CN113206067B - 一种高功率防护系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高功率防护电路及其制备方法，包括PIN限幅器、低噪声放大器、硅基，PIN限幅器的输出端与低噪声放大器的输入端通过接地共面波导相连接；PIN限幅器的输入端与低噪声放大器的输出端通过接地共面波导形成GSG结构，信号经过限幅器进入低噪声放大器；PIN限幅器和低噪声放大器安置在硅基的凹槽内，涂覆一层BCB作为介质，在BCB上制作金属层形成电气连接和输入输出结构。本发明封装后的防护模块尺寸小，信号传输性能优异，能有效提升低噪声放大器对高功率微波的防护能力。采用BCB埋置封装工艺减小了引线长度，降低了防护模块的插损。通过在低噪声放大器输入端放置PIN限幅器，可提升低噪声放大器的损毁阈值。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波防护和半导体封装工艺领域，具体地，涉及一种低噪声放大器与限幅器的一体化高功率防护系统及其制备方法。
背景技术
低噪声放大器广泛应用于无线通信系统的接收前端，其性能直接影响整个通信系统。高功率微波作用于无线通信系统时，一般通过前门耦合的方式从天线进入通信系统，作为微波敏感器件，放置在通信系统接收前端的低噪声放大器很容易损毁。因此研究低噪声放大器的防护模块，提升其损毁阈值，对保障通信系统的安全有着重要意义。
为了提升高功率微波作用下的低噪声放大器的损毁阈值，通常会将限幅器放置在低噪声放大器的输入端，但是通常的板级防护模块不仅会增加较大的版图面积，而且会引入较大的插入损耗，导致无线通信系统特别是射频前端模块的性能下降。
PIN限幅器的特殊之处在于其内部的PIN管在P区与N区之间还有一层掺杂浓度很低的本征区I层区。I区载流子的数量变化，就是PIN管阻抗变化的原因。此外，注入PIN管的功率大小会影响I区载流子的抽离程度。当注入功率小于该门限值时，信号正半周注入I区的载流子在负半周时会被全部抽离，因此I区就不存在电荷的积累，PIN管的阻抗基本不变，一直维持在高阻状态，从而信号能正常传输，因此该门限值又被称作限幅电平。反之，当注入功率大于限幅电平时，在信号负半周，I区载流子并未完全抽离，经过几个周期的重复，I区中的载流子逐渐积累增多，PIN管的阻抗随之降低，呈现出低阻状态，限幅器与网络阻抗失配，大部分能量被反射回去，从而起到限幅的作用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高功率防护系统及其制备方法。
根据本发明提供的一种高功率防护系统，包括：PIN限幅器、低噪声放大器、硅基，其中：
PIN限幅器的输出端与低噪声放大器的输入端通过接地共面波导相连接；
PIN限幅器的输入端与低噪声放大器的输出端通过接地共面波导形成GSG结构，信号经过限幅器进入低噪声放大器；
PIN限幅器和低噪声放大器安置在硅基的凹槽内，涂覆一层BCB作为介质，在BCB上制作金属层形成电气连接和输入输出结构。
优选地，GSG结构的间距为110μm。
优选地，接地共面波导的特征阻抗为50欧姆。
根据本发明提供的一种基于上述的高功率防护系统的制备方法，包括如下步骤：
芯片埋置槽制作步骤：在衬底上刻蚀出尺寸与芯片匹配的槽体；
金属地层电镀步骤：在刻蚀了槽体的硅片上制作均匀、达到设计厚度的金属地层；
芯片埋置及平坦化步骤：将芯片无损的放置在槽体中固定住，使芯片位于槽体中央位置，芯片表面与硅片持平，并将芯片与槽体的缝隙填平；
BCB层加工步骤：制作出表面均匀，达到设计厚度，没有气泡并且显影干净的BCB层；
金属布线层电镀步骤：在BCB表面电镀金属布线层，将限幅器与低噪声放大器连接，并制作输入与输出结构。
优选地，所述芯片埋置槽制作步骤包括：
在硅片上沉积保护膜；
用光刻胶做出槽体的平面图案；
用介质刻蚀将保护膜去除，露出下面的硅，将光刻胶清洗干净；
在腐蚀溶液中对硅进行腐蚀，达到设计深度。
优选地，所述金属地层电镀步骤包括：
在硅片表面溅射种子层；
用光刻胶制作地层图案，光刻胶的厚度大于所镀金属的厚度；
通过光刻形成图形后，电镀金属地层至设定厚度，并清洗掉光刻胶，通过离子刻蚀去除种子层。
优选地，所述种子层包括15nm Cr/150nm Cu层。
优选地，所述腐蚀溶液包括氢氧化钾溶液。
优选地，所述保护膜包括氮化硅。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将PIN限幅器放置在低噪声放大器的输入端，利用PIN管阻抗随着注入功率不同会发生改变的非线性特征，当高功率微波注入时，限幅器阻抗迅速降低，引起阻抗失配，将大部分能量反射回去,使得低噪声放大器输入端的信号功率被钳制在安全范围，从而确保低噪声放大器免受瞬态高能量的冲击而损坏。
2、本发明采用了BCB埋置封装工艺进行一体化集成，将限幅器和低噪声放大器埋置在硅基深槽中，并涂覆BCB作为介质，再在介质上方制作金属层进行电气连接和形成输入输出结构。
3、本发明封装后的防护模块尺寸小，信号传输性能优异，能有效提升低噪声放大器对高功率微波的防护能力。
4、本发明采用BCB埋置封装工艺减小了引线长度，有效降低了防护模块的插损。
5、本发明通过在低噪声放大器输入端放置PIN限幅器，可提升低噪声放大器的损毁阈值。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明BCB埋置封装工艺流程图；
图3为本发明BCB埋置封装工艺示意图；
图4为本发明实物图；
图5为本发明与无限幅器电路的S参数对比图；
图6为本发明的防护效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例示意图如图1所示，从图1侧视图可以看出它是一个PIN限幅器放置在GaAs低噪声放大器输入端，并通过特征阻抗为50欧姆的GCPW相连接，限幅器的输入端与低噪声放大器的输出端通过特征阻抗为50欧姆的GCPW形成间距为110μm的GSG结构，方便与外部电路连接，低噪声放大器还有额外的电源线提供直流偏置。PIN限幅器与低噪声放大器通过BCB埋置封装工艺进行一体化集成，构成能有效防护高功率微波的封装防护模块，所述封装防护模块包括：PIN限幅器+低噪声放大器集成，PIN限幅器独立集成。
从图1俯视图可以看出，该封装防护模块由下至上分别为硅衬底，金属地层，芯片，BCB介质和金属布线层。通过在硅衬底上刻蚀出深槽，将芯片埋置其中，再在上面旋涂一层BCB作为介质，最后在BCB上方制作金属布线层形成电气连接，直流偏置和输入输出结构。本发明在硅基上制作凹槽，将限幅器和低噪声放大器埋置在凹槽中，再涂覆一层BCB作为介质，最后在BCB上制作金属层形成电气连接和输入输出结构。
图2所示是BCB埋置封装工艺的流程图，黄色框图为主流程，包括制备芯片埋置槽，金属地层的电镀，芯片埋置及平坦化，BCB介质层的加工，金属布线层的电镀。每个主流程又包括若干子流程，如框图所示，整个工艺过程包括：
(1)制作芯片埋置槽：目标是在衬底上刻蚀出尺寸与芯片匹配的槽，根据实现机理不同分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻槽的具体流程为：首先在硅片上沉积保护膜，如氮化硅；再用光刻胶做出槽体的平面图案，接着用介质刻蚀将氮化硅去除，露出下面的硅，随后将光刻胶清洗干净，最后在氢氧化钾(KOH)溶液中对硅进行腐蚀，达到设计深度。
(2)金属地层的电镀：目标是在刻蚀了槽体的硅片上制作均匀、达到设计厚度的金属地层。将硅片清洗干净后，在其表面溅射30nm Cr/300nm Cu作为种子层，其中Cr的作用是作为过渡层增加铜离子与硅晶体的结合力，避免电镀时种子层脱落。接下来用光刻胶制作地层图案，光刻胶的厚度要大于所镀金属的厚度。需要注意的是，光刻胶会在槽体内沉积，其厚度要比正常旋涂的胶更大，此外溅射的种子层对光的反射作用要弱于纯净的硅片，相应的种子层上的光刻胶接收的光强要更小点。因此曝光时间需要进行适当的调整。通过光刻形成图形后，电镀金属地层的厚度至4μm，并清洗掉光刻胶，通过离子刻蚀去除种子层。
(3)芯片埋置及平坦化：目标是将芯片无损的放置在槽体中固定住，使芯片位于槽体中央位置，芯片表面与硅片持平，并将芯片与槽体的缝隙填平。
(4)BCB层的加工：目标是制作出表面均匀，达到设计厚度，没有气泡并且显影干净的BCB层。整个BCB制作的流程与一般的光刻胶类似，包括旋涂，前烘，曝光，显影，固化，最终形成约15μm厚的BCB介质层。
(5)金属布线层的电镀：目标是在BCB表面电镀金属布线层，将限幅器与低噪声放大器连接，并制作输入与输出结构。金属布线层的电镀与金属地层的步骤基本一致。
更进一步的具体工艺加工步骤如下所示：
(1)准备4寸高阻硅作为衬底，用去离子水和氮气枪进行清洁，如图3(a)所示；
(2)在裸硅片上制作1.6μm～2μm的双面氧化层或200nm的氮化硅层，如图3(b)所示；
(3)选择晶圆干净的一面作为加工面，旋涂一层光刻胶，背面同样旋涂一层光刻胶，加工面经光刻形成芯片埋置槽图形，如图3(c)所示；
(4)干法刻蚀出芯片槽开口，如图3(d)所示；
(5)以SiO2或氮化硅薄膜为掩膜，用40％KOH溶液刻蚀硅片，得到预定深度的芯片槽，如图3(e)所示；
(6)在晶圆的加工面上溅射15nm Cr/150nm Cu种子层，然后制作光刻胶掩膜，最后电镀形成电路模块的地层，如图3(f)所示；
(7)将适量导电银浆点涂进芯片槽，使得芯片槽四周覆上一层薄胶，如图3(g)所示；
(8)将芯片平整放入槽内，调整芯片位置居于槽的中央，压平芯片，使芯片表面与硅片表面持平，此时银浆稍稍溢出，如图3(h)所示；
(9)用150℃热板烘5分30秒，使导电银浆软固化，并用150℃热板烘30min，硬固化导电银浆，如图3(i)所示；
(10)芯片埋置于槽中后，涂覆约15μm的BCB，如图3(j)所示；
(11)旋涂一层BCB进行光刻得到互连通孔，硬固化BCB，刻蚀残留BCB，效果如图3(k)所示；
(12)最后的步骤与第5步的类似，电镀封装表面的信号线、偏置线和一些无源器件，如图3(l)所示。
图4所示是封装防护模块实物图，整个防护模块尺寸为3.2mm×7.2mm×1mm，左边为限幅器，右边为低噪声放大器。信号通过GCPW进入限幅器，再通过GCPW进入低噪声放大器，最后输出信号。
图5所示是低噪声放大器和加了限幅器的低噪声放大器的S参数测试结果对比，由图可以发现，低噪声放大器输入端增加PIN限幅器前后，增益基本不变，反射系数下降约10dB。
图6所示是防护模块在脉宽为20ns和100ns时测试的防护效果，可以看到高功率微波在经过限幅器后，输出功率比输入功率减小了约23dB，由此可见，该防护模块对低噪声放大器的损毁阈值将相应提升23dB，证明了该防护模块的有效性。
本实施例通过在低噪声放大器输入端增加限幅器，设计实现了能提升对高功率微波防护能力的封装防护模块，其增益和噪声系数基本不变，反射系数略有下降，对高功率微波的防护能力提升了约23dB。通过实际测量证明了这种新型设计方法的可行性。
本发明将PIN限幅器放置在低噪声放大器的输入端，利用PIN管阻抗的变化，使注入的高功率微波大部分能量都被反射回去，将放大器输入端的电压限制在安全范围内，从而提升了低噪声放大器的损毁阈值。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种高功率防护系统，其特征在于，包括：PIN限幅器、低噪声放大器、硅基，其中：
PIN限幅器的输出端与低噪声放大器的输入端通过接地共面波导相连接；
PIN限幅器的输入端与低噪声放大器的输出端通过接地共面波导形成GSG结构，信号经过限幅器进入低噪声放大器；
PIN限幅器和低噪声放大器安置在硅基的凹槽内，涂覆一层BCB作为介质，在BCB上制作金属层形成电气连接和输入输出结构；
GSG结构的间距为110μm；
接地共面波导的特征阻抗为50欧姆。
2.一种基于权利要求1任一项所述的高功率防护系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
芯片埋置槽制作步骤：在衬底上刻蚀出尺寸与芯片匹配的槽体；
金属地层电镀步骤：在刻蚀了槽体的硅片上制作均匀、达到设计厚度的金属地层；
芯片埋置及平坦化步骤：将芯片无损的放置在槽体中固定住，使芯片位于槽体中央位置，芯片表面与硅片持平，并将芯片与槽体的缝隙填平；
BCB层加工步骤：制作出表面均匀，达到设计厚度，没有气泡并且显影干净的BCB层；
金属布线层电镀步骤：在BCB表面电镀金属布线层，将限幅器与低噪声放大器连接，并制作输入与输出结构；
所述芯片埋置槽制作步骤包括：
在硅片上沉积保护膜；
用光刻胶做出槽体的平面图案；
用介质刻蚀将保护膜去除，露出下面的硅，将光刻胶清洗干净；
在腐蚀溶液中对硅进行腐蚀，达到设计深度；
所述金属地层电镀步骤包括：
在硅片表面溅射种子层；
用光刻胶制作地层图案，光刻胶的厚度大于所镀金属的厚度；
通过光刻形成图形后，电镀金属地层至设定厚度，并清洗掉光刻胶，通过离子刻蚀去除种子层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述种子层包括15nm Cr/150nm Cu层。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述腐蚀溶液包括氢氧化钾溶液。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述保护膜包括氮化硅。
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