1、第9章單片微波集成電路簡介9.1單片微波集成電路的材料與元件9.2MMIC電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)9.3微波集成電路加工工藝簡介9.4微波及毫米波集成電路應(yīng)用實(shí)例 9.1單片微波集成電路的材料與元件9.1.1單片微波集成電路的基片材料MMIC的基片同時(shí)兼有兩種功能：一是作為半導(dǎo)體有源器件的原材料，二是作為微波電路的支撐體。砷化鎵(GaAs)是最常用的材料，在低頻率情況下，也可以用硅(Si)材料。MMIC的制作是在半絕緣的GaAs基片表面局部區(qū)域摻雜構(gòu)成有源器件(FET或二極管)，把其余表面作為微帶匹配電路和無源元件載體。GaAs和Si的主要特性列于表9-1中，同時(shí)也給出了MIC常用的氧化鋁陶瓷(Al2O

2、3)作為對(duì)比。 表9-1MMIC基片半導(dǎo)體材料的特性 由表9-1可見，GaAs有源層的電子遷移率比Si高6倍，作為基片時(shí)的電阻率則高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，用GaAs制作的MMIC性能遠(yuǎn)優(yōu)于用Si制作的。但GaAs的電阻率比Al2O3要低許多，微波在GaAs基片中的介質(zhì)損耗不能忽略，盡管MMIC尺寸小，介質(zhì)損耗不太嚴(yán)重，但在電路設(shè)計(jì)中必須予以考慮 GaAs基片厚度常選為0.10.3 mm，面積在0.5 mm0.5 m5 mm5 mm之間。薄基片散熱好，接地通孔性能好，但高阻抗微帶線的線條太細(xì)不易制作，微帶電路設(shè)計(jì)有一定局限性。做微波功率放大器或振蕩器時(shí)宜采用較薄基片，以利于散熱和增加功率容量。 9.1.2

3、單片微波集成電路的無源元件在MMIC中使用的傳輸線和無源元件與MIC中應(yīng)用的基本相同，但也有自己的特點(diǎn)。MMIC中常用的無源元件有兩類：一類是集總元件(尺寸通常小于0.1波長)，另一類是分布元件。X波段到20 GHz適用于集總元件，高于20 GHz宜采用分布元件。1. 電容 MMIC中經(jīng)常采用的電容有微帶縫隙電容、交指電容、疊層電容和肖特基結(jié)電容。 微帶縫隙電容的電容量很小，很難超過0.05 pF。 交指電容的電容量稍大，但耦合指長度不能太大，電容量只能做到1 pF以下，Q值能達(dá)到100左右。 為獲得1100 pF量級(jí)的電容量需采用疊層電容，又稱MIM電容，其結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。絕緣層介質(zhì)用S

4、i3N4、SiO2或聚酰亞胺。MIM電容的主要問題是難于保證電容值制造的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。 肖特基結(jié)或PN結(jié)也可制作電容器，如圖9-2所示。這種電容可以在制作有源器件時(shí)一起完成，適于0.510 pF左右的容量。 圖 9-1疊層(MIM)電容圖 9-2肖特基結(jié)電容2. 電感與MIC類似，MMIC中應(yīng)用的電感包括圖9-3所示的幾種: 直線電感和單環(huán)電感的尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單，電感量大約幾納亨以下。 多圈螺旋方形或圓形電感具有較大電感量和較高Q值，電感量約可達(dá)數(shù)十納亨，Q值大約為10，最高可接近4050。 圖 9-3MMIC電感為減小電感線圈所占基片的面積，線條盡量要細(xì)，電阻損耗不容忽視，匝間電容以及薄基

5、片對(duì)地板的臨近效應(yīng)都將使有效電感量降低。多圈電感的內(nèi)圈端點(diǎn)引出線要用Si3N4或SiO2做絕緣層或用空氣橋跨接，制作工藝比較復(fù)雜。 不論哪種結(jié)構(gòu)的電感，導(dǎo)線總長度都應(yīng)該遠(yuǎn)小于波長，才能具有集總參數(shù)電感的特性。 3. 電阻用于MMIC的電阻主要有薄膜電阻和體電阻兩大類。要求電阻材料具有較好的穩(wěn)定性，低的溫度系數(shù)，還要考慮允許電流密度、功率和可靠性等問題。 實(shí)際應(yīng)用中的電阻包括以下幾類： 鎳鉻系電阻：具有良好的粘附性，阻值穩(wěn)定性高，成本低。制作技術(shù)多用蒸發(fā)工藝，但較難控制合金成分的比例。 鉭系電阻：目前可用充氮反應(yīng)濺射制備氮化鉭電阻，用鉭硅共濺射可獲得耐高溫的電阻。鉭系電阻薄膜也可用于混合MIC中

6、。 金屬陶瓷系電阻：制作高阻最有效的方法是在金屬中摻入絕緣體以形成電阻率高、穩(wěn)定性好的電阻，如Cr-Si電阻、NiCr-Si電阻和CrNi- SiO2電阻等。調(diào)整材料的配方比例使電阻率在很大范圍內(nèi)改變，以適應(yīng)不同電阻值的要求。 體電阻：利用GaAs N型層的本征電阻，它是MMIC中特有的類型。在GaAs基片上局部摻雜，做上歐姆接觸就構(gòu)成了電阻，其電阻率比較適中。體電阻的主要缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)為正，而且在電流強(qiáng)度過大時(shí)，電子速度飽和，呈現(xiàn)非線性特性，此種特性不利于一般線性模擬電路，但可用于某些數(shù)字邏輯電路。 9.1.3單片微波集成電路的有源器件MMIC中的有源器件和MIC中常用晶體管的類型基本一

7、樣。三極管幾乎都采用FET，也使用雙柵FET。二極管有肖特基勢(shì)壘管、變?nèi)莨堋Ⅲw效應(yīng)管、PIN管等。在MMIC中由于各種晶體管都沒有管殼封裝，縮短了元件之間的互連線，減少了焊點(diǎn)，因此可用的極限頻率提高，工作頻帶加寬，尺寸減小，可靠性改善。FET是高頻模擬電路和高速數(shù)字電路的主要元件，肖特基勢(shì)壘二極管是二極管中的主要元件。不論是哪種晶體管，在MMIC中都是平面結(jié)構(gòu)，即各電極引線需從同一平面引出。為減小晶體管寄生參量，GaAs導(dǎo)電區(qū)要盡量小，只要能保證器件工作即可。 肖特基勢(shì)壘二極管和FET的平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-4所示。圖中，電極引線是金(Au)，有源層是N型GaAs，電導(dǎo)率=0.05 cm，載流

8、子濃度為nn=107 cm3，歐姆接觸用金鍺(AuGe)。為了保證歐姆接觸良好，有源層上還有一層低電阻率的N+GaAs層，電導(dǎo)率=0.0015 cm，載流子濃度為nn=1018 cm3。 在晶體管區(qū)的表面還有一層Si3N4或SiO2作為保護(hù)層。對(duì)FET而言是在有源層上制作Ti/Pt/Au混合體形成肖特基勢(shì)壘，再真空蒸發(fā)柵極金屬，柵金屬的質(zhì)量和位置對(duì)FET的性能至關(guān)重要。要考慮金屬對(duì)GaAs有良好的附著力，導(dǎo)電性好，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，金屬可用Cr-Ni-Au、Cr-Au、Cr-Rn或A1-Ge，也可用A1。柵成型后表面再覆蓋一層保護(hù)層，源極和漏極的金屬亦是真空蒸發(fā)形成的。目前In-Ge-Au和Au-G

9、e-Ni用得較多，使FET有良好的歐姆接觸并能承受短時(shí)升溫。圖 9-4平面晶體管結(jié)構(gòu) 9.2MMIC電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 盡管MMIC電路的設(shè)計(jì)方法和MIC有一定相似之處，但是其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了要有一些不同的考慮。典型的MMIC設(shè)計(jì)程序如圖9-5所示。設(shè)計(jì)的依據(jù)是由用戶提出的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)者必須要考慮實(shí)際的設(shè)備和條件； 根據(jù)系統(tǒng)要求決定電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用什么類型的器件，例如單柵或雙柵FET、低噪聲或高功率FET、集成度的規(guī)模和價(jià)格等。由于MMIC的各種元件都集成在一塊基片上，分布參數(shù)的影響不能忽略；有時(shí)還必須考慮傳輸線間電磁場的耦合效應(yīng)；此外，集成電路制作后無法調(diào)整，需精確地、全面地設(shè)計(jì)電路模塊和元

10、件模塊，計(jì)入加工中引入的誤差。因此，MMIC設(shè)計(jì)必須采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，選用合適的CAD軟件對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得元件最佳值，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)后的容差分析、穩(wěn)定性的檢驗(yàn)等。目前使用最多的是Agilent公司的ADS軟件。設(shè)計(jì)的成功與否，決定了產(chǎn)品的成品率，也影響電路的成本和價(jià)格。圖 9-5MMIC設(shè)計(jì)程序流程圖MMIC設(shè)計(jì)中應(yīng)主要考慮如下幾點(diǎn): (1) MMIC的元件不能篩選、修復(fù)或更換。例如微帶線，寬的微帶線具有阻抗低、損耗小的特點(diǎn)，一般阻抗在30100 范圍內(nèi)。傳輸線寬度的任何變化，都將引起阻抗的不連續(xù)性。制造過程中，分布式元件比集總元件較易控制，雖然分布式元件占的空間大，因?yàn)橹?/p>

11、作的工藝簡單，制造偏差的影響較小，所以多選用分布式元件。 (2) 設(shè)計(jì)中所用的器件數(shù)據(jù)必須選取在寬帶范圍內(nèi)的參數(shù)值，以便擴(kuò)大電路的適應(yīng)性。同時(shí)，MMIC集成度越高，元件越多，加工過程中越不可避免出現(xiàn)偏差。這會(huì)導(dǎo)致器件參數(shù)變化是制造公差的函數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)元件需要允許有較大的公差。選用低靈敏度電路，著眼點(diǎn)不是電阻、電感、電容或其他參數(shù)的絕對(duì)值，而是它們之間的比例，可在CAD設(shè)計(jì)時(shí)再作調(diào)整。 (3) 盡量減小電路尺寸。在C波段以下的較低頻段，不宜采用分布參數(shù)傳輸線，盡量用集總參數(shù)元件。有時(shí)FET寄生參數(shù)影響不大，可以不加匹配元件，寧可多用一兩只FET，以獲得足夠增益，而尺寸可能更小。(4) 由于元件、

12、部件尺寸小，因而容易在電路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋電路，以擴(kuò)展頻帶和改善性能。 設(shè)計(jì)更復(fù)雜的行波式或平衡式放大器時(shí)，雖然使用了更多的FET，但是這些FET一次制成，又處于同一基片上，成本增加并不多，而性能上卻有很大改善，這是MMIC的特點(diǎn)。 (5) 分布參數(shù)電路雖比集總參數(shù)元件電路制作工藝簡單，但尺寸較大，需將微帶線折彎或盤繞，這將產(chǎn)生線間耦合。設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮將線間距離控制在23倍的基片厚度之外，還需用更精確的電磁場數(shù)值分析方法進(jìn)行分析和計(jì)算，以提高設(shè)計(jì)精度。(6) 電路高溫工作的可靠性。小信號(hào)MMIC的散熱問題較容易解決，但對(duì)功率放大電路，需要考慮封裝的熱阻抗和工作環(huán)境條件。GaAs MMIC的短暫

13、工作溫度在300以下，一般最高溫度應(yīng)低于150。(7) 關(guān)于抗輻射的問題。現(xiàn)代電子系統(tǒng)有抗輻射的要求，故在集成電路生產(chǎn)中提出了輻照硬度(Radiation Hardness)的指標(biāo)，即在生產(chǎn)過程中為確保質(zhì)量，需挑選出那些較能承受輻射的產(chǎn)品。上述幾個(gè)方面，有些是一般的原則，有些隨MMIC應(yīng)用的不同，相對(duì)的重要性也隨之而變。總之，設(shè)計(jì)的MMIC必須滿足電氣性能技術(shù)指標(biāo)要求，工作可靠，具有高成品率和低成本。 9.3微波集成電路加工工藝簡介9.3.1微波集成電路工藝流程簡介微波集成電路(MIC)的加工主要有以下幾個(gè)步驟：(1) 制備紅膜。任何一個(gè)MIC的加工，首先需要有設(shè)計(jì)完成的電路布線圖或結(jié)構(gòu)圖，根

14、據(jù)這個(gè)圖來刻制紅膜。紅膜是聚酯薄膜，上面覆蓋一層透明的軟塑料(紅色或橙色)，紅膜厚約50100 m，軟塑料厚約2550 m，利用坐標(biāo)刻圖機(jī)在光臺(tái)上刻繪所需的圖形，使所需的圖形部位紅色塑料膜脫離基體，即根據(jù)刻出的線條，有選擇地揭剝紅膜。一般將原圖尺寸放大約510倍，主要是提高制圖精確度。刻制的紅膜尺寸要求精密準(zhǔn)確。常規(guī)制版工藝全由人工繪制、刻膜和揭剝紅膜； 現(xiàn)在采用新工藝，即用計(jì)算機(jī)控制，編制軟件程序，或用X-Y繪圖儀繪制。(2) 制造掩膜。掩膜的作用是將設(shè)計(jì)的圖形從紅膜上精確地轉(zhuǎn)移至基片上。常用的是光掩膜，它是在玻璃基片上表面鍍一層鉻或氧化鋁等材料，然后，再在上面涂一層光乳膠(銀鹵化物)，這種

15、材料光靈敏度高，圖像分辨率好。利用已刻制的紅膜圖形初縮照相制版后，置于玻璃基片上曝光，然后經(jīng)過光刻制成掩膜。也可以不由紅膜制造掩膜，而由圖形發(fā)生器直接制作掩膜。 (3) 光刻基片電路。將MIC的基片毛坯拋光后，在基片上鍍金屬膜。一般有三種方法：真空蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)或?yàn)R射，視不同的金屬材料而定。主要要求金屬與基片之間有良好的附著力，性能穩(wěn)定且損耗低。例如在氧化鋁基片上鍍金屬膜，材料為CrCuAu或NiCrNiAu，可先在基片上鍍一層催化層，然后再先后分層鍍上不同的金屬。隨后，在已鍍金屬膜的基片上涂一層感光膠，感光膠有正性膠和負(fù)性膠兩種，將掩膜置于其上方，通過曝光、成型、腐蝕去掉不希望有的金屬涂層

16、，如圖9-6所示。前兩個(gè)圖中表示涂感光膠的地方刻蝕后無金屬層；后兩個(gè)圖中表示涂感光膠的地方保留了金屬層。前者所涂感光膠的厚度應(yīng)與最后所需金屬膜的厚度相近，它適于制作2550 m寬或金屬帶相距2550 m的線條。后者比較節(jié)省金屬，而且價(jià)格便宜。圖 9-6MIC中基片上制作圖形的示意圖(4) 有源器件的安裝調(diào)試。 如圖9-7所示，這是常規(guī)工藝流程。微波集成電路的制作必須在超凈環(huán)境中進(jìn)行以保證質(zhì)量。如果制作MIC的基板材料已經(jīng)制備了雙面敷銅(或其他金屬)，則可省去在基片材料上鍍金屬膜的步驟，直接根據(jù)掩膜光刻基片電路即可。 圖 9-7微波集成工藝流程圖9.3.2單片微波集成電路工藝流程簡介MMIC制作

17、的復(fù)雜性在于要在GaAs基片上同時(shí)制作有源器件和無源元件，工序很多；它是多層結(jié)構(gòu)，所用掩膜不止一個(gè)而是成套的，對(duì)掩膜的圖形精度也有更高的要求，電路的制作工藝比MIC更復(fù)雜。1. 圖形轉(zhuǎn)移新技術(shù)圖9-8示出了制作掩膜的過程，輸入的圖形數(shù)據(jù)是由制作掩膜的專用計(jì)算機(jī)輸入的，已考慮了制作掩膜過程中出現(xiàn)的尺寸誤差并進(jìn)行了預(yù)先修正。通過計(jì)算機(jī)由圖形信息控制圖形發(fā)生器。 圖 9-8圖形轉(zhuǎn)移新技術(shù)圖9-8中給出了圖形產(chǎn)生的幾種方式： 光學(xué)圖形發(fā)生器：本質(zhì)上為一臺(tái)特殊的照相機(jī)，也是一種光學(xué)投影照相系統(tǒng)。將原圖分解成許多單元圖形或單元復(fù)合圖形，計(jì)算機(jī)控制光孔變化，計(jì)算曝光位置，進(jìn)行多次曝光完成初縮版的照相。 電子

18、束圖形發(fā)生器及曝光裝置：它是在計(jì)算機(jī)的控制下，利用光刻蝕的原理制備出所要求的掩膜圖案。由于電子束的散射和衍射很小，又便于聚焦成0.020.2 m的細(xì)斑，因而具有極高的分辨率，所以在計(jì)算機(jī)的控制下能直接制成精縮版。這是發(fā)展微米與亞微米技術(shù)的重要工具。 激光圖形發(fā)生器：它是在計(jì)算機(jī)控制下，通過調(diào)制激光束對(duì)光致抗蝕劑進(jìn)行選擇性加工。因制版的薄膜上涂有一層低溫CVD淀積的氧化鐵，底版放在微動(dòng)臺(tái)上，當(dāng)激光束作柵狀掃描時(shí)，可以有選擇地把需要形成窗口處的氧化鐵熔化并蒸發(fā)。此法的主要優(yōu)點(diǎn)是能在短時(shí)間內(nèi)制成初縮板，甚至直接制成精縮掩膜，縮短研制周期，但分辨率較低。 一般掩膜底版曝光后，經(jīng)顯影、漂洗、后烘、腐蝕、

19、去膠等一系列過程(即光刻蝕過程)，就完成了主掩膜的制作。2. MMIC工藝流程 在GaAs基片上制作微波電路，須同時(shí)制作有源器件和無源元件。現(xiàn)以小信號(hào)集成電路為例，圖9-9給出了MMIC的全部制作過程。 圖 9-9MMIC工藝流程圖(1) 有源層。 如圖9-10(a)所示，首先在半絕緣GaAs基片上制作有源層，如果要形成N型有源區(qū)，即將所需要的雜質(zhì)原子摻雜到半導(dǎo)體基片規(guī)定區(qū)域的晶格中去，達(dá)到預(yù)期的位置和數(shù)量要求，這就是摻雜技術(shù)。目前所采用的方法有離子注入和外延摻雜兩種。離子注入是一種新?lián)诫s技術(shù)，它把雜質(zhì)原子電離并使帶電性的離子在高電場中逐級(jí)加速，直接注入到半導(dǎo)體中去。這種技術(shù)能在較大的面積上形

20、成薄而均勻的摻雜層。圖9-9中退火的作用是消除離子注入所造成的晶格損傷。另一種是外延技術(shù)，即在GaAs基片表面生長另外的GaAs層，保護(hù)晶體結(jié)構(gòu)，這種生長的新單晶層，其導(dǎo)電類型、電阻率、厚度和晶格結(jié)構(gòu)的完整性都可以控制，達(dá)到預(yù)期要求，這個(gè)過程稱為外延，新生長的單晶層為外延生長層。外延方法有液相外延(LPE)、氣相外延(VPE)和分子束外延(MBE)三種，其中LPE是老技術(shù)，MBE是新技術(shù)，應(yīng)用MBE能做高電子遷移率的場效應(yīng)集成電路和異質(zhì)結(jié)雙極型集成電路，但一般VPE的應(yīng)用較為廣泛。圖 9-10MMIC加工的工藝過程示意圖(2) 絕緣。在有源面上電流流過該區(qū)，但在特定的區(qū)域若要限制電流流過，則需

21、絕緣。對(duì)有源器件，只允許電流在所規(guī)定的部位流過，而其他部位需絕緣。對(duì)無源電路，要減小傳輸線的寄生電容和導(dǎo)體損耗，也要注意絕緣。絕緣層的制作方法可采用臺(tái)面蝕刻和離子注入兩種方法，用蝕刻的方法將不需要有源層的區(qū)域全部去掉，此方法簡單，故廣為采用(如圖9-10(b)所示)。 (3) 歐姆接觸。在半導(dǎo)體表面和焊接點(diǎn)之間需要良好的電接觸，因此需制作歐姆接觸點(diǎn)。MMIC的這類觸點(diǎn)十分重要，觸點(diǎn)接觸不好，接觸電阻將導(dǎo)致噪聲增大和增益下降。制作歐姆接觸的方法是在GaAs上，將熔合的金、鍺(Au) =88，(Ge)=12，熔點(diǎn)為360)摻入GaAs層和有源層，然后在其上蒸發(fā)鍍一層鎳，整個(gè)厚度約為2000，隨后制

22、成焊點(diǎn)，見圖9-10(c)。 (4) 肖特基或柵極結(jié)構(gòu)。在有源層上放置金屬可形成肖特基勢(shì)壘(如圖9-10(d)所示)。柵極金屬的選擇要考慮對(duì)GaAs的附著力、導(dǎo)電性能和熱穩(wěn)定性，對(duì)GaAs基片多用TiPtAu合金材料。(5) 第一層金屬。第一層金屬是指覆蓋的噴涂金屬，以增加導(dǎo)電性。對(duì)電容、電感和傳輸線，此層金屬即為底部的導(dǎo)電板。它和肖特基柵金屬是同時(shí)制作的。 (6) 電阻沉積。在MMIC中，電阻作為FET偏置網(wǎng)絡(luò)、終端負(fù)載、反饋、絕緣或衰減器等元件，見圖9-10(e)。對(duì)GaAs材料和電阻膜，要注意電流飽和、耿氏區(qū)的形成和溫度系數(shù)等問題。制作電阻膜多用濺射法。濺射法是用受電場加速的正離子轟擊固

23、體靶表面，從固體表面飛濺出原子到達(dá)基片形成薄膜，這種方法比蒸發(fā)鍍膜先進(jìn)。 (7) 介質(zhì)鍍膜。介質(zhì)鍍膜的作用是對(duì)FET有源層、二極管和電阻器加以鈍化；在金屬與金屬之間絕緣以制造電容(如疊層電容)，如圖9-10(f)所示。介質(zhì)膜的厚度一般在10003000，單位面積的電容量由膜的厚度來決定。(8) 第二層金屬。制作第二層金屬主要是作為元件之間的互連線、空氣橋、MIM電容的上極板等。材料仍用TiPtAu，為了減小阻值，再鍍以金，層厚約35 m，如圖9-10(g)所示。 (9) 底面拋光和小孔金屬化，如圖9-10(h)所示。 GaAs基片底面要拋光磨平，并要精確控制基片厚度，因其厚度與微帶傳輸線的特性

24、阻抗有關(guān)。小孔是提供MMIC接地的重要元件。小孔金屬化技術(shù)在不斷改進(jìn)，早期采用銀漿接地，在孔中直接蒸發(fā)金屬，近幾年常用濺射和離子鍍膜，使小孔中的金屬膜在繞射作用下形成膜，有時(shí)也用化學(xué)淀銅。由于采用了敏化和活化反應(yīng)，因而能以銅代金，獲得較小的接觸電阻。 此外還出現(xiàn)了用導(dǎo)電膠接地等辦法。小孔直徑一般為50100 m，多用激光打孔。 圖9-10(i)示出了完整的單片微波集成電路。各工序加工完畢后，需對(duì)MMIC芯片進(jìn)行測試。芯片測試技術(shù)是提高M(jìn)MIC集成度、降低成本、縮短研究周期必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。檢測裝置采用特殊的探針，探針間距達(dá)到10 m量級(jí)。目前采用接觸式探針，今后可用不接觸式光電探頭，自動(dòng)

25、取樣測量，取其合格者切割成小片。最后經(jīng)過性能測試，檢驗(yàn)MMIC的技術(shù)指標(biāo)。上述即為微波單片集成電路制作的全部過程。 9.3.3微波集成電路新技術(shù)簡介1. 多芯片組件技術(shù)(MCM)多芯片組件(Multi-Chip-Modules，MCM)技術(shù)是微波集成電路技術(shù)與微組裝技術(shù)相結(jié)合的一種新技術(shù)。在微波、毫米波領(lǐng)域，當(dāng)單芯片一時(shí)還達(dá)不到多種芯片的集成度時(shí)，人們?cè)O(shè)想能否將高集成度、高性能、高可靠性的CSP(Chip Size Package，芯片尺寸封裝)芯片和專用集成電路芯片(ASIC)在高密度多層互聯(lián)基板上用表面安裝技術(shù)(SMT)組裝成為多種多樣的電子組件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)，這種想法導(dǎo)致了多芯片組件(M

26、CM)的誕生。 多芯片組件將多個(gè)集成電路芯片和其他片式元器件組裝在一塊高密度多層互連基板上，然后封裝在外殼內(nèi)，是電路組件功能達(dá)到系統(tǒng)級(jí)的基礎(chǔ)。MCM采用DCA(裸芯片直接安裝技術(shù))或CSP，使電路圖形線寬達(dá)到幾微米到幾十微米的等級(jí)。在MCM的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了與外部電路連接的扁平引線，間距為0.5 m，將多塊MCM借助SMT組裝在普通的PCB上，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。MCM的主要特點(diǎn)有：封裝延遲時(shí)間縮小，易于實(shí)現(xiàn)組件高速化；縮小整機(jī)組件封裝的尺寸和質(zhì)量，一般體積減小 14，質(zhì)量減輕13；可靠性大大提高。MCM與目前的SMT組裝電路相比，體積和質(zhì)量可減少7090；單位面積內(nèi)的焊點(diǎn)減少95以上，單位面積

27、內(nèi)的IO數(shù)減少84以上，從而使可靠性提高5倍以上；信號(hào)互連線大大縮短，使信號(hào)傳輸速度提高46倍，并且大大地增加了功能。在一些射頻應(yīng)用領(lǐng)域，如功率放大器(PA)電路，早先采用的MMIC獨(dú)立元件已被整合多種應(yīng)用、附加匹配功能的MCM所取代。MCM已發(fā)展成以不同材料和工藝為基礎(chǔ)的多種MCM結(jié)構(gòu)和類型，如MCM-L(多層金屬和介質(zhì))、MCM-C(陶瓷)、MCM-D(淀積工藝)、MCM-LD和MCM-CD等。當(dāng)前MCM已發(fā)展到疊裝的三維電子封裝(3D)，即在二維X、Y平面電子封裝(2D)MCM的基礎(chǔ)上，向Z方向即空間發(fā)展的高密度電子封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3D，不但使電子產(chǎn)品密度更高，也使其功能更多，傳輸速度更快

28、，性能與可靠性更好，而電子系統(tǒng)相對(duì)成本更低。 MCM在組裝密度(封裝效率)、信號(hào)傳輸速度、電性能以及可靠性等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，是目前能最大限度地發(fā)揮高集成度、高速單片IC性能，制作高速電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化、多功能化、高可靠、高性能的最有效途徑。因?yàn)榘l(fā)展很快，MCM已成為20世紀(jì)90年代最有發(fā)展前途的高級(jí)微組裝技術(shù)，在計(jì)算機(jī)、通信、雷達(dá)、數(shù)據(jù)處理、宇航、軍事、汽車等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。據(jù)20世紀(jì)90年代初國際有關(guān)專家認(rèn)定，5年之內(nèi)，誰在MCM技術(shù)方面領(lǐng)先，誰就能在電子裝備制造方面處于先驅(qū)地位。近年來，各大公司對(duì)MCM給予了高度的重視，紛紛加入 MCM這一技術(shù)競爭的行列。國際上，美國將MCM

29、列為 20世紀(jì)90年代優(yōu)先發(fā)展的6大關(guān)鍵軍事電子技術(shù)以及美國2000年前發(fā)展的10項(xiàng)軍民兩用高新技術(shù)之一。1993年美國政府撥款7000萬美元，在電子工業(yè)協(xié)會(huì)內(nèi)建立一個(gè)新的分部，實(shí)施一個(gè)由政府資助、耗資5億美元的MCM技術(shù)三年發(fā)展計(jì)劃，使美國于1996年在多芯片集成技術(shù)方面居世界領(lǐng)先地位。1994年底，由歐洲5國(英、法、瑞典、奧地利、芬蘭)的10余家公司、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)組成聯(lián)盟，完成了一項(xiàng)發(fā)展MCM技術(shù)的三年合作計(jì)劃，其工作頻率可高達(dá)40 GHz(用于通信)、功率密度達(dá)40 W/cm2(用于汽車和工業(yè))。日本各著名公司也采取了有效措施強(qiáng)化MCM產(chǎn)業(yè)，已開始了半定制MCM的研究。目前，MCM已

30、被公認(rèn)為是20世紀(jì)90年代的代表技術(shù)，近十年又是MCM發(fā)展的最輝煌的時(shí)代。2. 低溫共燒陶瓷多層集成電路技術(shù)(LTCC)低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramics，LTCC)是現(xiàn)代微電子封裝中重要的研究分支，主要用于高速、高頻系統(tǒng)。低溫共燒陶瓷是一種很薄的陶瓷多層基片，這種陶瓷材料厚度僅為10 mm，由三層組成，里外兩層均為涂覆陶瓷層，中間夾有一層銀。它與其他多層基板技術(shù)相比較，具有以下特點(diǎn)： 易于實(shí)現(xiàn)更多布線層數(shù)，提高組裝密度。 易于內(nèi)埋置各種無源元器件，提高組裝密度，實(shí)現(xiàn)多功能。 便于基板燒成前對(duì)每一層布線和互連通孔進(jìn)行質(zhì)量檢查，有利于提高多層基板的成品

31、率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。 具有良好的高頻特性和高速傳輸特性。 易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔，從而可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的多功能微波MCM。 與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性，二者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件(MCM-CD)。 易于實(shí)現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小體積和質(zhì)量，提高可靠性。 LTCC具有很好的抗沖擊性能，其成本遠(yuǎn)低于常規(guī)材料，而且易于大批量生產(chǎn)。 LTCC系統(tǒng)最早被用于多層基板和多芯片組裝，最近幾年，LTCC技術(shù)開始進(jìn)入無源集成領(lǐng)域，成為實(shí)現(xiàn)無源集成的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。目前，通過LTCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)無源集成主要有兩種途徑：一種是將無源元件埋在低燒

32、低介陶瓷中；另一種是通過多層多成分陶瓷的共燒和圖形化實(shí)現(xiàn)。無疑，后者是利用LTCC來實(shí)現(xiàn)無源集成的方向。與此同時(shí)，LTCC技術(shù)由于自身具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在用于制作新一代移動(dòng)通信中的表面組裝型元器件時(shí)顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。目前，移動(dòng)通信中采用LTCC技術(shù)制作的SMD型VCO、LC濾波器、頻率合成組件、GSMDCS開關(guān)共用器、DCDC變換器、功率放大器、藍(lán)牙組件等均已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。目前，LTCC已經(jīng)成為電子元器件、微電子封裝領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)和炙手可熱的明日技術(shù)之一，日益受到重視。 9.4微波及毫米波集成電路應(yīng)用實(shí)例在過去的50年里，微波和毫米波集成電路有了巨大的發(fā)展。 如今，集成電路已經(jīng)具

33、有更小的尺寸、更高的集成度和更低的成本，在雷達(dá)、電子戰(zhàn)和商業(yè)領(lǐng)域中有更廣泛的應(yīng)用。本節(jié)將簡要介紹微波及毫米波集成電路在雷達(dá)、電子對(duì)抗和通信領(lǐng)域的應(yīng)用。9.4.1微波及毫米波集成電路在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用雷達(dá)在許多軍事和商業(yè)領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。軍事應(yīng)用包括目標(biāo)位置跟蹤、繪圖和偵測，商業(yè)應(yīng)用包括氣象探測、運(yùn)動(dòng)測量、速度測量、避免撞擊汽車的自動(dòng)雷達(dá)和航空雷達(dá)。早期雷達(dá)使用磁控管的發(fā)射機(jī)，在第二次世界大戰(zhàn)得到了發(fā)展。后來，電子管型、放大器型的發(fā)射機(jī)相繼應(yīng)用，如速調(diào)管(KPA)和行波管(TWT)。到1970年，固態(tài)發(fā)射機(jī)通過高效的高功率硅使雙極型晶體管第一次在雷達(dá)中應(yīng)用。空管雷達(dá)在航空交通中起控制作用。19

34、90年由Northrop Grumman公司開發(fā)的ASR-12固態(tài)雷達(dá)發(fā)射模塊電路是空氣冷卻式微帶功率模塊，它使用4個(gè)聯(lián)結(jié)硅鍺(SiGe)功率晶體管，頻帶覆蓋為2.72.9 GHz，雷達(dá)帶寬峰值功率為700 W。SiGe與硅BJT相比可以有更高的工作頻率和效率。在19801990年，高電子遷移率晶體管(HEMT)的發(fā)展為接收機(jī)前端提供了很好的低噪聲放大器。GaAs pHEMT可工作于100 GHz的頻帶范圍，硅BJT的工作頻帶也從3 GHz擴(kuò)展到20 GHz左右。 1990年MA-COM推出了汽車防撞雷達(dá)收發(fā)模塊，其工作頻率為77 GHz，使用玻璃硅(GMIC)基板，并在基板上制作低損耗微帶傳

35、輸線、偏置電路(螺旋電感、電容和電阻)、環(huán)形橋、散熱和接地裝置。微波電路包括微帶線介質(zhì)諧振器振蕩器(DRO)、放大器、倍頻器、混頻器和PIN開關(guān)等。 考慮到體積限制和分辨特性的要求，導(dǎo)彈上的微波系統(tǒng)使用毫米波頻段較多，對(duì)MMIC的要求是低成本和精密封裝。 由Northrop Grumman公司在1990年生產(chǎn)的W波段彈載收發(fā)模塊內(nèi)徑為25.4 mm，厚度為6.35 mm，外接4個(gè)圓極化天線。模塊包括一個(gè)單脈沖比較器和兩個(gè)全MMIC接收機(jī)，每個(gè)MMIC接收機(jī)信道都有一個(gè)平衡低噪聲放大器、一個(gè)圖像增強(qiáng)抑制諧波混頻器和一個(gè)中頻放大器。基板采用石英、明礬和LTCC混合材料，選用InP MMIC低噪放大

36、器來改善噪聲特性； 放大器和混頻器選用GaAs pHEMT。 由Northrop Grumman公司在1990年為導(dǎo)彈應(yīng)用制造的W波段1 W微型發(fā)射機(jī)的重量僅為68 g，最大尺寸是33.02 mm。發(fā)射機(jī)輸入端輸入Ku波段信號(hào)后，經(jīng)兩次倍頻、功率放大和功分后進(jìn)入兩個(gè)8路輸出通道。每個(gè)8路輸出通道經(jīng)功率放大后，送入放射狀的功率合成器中，每兩個(gè)放射狀的合成器的輸出信號(hào)在一個(gè)T型波導(dǎo)中耦合。石英型LTCC介質(zhì)基板為集成電路提供直流通路且作為有源MMIC電路的控制信號(hào)。所有的MMIC均應(yīng)用了GaAs pHEMT。 在固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)中，每一個(gè)單元都帶有自己的收發(fā)模塊(TR組件)。固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)有許多實(shí)際

37、應(yīng)用，如ANSPY-1(神盾系統(tǒng))、愛國者系統(tǒng)、EAR系統(tǒng)、機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)(AWACS)、多功能電子掃描自適應(yīng)雷達(dá)系統(tǒng)(MESAR)、ANTPS-70、ANTPQ-37、PAVE PAWS、眼鏡蛇DANE、眼鏡蛇JUDY、F22和高空防衛(wèi)雷達(dá)等。 9.4.2微波及毫米波集成電路在電子對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用微波及毫米波集成電路在電子對(duì)抗(ECM)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。無源ECM主要采用金屬碎箔、假目標(biāo)或其他反射體來改變雷達(dá)回波模型。有源ECM使用人為干擾技術(shù)和欺詐技術(shù)，欺詐性ECM是有意圖地發(fā)射或重發(fā)具有一定幅度、頻率、相位的間歇或連續(xù)波信號(hào)來迷惑電子系統(tǒng)對(duì)信息的獲取和使用。20世紀(jì)80年代開發(fā)的寬帶ECM

38、多功能模塊使用微帶線、槽線和共面波導(dǎo)，完整的功能包括耦合、限幅、上變頻、下變頻、寬帶放大、幅度調(diào)制、整流、選通和穩(wěn)頻源等， 可工作在不同頻段，包括S、C、X和Ku波段。 9.4.3微波及毫米波集成電路在通信領(lǐng)域的應(yīng)用MIC和MMIC在通信等商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛。雙向無線電通信、尋呼、蜂窩電話、視距通信鏈路、衛(wèi)星通信、無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙、本地多點(diǎn)分布式系統(tǒng)(LMDS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)等系統(tǒng)的快速普及改變了人們的生活方式。 雙向無線電通信是一種便捷的通信方式。1941年，Motorola首先生產(chǎn)出商業(yè)的FM雙向無線電通信系統(tǒng)線路和設(shè)備。FM技術(shù)較AM技術(shù)在解決幅度恒定問題上有

39、了重大的改進(jìn)。1955年，Motorola推出了Handie-Talkie袖珍無線尋呼機(jī)，選擇性地發(fā)送無線電信息給特定的用戶。尋呼機(jī)很快取代了醫(yī)院和工廠的公共通告系統(tǒng)。1962年，Motorola推出了全晶體管化的Handie-Talkie HT200便攜式雙向無線電通信系統(tǒng)。1983年，Motorola推出了第一代DynaTAC模擬蜂窩系統(tǒng)，在1985年開始商業(yè)運(yùn)作。在20世紀(jì)90年代，數(shù)字技術(shù)引入了蜂窩無線通信(第二代)，為改善話音質(zhì)量的同樣帶寬提供了更多的無線信道，工作頻段為8001000 MHz和17501900 MHz，模擬和數(shù)字并存。數(shù)字模式包括全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、時(shí)分多址

40、(TDMA)和碼分多址(CDMA)。第三代蜂窩電話為Internet的接入提供了更高的數(shù)據(jù)率和嵌入式藍(lán)牙模塊，可以無線連接到計(jì)算機(jī)上。這些系統(tǒng)中使用了大量的MMIC電路。視距高塔通信鏈路從20世紀(jì)40年代起用于進(jìn)行電話、圖像和數(shù)據(jù)在微波頻段的通信。C.Clarke在1945年首先提出了衛(wèi)星通信。由于語音、圖像和數(shù)據(jù)傳輸方面的全球需求飛速增長，衛(wèi)星通信在過去的30年中得到了迅猛的發(fā)展。固定衛(wèi)星服務(wù)(FSS)，如INTELSAT，為衛(wèi)星和很多較大的地球站之間提供通信。這些地球站通過陸地電纜連接起來，主要使用了S、C和Ku波段，也用到了2030 GHz。1965年發(fā)射的INTELSAT 提供240路話音信道。1989年之前發(fā)射了INTELSAT