射頻微系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展及展望

圖4SiP射頻微系統(tǒng)模組

在雷達(dá)應(yīng)用方面，2021年中電科38所設(shè)計(jì)了一款76~81 GHz的調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)（如圖5所示）。該雷達(dá)采用了埋入玻璃扇出（eGFO）工藝，集成了2個(gè)發(fā)射天線和8個(gè)接收天線，典型輸出功率為14.5 dBm，在多饋源虛擬陣下提升了7.5 dB的等效各向同性輻射功率（EIRP）。2022年上海交通大學(xué)基于苯并環(huán)丁烯（BCB）將X波段硅基鎖相環(huán)芯片、W波段SiGe毫米波芯片、GaN功率放大芯片、電容、TaN電阻和濾波器等無源元件進(jìn)行集成（如圖6所示），輸出功率達(dá)到22 dBm，整體體積僅為60×40×8mm3。

圖52×8 MMIO eGFO封裝AiP

針對(duì)大陣面相控陣系統(tǒng)，雷神公司提出了可擴(kuò)展的瓦片式FEM射頻微系統(tǒng)（如圖7所示）。該組件由4×4個(gè)單元組成，基于BCB的RDL和TSV轉(zhuǎn)接板將高效率InP功放、InGaAs低噪聲放大器和32通道的CMOS收發(fā)專用集成電路（ASIC）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化芯片進(jìn)行集成，在18~50 GHz發(fā)射功率大于3 dBm，接收支路增益可調(diào)范圍9~25 dB。

圖694 GHz FMCW射頻前端（含電源）

圖7可擴(kuò)展集成架構(gòu)

Chrent射頻微系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀2.1射頻微系統(tǒng)互連

射頻微系統(tǒng)的互連作為連接其中不同電路和組件的紐帶，對(duì)系統(tǒng)性能有著重要影響，主要技術(shù)指標(biāo)包括傳輸損耗、駐波、帶寬、隔離度等。

在TSV互連中，轉(zhuǎn)接板通常采用高阻Si。2008年南洋理工大學(xué)研究了基于傳統(tǒng)銅插入式互連與同軸式TSV互連兩種結(jié)構(gòu)形式，實(shí)測(cè)表明基于高阻Si的同軸結(jié)構(gòu)TSV互連（介質(zhì)采用SU-8）在10 GHz下具有更低的損耗（0.33 dB/mm）和駐波特性。與TSV相比，基于更高體電阻率、更低介電常數(shù)的玻璃通孔（TGV）可以實(shí)現(xiàn)更低的傳輸損耗。2018年瑞典皇家理工學(xué)院提出一種共形金屬電鍍工藝（如圖8所示），實(shí)現(xiàn)的TGV通孔在10 GHz的插入損耗僅為0.14 dB/mm。

隨著工作頻率的進(jìn)一步升高，傳輸線的導(dǎo)體損耗、寄生電容等寄生參數(shù)效應(yīng)變大。2015年瑞典皇家理工學(xué)院采用一種可實(shí)現(xiàn)高深寬比的磁自組裝TSV工藝。該工藝采用比SiO2/Si3N4更低介電常數(shù)和低楊氏模量的BCB材料充當(dāng)絕緣層，實(shí)現(xiàn)了DC~86 GHz帶寬互連，75 GHz下插損為2.12 dB/mm。2020年德國IHP萊布尼茨創(chuàng)新微電子研究所制備了一種BiCMOS內(nèi)嵌的環(huán)形TSV結(jié)構(gòu)（如圖9所示），在240 GHz和300 GHz處可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.83 dB和0.94 dB的插損。

圖8傳統(tǒng)TGV與共形金屬電鍍TGV

圖9BiCMOS內(nèi)嵌TSV結(jié)構(gòu)

射頻微系統(tǒng)中互連與互連、互連與有源器件的電磁耦合效應(yīng)對(duì)電路性能（特別是信號(hào)完整性）有著重要的影響，需要考慮傳輸線的隔離度。為減少串?dāng)_，一方面可從集成架構(gòu)上考慮，例如采用周期性結(jié)構(gòu)（EBG）進(jìn)行分塊功能的隔離;另一方面，從互連線本身出發(fā)，設(shè)計(jì)高隔離的互連結(jié)構(gòu)。2011年韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）針對(duì)TSV互連提出了一種保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)（如圖10所示），可以將穿過絕緣層的泄露電流經(jīng)過接地的保護(hù)環(huán)從而降低串?dāng)_噪聲。該結(jié)構(gòu)在1 GHz處耦合噪聲幅值降低了53.5%，在0~20 GHz改善隔離10 dB以上。2020年西安電子科技大學(xué)提出了一種六邊形硅通孔接地屏蔽結(jié)構(gòu)，通過將屏蔽通孔接地，電磁場(chǎng)被限制在中心導(dǎo)體和屏蔽通孔之間從而降低損耗，相較傳統(tǒng)G-S TSV分布結(jié)構(gòu)，在0~20 GHz范圍內(nèi)串?dāng)_優(yōu)化15 dB。

2.2射頻微系統(tǒng)仿真與優(yōu)化

隨著射頻微系統(tǒng)中芯片和互連集成密度的提高，電路內(nèi)部的電磁、熱、力、流等多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)更加突出，導(dǎo)致電磁兼容和可靠性問題成為應(yīng)用的瓶頸。此外，系統(tǒng)中的尺度涵蓋10-9~10-1m，跨尺度的計(jì)算進(jìn)一步加劇了射頻微系統(tǒng)的仿真效率，因此如何在多場(chǎng)-多尺度下開展射頻電路高效率仿真成為射頻微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖11為射頻微系統(tǒng)中多物理場(chǎng)之間的耦合關(guān)系。電磁場(chǎng)與熱場(chǎng)間耦合效應(yīng)主要由兩方面構(gòu)成：一方面是材料與半導(dǎo)體器件在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生焦耳熱；另一方面由于溫度的變化導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、載流子遷移率產(chǎn)生變化，在影響材料和半導(dǎo)體器件性能的同時(shí)也產(chǎn)生了焦耳熱，從而形成一種互耦關(guān)系。熱場(chǎng)與力場(chǎng)的耦合效應(yīng)是因?yàn)椴牧系臒崤蛎浥c熱效應(yīng)有關(guān)，因此溫度會(huì)改變材料的體積和位移，從而改變異構(gòu)異質(zhì)材料間的應(yīng)力，導(dǎo)致形變。形變一方面會(huì)導(dǎo)致材料和器件電磁特性的變化，另一方面會(huì)產(chǎn)生材料間的應(yīng)力失配而產(chǎn)生裂紋甚至斷裂等問題。此外，射頻微系統(tǒng)中為降低系統(tǒng)溫度，部分電路會(huì)引入流體散熱等主動(dòng)散熱技術(shù)。微流道速度和流量對(duì)溫度調(diào)節(jié)效果顯著，但流速和流量的不同對(duì)流道的壓力也不同，因此在降低溫度的同時(shí)也帶了新的應(yīng)力。

圖10保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)及其等效電路模型

圖11射頻微系統(tǒng)中多物理場(chǎng)耦合關(guān)系

目前主流的多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)有兩大類型一種是采用直接耦合求解方法（緊耦合，例如COMSOL），直接聯(lián)立求解所有場(chǎng)方程;另一種是間接耦合求解方法（松耦合，例如ANSYS），先對(duì)每一個(gè)場(chǎng)單獨(dú)求解，然后將求解結(jié)果代入到下一個(gè)場(chǎng)進(jìn)行求解，完成所有場(chǎng)求解后迭代直至所有場(chǎng)的解收斂。2018年上海交通大學(xué)針對(duì)無源和有源器件進(jìn)行了電-熱耦合計(jì)算和仿真，并開發(fā)了多場(chǎng)耦合仿真軟件。無論是緊耦合還是松耦合的求解方案，其本質(zhì)均為基于有限元方法進(jìn)行微分方程和偏微分方程的求解，求解依賴網(wǎng)格劃分的精度。射頻微系統(tǒng)幾何尺度跨度大，內(nèi)部元器件眾多，其RDL、TSV等與芯片、封裝、PCB、腔體等結(jié)構(gòu)比最大可達(dá)到1∶50000，為得到精確的仿真結(jié)果需要大量的仿真資源和計(jì)算時(shí)間。

對(duì)此，近年來模型驅(qū)動(dòng)的多物理場(chǎng)仿真技術(shù)以其仿真計(jì)算效率高的特點(diǎn)獲得了關(guān)注。2013年法國THALES構(gòu)建了一套協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字、電磁、電路、熱的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，以及從晶體管-組件-系統(tǒng)的跨層級(jí)仿真（如圖12所示）。2016年DARPA在DAHI項(xiàng)目下也形成了一套系統(tǒng)、功能單元、基礎(chǔ)工藝的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，其軟件平臺(tái)已成熟應(yīng)用。2021年電子科技大學(xué)對(duì)射頻微系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)開展多場(chǎng)耦合可靠性研究，并研制了一款射頻微系統(tǒng)可靠性分析軟件，通過建立封裝可靠性模型，提高計(jì)算效率。2022年中電科55所通過器件級(jí)熱仿真、電路級(jí)仿真和系統(tǒng)級(jí)仿真相結(jié)合的方法進(jìn)行了超寬帶射頻微系統(tǒng)熱電設(shè)計(jì)。

圖12法國THALES多場(chǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)方案

2.3射頻微系統(tǒng)集成架構(gòu)設(shè)計(jì)

射頻微系統(tǒng)的集成架構(gòu)設(shè)計(jì)主要指堆疊結(jié)構(gòu)和電路布版，除考慮系統(tǒng)性能、體積和成本外，還需重點(diǎn)考慮高效散熱和集成天線。

隨著集成度的提高，熱流密度也隨之增大，因此設(shè)計(jì)高效散熱的集成架構(gòu)是射頻微系統(tǒng)需要關(guān)注的重點(diǎn)之一。典型的散熱技術(shù)有采用高導(dǎo)熱材料的被動(dòng)散熱和采用微流道的主動(dòng)散熱技術(shù)。2021年中電科55所基于硅基微流道散熱架構(gòu)提出了一款射頻FE微系統(tǒng)架構(gòu)（如圖13所示），內(nèi)置微流道的同時(shí)還在芯片下設(shè)置金屬柱陣列提高散熱效率。2023年北京大學(xué)提出了一種內(nèi)嵌微流道轉(zhuǎn)接板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（如圖14所示）。該結(jié)構(gòu)包括三層，頂層是流道的蓋層，第二層是放置了三角形微針鰭陣列的硅基微流道層，大的微針鰭用于支撐，流道采用4進(jìn)2出方式以改善溫度均勻性，最下面一層是低溫共燒陶瓷（LTCC）基板，優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)最大散熱能力達(dá)到1300 W/cm2，優(yōu)于圓形微針鰭陣列和S形結(jié)構(gòu)。

圖13硅基微流道FE射頻微系統(tǒng)

圖14基于內(nèi)嵌微流道轉(zhuǎn)接板4×4 FEM微系統(tǒng)

2019年美國科羅拉多大學(xué)提出了一種金屬嵌入式芯片（MECA）高效散熱集成技術(shù)（如圖15所示）。該技術(shù)將射頻芯片和氧化鋁基板無源器件內(nèi)嵌到銅金屬中，與沒有用MECA技術(shù)的裝配相比，MECA技術(shù)可使得GaN芯片在10 GHz下增益提升3 dB，效率增加3.2%。

圖15金屬嵌入式芯片結(jié)構(gòu)示意圖及其集成后實(shí)物照片

在FE射頻微系統(tǒng)上，其核心是如何實(shí)現(xiàn)AiP天線設(shè)計(jì)以及與芯片的互連。2013年新加坡微電子所設(shè)計(jì)了一種基于TSV互連的晶圓級(jí)封裝的AiP（如圖16所示），該天線采用基于TSV的兩層高阻Si堆疊，底層Si上是共面波導(dǎo)（CPW）饋電和槽線輻射器，頂層Si上放置了貼片用于改善增益和輻射效率，在76~93 GHz實(shí)現(xiàn)了2.4 dBi增益。

圖16基于TSV互連的晶圓級(jí)封裝的AiP

2023年，美國佐治亞理工學(xué)院提出了一種集成芯片的玻璃ABF樹脂基轉(zhuǎn)接板AiP技術(shù)，該技術(shù)采用了交錯(cuò)介質(zhì)通孔結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)的金絲和倒裝互連具有更低的損耗，而且利用該技術(shù)還可以集成傳統(tǒng)熱沉而實(shí)現(xiàn)高效散熱（如圖17所示）。利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1×8 AiP貼片天線陣列，在D波段實(shí)現(xiàn)了11.6 dB的高增益。

圖17玻璃樹脂基FE射頻微系統(tǒng)

Chrent射頻微系統(tǒng)展望在互連方面，目前的性能水平基本上能夠滿足射頻微系統(tǒng)的需求。然而互連尺寸進(jìn)一步縮小可以增加射頻電路設(shè)計(jì)的靈活性，因此在微型化、低損耗和低成本方面仍是重要的發(fā)展方向。此外，微型化的同時(shí)也給可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)，但目前在可靠性方面的研究仍較少。在微型化、低損耗方面，目前有研究表明選用碳納米管（CNT）充當(dāng)導(dǎo)體材料，相較于傳統(tǒng)導(dǎo)體銅、鎢、鋁受高頻下的趨膚效應(yīng)影響小，整體性能均得到有效提升，同時(shí)碳納米管具有高熱導(dǎo)率和高載流能力，有利于提高系統(tǒng)整體的可靠性，但在制備工藝上仍有較高難度。

在散熱方面，隨著射頻微系統(tǒng)微型化的進(jìn)一步發(fā)展和高功率固態(tài)器件集成，使得射頻微系統(tǒng)的熱流密度進(jìn)一步提升，如何實(shí)現(xiàn)大功率、微型化的射頻微系統(tǒng)將是未來發(fā)展的難點(diǎn)之一。除了采用傳統(tǒng)Si基微流道和高效散熱集成架構(gòu)設(shè)計(jì)，在高導(dǎo)熱新材料集成方面仍有很大的空間，例如近年來面向固態(tài)微波器件的金剛石散熱技術(shù)和金剛石微流道技術(shù)已經(jīng)取得較好的進(jìn)展，未來如能集成到射頻微系統(tǒng)工藝中，將有效提升射頻微系統(tǒng)的輸出功率。此外，智能熱管理技術(shù)的發(fā)展也將進(jìn)一步提升系統(tǒng)的散熱能力。

在仿真與優(yōu)化方面，高效仿真平臺(tái)對(duì)縮短研發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本和提升電學(xué)與可靠性性能有著重要意義，但由于射頻微系統(tǒng)跨尺度、多層級(jí)、多物理場(chǎng)耦合的特殊性，實(shí)現(xiàn)高效的多場(chǎng)協(xié)同仿真仍是未來需重點(diǎn)解決的問題。近年來人工智能技術(shù)發(fā)展，有望推動(dòng)模型甚至數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新一代快速仿真方法。此外，在設(shè)計(jì)方面，隨著新材料和新器件的發(fā)展，未來射頻微系統(tǒng)的仿真將跨越到設(shè)計(jì)-工藝協(xié)同優(yōu)化（DTCO）和系統(tǒng)-工藝協(xié)同優(yōu)化（STCO）。

最后，隨著偵干探通一體化電子技術(shù)的發(fā)展，多功能一體化集成也是射頻微系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，除了在集成架構(gòu)方面，還需要對(duì)射頻微系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)架構(gòu)上延伸，滿足不同功能的可重構(gòu)和智能化。此外，射頻與光電、數(shù)字、模擬等集成接口及其標(biāo)準(zhǔn)化也是射頻微系統(tǒng)未來走向“芯?！奔尚枰紤]的內(nèi)容。

Chrent總結(jié)射頻微系統(tǒng)是微波電路與系統(tǒng)從小型化發(fā)展到微型化的標(biāo)志。高性能互連、高效仿真與優(yōu)化、高密度集成架構(gòu)等技術(shù)是射頻微系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著新材料、新型半導(dǎo)體器件、新工藝和新設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，射頻微系統(tǒng)在工作頻率、輸出功率、集成度和成本等特性上仍將繼續(xù)突破，對(duì)小型化無人機(jī)、新一代戰(zhàn)機(jī)、航空航天、5G/6G移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、可穿戴裝備等對(duì)微型化要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景有著巨大潛力。

文章摘自：《微波學(xué)報(bào)》

作者：徐銳敏，王歡鵬，徐躍杭