十分钟射频微系统集成技术_宋志国.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering67为了实现无线网络通信中的多点接入技术，对于每个无线节点都需要一个多信道的收发开关或滤波器等。除此之外，在现代高速数据传输系统中，还需要有一种能够对数据进行调制的电路，例如编码器，这些电路通常都集成在一个芯片上。射频系统中的其他组件也可以集成在一起。所以说射频系统中的这些复杂元器件都有一个共同点：它们都是由多个功能芯片和多个模块组成的。微型射频集成电路取得了新的突破。DARPA在其“高效能线性全硅发射 IC”的资助下，成功研发出世界上第一款可工作于 94 吉赫频率的全硅单片集成信号发射电路，该电路把原来的多块电路板、独立的金属屏蔽层、多根输入/输出线路等单元整合为一块仅有半个手指指甲的小片，极大地提高了 Si 基 RF 的输出功率，同时也使 Si 基 RF 与 RF 的单片集成，使其在毫米波频段的应用成为可能。通过本项目的研究，可望为新型军事无线通信系统的研制和应用奠定基础，为实现新型军事无线通信系统的小型化、轻量化、低成本、高性能化奠定基础。2013 年，美国 DARPA 研制出一种可在单根针头上集成 4096 根纳米天线的 2D 相控阵阵列，标志着硅基异质异构光电子集成技术的发展。要取得这些突破，需要解决以下几个问题：一种能适应大规模纳米天线的结构；一种新型的微纳制造技术；把电子元件和光学元件整合在单一的晶片上。1 RF电路设计1.1 功率放大器功率放大器是射频电路中的核心器件，它的工作好坏直接决定整个电路的性能，因此对它的选择和设计是十分重要。传统功率放大器是在晶体管或场效应管基础上加一个带通滤波器后，再使用晶体管来实现，但是这种方法存在体积大、可靠性差等缺点。目前采用的功率放大器结构有：微带线（Bandgap）结构、共源共栅结构、同轴共路结构和新型的宽带共焦结构等。这些功率放大器均具有体积小、可靠性高、功率大和效率高等特点，被广泛应用于各种无线通信系统中，如移动电话、雷达等。其中 Bandgap 是一种常用的功率放大器结构。这种结构采用共源共栅和微带线耦合的方法，不仅降低了系统复杂度，而且提高了电路可靠性。1.2 频率合成器频率合成技术是将多个频率源的频率相加，从而实现所需频率的技术。现在，常用的有锁相环、PLL、VCO 等结构。锁相环结构：通过给鉴相器反馈电路输入一个参考信号，由鉴相器对输出信号进行鉴相和跟踪，使其相位符合输入的参考信号。该结构简单可靠，具有较好的跟踪性能，但其动态范围较小；锁相环结构主要用于高速低功耗系统中，例如一些雷达和导航系统；VCO 技术能够提供一个线性参考时钟，对噪声及杂散的抑制非常好，并且具有较低的功耗和体积。但是其结构复杂、成本高、可靠性较差。PLL 结构：PLL 是将多个频率源的频率相加，然后再合成一个频率源。一般情况下，PLL 根据使用要求不同而选择不同的结构，例如PLL 可分为锁相环型、压控振荡器（VCO）型和混频器型三种。一般情况下，PLL 工作于低噪声高集成度频率合成方式中。十分钟射频微系统集成技术宋志国（深圳品创兴科技有限公司 河南省驻马店市 463000）摘要：本文以射频（RF）微系统集成技术展开研究，其主要目的是为了减少射频电路设计时间和提高功率密度。射频（RF）微系统集成技术主要包括 5 个方面，分别是 RF 电路设计、芯片/模块封装、多芯片组件与封装技术、开关和滤波器设计以及射频功率传输。RF 电路设计包括了将 RF 电路中所使用的各种功能芯片、功率放大器、混频器、滤波器等芯片模块进行合理的集成。在现代通信系统中，对于一些高速通信系统来说，可能需要将多个功能模块集成在一个芯片上，实现信号的高速传输，并实现功能模块之间的隔离。关键词：微系统；异构集成；三维集成；射频前端电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering682 芯片/模块封装2.1 芯片的封装工艺芯片的封装工艺可以分为光刻（掩膜版技术）、蚀刻（离子注入、剥离）、刻蚀（离子刻蚀、化学机械抛光和热化学机械抛光）、微影（原子层光刻、离子束注入和剥离）四个基本工序。芯片的封装工艺主要包括光刻、微影和机械抛光四个基本工序，其中光刻和蚀刻是芯片封装中最重要的两个技术。光刻是指利用光刻胶与物质在波长相同的光源作用下进行光化学作用来完成版图制作的工艺过程，这一过程需要较高的精度。蚀刻则是将芯片上要显示的图形转移到光刻胶上，然后对光刻胶进行化学处理，使之与待蚀刻芯片相结合形成图形。微影是指利用高速电子束或等离子体轰击晶圆表面，使之产生图形化，这种方法能将芯片上的图形转移到光刻胶上。机械抛光则是在晶圆表面增加一层薄薄的抛光液（或树脂），并在抛光液和晶圆表面之间放置研磨膏，最后采用机械方式进行抛光。此外，还有一些其他的封装工艺步骤，如离子注入、剥离等。各种封装工艺各有利弊，可以根据具体需求来选择不同的封装工艺。2.2 芯片的封装技术和应用芯片的封装是指将功能芯片与其它功能模块直接进行连接和装配的过程。目前，主要有以下几种封装方式：（1）芯片直接贴装，也就是将芯片直接封装结构中，这是一种比较传统的封装方式。（2）芯片间接安装，也称倒装封装。其原理是将一个部件的部分元件（如电路、分立元件）与另一个部件（如电路板）连接起来，再用胶粘于另一个部件之上。这种方式可以简化工艺，可以增加互连密度，有利于实现小型化。（3）芯片表面组装技术，即在电路板上覆盖一层或多层树脂薄膜，然后将集成电路、分立元件等直接贴装到上面。这种方法的优点是可以节约组装时间，降低生产成本，扩大了安装空间。这种方式的缺点是由于基板材料不一致和贴片位置不确定等因素会导致芯片封装质量的一致性较差。（4）芯片内嵌技术，即将两个功能单元之间的元件或引线与封装整体结合起来。这种方法是在芯片与基板之间插入金属引线，将两个功能单元相互连接起来。这种方法能够将元器件直接装在基板上，从而简化了组装工艺并提高了效率。但这种方法也有缺点：首先是金属引线与基板的连接可能会产生可靠性问题；其次是由于金属引线所需的功率较大而导致功耗较大；此外还会引起散热问题。2.3 模块的封装及功能模块封装（ModularPackage,MIP），是一种将不同的器件集成在一个封装内的封装技术。它能够同时实现电路功能和电路形式上的多样性。目前，模块封装主要有三种类型：第一类是在芯片上直接焊接不同的组件，包括模块封装和芯片组装。这一类封装结构简单，制造成本较低，而且使用方便，在大规模集成中得到了广泛应用。第二类是把一个系统中的各种不同功能芯片与电路模块或组件集成在一个封装内。这一类封装技术复杂一些，成本也更高一些，但是其功能和性能较好。第三类是将具有相同功能的模块或组件集成在一个封装内，形成一个集成的模块系统。这一类封装技术复杂程度最高，工艺步骤也最多，但是其具有高集成度、高可靠性、低成本等优点。模块的功能一般包括：逻辑功能、信号处理功能、功率放大和开关控制等。它们大多是采用集成化的设计思想来设计的。不同模块具有不同的结构和不同类型的功能，有的只具备其中一种功能，有的同时具备多种功能。对于每一种功能而言，它们都要经过预处理和后处理工序，然后才能完成其结构设计及工艺制造过程。在模块化设计过程中需要考虑各功能之间的连接关系以及工艺问题。3 多芯片组件与封装技术现代通信系统中，信号频率和数量都在不断增加，相应的射频器件也变得越来越复杂，为满足现代通信系统中各种信号传输速率的要求，射频微系统集成技术包括了多芯片组件和封装技术。多芯片组件与封装技术主要包括了超大规模集成电路封装技术（VLSILSIPackage）、三维集成技术（3DIntegration）、金属-半导体多层互连技术（Metal Semiconductor Multi-layer Interconnect,MMIC）等。这些方法的特点是利用三维空间进行封装，对微波信号的传输路径进行重新规电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering69划，同时有效降低了封装过程中的损耗。多芯片组件与封装技术具有低成本、高密度和可持续发展等优点。由于其在 5G 通信领域中得到了广泛的应用，因而受到了极大地关注。目前已经实现了一些 5G 系统中多芯片组件与封装技术，主要包括 4G 系统中采用的三维集成工艺，以及 5G 系统中使用的 3D 集成工艺。另外，多芯片组件与封装技术还可以应用于射频开关、滤波器以及功率放大器等多种芯片的封装，并实现了这些功能模块之间的隔离。4 开关和滤波器设计4.1 多通道滤波器设计多通道滤波器能够实现在多个信道中同时进行工作，并且具有较好的隔离效果，从而进一步提高了数据传输速度。对于多通道滤波器来说，通常可以由两种不同结构的滤波器构成。其中一种结构为传统的微带线滤波器，另一种结构为集成化的巴伦滤波器。为了减少设计时间，通常采用巴伦滤波器进行设计。对于传统巴伦滤波器来说，其通常使用共面波导结构实现，利用电容与电感进行串联来实现整个电路的集成。由于其谐振频率较高，因此在整个电路中会产生很多损耗。为了减少这些损耗，可以在电路中加入耦合结构，这样能够有效的增加电路的增益。对于集成巴伦滤波器来说其由两个部分组成：一个是谐振器部分，另一个是传输线部分。在传统的巴伦滤波器中通常会使用串联结构来实现整个电路的集成设计，而集成巴伦滤波器通常会使用共面波导结构来实现。为了达到更好的性能指标，通常可以在电感和电容之间增加一个过渡电路来实现通带和阻带的转换。在射频系统中对多通道滤波器进行设计时可以将其与开关进行集成使用。通过在多通道滤波器中引入开关，能够使整个电路得到进一步优化和设计，从而大幅度降低设计成本。4.2 开关和滤波器的混合集成对于传统的射频开关来说，其通常是在串联谐振电路的基础上，通过并联电容或并联电阻实现其功能。因此，对开关电路的性能指标也有着一定的要求。在实际应用中，如果选择了一些性能较差的开关电路，可能会影响到整个系统的性能指标。对于开关来说，其通常具有一定的工作频率范围。其通常工作于高频端，此时的射频信号带宽相对较大。如果将这些开关电路与一个低通滤波器进行组合设计时，则可以降低整个系统的工作频率范围。由于传统的射频开关和低通滤波器无法直接集成到一个芯片中进行设计，因此在这种情况下可以通过使用混合集成技术对它们进行设计。对于混合集成技术来说，其需要将射频开关和滤波器分别进行设计以满足不同频率范围下的工作要求。然后将射频开关电路和低通滤波器进行混合集成（图 6）。在这种情况下，射频开关和低通滤波电路能够很好地结合在一起，使得整个系统能够更好地满足其工作需求。对于滤波器来说，其通常采用耦合矩阵结构来实现。对于这种结构来说，其可以将不同频率范围下的多个滤波器进行同时应用。通过将这些滤波器与射频开关进行结合来达到降低整体系统性能指标的目的。在这种情况下可以提高系统的传输速率和工作效率。5 射频功率传输5.1 天线对于射频天线，传统设计方法通常是使用一个传输线网络来实现天线的设计。这些传输线网络包括：传输线、谐振器矩阵、集总电路、功分器、巴伦和天线阵。这些传输线网络中的每个单元都有一个电阻，根据它们的阻抗可以形成不同的天线。通过对这些天线进行优化组合，就可以实现发射/接收端信号的最佳调制，从而最大限度地利用了射频功率传输。在现代移动通信中，天线被广泛用于发射机和接收机之间的匹配和调制。使用两个不同频率的载波信号进行发射/接收时，会出现所谓的“相移”现象，这种现象会导致发射机输出功率与接收机接收到的信号功率不匹配。要解决这种现象，一般需要对不同频率下的载波信号进行调制。例如，可以使用薄膜表面安装器件来实现各种形状和厚度的天线设计，以满足