CN113552540A - 三维集成微组装雷达前端模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三维集成微组装雷达前端模块，包括：载板层，设置有一埋置腔体；信号屏蔽层，设置于所述载板层表面；微波射频电路，设置于所述信号屏蔽层上，且位于所述埋置腔体内；第一层薄膜介质衬底，覆盖于所述信号屏蔽层及所述微波射频电路上；无源传输线，设置于所述第一层薄膜介质衬底上，并通过贯穿所述第一层薄膜介质衬底的通孔与所述微波射频电路电连接；第二层薄膜介质衬底，覆盖于所述无源传输线上；微带贴片天线，设置于所述第二层薄膜介质衬底上，并通过贯穿所述第二层薄膜介质衬底的通孔与所述无源传输线电连接。本发明能实现毫米波探测器收发组件前端模块的小型化与高度集成化。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种三维集成微组装雷达前端模块。
背景技术
随着电子系统技术的不断发展，对电子设备的体积提出了更加严格的要求，针对军事应用平台对毫米波探测器收发组件通用化，高密度集成的需求和背景，实现先进的微电子多芯片三维集成封装工艺实现现代毫米波电子设备系统小型化高度集成，以满足军事技术发展对高性能探测器系统集成技术的需求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维集成微组装雷达前端模块，用于解决现有技术中电子设备体积大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维集成微组装雷达前端模块，所述三维集成微组装雷达前端模块至少包括：
载板层，设置有一埋置腔体；
信号屏蔽层，设置于所述载板层表面；
微波射频电路，设置于所述信号屏蔽层上，且位于所述埋置腔体内；
第一层薄膜介质衬底，覆盖于所述信号屏蔽层及所述微波射频电路上；
无源传输线，设置于所述第一层薄膜介质衬底上，并通过贯穿所述第一层薄膜介质衬底的通孔与所述微波射频电路电连接；
第二层薄膜介质衬底，覆盖于所述无源传输线上；
微带贴片天线，设置于所述第二层薄膜介质衬底上，并通过贯穿所述第二层薄膜介质衬底的通孔与所述无源传输线电连接。
可选地，所述载板层采用高阻硅基载板。
可选地，所述信号屏蔽层采用Cu层和Au层的叠层结构，其中，底层的Cu层与所述载板层接触，顶层的Au层与所述微波射频电路接触。
更可选地，所述Cu层的厚度设置为2um-4um、所述Au层的厚度设置为1um-2um。
可选地，所述第一薄膜介质衬底及所述第二层薄膜介质衬底采用苯并环丁烯。
可选地，所述微带贴片天线上设置有缝隙，所述缝隙位于所述微带贴片天线的两侧。
可选地，所述微带贴片天线包括至少两层薄膜衬底。
可选地，所述微波射频电路包括压控振荡器、功分器及接收模块；所述功分器的输入端连接所述压控振荡器的输出端、第一输出端连接所述微带贴片天线中的发射天线，第二输出端连接所述接收模块的本振信号接收端；所述接收模块的射频信号接收端连接所述微带贴片天线中的接收天线。
更可选地，所述接收模块包括低噪声放大器及混频器；所述低噪声放大器的输入端连接所述接收天线，输出端连接所述混频器的射频输入端；所述混频器的本振输入端连接所述功分器的第二输出端。
可选地，所述无源传输线采用接地共面波导传输线形式。
更可选地，所述三维集成微组装雷达前端模块应用于毫米波频段。
如上所述，本发明的三维集成微组装雷达前端模块，具有以下有益效果：
本发明的三维集成微组装雷达前端模块采用硅基MEMS的三维系统级集成工艺技术，实现了毫米波探测器收发组件前端模块的小型化与高度集成化。发射天线和接收天线采用相同形式的天线，通过辐射贴片两侧缝隙加载的方式获得理想的工作频点，同时天线采用两层介质衬底来增加相同阻抗的传输线线宽，避免因传输线线宽过窄而导致的误差频偏问题。
附图说明
图1显示为本发明的三维集成微组装雷达前端模块的截面示意图。
图2显示为本发明的三维集成微组装雷达前端模块的俯视示意图。
元件标号说明
1 载板层
2 信号屏蔽层
3 微波射频电路
31 压控振荡器
32 功分器
33 接收模块
331 低噪声放大器
332 混频器
4 第一层薄膜介质衬底
5 无源传输线
6 第二层薄膜介质衬底
7 微带贴片天线
71 发射天线
72 接收天线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提供一种三维集成微组装雷达前端模块，所述三维集成微组装雷达前端模块包括：
载板层1、信号屏蔽层2、微波射频电路3、第一层薄膜介质衬底4、无源传输线5、第二层薄膜介质衬底6及微带贴片天线7。
如图1所示，所述载板层1设置于底层，上部设置有一埋置腔体。
具体地，所述载板层1为具有一定厚度的基板，所述载板层1的上表面设置至少一埋置腔体；所述埋置腔体的底面及四周被所述载板层1包围，所述埋置腔体的顶部敞开。所述埋置腔体用于放置芯片，实现所述微波射频电路3的精确定位；同时对于所述微波射频电路3的各模块通过分立芯片实现的方案，可设置多个埋置腔体，实现多芯片的集成。
具体地，在本实施例中，所述载板层1采用高阻硅基载板。高阻硅基载板具备良好的热导率，能有效保证封装结构的散热性能。在实际使用中，可根据实际需要选择相应的载板层材料。
如图1所示，所述信号屏蔽层2设置于所述载板层1表面。
具体地，所述信号屏蔽层2覆盖于所述载板层1的上表面，在本实施例中，所述信号屏蔽层2采用金属材料制备，以实现所述埋置腔体的接地金属化，在实际使用中，任意能为所述微波射频电路3构建有效的电磁屏蔽环境、降低多芯片之间的高频串扰和电磁干扰的金属材料均适用于本发明的信号屏蔽层。
具体地，在本实施例中，所述信号屏蔽层2包括一层Cu层和一层Au层的叠层结构(即在Cu层上镀一层Au层)，在实际使用中，可设置为多层Cu与Au的交替叠置结构，其中，底层的Cu层与所述载板层1接触，顶层的Au层与所述微波射频电路3的底部接触。作为示例，所述Cu层的厚度设置为2um-4um，优选为2.5um；所述Au层的厚度设置为1um-2um，优选为1um。所述Cu层的厚度大于所述Au层的厚度。
如图1所示，所述微波射频电路3设置于所述信号屏蔽层2上，且位于所述埋置腔体内。
具体地，所述微波射频电路3可以是用于实现收发信号的多个功能模块集成的一颗芯片，也可以是用于实现收发信号的多个芯片(每个芯片实现收发功能的一部分功能)构成的多芯片电路。在本实施例中，所述微波射频电路3包括多个功能模块对应的多颗芯片，如图2所示，作为示例，所述微波射频电路3包括压控振荡器31、功分器32及接收模块33(各模块均采用一芯片实现)；所述功分器32的输入端连接所述压控振荡器31的输出端、第一输出端连接所述微带贴片天线7中的发射天线71，第二输出端连接所述接收模块33的本振信号接收端；所述接收模块33的射频信号接收端连接所述微带贴片天线7中的接收天线72。进一步地，所述接收模块33包括低噪声放大器331及混频器332；所述低噪声放大器331的输入端连接所述接收天线72，输出端连接所述混频器332的射频输入端；所述混频器332的本振输入端连接所述功分器32的第二输出端。
更具体地，在本实施例中，雷达发射机产生雷达基带信号，经所述功分器32将信号分为两路，一路通过所述无源传输线5及所述发射天线71发射到空间目标散射体上，目标反射回来的信号由所述接收天线72接收，所述低噪声放大器331对接收到的信号进行放大并提供给所述混频器332，所述混频器332将射频信号与所述功分器32提供的另一路本振信号混频得到中频信号；对所述中频信号进行信号处理可得到(包括但不限于)目标的方位、距离、速度以及形状信息。
需要说明的是，在本实施例中，所述微波射频电路3为毫米波前端收发芯片，在实际使用中可根据需要选择相应频段的芯片，不以本实施例为例。
如图1所示，所述第一层薄膜介质衬底4覆盖于所述信号屏蔽层2及所述微波射频电路3上。
具体地，所述第一层薄膜介质衬底4设置于所述信号屏蔽层2及所述微波射频电路3上表面，用于绝缘保护。在本实施例中，所述第一层薄膜介质衬底4采用低介电常数的有机材料苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)作为信号传输互连的介质材料，实现BCB/Au多层布线及毫米波无源器件的集成。
如图1所示，所述无源传输线5设置于所述第一层薄膜介质衬底4上，并通过贯穿所述第一层薄膜介质衬底4的通孔与所述微波射频电路3电连接。
具体地，在本实施例中，所述无源传输线5的衬底采用单层薄膜材料，以防止芯片上覆盖过厚的薄膜衬底而影响芯片的性能，导致整个雷达收发组件的性能受到影响。作为示例，所述无源传输线5采用接地共面波导(CPWG)传输线形式；在实际使用中，可根据需要设置所述无源传输线的形式。作为示例，为了防止传输线表面的铜氧化，本发明采用在铜上镀金的方式进行信号传输互连。
需要说明的是，在本实施例中，所述无源传输线5与所述微波射频电路3采用TSV(Through Silicon Via)结构进行垂直互连。在本实施例中，所述无源传输线5为毫米波无源传输线，在实际使用中可根据需要选择相应频段的无源传输线，不以本实施例为例。
如图1所示，所述第二层薄膜介质衬底6覆盖于所述无源传输线5上。
具体地，所述第二层薄膜介质衬底6设置于所述无源传输线5上表面，用于绝缘保护。在本实施例中，所述第二层薄膜介质衬底6采用低介电常数的有机材料苯并环丁烯作为信号传输互连的介质材料。
如图1所示，所述微带贴片天线7设置于所述第二层薄膜介质衬底6上，并通过贯穿所述第二层薄膜介质衬底6的通孔与所述无源传输线5电连接。
具体地，所述微带贴片天线7包括发射天线71及接收天线72。在本实施例中，所述微带贴片天线7包括至少两层薄膜衬底，天线采用两层介质衬底来增加相同阻抗的传输线(馈线)线宽，避免因传输线线宽过窄而导致的误差频偏问题；作为示例，采用双层薄膜BCB衬底材料为天线基板。需要说明的是，在本实施例中，天线馈线形式采用TSV结构经所述无源传输线5进行垂直互连，并与所述微波射频电路3的发射接收信号端进行互连。
具体地，如图2所示，所述微带贴片天线7上设置有缝隙，所述缝隙分别位于所述微带贴片天线7上的两侧及所述无源传输线5的两侧，通过增加缝隙的方式调节天线与馈线之间的阻抗匹配，进而增加天线的阻抗带宽，使得天线与收发电路间保证良好匹配。
本发明提供一种适用于毫米波的三维异质集成微组装雷达前端模块，它采用硅基MEMS的三维系统级集成工艺技术，实现了毫米波探测器收发组件前端模块的小型化与高度集成化，在本实施中，整个毫米波雷达前端模块尺寸为13mm*6mm。
综上所述，本发明适用于毫米波的三维集成微组装雷达前端模块，采用埋置于高阻基板衬底的毫米波T/R芯片，发射支路采用TSV垂直互连结构与单层薄膜介质衬底的毫米波无源传输线CPWG进行信号传输，信号经功分器分为两路，一路通过无源传输线层的CPWG传输线采用TSV结构与双层薄膜介质衬底上的毫米波微带贴片天线进行垂直互连，信号由发射天线发射到空间目标散射体上，目标反射回来的信号由接收天线接收，进入接收支路采用TSV垂直互连的形式与毫米波无源传输线层的CPWG进行信号互连，与功分器的另一支路的信号进行混频得到易处理的中频信号。发射和接收天线采用相同形式的天线，采用辐射贴片两侧缝隙加载的方式获得理想的工作频点，天线采用两层介质衬底来增加相同阻抗的传输线线宽，并减小因衬底厚度小导致的传输线线宽过窄引起的误差频偏问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于，所述三维集成微组装雷达前端模块至少包括：
载板层，设置有一埋置腔体；
信号屏蔽层，设置于所述载板层表面；
微波射频电路，设置于所述信号屏蔽层上，且位于所述埋置腔体内；
第一层薄膜介质衬底，覆盖于所述信号屏蔽层及所述微波射频电路上；
无源传输线，设置于所述第一层薄膜介质衬底上，并通过贯穿所述第一层薄膜介质衬底的通孔与所述微波射频电路电连接；
第二层薄膜介质衬底，覆盖于所述无源传输线上；
微带贴片天线，设置于所述第二层薄膜介质衬底上，并通过贯穿所述第二层薄膜介质衬底的通孔与所述无源传输线电连接。
2.根据权利要求1所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述载板层采用高阻硅基载板。
3.根据权利要求1所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述信号屏蔽层采用Cu层和Au层的叠层结构，其中，底层的Cu层与所述载板层接触，顶层的Au层与所述微波射频电路接触。
4.根据权利要求3所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述Cu层的厚度设置为2um-4um、所述Au层的厚度设置为1um-2um。
5.根据权利要求1所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述第一薄膜介质衬底及所述第二层薄膜介质衬底采用苯并环丁烯。
6.根据权利要求1所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述微带贴片天线上设置有缝隙，所述缝隙位于所述微带贴片天线的两侧。
7.根据权利要求1所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述微带贴片天线包括至少两层薄膜衬底。
8.根据权利要求1所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述微波射频电路包括压控振荡器、功分器及接收模块；所述功分器的输入端连接所述压控振荡器的输出端、第一输出端连接所述微带贴片天线中的发射天线，第二输出端连接所述接收模块的本振信号接收端；所述接收模块的射频信号接收端连接所述微带贴片天线中的接收天线。
9.根据权利要求7所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述接收模块包括低噪声放大器及混频器；所述低噪声放大器的输入端连接所述接收天线，输出端连接所述混频器的射频输入端；所述混频器的本振输入端连接所述功分器的第二输出端。
10.根据权利要求1所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述无源传输线采用接地共面波导传输线形式。
11.根据权利要求1-10任意一项所述的三维集成微组装雷达前端模块，其特征在于：所述三维集成微组装雷达前端模块应用于毫米波频段。
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