T/R組件核心技術(shù)最新發(fā)展綜述(二)

吳禮群，孫再吉

(南京電子器件研究所，南京 210016)

2.4 新型集成技術(shù)

2.4.1 模塊級(jí)集成

新一代T/R組件無(wú)疑將采用三維集成技術(shù)來(lái)大幅度縮小T/R組件的體積。DARPA的“可重構(gòu)收發(fā)器的可縮放毫米波結(jié)構(gòu)(SMART)計(jì)劃”的目標(biāo)就是提高毫米波孔徑的集成水平。

SMART計(jì)劃始于2006年，目的是開(kāi)發(fā)三維集成輻射表皮的多層模塊。將在薄型結(jié)構(gòu)上制造完整的T/R組件，到2010年4年期項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，在厚度遠(yuǎn)小于1 cm的表皮上獲得5 W/cm2的功率密度。該方法有助于快速開(kāi)發(fā)出最小封裝內(nèi)的多波段固態(tài)陣列。

按SMART計(jì)劃要求，一個(gè)疊層中可以同時(shí)安裝多個(gè)PA和LNA，各自有特定的頻率范圍。這些模塊應(yīng)形成隨意大小的毫米波陣列，由批生產(chǎn)的模塊化子陣部件組成。這些高性能、低成本的部件通過(guò)PA陣列的高度集成，便于實(shí)現(xiàn)排列式發(fā)射機(jī)，以此獲得極高的輸出功率。此外，這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)多波段AESA，使陣列實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)復(fù)雜電子環(huán)境。

2.4.2 微波系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)技術(shù)

移動(dòng)武器平臺(tái)(如:空天、星載、機(jī)載和地面移動(dòng)武器)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)用T/R組件的要求比較苛刻:在有限的空間和尺度下，在保證可靠工作的前提下，實(shí)現(xiàn)最大發(fā)射功率輸出，以達(dá)到最大探測(cè)距離。這樣的要求在技術(shù)上轉(zhuǎn)化為T(mén)/R組件的進(jìn)一步集成，在現(xiàn)在至未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在單一封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)T/R的全部功能是達(dá)到這一要求的主要途徑。

SIP級(jí)T/R組件的核心內(nèi)容是三維多芯片組裝(3D-MCM)。T/R組件從二維布局提升到三維堆疊，特別是在密集陣列應(yīng)用要求下，需要重點(diǎn)解決的是高效散熱、三維電磁場(chǎng)模擬和仿真、高密度互連(HDI)、信號(hào)路由與竄擾和高成品率制造。

SIP級(jí)T/R組件的發(fā)展將會(huì)更多依賴(lài)于微電子工藝集成。圓片級(jí)封裝(WLP)是其中一種主要技術(shù)途徑。在圓片工藝下實(shí)現(xiàn)的無(wú)源片上集成(IPD)、高密度銅互連、(硅通孔)TSV和圓片(芯片)鍵合將進(jìn)一步提升T/R組件的集成密度，直接的效果將是相控陣?yán)走_(dá)的小型化。

T/R組件技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展將可能迎來(lái)以異構(gòu)集成為主要內(nèi)容的片上集成微系統(tǒng)，也就是片上平臺(tái)。

3 T/R組件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 T/R組件的發(fā)展趨勢(shì)之一:基于圓片級(jí)封裝的T/R組件開(kāi)始出現(xiàn)

在技術(shù)發(fā)展方面，具備快速波形轉(zhuǎn)換能力和高焦點(diǎn)增益的大型相控陣是未來(lái)通信和國(guó)防應(yīng)用所偏重的。這類(lèi)陣列可支持未來(lái)的空間和空中情報(bào)監(jiān)控偵查平臺(tái)(ISR)，提供極高的空間分辨率以支持地面移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(GMTI)、空中移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(AMTI)及搜救任務(wù)(SAR)。另外，單元間距大于Nyquist限制的密集陣列，其天線掃描范圍將受到限制。對(duì)于寬帶孔徑來(lái)說(shuō)，單元間距應(yīng)小于半波長(zhǎng)。由于信號(hào)頻率不斷增加，RF前端模塊的尺寸和天饋結(jié)構(gòu)的尺寸通常較大，制約了大型相控陣小于半波長(zhǎng)的單元間距的實(shí)現(xiàn)，圓片級(jí)組裝(WSA)的超緊湊超小T/R模塊是一種有效的解決方案。

諾·格公司的基于圓片級(jí)組裝的T/R模塊，如圖1所示。圖1(a)是一個(gè)Q波段發(fā)射器與天線集成的整體框架和內(nèi)部示意圖。其中一層襯底(圓片1)使用GaAs HEMT技術(shù)制作，內(nèi)含RF器件。另一層GaAs襯底(圓片2)上制造集成環(huán)形天線。RF、數(shù)字和接地信號(hào)由其中一層GaAs圓片通孔導(dǎo)入模塊。該模塊內(nèi)含一個(gè)放大器，一個(gè)3-bit移相器及提供信號(hào)通道與接地的空腔內(nèi)部互連(ICIC，intra cav-)。為實(shí)現(xiàn)Q波段模塊內(nèi)超過(guò)30 dB的隔離，在空腔中加入了隔離接地柵條［13］。

3.2 T/R模塊的發(fā)展趨勢(shì)之二:下一代T/R組件應(yīng)用的GaN器件技術(shù)發(fā)展呈加速態(tài)勢(shì)

相對(duì)于GaAs器件而言，GaN器件的卓越特性使之特別適合應(yīng)用于未來(lái)的相控陣?yán)走_(dá)。為此，各技術(shù)強(qiáng)國(guó)都在GaN器件技術(shù)上投入了可觀的力量。目前，GaN器件尚未進(jìn)入相控陣?yán)走_(dá)裝備應(yīng)用的主要原因是技術(shù)尚未成熟，主要體現(xiàn)在器件的成本較高和器件的可靠性較低兩方面。

為解決這兩個(gè)問(wèn)題，SiC基GaN圓片的大直徑化和器件工藝的成熟化是必經(jīng)之路。現(xiàn)在，基于多年的技術(shù)積累和多項(xiàng)工藝技術(shù)的成熟，SiC基GaN射頻器件進(jìn)入4英寸圓片規(guī)模量產(chǎn)階段，其標(biāo)志是4英寸工藝線代工服務(wù)(FOUNDRY)的開(kāi)放。這個(gè)標(biāo)志對(duì)下一代T/R組件中GaN器件的應(yīng)用具有里程碑意義。FOUNDRY的開(kāi)放可以加速推進(jìn)GaN技術(shù)的成熟，一方面，更大直徑圓片工藝的規(guī)模效益可以使成本迅速下降，另一方面，F(xiàn)OUNDRY的開(kāi)放可以通過(guò)更大批量的流片使器件工藝技術(shù)更為成熟，以此大幅度提高器件可靠性。目前4英寸GaN器件的技術(shù)特征概括如下［14］。

(1)材料技術(shù)

①4英寸4H－SiC高純半絕緣襯底材料，平均微管密度小于1 cm2，最低0.35 cm2;②MOCVD 外延爐內(nèi)4英寸8片/批，薄層電阻平均偏差1.3%，圓片與圓片間偏差0.4%;③AlGaN厚度(基于1100片外延片測(cè)試)，圓片與圓片偏差1.8%(σ/均值)，片內(nèi)偏差1.1%(σ/均值)。

(2)設(shè)計(jì)技術(shù)

①大信號(hào)模型、非線性模型完備;②工藝設(shè)計(jì)套件(PDK，process desing kits)完備;③雙場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，Г形柵和第一場(chǎng)板整合。

(3)工藝技術(shù)

①4 英寸0.4 μm I線步進(jìn)光刻工藝(0.25 μm處發(fā)展中);②100 μm通孔工藝(源接觸和無(wú)源元件接地);③Г型柵結(jié)構(gòu);④MIM電容，擊穿電壓大于100 V;⑤雙層鈍化;⑥歐姆接觸電阻0.35 Ω·mm。

(4)典型器件性能

兩級(jí) GaN MMIC，工作頻率 2.5 ～6.0 GHz，輸入和輸出50 Ω匹配，28 V電壓工作，小信號(hào)增益18 dB，射頻輸出功率25 W，效率30% ～50%。

3.3 T/R模塊的發(fā)展趨勢(shì)之三－塑料封裝T/R模塊支持的輕量化、低成本相控陣出現(xiàn)

GaAs射頻器件是目前相控陣?yán)走_(dá)射頻前端的首選器件。由于民用和商業(yè)市場(chǎng)的大批量應(yīng)用，加上軍用市場(chǎng)的需求促進(jìn)，GaAs器件技術(shù)在今天已經(jīng)非常成熟，無(wú)論是成本還是可靠性都已經(jīng)達(dá)到其競(jìng)爭(zhēng)器件難以超越的水平。但是，長(zhǎng)久以來(lái)，在軍事應(yīng)有方面，由于應(yīng)用量相對(duì)于民用和商用非常小，再加上軍用要求特別，這樣，盡管民用或商用價(jià)格已經(jīng)非常低，但軍用的GaAs器件價(jià)格還是高昂，對(duì)于像由幾千個(gè)T/R模塊組成的相控陣?yán)走_(dá)，GaAs T/R組件的成本是影響相控陣?yán)走_(dá)裝備應(yīng)用的主要負(fù)擔(dān)。

除了低成本要求，相控陣?yán)走_(dá)的空間應(yīng)用和航空應(yīng)用對(duì)T/R模塊提出苛刻的輕量化要求。

洛克希德·馬丁公司在其“瓦片”式陣列天線單元中開(kāi)始使用塑料封裝的單片化T/R模塊，與此配套，在天線組裝工藝中使用軟基板貼片工藝生產(chǎn)陣列“瓦片”，“瓦片”式相控陣陣列單元剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。T/R單片，如圖3所示。該單片集成了一個(gè)高功率T/R開(kāi)關(guān)，一個(gè)功率放大器，一個(gè)帶有限幅器的低噪聲放大器，一個(gè)5位移相器和一個(gè)5位衰減器，另外，直流偏置電路和抗輻射加固控制接口電路也集成在內(nèi)。為了降低成本和重量，該T/R芯片作了塑料封裝，如圖4所示，并以表面貼裝工藝組裝在柔性基板上［15］。

4 結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)述了有源相控陣?yán)走_(dá)用T/R組件的研發(fā)現(xiàn)狀，重點(diǎn)探討了其核心技術(shù)——微波單片集成電路(MMIC)和微波多芯片組件(MMCM)的技術(shù)的進(jìn)展;以及推動(dòng)新一代T/R組件發(fā)展的各種創(chuàng)新性技術(shù)，并通過(guò)探討最新報(bào)道的T/R組件的一些創(chuàng)新成果，來(lái)分析T/R組件的技術(shù)發(fā)展走向;以此供業(yè)界人士參考，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)T/R組件及有源相控陣領(lǐng)域快速發(fā)展。

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