CN111524866A - 一种基于tsv转接板的射频前端结构及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TSV转接板的射频前端结构及系统，属于射频封装技术领域，包括从下到上依次设置的BGA阵列、至少一个TSV转接板、TSV通孔、键合层、器件和硅封帽，所述TSV通孔设置在所述TSV转接板上，所述BGA阵列设置在所述TSV转接板背面并通过所述TSV通孔及再布线技术与所述TSV转接板正面的器件电连接，所述器件设置在所述TSV转接板正面并与其电连接，所述硅封帽通过所述键合层与所述TSV转接板键合。本发明利用了TSV三维集成封装技术，可用于雷达，电子对抗，通信等射频系统，特别是用于对小型化、轻量化的要求十分高的机载环境中；大幅降低了射频系统的体积和重量，为高效费比、微型化、高性能的新型射频系统的发展提供技术支撑。

Description

一种基于TSV转接板的射频前端结构及系统
技术领域
本发明涉及射频封装技术领域，具体涉及一种基于TSV转接板的射频前端结构及系统。
背景技术
相控阵雷达、通信和电子战装备是现代高技术信息化战争不可缺少的战略装备之一，世界各军事强国在加强信息装备研究方面从来都是不遗余力。宽带射频前端是宽带有源相控阵天线最关键的部件，其设计的成功与否，决定了整部雷达或电子战装备的成本、可生产性和系统性能。
提高单个射频前端的输出功率和增加射频前端的数量，可使雷达和电子战设备的发射功率加大，从而扩展作用距离。射频前端的技术实现难度很大，特别是针对机载环境使用的射频前端，重量要轻、体积要小，战术性能和可靠性要求高。因此，提出一种基于TSV转接板的射频前端结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有射频前端难以实现轻重量、小体积，高战术性能和高可靠性要求等问题，提供了一种基于TSV转接板的射频前端结构。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括从下到上依次设置的BGA阵列(球栅阵列)、至少一个TSV转接板、TSV通孔、键合层、器件和硅封帽，所述TSV通孔设置在所述TSV转接板上，所述BGA阵列设置在所述TSV转接板背面并通过所述TSV通孔与再布线技术与所述TSV转接板正面的器件电连接，所述器件设置在所述TSV转接板正面并与所述TSV转接板电连接，所述硅封帽通过所述键合层与所述TSV转接板键合。
更进一步的，所述硅封帽内采用刻蚀工艺形成腔体，所述硅封帽与所述TSV转接板键合时所述器件位于腔体内部，所述BGA阵列位于腔体外部。
更进一步的，所述BGA阵列的材质为锡或锡铅，所述BGA阵列中的各焊球直径为200um以上。
更进一步的，所述TSV转接板的材质为高阻硅，其厚度小于200um。
更进一步的，所述器件包括多种器件，分别为驱动放大器、功率放大器、收发多功能芯片、开关芯片、低噪声放大器、限幅器、衰减器与波控模块，所述驱动放大器、功率放大器、收发多功能芯片、开关芯片、低噪声放大器、限幅器、衰减器与波控模块均设置在所述TSV转接板正面并通过再布线技术与背面的BGA阵列电连接。
更进一步的，所述TSV转接板的数量为多个时，多种所述器件分别设置在各所述TSV转接板上，各所述TSV转接板层叠设置，相邻两个所述TSV转接板之间电连接。
本发明还提供了一种基于TSV转接板的射频前端系统，采用了上述的射频前端结构封装，所述射频前端系统包括发射通道和接收通道，所述发射通道包括一个驱动放大器、一个功率放大器、一个收发多功能芯片与一个开关芯片，所述收发多功能芯片、所述驱动放大器、所述功率放大器、所述开关芯片依次相连；
所述接收通道包括一个收发多功能芯片、两个低噪声放大器，一个限幅器、一个衰减器与一个开关芯片，所述开关芯片、所述限幅器、第一级低噪声放大器、所述衰减器、第二级低噪声放大器与所述收发多功能芯片依次相连；
所述收发多功能芯片与所述开关芯片是发射通道和接收通道的共用器件，采用分时工作模式。
更进一步的，在所述发射通道工作时，所述收发多功能芯片用来对发射信号进行传输和移相；在所述接收通道工作时，收发多功能芯片用于对接收信号进行传输和衰减，通过所述开关芯可切换射频前端系统的收发功能。
更进一步的，所述射频前端系统还包括用于对发射通道和接收通道进行分时控制的波控模块，所述波控模块通过波束控制和电源调制来实现分时控制。所述波束控制即通过移位时钟串入24位数据，在收发切换控制下，并行输出到收发多功能芯片中，对发射或者接收信号进行移相或者衰减。所述电源调制即通过多功能电源调制芯片供电给发射通道的驱动放大器，功率放大器，和接收通道的两级低噪声放大器，以及收发通道共用的收发多功能芯片和开关芯片，并在收发切换控制下，选择是放大通道还是接收通道工作。
更进一步的，在所述射频前端系统进行通道扩充时，将多个所述射频前端结构通过各自的所述BGA阵列表贴到阵面网络。
更进一步的，所述射频前端系统的工作频段为2Ghz～18GHz。
本发明相比现有技术具有以下优点：该基于TSV转接板的射频前端结构，利用了TSV三维集成封装技术，可用于雷达，电子对抗，通信等射频系统，特别是用于对小型化、轻量化的要求十分高的机载环境中；颠覆了传统的射频前端的设计和集成制造方法，大幅降低了射频系统的体积和重量，为高效费比、微型化、高性能的新型射频系统的发展提供技术支撑，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例二射频前端系统的系统原理图；
图2是本发明实施例二中射频前端结构的示意图；
图3是本发明实施例三中的射频前端结构的示意图；
图4是本发明实施例四中的射频前端结构的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种技术方案：一种基于TSV转接板的射频前端结构，包括从下到上依次设置的BGA阵列1，一个TSV转接板2，TSV通孔3，键合层4，器件5和硅封帽6，所述TSV通孔3设置在所述TSV转接板2上，所述BGA阵列1设置在所述TSV转接板2背面并通过所述TSV通孔3与器件5电连接，所述器件5设置在所述TSV转接板2正面并与所述TSV转接板2电连接，所述硅封帽6通过所述键合层4与所述TSV转接板2键合。
所述硅封帽6内采用刻蚀工艺形成腔体，所述硅封帽6与所述TSV转接板2键合时所述器件5位于腔体内部，所述BGA阵列1位于腔体外部。
所述BGA阵列1的材质为锡或者锡铅，所述BGA阵列1的各焊球直径为200um以上。
所述TSV转接板2的材质为高阻硅，其厚度小于200um。
所述器件5包括多种器件，分别为驱动放大器、功率放大器、收发多功能芯片、开关芯片、低噪声放大器、限幅器、衰减器与波控模块，所述驱动放大器、功率放大器、收发多功能芯片、开关芯片、低噪声放大器、限幅器、衰减器与波控模块均设置在所述TSV转接板2正面并通过再布线技术与背面BGA阵列电连接。
所述TSV转接板2的数量为多个时，多种所述器件5分别设置在各所述TSV转接板2上，各所述TSV转接板2层叠设置，相邻两个所述TSV转接板2之间通过铜柱进行电连接。
本实施例还提供了一种基于TSV转接板的射频前端系统，采用了上述的射频前端结构封装，所述射频前端系统包括发射通道和接收通道，所述发射通道包括一个驱动放大器、一个功率放大器、一个收发多功能芯片与一个开关芯片，所述收发多功能芯片、所述驱动放大器、所述功率放大器、所述开关芯片依次相连；
所述接收通道包括一个收发多功能芯片、两个低噪声放大器，一个限幅器、一个衰减器与一个开关芯片，所述开关芯片、所述限幅器、第一级低噪声放大器、所述衰减器、第二级低噪声放大器与所述收发多功能芯片依次相连；
所述收发多功能芯片与所述开关芯片是发射通道和接收通道的共用器件，采用分时工作模式。
在所述发射通道工作时，所述收发多功能芯片用来对发射信号进行传输和移相；在所述接收通道工作时，收发多功能芯片用于对接收信号进行传输和衰减，通过所述开关芯可切换射频前端系统的收发功能。
所述射频前端系统还包括用于对发射通道和接收通道进行分时控制的波控模块，所述波控模块通过波束控制和电源调制来实现分时控制。所述波束控制即通过移位时钟串入24位数据，在收发切换控制下，并行输出到收发多功能芯片中，对发射或者接收信号进行移相或者衰减。所述电源调制即通过多功能电源调制芯片供电给发射通道的驱动放大器、功率放大器、和接收通道的两级低噪声放大器，以及收发通道共用的收发多功能芯片和开关芯片，并在收发切换控制下，选择是放大通道还是接收通道工作。
所述射频前端系统的工作频段为2Ghz～18GHz。
在所述射频前端系统进行通道扩充时，将多个所述射频前端结构通过各自的所述BGA阵列表贴到阵面网络。
实施例二
本实施例提供了一种基于TSV转接板的射频前端系统，该系统应用功率放大器进行发射信号功率放大，应用低噪声放大器、收发多功能芯片进行接收，应用开关芯片进行收发切换，并利用波控模块对发射和接收进行控制。
如图1所示，为该射频前端系统的系统原理图，该TSV射频前端系统包括发射和接收通道。发射通道包括一个驱动放大器、一个功率放大器、一个收发多功能芯片与一个开关芯片。收发多功能芯片、驱动放大器(驱放)、功率放大器(功放)、开关芯片(开关)依次相连，在发射通道工作时，收发多功能芯片用来对发射信号进行传输和移相，利用开关芯片的收发切换功能，将发射信号输入到天线中发射出去。接收通道包括一个收发多功能芯片、两个低噪声放大器(低噪放)，一个限幅器、一个衰减器与一个开关芯片，开关芯片、限幅器、低噪声放大器、衰减器、低噪声放大器与收发多功能芯片依次相连，在接收通道工作时，收发多功能芯片用于对接收信号进行传输和衰减，且收发多功能芯片和开关芯片是发射和接收通道的共用器件，并采用分时工作模式。分时工作指在电源开启，激励信号输入后，射频前端系统由时序脉冲来控制和同步，在使用过程中，射频前端系统分别工作在发射状态、接收状态和收发切换的中间过渡状态。
该射频前端系统还包括用于对发射和接收通道进行分时控制的波控模块，波控模块通过波束控制和电源调制来实现分时控制。所述波束控制即通过移位时钟串入24位数据，在收发切换控制下，并行输出到收发多功能芯片中，对发射或者接收信号进行移相或者衰减。所述电源调制即通过多功能电源调制芯片供电给发射通道的驱动放大器、功率放大器、和接收通道的两级低噪声放大器，以及收发通道共用的收发多功能芯片和开关芯片，并在收发切换控制下，选择是放大通道还是接收通道工作。
该射频前端系统的工作频段为2Ghz到18GHz。
如图2所示，为本实施例的一种基于TSV转接板的射频前端结构的示意图，该射频前端结构包括从下到上依次设置的BGA阵列1，TSV转接板2，TSV通孔3，键合层4，器件5和硅封帽6。
BGA阵列1设置在TSV转接板2背面，并通过TSV通孔3和再布线技术(RDL)将TSV转接板2的正面电信号引出到背面BGA阵列1中。RDL是3D硅基封装工艺中的关键技术，通过再布线工艺可以实现晶圆上I/O再分布。TSV通孔3贯穿整个TSV转接板2，来实现背面BGA阵列1和正面电信号的互联。通过对TSV通孔3的优化设计，如在TSV通孔3周围加上屏蔽的TSV地通孔，成为类同轴结构，可以实现低损耗的微波传输。
在本实施例中，BGA阵列1的各焊球直径为200um以上。焊球大小影响到后期射频前端结构表贴到阵面网络时的工艺难度，200um以内的焊球超过了SMT的工艺能力，所以BGA焊球选择200um以上。
在本实施例中，TSV转接板2的材质为高阻硅，其厚度小于200um，由于TSV通孔3的深度越小，射频信号的损耗越小，所以TSV转接板厚度小于200um。
器件5包括上述射频前端系统接收通道、发射通道和波控模块的所有器件(图2中未完全示出)，并通过金丝键合与TSV转接板2上的焊盘进行电连接。
硅封帽6为单晶硅材料，通过键合层4与TSV转接板2的正面进行Cu-Sn-Cu键合，键合层4键合完成后形成稳定的Cu3Sn，硅封帽6内采用刻蚀工艺形成腔体，通过硅封帽6和TSV转接板2的之间的键合层4保证TSV转接板射频前端系统的气密性。
该射频前端结构，通过TSV通孔3和再布线技术将射频前端的电信号引出到背面的BGA阵列1中，并利用硅基封装工艺，颠覆了传统的射频前端的设计和集成制造方法，大幅降低了射频系统的体积和重量。
实施例三
如图3所示，为本实施例中的射频前端结构的示意图。包括从下到上的BGA阵列1，第一层TSV转接板2，TSV通孔3，铜柱7，器件5，第二层TSV转接板2a，键合层4，器件5a和硅封帽6。
该射频前端结构包括两层TSV转接板，分别为第一层TSV转接板2和第二层TSV转接板2a。
第一层TSV转接板2的正面和第二层TSV转接板2a的背面通过若干个铜柱7键合。
该TSV转接板2和TSV转接板2a的材质为高阻硅，其厚度均小于200um。
器件5包括功率放大器(功放)，驱动放大器(驱放)，低噪声放大器(低噪放)，衰减器，限幅器和开关芯片(图3中未完全示出)。
器件5a包括波控模块(波控)和收发多功能芯片(收发多功能)。
第二层TSV转接板2a将正面的电信号通过TSV转接板2a上的TSV通孔3和再布线技术引出到背面的铜柱7中，铜柱7与第一层转接板2上的焊盘相连，并与器件5电连接，并通过第一层转接板2的再布线技术，将电信号引出到背面的BGA阵列1中。
本实施例中的射频前端结构，通过三维封装工艺将两层TSV转接板叠加，进一步缩小了射频前端系统的体积。
实施例四
如图4所示，为基于TSV转接板的射频前端系统的通道扩充示意图。包括从下到上的阵面网络8和实施例二中的射频前端结构。
多个实施例一中的射频前端结构通过其背面的BGA阵列1表贴在阵面网络8上，对收发通道数进行扩充。
阵面网络8包括功分网络，电源接口。
同理，实施例三中射频前端结构也可通过表贴在阵面网络8上来进行通道数扩充。
综上所述，上述多个实施例中的基于TSV转接板的射频前端结构及系统，利用了TSV三维集成封装技术，可用于雷达，电子对抗，通信等射频系统，特别是用于对小型化、轻量化的要求十分高的机载环境中；颠覆了传统的射频前端的设计和集成制造方法，大幅降低了射频系统的体积和重量，为高效费比、微型化、高性能的新型射频系统的发展提供技术支撑，值得被推广使用。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于TSV转接板的射频前端结构，其特征在于：包括从下到上依次设置的BGA阵列，至少一个TSV转接板，TSV通孔，键合层，器件和硅封帽，所述TSV通孔设置在所述TSV转接板上，所述器件设置在所述TSV转接板上并与所述TSV转接板电连接，所述BGA阵列设置在所述TSV转接板上并通过所述TSV通孔与所述TSV转接板上的所述器件电连接，所述硅封帽通过所述键合层与所述TSV转接板键合。
2.根据权利要求1所述的一种基于TSV转接板的射频前端结构，其特征在于：所述硅封帽内设有腔体，所述硅封帽与所述TSV转接板键合时所述器件位于腔体内部，所述BGA阵列位于腔体外部。
3.根据权利要求1所述的一种基于TSV转接板的射频前端结构，其特征在于：所述BGA阵列的材质为锡或锡铅，所述BGA阵列中的各焊球直径在200um以上。
4.根据权利要求1所述的一种基于TSV转接板的射频前端结构，其特征在于：所述TSV转接板的材质为高阻硅，其厚度小于200um。
5.根据权利要求1所述的一种基于TSV转接板的射频前端结构，其特征在于：所述器件包括多种器件，分别为驱动放大器、功率放大器、收发多功能芯片、开关芯片、低噪声放大器、限幅器、衰减器与波控模块，所述驱动放大器、功率放大器、收发多功能芯片、开关芯片、低噪声放大器、限幅器、衰减器与波控模块均设置在所述TSV转接板上并与所述BGA阵列电连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于TSV转接板的射频前端结构，其特征在于：所述TSV转接板的数量为多个时，多种所述器件分别设置在各所述TSV转接板上，各所述TSV转接板层叠设置，相邻两个所述TSV转接板之间电连接。
7.一种基于TSV转接板的射频前端系统，其特征在于：采用了如权利要求1～6任一所述的射频前端结构封装，包括发射通道和接收通道，所述发射通道包括一个驱动放大器、一个功率放大器、一个收发多功能芯片与一个开关芯片，所述收发多功能芯片、所述驱动放大器、所述功率放大器、所述开关芯片依次相连；
所述接收通道包括一个收发多功能芯片、两个低噪声放大器，一个限幅器、一个衰减器与一个开关芯片，所述开关芯片、所述限幅器、第一级低噪声放大器、所述衰减器、第二级低噪声放大器与所述收发多功能芯片依次相连；
所述收发多功能芯片与所述开关芯片是发射通道和接收通道的共用器件，采用分时工作模式。
8.根据权利要求7所述的一种基于TSV转接板的射频前端系统，其特征在于：在所述发射通道工作时，所述收发多功能芯片用于对发射信号进行传输和移相；在所述接收通道工作时，收发多功能芯片用于对接收信号进行传输和衰减，通过所述开关芯片切换射频前端系统的收发功能。
9.根据权利要求7所述的一种基于TSV转接板的射频前端系统，其特征在于：所述射频前端系统还包括用于对发射通道和接收通道进行分时控制的波控模块，所述波控模块通过波束控制和电源调制来实现分时控制。
10.根据权利要求7所述的一种基于TSV转接板的射频前端系统，其特征在于：在所述射频前端系统进行通道扩充时，将多个所述射频前端结构通过各自的所述BGA阵列表贴到阵面网络。
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