CN105846841B - 硅基三维立体集成接收前端 - Google Patents

Abstract

本发明是三维立体接收前端，包括上层集成辐射单元的MEMS天线，中层具有微屏蔽结构的MEMS滤波器，下层实现接收通道功能及性能的硅基转接板；上、中、下三层通过TSV技术实现信号互连。本发明优点：1）采用MEMS加工工艺，可实现天线和滤波器小型化；2）采用MEMS加工工艺，可与传统集成电路工艺集成兼容；3）采用高阻硅基基板结构，内部可集成无源元件，实现多种功能，集成度高；4）所用滤波器采用微电子工艺加工克服传统滤波器由于加工精度导致的频飘问题；5）所用天线、滤波器、接收通道通过TSV技术实现垂直互连，减小体积；6）实现40GHz以内的硅基立体接收前端，微波性能优良，实现接收前端的小型化和低成本化。

Description

硅基三维立体集成接收前端

技术领域

本发明涉及的是一种涉及微波、毫米波频段的硅基三维立体接收前端，属于微波、微电子、MEMS交叉技术领域。

背景技术

随着现代通信及雷达系统技术发展，系统中需要大量高可靠性、小型化、低成本的集成模块。三维立体集成技术为电子产品性能的提高、功能的丰富与完善、成本的降低创造了有利条件，所谓三维立体集成是指通过采用三维（x, y, z方向）结构形式对各类芯片进行立体结构的三维集成技术，该技术借助三维叠层技术制作，系统之间沟通的电气及散热管道均采用纵向垂直布局。一直以来，数字电路尤其是大容量存储领域在三维立体集成领域得到了长足发展，为人们展示了三维立体集成在性能和体积上的巨大优势，但是在微波毫米波领域，由于三维垂直传输带来的性能恶化，尚在进行前沿性研究。本发明主要利用MEMS工艺研究TSV作为微波传输的关键技术，实现微波通道、天线以及滤波器的立体集成，减小射频前端的体积。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型基于MEMS工艺技术的三维立体接收前端的设计方法，不仅工作频率较高，性能优异，同时该接收前端体积小，厚度薄，可集成多种无源器件。

本发明的技术解决方案：三维立体接收前端，其结构包括集成辐射单元的MEMS天线1，具有微屏蔽结构的MEMS滤波器2，实现接收通道功能及性能的硅基转接板3；

所述MEMS天线1包含辐射单元贴片，贴片表面金属采用铜（Cu）材料，通过TSV过孔对辐射单元进行激励，贴片单元底部硅基材料通过MEMS工艺挖腔处理；

所述的具有微屏蔽结构的MEMS滤波器2包括上下两层衬底，通过键合工艺形成一体，下层衬底包含耦合线谐振器和传输结构，上层衬底对滤波器形成密闭；

所述的硅基转接板3至少包括三层金属布线，金属采用铜（Cu）材料，硅基表面使用多层低介电常数的介质材料进行金属层之间的隔离和表面钝化保护，基板表面利用多层技术设计模块所需的各类无源元件，转接板表面采用微组装工艺安装实现接收功能的MMIC；

硅基转接板底部通过TSV将信号引入模块底部，形成模块射频及低频接口。

接收前端上层为背腔式MEMS天线，采用硅基材料进行制作，顶部为辐射单元，天线背面通过腐蚀方法设计腔体，用于拓宽天线带宽，提高天线增益。

中层为微屏蔽式MEMS滤波器，该滤波器由上下两层衬底组成，利用深刻蚀通孔技术、三维金属互连技术、DRIE（深反应离子刻蚀）和各种键合工艺实现滤波器所需微腔体，减小了传统的传输线型微波滤波器的尺寸，且易于和传统IC（集成电路）工艺集成。

底层为硅基转接板，基板采用高阻硅作为衬底，硅基表面使用多层低介电常数的介质材料进行金属层之间的隔离和表面钝化保护，基板表面利用多层技术设计组件所需的各类无源元件如功分器、电阻、电容、滤波器，微波、数字芯片等各类分立元件采用微组装的方法进行安装，实现接收通道性能。

上、中、下三层通过TSV技术完成微波信号三维互连，通过三维互连实现接收前端的立体构成，大大减小模块体积。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1）采用MEMS加工工艺，可实现天线和滤波器小型化；

2）采用MEMS加工工艺，可与传统集成电路工艺集成兼容；

3）采用高阻硅基基板结构，内部可集成无源元件，实现多种功能，集成度高；

4）所用滤波器采用微电子工艺加工克服传统滤波器由于加工精度导致的频飘问题；

5）所用天线、滤波器、接收通道通过TSV技术实现垂直互连，大大减

小体积。

附图说明

图1是三维立体接收前端的结构示意图（实施例）。

图2是三维立体接收前端的原理图。

图中的101为MEMS天线贴片，102为天线基板背腔，103为滤波器上层衬底，104为滤波器下层衬底，105-1为天线与滤波器三维传输互连的TSV，105-2为滤波器与硅基转接板三维传输互连的TSV，105-3为硅基转接板与外部三维传输互连的TSV，106为实现接收功能的MMIC。

具体实施方式

对照附图，三维立体接收前端，其特征在于：包括集成辐射单元的MEMS天线1，具有微屏蔽结构的MEMS滤波器2，实现接收通道功能及性能的硅基转接板3；

所述MEMS天线1包含辐射单元贴片，贴片表面金属采用铜（Cu）材料，通过TSV过孔对辐射单元进行激励，贴片单元底部硅基材料通过MEMS工艺挖腔处理；

所述具有微屏蔽结构的MEMS滤波器2包括上下两层衬底，通过键合工艺形成一体，下层衬底包含耦合线谐振器和传输结构，上层衬底对滤波器形成密闭；

所述硅基转接板3至少包括三层金属布线，金属采用铜（Cu）材料，硅基表面使用多层低介电常数的介质材料进行金属层之间的隔离和表面钝化保护，基板表面利用多层技术设计模块所需的各类无源元件，转接板表面采用微组装工艺安装实现接收功能的MMIC；

硅基转接板底部通过TSV将信号引入模块底部，形成模块射频及低频接口，MEMS天线1设在上层，具有微屏蔽结构的MEMS滤波器2设在中层，实现接收通道功能及性能的硅基转接板3设在下层，上、中、下三层通过TSV技术实现信号互连。

所述硅基基板表面采用微组装方式将各类微波单片集成电路、数字集成电路安装到硅基表面，从而具备完整接收前端功能。

所述利用MEMS工艺，将天线、接收通道、滤波器在Z轴方向进行堆叠，改变平面式组件设计方法，减小体积。

利用MEMS技术实现各类有源无源器件的立体集成，减小体积。

TSV通孔不仅传输低频信号，也进行微波信号传输，具有频率特性。

采用MEMS工艺集成天线。

采用MEMS工艺构成滤波器，具有良好的电磁兼容性。

对照图2，硅基天线对射频信号进行选择，同时对不需要的频率起到一定的滤波作用； BPF1对天线进来的频率进行选择，抑制过强的干扰信号，对低噪放有一定的保护作用，同时抑制镜像频率，提高接收机的输出信噪比；LNA对选择后的信号进行放大，保证接收机的噪声系数和接收灵敏度；混频器则起到提供射频和中频频率组合作用，BPF2抑制谐波，选择输出中频，经过放大进入下一级信号处理。

实施例

三维立体集成接收前端，其结构包括上层MEMS天线，该天线包含辐射单元贴片101，辐射单元贴片背面的背腔102，连接上中两层的TSV过孔105-1。

中层结构包括滤波器上层衬底103，滤波器下层衬底104上下两层衬底，滤波器上层衬底103包括采用深刻蚀通孔技术、三维金属互连技术、DRIE（深反应离子刻蚀）设计制作的微腔体，通过键合技术将滤波器下层衬底104层键合到滤波器上层衬底103层表面，实现滤波器的微屏蔽。滤波器与硅基转接板三维传输互连的TSV 105-2为连接中层与下层之间的TSV过孔。

下层结构包括实现接收功能的MMIC 106和硅基转接板与外部三维传输互连的TSV105-3以及底部的硅基转接板，MMIC 106为具备各项功能的MMIC和数字芯片，用于实现接收通道各类功能，外部三维传输互连的TSV 105-3为连接下层基板与外界接口的TSV过孔，用于实现各类微波及数字接口。

Claims (3)

1.三维立体接收前端，其特征在于：包括集成辐射单元的MEMS天线（1），具有微屏蔽结构的MEMS滤波器（2），实现接收通道功能及性能的硅基转接板（3）；

所述MEMS天线（1）包含辐射单元贴片，贴片表面金属采用铜（Cu）材料，通过TSV过孔对辐射单元进行激励，贴片单元底部硅基材料通过MEMS工艺挖腔处理；

所述具有微屏蔽结构的MEMS滤波器（2）包括上下两层衬底，通过键合工艺形成一体，下层衬底包含耦合线谐振器和传输结构，上层衬底对滤波器形成密闭；

所述硅基转接板（3）至少包括三层金属布线，金属采用铜（Cu）材料，硅基转接板表面使用多层低介电常数的介质材料进行金属层之间的隔离和表面钝化保护，硅基转接板表面利用多层技术设计模块所需的各类无源元件，硅基转接板表面采用微组装工艺安装实现接收功能的MMIC；

硅基转接板底部通过TSV将信号引入模块底部，形成模块射频及低频接口，MEMS天线（1）设在上层，具有微屏蔽结构的MEMS滤波器（2）设在中层，实现接收通道功能及性能的硅基转接板（3）设在下层，上、中、下三层通过TSV技术实现信号互连。

2.根据权利要求1所述三维立体接收前端，其特征在于：硅基转接板表面采用微组装方式将各类微波单片集成电路、数字集成电路安装到硅基转接板表面，从而具备完整接收前端功能。

3.根据权利要求1所述三维立体接收前端，其特征在于：利用MEMS工艺，将天线、接收通道、滤波器在Z轴方向进行堆叠，改变平面式组件设计方法，减小体积。