CN101714884B - 超大功率、超低噪声射频接收前端模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是超大功率、超低噪声射频接收前端模块及其制备方法，其结构在大功率开关的基础上集成低噪放芯片构成接收前端，两通道间切换控制由集成硅驱动芯片实现。制备方法：在高导热的RO4350基板上用银浆粘接AIN衬底、集成硅驱动芯片和PIN二极管芯片；AIN衬底上用银浆粘接大功率PIN二极管芯片；PIN二极管、集成硅驱动芯片与RO4350基板间用键合金丝连接；砷化镓低噪放集成电路芯片用银浆粘接在RO4350基板和ANT-RX通道上构成接收通路。优点：满足TD-SCDMA系统基站功放超大功率切换控制的长时间/极限条件下大功率工作条件，工作安全可靠。满足低噪声系数要求，接收灵敏度和集成度高，成本低，性能优。
Description
技术领域：
本发明涉及的是一种城堡式表面贴装TTL/CMOS电平驱动的超大功率、超低噪声射频接收前端模块及其制备方法，属于移动通信技术领域。
技术背景
第三代移动通信和新一代宽带移动通信的TD-SCDMA和WIMAX系统均采用TDD模式，所以在基站系统中，功放PA到天线ANT和低噪放LNA到天线间需要一个大功率开关SW来控制收发切换。其应用模式图9所示：
目前的TD-SCDMA和WIMAX系统基站中，收发切换开关SW和低噪声放大器LNA是两个分离模块，这种应用方式在基站的批量生产中出现以下问题：
第一、开关模块和低噪声模块作为两个独立器件都满足各自的电性能要求，但表贴在功放电路板上连接后，由于个体差异，两个模块间有部分存在阻抗不匹配的现象，导致端口驻波比增大、插入损耗增大、噪声系数降低等不良后果，降低攻放模块的电性能指标，进而影响整机的系统性能指标，甚至导致整机系统NG，这样将降低整机系统的生产效率，增加生产成本；
第二、两个模块独立应用，占用空间大，不利于整机集成，也不利于整机降低成本，减小能耗。而且两个模块单独供电、单独控制更增加了电路的复杂性，增加了出错概率，不利于最终生产调试。
发明内容
本发明提出的是一种适用于3G的TD-SCDMA和WIMAX等TDD系统基站整机用的城堡式表面贴装TTL/CMOS电平驱动的超大功率、超低噪声射频接收前端模块及其制备方法，目的之一旨在满足TD-SCDMA及WIMAX系统基站功放超大功率切换控制的长时间/极限条件下的大功率工作条件，在射频功率大于35W的条件下，能安全可靠工作，并且保证整机的接收通道具有良好的噪声系数和更高的接收灵敏度。目的之二旨在提高接收前端的集成度，降低成本，优化性能。
本发明的技术解决方案：超大功率、超低噪声射频接收前端模块，其结构是ANT-TX通道采用一个低串联电阻、低热阻的大功率PIN二极管作为开关元件，ANT-RX通道采用两个小电容、低串联电阻的中功率PIN二极管作为开关元件。这样制作的开关电路在ANT-TX与ANT-RX两个通道间形成两个不对称通道，分别满足两个通道对功率、隔离度、插入损耗等要求。两个通道间的切换控制由集成硅驱动芯片实现，在ANT-RX通道后级连接一个砷化镓集成低噪放芯片，构成接收通道，满足接收通道的噪声系数及增益要求。
超大功率、超低噪声射频接收前端模块的制备方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：
一、在高导热的RO4350基板上用银奖粘接超高导热性能的AIN(氮化铝)衬底、集成硅驱动芯片、ANT-RX通道的两个PIN二极管芯片以及集成砷化镓低噪放芯片；
二、在AIN衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的大功率PIN二极管芯片；
三、PIN二极管芯片与RO4350基板之间，硅芯片与RO4350之间，砷化镓芯片与RO4350之间通过键合金丝连接。
该方法的工艺步骤还包括：
在RO4350基板上对应AIN衬底的部分打密集通孔矩阵，在通孔矩阵上用银浆粘接AIN衬底，AIN衬底TX端与电路板之间连接通过金丝(25MIL)键合连接，通过AIN衬底到密集通孔矩阵散热，可以提高电路板的散热能力，减小热阻；
在AIN衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的大功率PIN二极管芯片。大功率PIN二极管芯片阳极与电路板之间连接通过金丝(25MIL)键合连接。使用大功率PIN二极管芯片而不是封装好的二极管可以减少二极管的热阻，利于散热。而且也避免了封装带来的附加性能影响。
在RO4350基板上用银浆粘接ANT-RX通道上的两个PIN二极管芯片。PIN二极管芯片阳极与微带线之间连接通过金丝(25MIL)键合连接。
在RO4350基板上用银浆粘接集成硅驱动芯片。集成硅驱动芯片与电路板对应位置之间连接通过金丝(25MIL)键合连接。
在RO4350基板上用银浆粘接集成砷化镓低噪放芯片。集成砷化镓低噪放芯片与电路板对应位置之间连接通过金丝(25MIL)键合连接。
陶瓷帽用环氧树脂胶粘接在电路板之上。
本发明的优点：1)可在15×12mm小尺寸内实现开关、驱动及低噪声一体化，并在射频连续波60W的大功率条件下能安全可靠工作；
2)满足了TD-SCDMA及WIMAX系统基站功放超大功率切换控制的要求；满足TD-SCDMA频段接收通道的低噪声系数和增益要求，提高接收灵敏度；集成度高，成本低，性能优。
3)本发明是在非对称式的超大功率射频开关模块及基础上后级加上低噪声放大器模块电路的开关低噪放一体化模块，大大提高了模块的集成度，降低了成本，优化了性能。大大解决了单个开关模块和低噪声放大器模块由于个体差异带来相互间阻抗不匹配的现象，从而导致端口驻波比增大、插入损耗增大、噪声系数降低等问题。设计专用硅集成芯片替代外置三极管组合驱动电路，专用的砷化镓集成低噪声芯片体积小，增益高，噪声系数地，外围电路简单。
4)由于采用多芯片组装(MCM)技术，无论二极管芯片还是硅集成驱动芯片和砷化镓集成低噪声芯片，均采用裸芯片直接粘接加工方法，从而降低了芯片与基板之间的热阻，并避免了封装带来的附加效应对性能的影响，优化了模块电性能，使模块的可靠性，产品电性能均得到提升，还降低了模块的使用成本。
5)由于开关低噪放一体化模块是将开关模块和低噪声放大器模块两个模块集成在一起，占用空间小，利于整机集成，也利于整机降低成本，减小能耗。而且开关低噪放一体化模块的中的开关和低噪声放大器模块都可以同时用TTL/COMS电平来控制，使得电路更加简单，减少了出错概率，利于最终生产调试。
6)采用高导热AIN陶瓷基板作二极管芯片的衬板，降低了PIN二极管芯片与应用电路间的热阻，采用这种设计，可以使前级开关的容量更大，更可靠。
本发明是针对TD-SCDMA及WIMAX等3G通信标准的整机系统而研发的大功率开关低噪声一体化模块。由于采用先进的多芯片组装技术(MCM)和多层陶瓷共烧技术，产品具有更强的针对性，在3G通信频段上，具有更小损耗、更高隔离度、更大功率容量、更高的可靠性、更小的噪声系数、更高的增益。
附图说明
附图1是本发明的电路结构示意图，
附图2是本发明在TD-SCDMA基站中的应用之一的结构示意图，
附图3是本发明在TD-SCDMA基站中的应用之二的结构示意图，
附图4是本发明的PCB顶层版图，
附图5是本发明的芯片粘接图，
附图6是本发明的外形结构尺寸图，
附图7是集成硅驱动芯片结构及接口示意图，
附图8是集成砷化镓低噪声芯片结构及接口示意图，
附图9是在现有的基站系统中，功放PA到天线ANT和低噪放LNA到天线间需要一个大功率开关SW来控制收发切换的应用模式图。
具体实施方式
对照附图1，其结构是电源1是+5V通过75欧姆限流电阻降压，在通过两个电感分别加到PIN1、PIN2和PIN3三个二极管芯片的阳极。电源2是+5V，电源3是+28V，这两路电源是集成硅驱动芯片的电源。控制信号1的高低电平分别控制输出电压V1和集成砷化镓低噪放V2的。输入高电平时，驱动芯片输出分别是：输出电压V1＝+28V，输出电压V2＝0V(GND)，输入低电平时，集成硅驱动芯片输出分别是：输出电压V1＝+0V(GND)，输出电压V2＝+28V。电源4是+5V，控制信号2的高低电平分别控制低噪声放大器的关断。输入高电平时，低噪声放大器处于正常工作状态；输入低电平时，低噪声放大器处于非工作状态。
非对称式的超大功率射频开关低噪放一体化模块的工作原理如下：当控制输入低电平时，输出电压V1＝+0V(GND)，输出电压V2＝+28V，PIN1二极管芯片正偏，ANT-TX通道导通，二极管芯片PIN2和二极管芯片PIN3两个二极管芯片反偏，ANT-RX通道截止，低噪声放大器处于非工作状态。当控制输入高电平时，输出电压V1＝+28V，输出电压V2＝0V(GND)，二极管芯片PIN1反偏，ANT-TX通道截止，二极管芯片PIN2和二极管芯片PIN3两个二极管芯片正偏，ANT-RX通道导通，低噪声放大器处于正常工作状态下。
对照附图2，基带信号经过编码后，通过功放放大，再经过环形器后通过天线发射出去。接收信号由天线输入经过环形器进入开关低噪放一体化模块放大后进入接收处理单元进行解码等处理。开关模块在这种应用方式中的工作模式是：发射状态时，开关ANT-TX通道导通，ANT-RX通道截止隔离。如果天线端失配，功率反射回来，经过环形器进入开关，由ANT-TX通道注入负载端，这样可以很好的保护LNA及后续的接收通道部分。接收状态时，ANT-RX通道导通，接收信号由天线输入经过环形器进入开关低噪放大器一体化模块放大后进入接收处理单元进行解码等处理。
对照附图3，基带信号经过编码后，通过功放放大，再经过开关后通过天线发射出去，此时开关工作状态是ANT-TX导通，ANT-RX通道截止。接收信号由天线输入经过开关低噪放大器一体化模块放大后进入接收处理单元进行解码等处理，此时开关工作状态是ANT-TX截止，ANT-RX通道导通。
对照附图4，ANT-TX与ANT-RX通道的主微带线呈L形状，这样的布局使得ANT-TX通道微带线长度短，从而插入损耗小；ANT-RX通道微带线长度较长，可以在接近1/4波长线的长度内安装两个PIN二极管芯片，从而提高TX-RX间的隔离度，提高开关对接收通道的模块、器件的保护能力。这种布局方式可以在很小的尺寸内同时满足ANT-TX通道的低损耗和ANT-RX通道的高隔离度要求。AIN衬底部分在RO4350基板上设计了密集通孔矩阵，有利于散热，减小热阻。这种制作方法可以在普通介质板上做到高导热基板的散热能力，从而可以在普通介质板上制作对散热要求较高的模块如本发明的开关模块，进而降低产品成本，降低加工难度。驱动芯片焊盘中有两个接地孔，有接地和散热两个作用。其余电感、电容按照图1原理图连接，布局方式参照图4。
对照附图5，大功率芯片用银浆粘接在AIN衬底上，两个中功率芯片用银浆粘接在RO4350基板电路板上。二极管芯片阳极与电路板之间，AIN衬底上微带线与电路板微带线之间键合金丝连接。
对照附图6，开关模块采用陶瓷封帽。陶瓷封帽可以有效保护模块的芯片以及键合金丝，避免外物触碰而损坏。陶瓷帽的外形尺寸比电路板尺寸小，这样，电路板的外围接口的半孔图形就暴露出来了，在开关低噪放一体化模块使用时二次回流焊过程中，温度可以顺利传导，可以有效避免二次回流焊中产生虚焊。陶瓷帽安装采用环氧树脂粘接，这样不但可以减小陶瓷帽的加工难度，而且降低了陶瓷的成本。采用环氧树脂粘接陶瓷帽还可以避免二次回流焊时瓷帽的漂移。
实施例
开关低噪放一体化模块的电原理图如图1所示。基板选用0.5mm厚的RO4350，按照图4的电路示意图进行PCB板电路图设计，输入输出阻抗均按照50欧姆设计，四段主微带线的宽度为1mm。器件的布局和连接按照图4所示，PCB板尺寸15×12mm，侧边半孔尺寸为0.8mm，板中孔径为0.2mm，板中孔均为接地孔。AIN衬板尺寸为2×2mm，驱动芯片焊盘尺寸为1.2×1.2mm，低噪声放大器芯片焊盘尺寸为1.2×1.1mm。器件选择：AIN衬底上PIN二极管芯片主要从以下方面考虑：反向耐压大于200V，结电容小于0.5P，串联电阻小于0.5欧姆，热阻小于20度/瓦。按照这些要求选择PIN二极管芯片。另外两个PIN二极管芯片主要从反向耐压大于150V，结电容小于0.05P，串联电阻小于0.5欧姆。按照这些要求选择PIN二极管芯片。电感选用贴片绕线电感，电容用普通贴片电容即可。
集成硅驱动芯片尺寸为1.2×1.2mm，有7个对外接口如附图7所示。硅集成驱动芯片的接口连接参照附图1所示(V1对应OP，V2对应ON，控制对应IN，电源2对应+5V，电源3对应+28V)。硅集成驱动芯片的作用是根据控制信号输入的高低电平在V1和V2处输出相应电压，给二极管芯片提供偏置，从而达到开关切换的目的。本发明的开关低噪放一体化模块是电源驱动模式，因此，集成硅驱动芯片还有吸收二极管芯片正偏导通的电流的作用。驱动芯片的主要指标有：驱动芯片输出电压：+28/GND。驱动芯片电流驱动能力：80mA。驱动芯片的开关翻转速度：小于100ns。
集成砷化镓低噪声放大器芯片尺寸为0.96×0.78mm，共有12个对外接口如附图8所示，其接口连接亦参照图8。砷化镓低噪声放大器芯片的做用是对接收信号进行放大，构成接收通道，满足接收通道的噪声系数及增益要求。低噪声放大器在TD-SCDMA的主要指标有：噪声系数典型值为0.8；增益典型值为23dB；1dB压缩点为21dB。
集成硅驱动芯片、低噪声放大器芯片的粘接及引线键合：芯片粘接用高导热细密银奖浆(如MD140)粘接，并在高温下固化；微带线段之间以及PIN二极管与微带线之间均通过键合金丝连接。特别注意，砷化镓低噪声放大器芯片的上方左右二端的GND的金丝长度、位置要参照图8进行键合。
封帽：陶瓷帽通过环氧树脂粘接。
Claims (2)
1.射频接收前端模块，其特征是ANT-TX通道采用一个具有串联电阻小于0.5欧姆、热阻小于20度/瓦和反向耐压大于200V的PIN二极管作为开关元件，ANT-RX通道采用两个具有电容小于0.05P、串联电阻小于0.5欧姆、反向耐压大于150V的PIN二极管作为开关元件，这样制作的开关电路所形成的ANT-TX通道与ANT-RX通道是不对称的通道，两个不对称通道间的切换控制由集成硅驱动芯片实现，在ANT-RX通道后级连接一个砷化镓集成低噪放芯片，构成接收通道。
2.如权利要求1的射频接收前端模块的制备方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：
一、在导热的RO4350基板上用银浆粘接导热性能的氮化铝AIN衬底、砷化镓集成低噪放芯片、ANT-RX通道的两个PIN二极管芯片以及集成硅驱动芯片；
二、在氮化铝AIN衬底上用银浆粘接ANT-TX通道的PIN二极管芯片；
三、ANT-RX通道的两个PIN二极管芯片阳极与RO4350基板之间，集成硅驱动芯片与RO4350基板之间，砷化镓集成低噪放芯片与RO4350基板之间均通过直径为25MIL的金丝键合连接。
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| CN101714884A (zh) | 2010-05-26 |
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