基于QFN封装的X波段GaAs T/R套片设计

谢媛媛，贾玉伟，方家兴，曾 志，周 鑫，赵子润

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)



基于QFN封装的X波段GaAs T/R套片设计

谢媛媛，贾玉伟，方家兴，曾 志，周 鑫，赵子润

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

基于陶瓷方形扁平无引脚(QFN)封装研制出4款X波段GaAs 微波单片集成电路(MMIC)，包括 GaAs幅相控制多功能芯片(MFC)、功率放大器、低噪声放大器、开关限幅多功能芯片。利用QFN技术将这套芯片封装在一起，组成2 GHz 带宽的QFN封装收/发(T/R)组件，输出功率大于1 W，封装尺寸为9 mm×9 mm×1 mm。通过提高GaAs MMIC的集成度、放大器单边加电、内部端口匹配，创新性地实现了微波T/R组件的小型化。这几款芯片中最复杂的X波段幅相控制多功能芯片集成了T/R开关、六位数字移相器、五位数字衰减器、增益放大器及串转并驱动器。在工作频段内，收发状态下，增益大于5 dB，1 dB压缩输出功率(P-1)大于7 dBm，移相均方根(RMS)误差小于2.5 °，衰减均方根误差小于0.3 dB，回波损耗小于-12 dB，裸片尺寸为4.5 mm×3.0 mm×0.07 mm。

陶瓷方形扁平无引脚封装；T/R；X波段；GaAs微波单片集成电路；多功能芯片

0 引 言

收/发(T/R)组件是雷达天线的关键部件。1部雷达系统的天线阵面包含成千上万个T/R组件，其造价约占系统造价的70%～80%。T/R组件的体积、性能、成本、可靠性等指标直接影响着雷达系统的相应指标[1]。T/R组件主要由移相器、衰减器、T/R开关、数字驱动器、低噪声放大器、功率放大器、限幅器、大功率开关等电路组成，随着GaAs微波单片集成电路(MMIC)的发展，上述电路已全部实现芯片化。通常，将这些GaAs MMIC组装在1个金属盒体内，构成的X波段T/R组件的尺寸较大。

由于半导体芯片对环境比较敏感，选择合适的封装可以保证芯片较少承受机械应力和环境应力的影响，从而提高长期可靠性。近几年的文献报道称，MTI公司的台湾地区研究人员将GaAs衰减器芯片装配在长宽为3 mm×3 mm的方形扁平无引脚(QFN)封装内[2]，美国加利福尼亚大学的研究人员将CMOS相控阵射频芯片装配在长宽为6 mm×6 mm的QFN封装内[3]。QFN封装是一种焊盘尺寸小、体积小(高度约为1 mm)、重量轻的新兴的表面贴装芯片封装技术，具有良好的电和热性能[4]。

如果能够进一步提高T/R组件中芯片的集成度，就可以利用QFN技术创新性地在很小的封装内实现T/R组件的功能，从而降低雷达系统的造价。随着半导体工艺的进步，GaAs MMIC正在从单一功能向多功能集成电路发展。本文基于GaAs E/D工艺、低噪声工艺、功率工艺和PIN工艺，基于陶瓷QFN封装[5]，设计了4款GaAs MMIC，组成T/R套片，其中包括2款多功能芯片，组装成小型的QFN封装T/R组件。

1 QFN封装T/R组件的结构和工作原理介绍

本文采用如图1所示的陶瓷QFN封装，外形尺寸为9 mm×9 mm×1 mm，内部芯片粘结区的长宽为6 mm×6 mm。

QFN封装底部的中央有一个方形的大焊盘，围绕大焊盘在封装体的外围有实现电连接的小焊盘[4]。芯片粘结在封装内部的芯片粘结区上，芯片的压点通过键合线和内部引线连通小焊盘。可见，芯片的大小由芯片粘结区决定。

为了提高T/R组件中的GaAs MMIC的集成度，各个功能电路依据加工的工艺分成4组：(1)移相器、衰减器、T/R开关、数字驱动器及增益放大器，可以全部用GaAs E/D工艺实现，组成幅相控制多功能芯片(MFC)；(2)功率放大器(PA)用GaAs功率工艺实现；(3)低噪声放大器(LNA)用GaAs低噪声工艺实现；(4)限幅器和大功率开关用GaAs PIN工艺实现，组成开关限幅多功能芯片(SW_LIM)。可见，至少需要设计4款芯片，芯片之间通过过渡线、键合线互连，构成一个完整的T/R组件。

QFN封装T/R组件的芯片布局见图2，图中标注了芯片的长宽尺寸。幅相控制多功能芯片(MFC)的公共(COM)端和开关限幅多功能芯片(SW_LIM)的输入(SW in)端分别连接到QFN封装T/R组件的2个微波端口。

当GaAs幅相控制多功能芯片和开关限幅多功能芯片的开关切换到接收通道时，微波信号从SW in端口进入，经过限幅，再经过LNA进行放大，最后经过幅相控制电路多功能芯片改变信号的幅度和相位并通过COM端口输出；当开关切换到发射通道时，微波信号从COM端口进入，经过幅相控制多功能芯片改变幅度和相位，再经过PA进行放大，最后通过开关限幅多功能芯片的SW in端口输出。

2 电路设计

2.1 幅相控制多功能芯片的设计

幅相控制多功能芯片是随着GaAs增强/耗尽型赝配高电子迁移率晶体管(E/D PHEMT)工艺的发展，由单一功能的MMIC演变而来的，用于控制接收和发射通道的信号传输，是本文设计的4款芯片中集成度最高、最复杂的。E/D工艺能同时在GaAs衬底上制作增强型和耗尽型器件，因而能够把微波电路和数字驱动电路集成在一个芯片上。GaAs E/D PHEMT工艺的模型库包含开关器件、功率器件、E模二极管器件、D模二极管器件和无源元件模型。

图3是幅相控制多功能芯片的功能框图。片上集成了3个单刀双掷(SPDT)开关、6位数字移相器(5.625°步进)、5位数字衰减器(0.5 dB步进)、2个增益放大器和串行数字驱动器。

设计微波电路时，依据多功能芯片的性能指标给各功能单元分配指标，制定出移相器、衰减器、开关和放大器的性能指标。选定各单元电路的拓扑结构，对微波电路进行CAD设计。先对每种单元电路进行单独设计，驻波尽量优化到最小，以减小各单元电路级联时的相互影响，再将单元电路级联起来进行匹配设计，优化多功能芯片的工作带宽和增益平坦度等指标。

数字电路采用串转并驱动电路给移相器、衰减器、开关提供控制电压，驱动器的逻辑结构框图见图4。串行驱动器由输入保护与电平转换、串行移位寄存器、并行锁存寄存器、输出缓冲等单元电路组成[6]。

串行驱动器的工作模式：TTL串行数据(DAT)进入驱动器，并随着时钟(CLK)在移位寄存器中移位，n个时钟脉冲后锁存信号(LD)控制并行寄存器更新输出，通过互补输出缓冲产生所需要的互补电平(Ob1,O1，…，On)，进而实现将串行数据转换为并行输出的串转并功能[6]。

最后，按照图3的电路排列方式对多功能电路进行版图设计。由图2的芯片布局可以看出，幅相控制多功能芯片的驱动器输入电平和增益放大器偏置电压的压点都需要设置在COM端的同一侧，以便连接到QFN封装的小焊盘上。

2.2 功率放大器的设计

X波段单片功率放大器采用0.25 μm GaAs PHEMT功率工艺，在设计时主要考虑了以下几点：(1)为兼顾增益、效率和线性，用AB类放大器来实现功率放大器的仿真设计；(2)对10×100 μm GaAs器件做LOAD PULL仿真时，发现在最佳效率时，功率增益约9 dB，考虑到每级放大电路失配和元件损耗约为1～2 dB，每级增益实际约7～8 dB，为实现较高增益，电路采用3级放大，第1级器件栅宽0.5 mm，第2级器件栅宽1 mm，第3级器件栅宽2 mm(采用2路合成结构)；(3)放大器的3级电路均采用短路线馈电设计，同时增加外围元件，提高偏置电路之间的隔离度，以保证放大器能稳定工作；(4)通过良好的级间匹配提升放大器的功率、效率和稳定性，优化输出匹配结构,得到最好的输出驻波和输出功率；(5)由于QFN封装T/R组件对单片功率放大器有尺寸限制和装配要求，该功率放大器采用单边加电以减小面积，放大器单边加电时，在两胞器件(如第3级器件)之间加平衡电阻，实现电流平衡，以提高放大器的稳定性。

稳定性分析是放大器设计中的重点。小信号激励下的稳定性通常用电路的稳定因子来判断。式(1)是输出稳定因子的判断公式[7]，式(2)是输入稳定因子的判断公式[7]：

(1)

(2)

式中:Δ=S22·S11-S12·S21。

若满足不了上述条件，放大器为潜在不稳定或者振荡，可以通过改变匹配、找到信号反馈最大的回路、降低电路闭环增益来提高电路稳定性，并给电路在恶化的负载阻抗、高低温和激励功率变化等情形下的稳定性保留冗余度。在集成多级放大器中，共电耦合现象是常见信号反馈较大的原因之一，多级放大电路的供电是同一电源，信号在偏置回路间的隔离度通常不高，需增加额外的偏置外围电路以增加其隔离度。

然而，即使电路在小信号下能稳定工作，当输入的微波信号在较大范围内变化时，器件中的非线性元件如栅源电容、栅漏电容也会发生变化，此时功率放大器也有可能发生振荡。

在大信号模式下，功率放大器处于非线性工作状态，此时的稳定性分析采用稳态条件下的波动分析法。即先通过谐波平衡仿真，求得系统的稳态解，然后加入一个波动电流，在周期稳态点附近线性化。随后通过扫描波动电流的工作频率求得整个电路的闭环频率响应，以此判定电路是否稳定。

利用微波电路设计软件得到单片功率放大器的原理图仿真结果并生成版图，再对版图进行电磁场仿真和修正。X波段单片功率放大器的版图见图5。

2.3 低噪声放大器的设计

X波段低噪声放大器基于0.15μmGaAsPHEMT低噪声工艺设计。由于低噪声放大器的增益指标要求较高，选用三级放大电路拓扑，见图6。较高的增益容易引起自激，为避免级间环路自激，采用有耗匹配方式。较低的噪声系数要求也是该电路的难点，为了降低噪声，在每级源电路中引入串联反馈电感，通过改变电感值，可使场效应晶体管(FET)的输入阻抗增加到接近于最佳输入噪声阻抗，使电路具有最佳的噪声性能。

另外，因为QFN封装T/R组件对低噪声放大器的尺寸有限制，芯片的版图布局也需要仔细考虑，采用单电源供电，漏电压加在同一边，以减小芯片的面积，方便使用。

2.4 开关限幅多功能芯片的设计

在QFN封装T/R组件中，幅相控制多功能芯片工作于公共通道，低噪声放大器位于接收通道，功率放大器置于发射通道。大功率开关用来选择接收支路或发射支路，限幅器起着保护接收前端低噪声放大器的作用。因此，当大功率开关和限幅器集成在同一个芯片上，限幅器应设计在开关的接收支路上。开关限幅多功能芯片基于GaAsPIN二极管单片工艺设计。PIN二极管具有击穿电压高、功率容量大、开关速度快、插入损耗小等特点。由于PIN工艺不能集成数字电路，开关控制位需外接驱动电路。设计PIN开关时适当提高开关导通支路的控制电压，可以提高开关的功率压缩点。开关限幅器多功能芯片的拓扑结构如图7所示, 设计方法见参考文献[8]。

3 工艺实现和测试结果

本文设计的幅相控制多功能芯片采用GaAsE/DPHEMT工艺制作，单片功率放大器采用0.25μmGaAsPHEMT功率工艺制作，单片低噪声放大器采用0.15μmGaAsPHEMT低噪声工艺制作，开关限幅多功能芯片基于GaAsPIN二极管单片工艺制作。芯片加工完成后，通过矢量网络分析仪和微波探针系统进行在片测试。

X波段幅相控制多功能芯片的主要电性能测试曲线如图8～图11所示，实线代表接收状态，虚线代表发射状态。实测结果：工作频率：(f0-1) GHz～(f0+1) GHz，在接收和发射状态下，增益大于5 dB，1 dB压缩输出功率(P-1)大于7 dBm，64态移相均方根(RMS)误差小于2.5 °，32态衰减RMS误差小于0.3 dB，回波损耗小于-12 dB，移相附加幅度波动小于±0.8 dB，衰减附加相移小于±5 °。+5 V电源工作电流小于55 mA，-5 V电源工作电流小于15 mA。芯片尺寸4.5 mm×3.0 mm×0.07 mm。

图12、图13给出了X波段单片功率放大器的测试曲线。工作频率(f0-2) GHz～(f0+2) GHz，功率增益21 dB，饱和输出功率31 dBm，功率附加效率35%。漏加电+8 V，静态电流150 mA。芯片尺寸为2.3 mm×1.3 mm×0.08 mm。

X波段低噪声放大器测试曲线见图14、图15。工作频率(f0-2) GHz～(f0+2) GHz，带内噪声系数小于1.6 dB，增益大于31 dB，P-1大于9 dBm，输入输出驻波小于1.6，加电+5 V下静态电流40 mA。尺寸为2.5 mm×1.0 mm×0.07 mm。

开关限幅多功能芯片集成了输入输出隔直电容，芯片尺寸为3.1 mm×1.0 mm×0.1 mm。其频率范围(f0-2)GHz～(f0+2) GHz，插入损耗小于1.5 dB(接收支路的插损比发射支路大)，输入输出驻波小于2.0，限幅电平小于15 dBm，开关隔离度大于40 dBm。图16～图18给出了主要参数的测试曲线。

从研制结果可以看出，这4款芯片具有良好的电性能和较小的尺寸，可以组成T/R套片使用。由于幅相控制多功能芯片的工作频带只有2 GHz，比其他3款芯片的频带窄，整个T/R组件的工作带宽受到了限制。在下一步工作中，将拓宽幅相控制多功能芯片的带宽，使4款芯片全部工作到4 GHz带宽。图19是这4款芯片的照片。图20是这4款芯片进行QFN封装后装配在测试板上的照片，芯片的端口之间通过陶瓷片过渡线、金丝键合线连接。

4 结束语

本文设计出基于QFN封装T/R组件的4款GaAs MMIC芯片，包括X波段幅相控制多功能芯片、单片功率放大器、单片低噪声放大器和开关限幅多功能芯片。通过提高GaAs MMIC的集成度、放大器单边加电、内部端口匹配，创新性地实现了微波T/R组件的小型化。用这4款芯片组装成的QFN封装T/R组件的尺寸仅为9 mm×9 mm×1 mm。本文取得的研究成果给微波T/R组件的小型化提供了新的参考，将进一步促进相关领域产品的研制和发展。

[1] 李明.雷达射频集成电路的发展及应用[J].现代雷达,2012,34(9):8-15.

[2] BESSEMOULIN A, EVANS P,FATTORINI T.A 5～45 GHz linear voltage controlled attenuator MMIC in 3×3 mm plastic package[C]//Proceedings of The 7th European Microwave Integrated Circuits Conference.Amsterdam,The Netherlands,2012:107-110.

[3] SHIN D,KIM C Y,KANG D,et al.A 4-element X-band CMOS phased-array RFIC in a QFN package[C]//Proceedings of 2012 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium Digest.Montreal,Quebec,Canada,2012:1-3.

[4] 罗海萍,王虎奇,唐清春.四边扁平无引脚QFN封装的探究[J].广西轻工业，2009,130(9):100-101.

[5] 余咏梅.小节距高可靠CQFN 型陶瓷封装外壳工艺技术[J].电子与封装，2015,15(1):6-9.

[6] 赵子润，陈凤霞.砷化镓六位串并行驱动器芯片的研制[J].半导体技术,2015,40(12):894-898.

[7] ZHOU X,ROY L,AMAYA R E.1W,highly efficient,ultra-broadband non-uniform distributed power amplifier in GaN[C]//Proceedings of 2013 IEEE Microwave and Wireless Components Letters.Ottawa,ON,Canada,2013:208-210.

[8] 魏洪涛,王强栋,李用兵.C波段限幅开关集成芯片[J].半导体技术,2011,36(7):542-544.

Designed of A Suit of X-band GaAs T/R Chips Based on QFN Package

XIE Yuan-yuan,JIA Yu-wei,FANG Jia-xing,ZENG Zhi,ZHOU Xin,ZHAO Zi-run

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Based on ceramic quad flat non-lead (QFN) package,four X-band GaAs microwave monolithic integrated circuits (MMICs) have been developed,which include GaAs amplitude-phase control multi-function chip (MFC), power amplifier (PA),low noise amplifier (LNA) and switch-limiter MFC.The suit of chips can be packaged using QFN technology to build up a QFN-packaged transceiver/receiver (T/R) subassembly of 2 GHz bandwidth.For the T/R subassembly,the output power is higher than 1 W and the package size is 9 mm×9 mm×1 mm.Microminiaturization of the microwave T/R subassembly has been realized by increasing the integration level of GaAs MMIC,changing the amplifier bias voltage to single side,matching the inside ports.The most complex chip among these MMICs is the X-band amplitude-phase control MFC,which is integrated with T/R switch,6 bit digital phase shifter,5 bit digital attenuator,gain amplifier and serial to parallel switch driver.In working frequency,in receiving and transmitting mode,the gain is higher than 5 dB and the 1 dB compressed output power (P-1) is higher than 7 dBm,the root mean square (RMS) errors of phase shift and amplitude are less than 2.5 ° and 0.3 dB,the echo loss is less than -12 dB,the die size is 4.5 mm×3.0 mm×0.07 mm.

ceramic quad flat non-lead package;transceiver/receiver;X-band;GaAs microwave monolithic integrated circuit;multi-function chip

2017-01-09

TN82

A

CN32-1413(2017)02-0099-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.023