CN111146190B - 一种硅基三维集成微波变频组件 - Google Patents

一种硅基三维集成微波变频组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基三维集成微波变频组件。该变频组件包括下层设置的预选滤波增益控制组件和上层设置的混频数字采样组件，其中预选滤波增益控制组件是独立的硅基封装结构的模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部和顶部设置BGA阵列焊盘；预选滤波增益控制组件用于对外部输入的信号进行预选滤波、增益控制、相位调整，并提供向上一层传输的射频通道；混频数字采样组件是一个独立的硅基自密封模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部设置高温BGA阵列焊球；混频数字采样组件将输入的高频信号变到低频，然后对信号进行采样整形，对外输出数字信号。本发明提高了微波毫米波信号的传输品质，具有体积小、功耗低、精度和稳定性高的优点。

Description

一种硅基三维集成微波变频组件
技术领域
本发明涉及电子通信技术领域，特别是一种硅基三维集成微波变频组件。
背景技术
随着单片集成电路技术、新型电子材料和组装互连技术的技术进步，固态有源相控阵技术、高灵敏度超外差接收机等在军用和民用电子装备中得到越来越广泛的应用，大量小型化、轻量化、高可靠、多功能和低成本的微波前端组件成为当前的迫切需求。
传统的组装工艺已经相对成熟，但是面对微系统高密度集成的需求，逐渐暴露出不足之处，体现于所有工艺过程几乎都是整体受热、对温度梯度过于依赖、工艺兼容性不足、制作精度低等问题。如LTCC工艺设计制作的基板在电路设计排布不均匀或者烧结温度不均匀的情况下就会出现不同程度的板面翘曲现象，极大的限制了LTCC工艺的应用，在有一致性要求的相控阵变频系统中，组件之间的幅度相位一致性很难得到保证。如采用罗杰斯4350混合层压技术制作的基板，标准印刷工艺精度只能达到0.1mm，而且层间对穿的盲孔结构设计由于整版需要最后镀金，孔内镀金可靠性难以保证，在高度集成化的变频组件应用中常常会导致批量生产的时候良品率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、功耗低、精度和稳定性高的硅基三维集成微波变频组件。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种硅基三维集成微波变频组件，包括下层设置的预选滤波增益控制组件和上层设置的混频数字采样组件，其中：
预选滤波增益控制组件是一个独立的硅基封装结构的模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部和顶部设置BGA阵列焊盘；预选滤波增益控制组件用于对外部输入的信号进行预选滤波、增益控制、相位调整，并提供向上一层传输的射频通道；
混频数字采样组件是一个独立的硅基自密封模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部设置高温BGA阵列焊球；混频数字采样组件将输入的高频信号变到低频，然后对信号进行采样整形，对外输出数字信号。
进一步地，所述混频数字采样组件底部的BGA阵列焊球和预选滤波增益控制组件顶部的BGA阵列焊盘上下对齐，采用高温BGA回流工艺结合；预选滤波增益控制组件底部的BGA阵列焊盘植入低温BGA焊球，使用时采用低温BGA回流工艺焊接到对外的电路板上。
进一步地，所述预选滤波增益控制组件采用砷化镓芯片，通过异构技术装配到第一层硅基转接板上，并和第一层硅基转接板上的焊盘用金丝互连，然后将第二层硅基板采用深反应离子刻蚀技术制作预成型的腔体，再将带有腔体的硅基板倒扣到第一层的硅基转接板上，采用低温压力共晶键合技术结合两层硅片，在空腔的内部形成微腔体结构，腔体之间采用穿墙过渡结构联通微波信号，屏蔽空间辐射的电磁信号。
进一步地，所述预选滤波增益控制组件的预选滤波功能采用层间埋置结构实现，在第一层硅基转接板上刻蚀出电路模型，在第二层硅基板相应位置预先埋置屏蔽结构的接地屏蔽层和容纳第一层硅基转接板上电路模型的微凹槽，第一层硅基转接板和第二层硅基板结合形成层间埋置的滤波器结构。
进一步地，所述预选滤波增益控制组件、混频数字采样组件之间采用球栅阵列堆叠互联，顶层模块先通过硅转接板上的TSV通孔导到模块底部，底层模块在相应的位置放置过渡焊盘和通往模块底部的TSV通孔；预选滤波增益控制组件、混频数字采样组件二者的模块之间通过0.3～0.7mm的细间距球栅阵列焊接互联。
进一步地，射频信号通过预选滤波增益控制组件的底层输入，经过包括放大、调幅、调相的功能芯片后进入层间埋置的滤波器，经过开关滤波器预选的信号再通过自下而上的类同轴叠层对穿结构进入顶层的混频数字采样组件，经过两级变频后进入数字处理芯片，数字信号通过球栅阵列输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用导体工艺实现三维堆叠结构可以进一步的将接收前端系统集成化，实现微波毫米波信号的高品质传输；(2)采用硅半导体工艺，图形加工精度可以达到微米级别，大批量生产时可以很好的保证模块的幅度相位一致性，更适用于有相位要求的相控阵系统；(3)组装设计实现微波数字化的一体化集成，减少了微波信号传输路径损耗，简化了各种连接插头座的设计，内部各种功能组件之间连接的方式做到极简化，体积只有原来组件的十分之一。
附图说明
图1是本发明硅基三维集成的微波变频组件的功能框图。
图2是本发明硅基三维集成的微波变频组件的结构框图。。
图3是本发明中预选滤波增益控制组件的电路结构示意图。
图4是本发明中混频数字采样组件的顶层结构示意图。
具体实施方式
本发明硅基三维集成是在二维多芯片组件的基础上采用层间类同轴过渡结构、微腔体间穿墙过渡结构、滤波器层间埋置结构、硅圆片压力共晶键合技术、多芯片微腔体设计、层间球栅阵列堆叠结构设计、球栅阵列封装高频信号兼容接口及散热设计等多种设计方法实现的三维集成微波变频组件的设计方法。
本发明硅基三维集成微波变频组件，包括下层设置的预选滤波增益控制组件和上层设置的混频数字采样组件，其中：
预选滤波增益控制组件是一个独立的硅基封装结构的模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部和顶部设置BGA阵列焊盘；预选滤波增益控制组件用于对外部输入的信号进行预选滤波、增益控制、相位调整，并提供向上一层传输的射频通道；
混频数字采样组件是一个独立的硅基自密封模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部设置高温BGA阵列焊球；混频数字采样组件将输入的高频信号变到低频，然后对信号进行采样整形，对外输出数字信号。
进一步地，所述混频数字采样组件底部的BGA阵列焊球和预选滤波增益控制组件顶部的BGA阵列焊盘上下对齐，采用高温BGA回流工艺结合；预选滤波增益控制组件底部的BGA阵列焊盘植入低温BGA焊球，使用时采用低温BGA回流工艺焊接到对外的电路板上。
进一步地，所述预选滤波增益控制组件采用砷化镓芯片，通过异构技术装配到第一层硅基转接板上，并和第一层硅基转接板上的焊盘用金丝互连，然后将第二层硅基板采用深反应离子刻蚀技术制作预成型的腔体，再将带有腔体的硅基板倒扣到第一层的硅基转接板上，采用低温压力共晶键合技术结合两层硅片，在空腔的内部形成微腔体结构，腔体之间采用穿墙过渡结构联通微波信号，屏蔽空间辐射的电磁信号。
进一步地，所述预选滤波增益控制组件的预选滤波功能采用层间埋置结构实现，在第一层硅基转接板上刻蚀出电路模型，在第二层硅基板相应位置预先埋置屏蔽结构的接地屏蔽层和容纳第一层硅基转接板上电路模型的微凹槽，第一层硅基转接板和第二层硅基板结合形成层间埋置的滤波器结构。
进一步地，所述预选滤波增益控制组件、混频数字采样组件之间采用球栅阵列堆叠互联，顶层模块先通过硅转接板上的TSV通孔导到模块底部，底层模块在相应的位置放置过渡焊盘和通往模块底部的TSV通孔；预选滤波增益控制组件、混频数字采样组件二者的模块之间通过0.3～0.7mm的细间距球栅阵列焊接互联。
进一步地，射频信号通过预选滤波增益控制组件的底层输入，经过包括放大、调幅、调相的功能芯片后进入层间埋置的滤波器，经过开关滤波器预选的信号再通过自下而上的类同轴叠层对穿结构进入顶层的混频数字采样组件，经过两级变频后进入数字处理芯片，数字信号通过球栅阵列输出。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
结合图1～2，本实施例首先按照微波变频组件的功能，将变频组件分成两个独立的封装模块预选滤波增益控制组件D1和混频数字采样组件D2，其中预选滤波增益控制组件D1是一个独立的硅基封结构的模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部和顶部放置BGA阵列的焊盘；混频数字采样组件D2也是一个独立硅基自密封模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部是放置高温BGA阵列植球。
混频数字采样组件D2和预选滤波增益控制组件D1上下对齐采用高温的BGA回流工艺结合，结合后下层预选滤波增益控制组件D1底部的BGA阵列焊盘植入低温焊球。使用时采用低温回流焊工艺焊接到对外的电路板上。
预选滤波增益控制组件D1的功能是对外部输入的信号进行，预选滤波、增益控制、相位调整等功能并提供向上一层传输的射频通道。混频数字采样组件D2将输入的高频信号变到低频，然后对信号进行采样整形，对外输出数字信号。
所述预选滤波增益控制组件D1采用砷化镓芯片，通过异构技术装配到第一层硅基转接板C2上，并和第一层硅基转接板C2上的焊盘用金丝互连，然后将第二层硅基板C1相应位置采用深反应离子刻蚀技术制作预成型的腔体，再将带有腔体的第二层硅基板C1倒扣到第一层硅基转接板C2上，并采用低温压力共晶键合技术结合两层硅片形成共晶结合层4。同样的，混频数字采样组件D2的独立封装与预选滤波增益控制组件D1相同，在混频数字采样组件D2空腔的内部形成微腔体5，微腔体5之间采用穿墙过渡结构2联通微波信号，屏蔽空间辐射的电磁信号。
所述的硅基三维集成微波变频组件，所述预选滤波增益控制组件D1采用多层硅基板堆叠结构，所述预选滤波采用层间埋置结构，在第一层硅基转接板C2上刻蚀出电路模型，在第二层硅基板C1相应位置预先埋置屏蔽结构的大面积接地屏蔽层和容纳第一层电路的微凹槽，两层硅基板结合就形成层间埋置的滤波器结构，内埋滤波器3。
所述预选滤波增益控制组件D1、混频数字采样组件D2独立装配完后，二者之间采用球栅阵列封装技术焊接，形成一个两层结构的微波变频组件，球栅阵列封装包括高温BGA焊球6、低温BGA焊球7。模块之间通过0.3～0.7mm的细间距球栅阵列焊接互联，射频信号传输采用类同轴过渡结构，从平面传输的带线结构转化成同轴结构的垂直传输，如图2中的类同轴过渡结构1。
两个独立的封装模块之间采用球栅阵列堆叠互联，底层模块先通过硅转接板上的TSV通孔导到模块顶部，顶层模块在相应的位置放置过渡焊盘和通往模块内部的TSV通孔将信号传输到芯片位置，最后通过数字采样芯片转化成数字信号通过两个封装模块之间的细间距球栅阵列输出到底部焊盘。
结合图3，信号由类同轴过渡B02(对应图2中类同轴过渡结构1)输入通过开关限幅芯片处理后进入滤层间埋置波器B01(对应图2中滤波器3处)，然后进过放大，数控衰减处理，由一片单刀4掷开关选择入一路内埋置的开关滤波器，最后通过类同轴过渡B03(对应图2中类同轴上传输8)导出到上一层的混频数字采样组件D2的射频输入端，如图4，类同轴过渡A01(对应图2中类同轴上传输9)处所示。通过两次混频处理再经过中频放大，进入数字ASIC芯片A02(对应图2中数字芯片10)进行AD采样最后通过上下层对穿的TSV通孔，通过球栅阵列输出数字信号。
最后，变频组件做一个双层结构焊接到模板上，通过球栅阵列焊接到母板上连接其它器件。本发明硅基三维集成微波变频组件，简化了各种连接插头座的设计，内部各种功能组件之间连接的方式做到极简化，体积只有原来组件的十分之一，提高了微波毫米波信号的传输品质，具有体积小、功耗低、精度和稳定性高的优点。

Claims (5)

1.一种硅基三维集成微波变频组件，其特征在于，包括下层设置的预选滤波增益控制组件和上层设置的混频数字采样组件，其中：
预选滤波增益控制组件是一个独立的硅基封装结构的模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部和顶部设置BGA阵列焊盘；预选滤波增益控制组件用于对外部输入的信号进行预选滤波、增益控制、相位调整，并提供向上一层传输的射频通道；
混频数字采样组件是一个独立的硅基自密封模块，芯片内置在硅基板内部的腔体内，底部设置高温BGA阵列焊球；混频数字采样组件将输入的高频信号变到低频，然后对信号进行采样整形，对外输出数字信号；
所述预选滤波增益控制组件的预选滤波功能采用层间埋置结构实现，在第一层硅基转接板上刻蚀出电路模型，在第二层硅基板相应位置预先埋置屏蔽结构的接地屏蔽层和容纳第一层硅基转接板上电路模型的微凹槽，第一层硅基转接板和第二层硅基板结合形成层间埋置的滤波器结构。
2.根据权利要求1所述的硅基三维集成微波变频组件，其特征在于，所述混频数字采样组件底部的BGA阵列焊球和预选滤波增益控制组件顶部的BGA阵列焊盘上下对齐，采用高温BGA回流工艺结合；预选滤波增益控制组件底部的BGA阵列焊盘植入低温BGA焊球，使用时采用低温BGA回流工艺焊接到对外的电路板上。
3.根据权利要求2所述的硅基三维集成微波变频组件，其特征在于，所述预选滤波增益控制组件采用砷化镓芯片，通过异构技术装配到第一层硅基转接板上，并和第一层硅基转接板上的焊盘用金丝互连，然后将第二层硅基板采用深反应离子刻蚀技术制作预成型的腔体，再将带有腔体的硅基板倒扣到第一层的硅基转接板上，采用低温压力共晶键合技术结合两层硅片，在空腔的内部形成微腔体结构，腔体之间采用穿墙过渡结构联通微波信号，屏蔽空间辐射的电磁信号。
4.根据权利要求1所述的硅基三维集成微波变频组件，其特征在于，所述预选滤波增益控制组件、混频数字采样组件之间采用球栅阵列堆叠互联，顶层模块先通过硅转接板上的TSV通孔导到模块底部，底层模块在相应的位置放置过渡焊盘和通往模块底部的TSV通孔；预选滤波增益控制组件、混频数字采样组件二者的模块之间通过0.3~0.7mm的细间距球栅阵列焊接互联。
5.根据权利要求4所述的硅基三维集成微波变频组件，其特征在于，射频信号通过预选滤波增益控制组件的底层输入，经过包括放大、调幅、调相的功能芯片后进入层间埋置的滤波器，经过开关滤波器预选的信号再通过自下而上的类同轴叠层对穿结构进入顶层的混频数字采样组件，经过两级变频后进入数字处理芯片，数字信号通过球栅阵列输出。
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Address after: 225001 No. 26, South River, Jiangsu, Yangzhou

Applicant after: Yangzhou Institute of marine electronic instruments (no.723 Institute of China Shipbuilding Industry Corp.)

Address before: 225001 No. 186 East Wuzhou Road, Yangzhou City, Jiangsu Province

Applicant before: Yangzhou Institute of marine electronic instruments (no.723 Institute of China Shipbuilding Industry Corp.)

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GR01 Patent grant
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