LST）裸芯片和其他微型元器件（含片式化元器件）互连组装在同一块高密度、高层基板上，并封装在同一外壳内构成功能齐全、质量可靠的电子组件。3．3多芯片组件（MCM）简介MCM基本结构示意图13．3．1MCM的分类MCM因使用的材料与工艺技术的不同，种类繁多，其分类方法也因认识角度的不同而异。按基板类型分类，可把MCM分成厚膜MCM、薄膜MCM、陶瓷MCM和混合MCM。而国际比较流行的是按基板材料与基板制作工艺来分类，提出的按照MCM的结构进行分类的方式，将MCM分为如表13-1所示的三个基本类型：MCM-L(叠层多芯片组件)、MCM-C(共烧陶瓷多芯片组件)、MCM-D（淀积多芯片组件）。MCMMCM-LLaminate叠层型内外层开口型多层基板内埋置导通孔多层基板MCM-CCeramic陶瓷、厚膜型高温共烧陶瓷多层基板（HTCC）低温共烧陶瓷多层基板（LTCC）厚膜多层基板（TFM）MCM-DDeposited淀积薄膜型D/C（陶瓷基板）D/Si（硅基板）D/M（金属基板）D/S（蓝宝石基板）MCM的类型（IPC标准）低温共烧陶瓷(LTCC-LowTemperatureCo-firedCeramic)技术是MCM-C(共烧陶瓷多芯片组件)中的一种多层布线基板技术。它是一种将未烧结的流延陶瓷材料叠层在一起而制成的多层电路，内有印制互连导体、元件和电路，并将该结构烧成一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面安装IC、LSI裸芯片等构成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件技术。随着VLSI（超大规模集成）电路传输速度的提高及电子整机与系统进一步向小型化、多功能化、高可靠性方向发展，从而要求发展更高密度、高可靠性的电子封装技术。13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术它是近年来兴起的一种多学科交叉的整合组件技术，具有优异的机械、热力学和机械特性。LTCC是休斯公司在1982年研发出的一种新型材料，它是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生磁带，在生磁带上利用激光打孔、微孔注浆、及精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件（如电阻、滤波器、低容值电容等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在900℃下烧结，加工成三维空间互不干扰的高密度电路。另外，可以利用LTCC技术设计内埋无源元件的三维电路基板，在其表面贴装IC和其它有源器件，制成有源和无源电路集成的电路模块，实现电路的微型化。13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术13．4．1LTCC加工工艺流程LTCC多层基板的主要工艺步骤包括配料、流延、打孔、填充通孔、印刷导体浆料、叠层热压、切片和共烧等工序。其工艺流程如图所示。其中的关键制造技术如下：1.流延：将有机物（主要由聚合物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成）和无机物（由陶瓷和玻璃组成）成分按一定比例混合，2.划片：把生（未烧结）瓷带按需要尺寸进行裁减，可采用切割机，激光或冲床进行切割。3.打孔：生瓷片打孔主要有三种方法：钻孔，冲孔和激光打孔。对于低温共烧工艺来说，通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量。4.通孔填充：属于生瓷片金属化技术的第一个步骤，其第二步骤是导电带图形的形成。5.导电带形成：导电带形成的方法有两种，传统的厚膜丝网印刷工艺和计算机直接描绘法。6.叠片与热压技术烧结前应把印刷好金属化图形和形成互连通孔的生瓷片，按照预先设计的层数和次序叠到一起，7.排胶与共烧技术将叠片热压后的陶瓷生坯放入炉中排胶。排胶是有机粘合剂气化和烧除的过程。13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术LTCC技术工艺流程图检验第n层生瓷片印刷导体浆料通孔填充通孔填充焊接第一层生瓷片第二层生瓷片打孔印刷导体浆料通孔填充叠层、对齐和热压切片排胶烧结烘干流延混合搅拌打孔印刷导体浆料打孔玻璃陶瓷粉片有机载体LTCC集成电路与组件13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术低温共烧陶瓷(LTCC)技术低温共烧陶瓷(LTCC-LowTemperatureCo-firedCeramic)技术是MCM-C(共烧陶瓷多芯片组件)中的一种多层布线基板技术。它是一种将未烧结的流延陶瓷材料叠层在一起而制成的多层电路，内有印制互连导体、元件和电路，并将该结构烧成一个集成式陶瓷多层材料，然后在表面安装IC、LSI裸芯片等构成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件技术。它是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生磁带，在生磁带上利用激光打孔、微孔注浆、及精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件（如电阻、滤波器、低容值电容等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在900℃下烧结，加工成三维空间互不干扰的高密度电路。X波段LTCC交指型带通滤波器13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术LTCC加工工艺流程LTCC多层基板的主要工艺步骤包括配料、流延、打孔、填充通孔、印刷导体浆料、叠层热压、切片和共烧等工序检验第n层生瓷片印刷导体浆料通孔填充通孔填充焊接第一层生瓷片第二层生瓷片打孔印刷导体浆料通孔填充叠层、对齐和热压切片排胶烧结烘干流延混合搅拌打孔印刷导体浆料打孔玻璃陶瓷粉片有机载体图2-1典型的LTCC组件13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术由于LTCC优异的性能，现已成功用于集成电路组装、多芯片模块、各种片式元件（如电感、电容、变压器等）等。应用领域涉及汽车电子、航空航天、军用电子和移动通信。LTCC技术的主要特点有以下七个方面：1.LTCC技术可以实现集成一体化互连封装。采用LTCC技术实现的MCM，可以把封装外壳和互连基板一体化。2.LTCC瓷带可以冲孔，做出各种复杂形状的封装，实现的电路模块密封性好、可靠性高，适合环境恶劣的情况。3.采用高导电率的金属或合金做导体。4.LTCC技术是平行加工技术。冲孔、填孔、印刷、叠片、层压。叠片的层数可以多达数十层，只需一次共烧。LTCC工艺便于自动化大批量生产，是一项低成本的技术。5.高密度的导体布线能力。用厚膜印刷工艺能轻松地实现0.1mm6.LTCC基板内实现无源元件的集成。电阻、电容、电感和微带元件等都可以实现内埋。减少了表面贴装无源元件的数量，可以大幅度提高封装密度。13．4低温共烧陶瓷(LTCC)技术任何一种成熟的电子技术都趋向于缩小尺寸、减轻重量、降低价格并增加复杂程度。微波技术沿着这个方向推进已延续了10～20年，以便向微波集成电路发展。这一技术用尺寸小和不太贵的平面电路元件代替笨重而费用高的波导和同轴元件