K波段小型化收发前端的研制*

吕文倩，吴 亮，汤佳杰，孙晓玮*

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050;2.中国科学院研究生院，北京100049)

近年来，毫米波技术在现代雷达、制导武器等电子系统中得到了广泛的应用［1-4］。由于工作环境及结构的特殊性，精确制导武器及引信系统对其探测系统的体积有着严格的要求。因此，实现毫米波系统，尤其是毫米波探测系统的小型化和微型化，具有重要的应用价值。而射频收发前端的集成是促进探测系统小型化和实用化的关键。三维3D系统集成技术可以提高电路性能，实现系统的小型化［5-6］。在三维封装中，芯片埋置技术以其高密度集成、引线短等优点被广泛用来实现高性能的多芯片集成［7-8］。

本文介绍了多芯片系统级封装技术，制备了一款K波段雷达收发前端，并给出了测试结果，该前端具有良好的微波性能，满足了系统小型化、高性能的要求。

1 雷达收发前端架构设计

雷达收发前端采用调频连续波(FMCW)调制，雷达收发前端的接收功率可表示为

其中Pt为雷达发射功率，Gt、Gr分别为发射天线和接收天线的增益，λ为工作波长，σ为目标散射截面积，R为雷达作用距离。信噪比为

其中k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，WB是中频带宽，F为噪声系数。两级级联的接收机的噪声系数Fn为

接收机的灵敏度即最小可检测信号为

在本应用中，R=5 m，Gt=Gr=10 dB，选择合适的SNR，为了达到2 GHz的带宽，根据式(1)～式(4)可得，发射功率应不小于10 dBm。

如图1所示，K波段雷达收发前端由压控振荡器(VCO)、威尔金森功分器、混频器(Mixer)、低噪声放大器(LNA)组成［9］。VCO作为毫米波源，经过功分器分为两路，一路为发射支路提供毫米波信号，另一路作为本振信号，接收支路的信号经过一个低噪声放大器后作为混频器的射频信号，本振信号和射频信号通过混频器得到中频输出。

图1 雷达收发前端架构

2 毫米波系统级封装工艺

本文采用基于低阻硅埋置腔体和BCB/Au金属互连的毫米波系统级封装技术制备K波段雷达收发前端，其具体工艺流程如图2所示。为了解决BCB覆盖不均的问题，本文采用两层BCB涂覆、单层金属布线的方法。

2.1 工艺流程

(1)在4英寸450 μm厚N＜100＞晶向的低阻硅(电阻率为1 Ω·c～10 Ω·cm)的衬底上热氧化淀积1 μm ～2 μm 的 SiO2层(图 2(a))。

(2)通过光刻在晶圆正面的光刻胶上形成腔体图形，利用光刻胶作为掩膜，用氧化物蚀刻缓冲液(BOE)腐蚀SiO2层，将图形转移到SiO2层上(图2(b))。

(3)利用 SiO2作为掩膜，在50℃、40wt%的KOH溶液中，湿法腐蚀出110μm深的腔体，腔体的大小与要埋置的芯片大小相当(图2(c))。

(4)在晶圆正面溅射一层金属种子层(TiW/Au:20 nm/100 nm)。在种子层上涂覆光刻胶光刻，电镀形成地屏蔽层图形，电镀金(Au)至3 μm，去胶后，采用离子束(Ion-beam)刻蚀(Ar+)去除种子层(图2(d))。

(5)使用导电胶粘结MMIC芯片背面与硅片埋置槽底部，在150℃烘箱内烘1 h固化导电胶，实现MMIC和硅基板粘合(图2(e))。

图2 多芯片封装工艺流程

(6)涂覆约30 μm的光敏BCB，在110℃的热板上前烘90 s，然后将涂覆有BCB的硅片在深紫外光下曝光，并放到80℃热板上显影前烘1 min，在40℃的显影液DS3000中显影5 min～8 min，可得互连通孔图形。将硅片放在200℃回流炉中对BCB软固化40 min(图2(f))。

(7)在BCB层上溅射金属种子层(Cr/Au:50 nm/300 nm)，光刻、电镀金属至3μm，实现芯片引出与第一层BCB介质层上的图形互连，并用Ion-Beam去除种子层。一些无源器件，包括电阻，电容，电感，滤波器等可以在形成布线的同时进行制备(图2(g))。

(8)重复以上步骤6和7进行第2层BCB/金属多层布线(图2(h))。

3 通孔

如图2所示，MMIC芯片埋置在金属化的硅腔体中，芯片端口通过BCB通孔引出，芯片的接地通过BCB通孔与上层金属互连接地，芯片之间通过微带线互连。通孔影响着系统的散热和电磁特性，本文对通孔的特性进行了仔细的研究。R.Pucel等给出的通孔的电感值计算公式为:(其中r为通孔的半径，h为介质层的厚度)［10］

我们采用两层 BCB，厚度为26 μm。当r=25 μm时，由式(5)得到等效电感值为4.128 pH。在HFSS软件中，对通孔进行仿真，通孔的底端接地，顶端接信号，仿真得到等效电感约为7.98 pH，如图3所示。在整个频带内通孔的等效电感基本保持不变，对系统的微波性能影响较小。

图3 通孔的等效电感

4 实验结果

图4为制备的K波段雷达收发前端实物图，包括一个压控振荡器、功分器、混频器、低噪声放大器。

图4 K波段雷达收发前端实物图

对雷达收发前端发射支路测试得到VCO在不同的调谐电压下的振荡频率，如图5(a)所示，当V从-0.1 V到-1 V变化时，振荡频率从22.6 GHz变化到22.9 GHz，偏压在-0.8 V到-0.2 V的区间内，VCO的线性度较好。图5(b)为在不同振荡频率下的发射功率。工作频率在22.6 GHz～22.9 GHz时，输出功率成上升趋势，最低为11 dBm。

图5 雷达收发前端支路测试

对雷达收发前端接收支路测试得到在接收功率为-30 dBm时不同工作频率下的中频输出增益如图6所示。在不同的工作频率下，中频输出增益大致在14 dB左右。雷达收发性能参数如表1所示。

图6 不同工作频率下的中频输出增益

表1 雷达收发前端性能参数

5 结论

本文研究了一种毫米波系统级封装工艺，以单晶硅作为基板，采用两层BCB涂覆、单层金属布线的方法解决BCB覆盖不均的问题，基于此工艺制备了K波段雷达收发前端。该收发前端的尺寸仅为6.4 mm×5.4 mm，测试结果表明，在22.5 GHz～22.9 GHz的频带内，发射功率高达11 dBm，中频增益达到10 dB以上，发射端到中频输出端隔离度高于30 dB，实现了系统的小型化、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，张胜，李进，等.宽带无线通信射频收发前端设计［J］.电子器件，2010，33(2):186-188

［4］曾隆月，黄继伟，张常红，等.基于0.13 μm CMOS工艺的全集成北斗导航射频接收机［J］.电子器件，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］崔恒荣，王伟，孙芸，等.60 GHz微带波导转换结构设计及其在通信集成前端中的应用［J］.电子器件，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