CN112051551A - 基于硅基三维集成的微小型雷达高频大功率有源子阵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅基三维集成的微小型雷达高频大功率有源子阵，包括硅基阵列天线、散热冷板和硅基T/R组件；硅基天线阵列与硅基T/R组件采用纳米银浆烧结在散热冷板上，通过烧结于冷板内的射频绝缘子实现信号传输；硅基T/R组件呈现两层结构，上层为收发放大模块，下层为控制模块，层间通过硅通孔实现三维互联，与外部信号传输通过硅基T/R组件最下层硅圆片表面的焊球阵列封装完成。本发明利用硅基三维集成技术实现雷达高频大功率有源子阵天线与收发多通道集成，实现一体化、轻小型、可扩展、高效散热设计，大幅降低系统体积和重量，满足雷达系统多功能、模块化、高可靠、小型化等发展需求。
Description
技术领域
本发明涉及射频收发领域，具体设计一种基于硅基三维集成的微小型雷达高频大功率有源子阵，可以应用于精确制导、电子对抗、汽车防撞雷达等领域。
背景技术
雷达高频大功率有源子阵作为相控阵雷达的核心部件，是决定雷达整机小型化、轻量化、低成本以及高可靠工作的最重要因素。现有的雷达高频大功率有源子阵一般采用多芯片组件技术(MCM)或选择LTCC工艺实现规模集成。
授权发明专利(CN104062636B，发明名称：S波段16通道T/R组件片上系统集成设计方法，公开日：2017年1月11日)介绍了一种采用了片上系统集成设计方法实现的S波段16通道T/R组件，该组件内部按照功能模块进行划分，采用以“金丝键合”或者“倒扣焊”为代表的高密度微组装电路技术来实现片上系统集成设计，共使用3种芯片和1个集成模块实现T/R组件通道内部功能。相比于本发明，基于MCM技术的T/R组件内部高频时键合引线的寄生效应、键合引线之间的耦合效应、倒扣焊相邻焊点过大的间距和寄生参数直接制约雷达大功率有源子阵集成的密度和灵活性。
相比于MCM技术实现的“砖块式”T/R组件，采用MMICs套片，基于LTCC进行三维垂直互联构成的瓦片式T/R组件大大提高了系统的集成度。授权发明专利(CN104022321B，发明名称：一种基于LTCC的微型瓦片式T/R组件，公开日：2016年4月20日)，介绍了一种由LTCC介质基板、MMICs芯片构成的瓦片式T/R组件，该组件包含三块LTCC基板，在LTCC基板上对微波传输线和控制信号线进行合理布局，通过在每块LTCC基板上开槽，放置微波芯片，三块基板间采用体积较小的μBGA球实现垂直互联。相比于本发明，随着雷达系统工作频率的升高，基于传统厚、薄膜工艺的LTCC的图形精度和对位精度难以实现高精度、高一致性、高密度的三维互联。
授权发明专利(CN106711565B，发明名称：一种小型化三维倒置T/R组件，公开日：2019年8月16日)，介绍了一种由LTCC多层基板、LTCC微型连接器和H型结构件，采用“倒装方法”实现的小型化T/R组件，该组件共含有4个相同T/R通道电路、1个功分器和1个收发控制模块，4个T/R通道电路位于H形结构件的下腔体，功分器和收发控制模块位于结构件的上腔体，上下两层电路信号传输(包含射频信号、控制信号、电源)均通过集成的微型LTCC连接器相连。相比于本发明，其无法实现收发通道与天线的一体化集成设计，并且在毫米波频段,由于阵列格距已经接近甚至小于MMICs的尺寸，传统基于多层基板技术研制的模块已经无法满足有源子阵进一步小型化的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于硅基三维集成方法的微小型雷达高频大功率有源子阵，充分利用垂直方向空间，将微波信号从传统的单一横向传播变为横向、纵向的三维立体式传播，实现减小子阵的纵向尺寸，达到小型化的目标。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于硅基三维集成的微小型雷达高频大功率有源子阵，包含由上至下依次设置的硅基阵列天线层、散热冷板层和硅基T/R组件层，所述散热冷板层设置射频绝缘子，所述硅基阵列天线层与所述硅基T/R组件层固定于所述散热冷板层的两侧，并通过冷板层内的所述射频绝缘子实现信号连接；所述硅基T/R组件层包含若干个单元组件，所述单元组件呈两层结构；任意一个所述单元组件作为三维堆叠的基本模块，将多个所述基本模块向上堆叠延伸以形成整个硅基T/R组件层；所述单元组件中的每层结构设置一层硅转接板和位于所述硅转接板上方的一层硅帽；所述硅转接板上设置金属和多层二氧化硅介质层，用于信号交叉互联；每层二氧化硅介质层上布置有金属，最上层的二氧化硅介质层上布置的金属的上表面设有金属微凸点阵列，用于倒装芯片的键合或转接板的堆叠封帽。
可选的，所述硅帽的腔体内侧设有屏蔽金属层，以实现电磁屏蔽。
可选的，硅基T/R组件层的三维堆叠封装后，将所述腔体内的功能芯片的信号从转接板的上表面的焊球导出；所述功能芯片包含：功率放大器、接收限幅低噪放多功能芯片、四通道收发幅相多功能芯片、控制和驱动芯片。
可选的，所述金属微凸点阵列为铜微凸点阵列，所述金属为铜金属。
可选的，所述单元组件的上层包含收发放大模块，所述单元组件的下层包含控制模块；所述单元组件的上、下两层之间通过硅通孔进行垂直互联信号传输，实现三维互联。
可选的，所述硅基T/R组件层通过最上层的表面的焊球阵列封装实现与外部的信号连接。
可选的，所述硅基阵列天线层与所述硅基T/R组件层通过纳米银浆烧结在散热冷板层的两侧；所述散热冷板层由一冷板制成，所述射频绝缘子烧结安装于冷板内；所述冷板上预留有用于焊接射频绝缘子以实现硅基阵列天线层与硅基T/R组件层之间信号互联的过孔。
可选的，所述硅基T/R组件层包含2×2个单元组件，所述硅基阵列天线层包含4×4个硅基阵列天线。
可选的，所述冷板采用热膨胀系数为7×10-6/℃的70％Si-Al合金材料制成；所述冷板的中间开孔，用于安装射频绝缘子，所述冷板上的孔与孔的中心间距为二分之一的工作波长。
可选的，所述硅基阵列天线层是三层高阻硅基层和三层覆铜结构，从上至下依次为第一硅基层、方形辐射金属贴片、第二硅基层、金属接地板、第三硅基层和天线馈线；第一硅基层的下表面设置所述方形辐射金属贴片，所述第二层硅基上的中心挖有方槽，并且四周留有一定宽度的边缘；所述第三硅基层上表面设置所述金属接地板，所述第三硅基层下表面设置所述天线馈线；所述金属接地板蚀刻有耦合缝隙，耦合缝隙的长边与方形辐射金属贴片边缘平行。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明将硅基三维集成技术应用于雷达高频大功率有源子阵中，利用硅转接板进行多层布线、硅圆片键合实现不同材料芯片异构集成与硅基天线一体化设计，实现微波电路三维信号传输、电磁兼容设计，将多层硅基板既作为各类信号及芯片的载体，又作为芯片封装的外壳，提高封装密度、减小系统体积。
(2)本发明采用的多通道收发幅相控制多功能芯片在单一芯片上集成了移相、衰减、放大、开关、功分、数字波控和驱动功能，既达到了良好的微波性能，又解决了数字控制端口较多的带来的互联问题，同时显著减小了有源子阵的整体尺寸和数字电路功耗。
(3)本发明采用高热导率材料纳米银浆将GaN功率放大器埋置到硅基板中，利用TSV阵列实现热量高效传导到硅基板，而后利用70％SiAl高硅铝散热冷板将子阵内热量散发出去，从而保证功率放大器的正常稳定工作。此举在大大减小金属结构与Si材料焊接时CTE失配引起的焊接可靠性问题的同时，实现了系统可靠散热设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一实施例中的基于硅基三维集成方法的微小型雷达高频大功率有源子阵示意图；
图2是本发明的一实施例中的硅基基本单元模块示意图；
图3是本发明的一实施例中的硅基单元组件的射频电路结构框图；
图4是本发明的一实施例中的硅基天线三维示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图4结合所示，本发明提供了一种基于硅基三维集成方法的微小型雷达高频大功率有源子阵，包含：由上至下依次设置的硅基阵列天线层1、散热冷板层2和硅基T/R组件层3。其中，所述硅基阵列天线层1包含2×2个优化口面天线单元4。所述硅基T/R组件层3包含2×2个单元组件5。所述硅基阵列天线层1包含4×4个硅基阵列天线，即所述硅基阵列天线层1是以4×4方阵布局。
所述散热冷板层2是由冷板2制成，所述冷板2上预留有用于焊接射频绝缘子31以实现硅基阵列天线层1与硅基T/R组件层3之间信号互联的过孔。其中硅基阵列天线层1与硅基T/R组件3通过纳米银浆烧结在散热冷板层上的两侧，通过烧结安装于冷板2内的射频绝缘子31实现信号传输。
所述散热冷板层2采用热膨胀系数为7×10-6/℃左右的70％Si-Al高硅铝合金材料制备，冷板2的中间开孔用来安装射频绝缘子31，孔与孔中心间距为二分之一波长(λ/2，λ为工作波长)。
本实施例中，所述硅基T/R组件3利用硅基高密度三维集成工艺技术实现一体化圆片级封装，将不同材料的功能芯片利用高精准对位键合设备组装在由多层硅基板构成的微型腔体中，再根据不同温度梯度将转接板进行三维堆叠封装，实现从器件到系统的异构三维集成，以下将具体说明。
所述硅基T/R组件层3中的任意一个单元组件5呈现两层结构，上层包含收发放大模块，下层包含控制模块，则整个硅基T/R组件层3也是呈现两层结构。每个单元组件5中的每层结构(即图2中所示的基本单元模块)包含一层硅转接板6和一层硅帽13。因此，本实施例的硅基T/R组件3是以硅转接板6加硅帽13作为基本单元模块进行多层堆叠。
如图2所示，所述转接板6是基于硅基材料采用半导体加工手段制备；所述转接板6上设置多层二氧化硅介质层7和铜金属8，用于信号交叉互联(例如通过多层布线实现信号交叉连接)，例如转接板6上设置两层二氧化硅介质层7，每层二氧化硅介质层7上分别横向布置以及竖向布置铜金属8(参照图2中加粗的线条)。在二氧化硅介质层7的最上层的铜金属8的上表面设置铜微凸点阵列9，其用于倒装芯片的键合或转接板的堆叠封帽。其中，倒装的芯片底部也有凸起，可通过微铜柱相互焊接。
硅帽13的腔体10内侧设有屏蔽金属层11，以实现电磁屏蔽。其中，腔体10是通过硅帽133刻槽后形成的一种腔体10。在完成硅基板三维堆叠封装后，将腔体10内的功能芯片12(例如下述的功率放大器、接收限幅低噪放多功能芯片、四通道收发幅相多功能芯片或者控制和驱动芯片等)的信号从转接板13上表面的焊球阵列封装15导出，用来与外部导通焊接。以该堆叠模块为基础，继续向上堆叠延伸，进而实现整个硅基单元组件完整功能。
如图2和图3结合所示，单元组件5采用两层的硅转接板6加硅帽13构成基本单元模块。其中，单元组件5的上层包含收发放大模块，所述收发放大模块包括4个大功率收发开关(S1、S2、S3、S4)、4个功率放大器(A1、A2、A3、A4)、4个接收限幅低噪放多功能芯片(L1、L2、L3、L4)和1个四通道收发幅相多功能芯片M1。单元组件5的下层包含控制模块，控制模块包括各种控制和驱动芯片。
本发明的有源子阵的硅基T/R组件呈现两层硅圆片结构(例如上层的收发放大模块和下层的控制模块)，圆片内的各层之间通过硅通孔14(TSV)进行垂直互联信号传输，实现三维互联，而圆片外部的射频信号、电信号、控制信号等信号的连接，则通过最上层圆片的硅圆片表面的焊球阵列封装15(BGA)实现，硅基T/R组件中的上、下层硅圆片之间通过圆片上BGA连接，圆片内部的两层转接板通过微铜柱9相焊接，电气上圆片内部各层TSV对应导通。图3是单元组件5的射频电路结构图，其中，所述硅基T/R组件3内的四通道收发幅相控制多功能芯片M1集成移相、衰减、收发放大及电源调制、开关、功分、串并转换及外部低噪声放大电源调制功能。功能芯片12处于腔体10内，并且功能芯片12底部的硅通孔14(TSV)阵列位于硅转接板6，用来导热。功能芯片12粘接在转接板6上的多层二氧化硅介质层7上，封帽后，位于硅帽13的腔体10内。
如图4所示，所述硅基阵列天线是三层高阻硅基和三层覆铜结构，从上至下依次为第一硅基层16、方形辐射金属贴片20、第二硅基层17、金属接地板21、第三硅基层19和天线馈线23。相邻的天线单元(优化口面天线单元4的各个贴片天线)中心距离优选0.55个工作频段波长，既能减小天线间互耦，也能避免出现栅瓣。
第一硅基层16的下表面设置方形辐射金属贴片20。第二层硅基17上中心挖有方槽18，四周留有500um-700um宽度的边缘，以引入空气层，降低微带线Q值，展宽天线带宽。
第三硅基层19上表面设置金属接地板21，所述第三硅基层19下表面设置天线馈线23。其中，所述金属接地板21蚀刻有耦合缝隙22，耦合缝隙22的长边与方形辐射贴片20边缘平行，耦合缝隙22的长度(长边方向的长度大小)决定电磁耦合量，过长的耦合缝隙将引起较大的后向辐射，耦合缝隙22的优选的缝隙尺寸0.5mm(长度)×0.2mm(宽度)。硅基阵列天线通过天线馈线23对耦合缝隙22上方的方形辐射金属贴片20进行耦合馈电，展宽天线带宽的同时，可以降低馈线网络对方形辐射金属贴片20的影响。
本发明的硅基阵列天线层1和硅基T/R组件层3分别通过纳米银浆烧结在散热冷板层2上，通过射频绝缘子实现信号传输。所述硅基T/R组件3内的功率放大器通过纳米银浆埋植集成在硅基单元组件5中，芯片底部大面积接触高密度TSV阵列用于散热。本发明根据硅基T/R组件层3的散热需求，设计合理的流道布局，实现有源子阵内功率放大器产生的热量经TSV阵列(多个TSV孔排列成一个TSV阵列)、纳米银颗粒烧结互连焊点传导至冷板2后，利用冷板2内的冷液带走硅基T/R组件层3的热量，保障功率放大器的正常稳定工作。此举在大大减小金属结构与Si材料焊接时CTE失配引起的焊接可靠性问题的同时，实现了系统可靠散热设计。使用时，以本发明有源子阵作为最小集成模块，采用模块式集成的方式实现更大规模阵列。本发明的基于硅基三维集成方法的微小型雷达高频大功率有源子阵单通道体积小于(λ/2×λ/2×10)mm3。
本发明的硅基T/R组件通过MMIC芯片与硅基异构集成、硅转接板多层布线的方式使得有源子阵内微波信号依照芯片电路输出—层间互联—电路同层传输—层间互联的路径呈现横向、纵向的三维立体式传播。由于雷达有源子阵的关键性作用以及进一步提高相控阵系统集成度、减小封装壳体的尺寸的目的，在圆片工艺下实现片上集成、高密度铜互连、TSV和圆片键合将进一步提升有源子阵的集成密度，直接的效果将是相控阵雷达的小型化。
因此，本发明以复杂多功能芯片为基础，利用天线微波芯片一体化集成，采用高集成度三维多层模块技术，通过基于硅基圆片三维互联工艺实现雷达高频大功率有源子阵多功能集成、一体化、轻小型、可扩展架构的共形设计，进而实现更大规模阵列和低成本小型阵列，提高相控阵集成化。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种基于硅基三维集成的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，包含由上至下依次设置的硅基阵列天线层(1)、散热冷板层(2)和硅基T/R组件层(3)，所述散热冷板层(2)设置射频绝缘子(31)，所述硅基阵列天线层(1)与所述硅基T/R组件层(3)固定于所述散热冷板层(2)的两侧，并通过冷板层(2)内的所述射频绝缘子(31)实现信号连接；所述硅基T/R组件层(3)包含若干个单元组件(5)，所述单元组件(5)呈两层结构；任意一个所述单元组件(5)作为三维堆叠的基本模块，将多个所述基本模块向上堆叠延伸以形成整个硅基T/R组件层(3)；
所述单元组件(5)中的每层结构设置一层硅转接板(6)和位于所述硅转接板(6)上方的一层硅帽(13)；
所述硅转接板(6)上设置金属和多层二氧化硅介质层(7)，用于信号交叉互联；每层二氧化硅介质层(7)上布置有金属，最上层的二氧化硅介质层(7)上布置的金属的上表面设有金属微凸点阵列，用于倒装芯片的键合或转接板的堆叠封帽。
2.如权利要求1所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述硅帽(13)的腔体(10)内侧设有屏蔽金属层(11)，以实现电磁屏蔽。
3.如权利要求2所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
硅基T/R组件层(3)的三维堆叠封装后，将所述腔体(10)内的功能芯片的信号从转接板(13)的上表面的焊球(15)导出；
所述功能芯片包含：功率放大器、接收限幅低噪放多功能芯片、四通道收发幅相多功能芯片、控制和驱动芯片。
4.如权利要求1所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述金属微凸点阵列为铜微凸点阵列(9)，所述金属为铜金属。
5.如权利要求1所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述单元组件(5)的上层包含收发放大模块，所述单元组件(5)的下层包含控制模块；所述单元组件(5)的上、下两层之间通过硅通孔(TSV)进行垂直互联信号传输，实现三维互联。
6.如权利要求5所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述硅基T/R组件层(3)通过最上层的表面的焊球阵列封装(15)实现与外部的信号连接。
7.如权利要求1所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述硅基阵列天线层(1)与所述硅基T/R组件层(3)通过纳米银浆烧结在散热冷板层(2)的两侧；
所述散热冷板层(2)由一冷板(2)制成，所述射频绝缘子(31)烧结安装于冷板内；所述冷板上预留有用于焊接射频绝缘子(31)以实现硅基阵列天线层(1)与硅基T/R组件层(3)之间信号互联的过孔。
8.如权利要求1所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述硅基T/R组件层(3)包含2×2个单元组件(5)，所述硅基阵列天线层(1)包含4×4个硅基阵列天线。
9.如权利要求7所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述冷板采用热膨胀系数为7×10-6/℃的70％Si-Al合金材料制成；
所述冷板的中间开孔，用于安装射频绝缘子(31)，所述冷板上的孔与孔的中心间距为二分之一的工作波长。
10.如权利要求1所述的微小型雷达高频大功率有源子阵，其特征在于，
所述硅基阵列天线层(1)是三层高阻硅基层和三层覆铜结构，从上至下依次为第一硅基层(16)、方形辐射金属贴片(20)、第二硅基层(17)、金属接地板(21)、第三硅基层(19)和天线馈线(23)；
第一硅基层(16)的下表面设置所述方形辐射金属贴片(20)，所述第二层硅基(17)上的中心挖有方槽(18)，并且四周留有一定宽度的边缘；
所述第三硅基层(19)上表面设置所述金属接地板(21)，所述第三硅基层(19)下表面设置所述天线馈线(23)；
所述金属接地板(21)蚀刻有耦合缝隙(22)，耦合缝隙(22)的长边与方形辐射金属贴片(20)边缘平行。
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