CN115360499A - 一种w频段二维aip微系统架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，包括多层有机转接板，设置在多层转接有机板上的天线阵列，通过BGA植球与多层转接有机板相连的PCB基板，设置在PCB基板上的散热材料，设置在散热材料上的八通道发射波束形成芯片、八通道接收波速形成芯片和设置在PCB基板底侧的热沉；八通道发射波束形成芯片、八通道接收波速形成芯片和多层转接有机板通过微凸点封装键合。本发明提供的一种W频段二维AIP微系统产品，采用相控阵AIP微系统架构，将天线与收发芯片通过封装材料和工艺集成在一起，以此满足W波段二维相控阵微系统低成本、小型化、高集成度的应用需求。

Description

一种W频段二维AIP微系统架构
技术领域
本发明涉及封装天线技术领域，具体涉及一种W频段二维AIP微系统架构。
背景技术
AiP(Antenna in Package，封装天线)技术顺应硅基CMOS工艺集成度提高的趋势，为系统级无线芯片提供良好的天线解决方案。相控阵天线利用大量独立幅相控制的天线阵元排列成天线阵面，通过控制各阵元的幅度相位形成各单元特定指向的波束，最终合成主波束。相控阵天线因其独特的波束控制能力广泛用于雷达、通信、成像等电子信息系统领域。与传统电子信息系统的微波相比，毫米波频段频谱资源更加丰富,光谱带宽更宽,波长更短,因此短距离高速无线通信系统、高分辨率雷达和高分辨率成像系统等电子信息系统应用正在毫米波频段迅速发展。毫米波中的W波段是一个极具吸引力的频率范围，其频谱中心(94GHz)处在传播衰减较小的大气衰减窗口，具有传输距离远、穿透性强等优点，是毫米波电子信息系统应用的研究热点。W波段二维相控阵微系统满足了当今电子系统微小型化、高集成、高性能的迫切需求，同时也给传统的相控阵系统架构和平面微电子封装技术带来了挑战。传统的相控阵系统架构采用多个分离模块搭建而成，即首先采用安装在金属屏蔽盒内的MMIC裸芯片构建子系统模块，然后选择合适性能的子系统模块来构建相控阵系统。显然传统相控阵系统架构对于天线和收发组件采用分离设计，天线和收发组件之间的互联损耗和系统尺寸、成本都会大大提高，存在成本高、体积大、集成度低的劣势。采用相控阵AIP微系统架构，将天线与收发芯片通过封装材料和工艺集成在一起，以此满足W波段二维相控阵微系统低成本、小型化、高集成度的应用需求。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中针对传统相控阵系统架构中分离设计的天线和收发组件之间的互联损耗和系统成本高、体积大、集成度低的缺点，提供一种W频段二维AIP微系统产品，采用相控阵AIP微系统架构，将天线与收发芯片通过封装材料和工艺集成在一起，以此满足W波段二维相控阵微系统低成本、小型化、高集成度的应用需求。
本发明提供一种W频段二维AIP微系统架构，包括多层有机转接板，设置在多层转接有机板上的天线阵列，通过BGA植球与多层转接有机板相连的PCB基板，设置在PCB基板上的散热材料，设置在散热材料上的八通道发射波束形成芯片、八通道接收波速形成芯片和设置在PCB基板底侧的热沉；八通道发射波束形成芯片、八通道接收波速形成芯片和多层转接有机板通过微凸点封装键合。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，多层有机转接板由5层有机材料层压制成，包括6层金属信号层。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，金属信号层包括自上而下的多层微带贴片天线的寄生贴片层、多层微带贴片天线的辐射贴片层、第一接地层、供电与控制信号层、第二接地层和射频信号水平传输层。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，天线阵列包括设置在寄生贴片层上的寄生贴片天线单元，设置在辐射贴片层上的辐射贴片单元，与辐射贴片单元一端垂直相连的垂直馈电结构和设置在第一接地层与第二接地层上的接地单元。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，八通道发射波束形成芯片基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和微凸点布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合；
八通道发射波束形成芯片用于完成W波段射频信号的功率均分、功率放大、幅相控制、功率温度遥测功能；
八通道发射波束形成芯片用于接收W波段射频信号输入，对输入信号进行八分路功率均分，每一个通道射频信号可变增益放大、移相控制、功率放大输出。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，八通道接收波束形成芯片基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和微凸点布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合；
八通道接收波束形成芯片用于完成W波段射频信号的低噪放大、幅相控制、功率合成、温度遥测功能；
八通道接收波束形成芯片接收八通道W波段射频信号输入，每一个通道对射频输入信号进行低噪放大、移相控制、可变增益放大，然后对八个通道射频信号功率均分和输出。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，多层转接有机板用于实现高效率、大带宽封装天线，并完成W频段射频信号传输、供电传输、控制信号传输、遥测信号输出、天线信号馈入功能和力学支撑、辅助散热功能。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，还包括电源接口、控制接口和射频接口；
电源接口用于提供供电偏置；
控制接口用于提供控制指令；
射频接口用于提供射频信号输入和接收射频信号输出。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，电源接口包括3.3V电压偏置和1V电压偏置。
本发明所述的一种W频段二维AIP微系统架构，作为优选方式，控制接口为3.3V的TTL电平，包括时钟信号SCLK、复位信号RST、模块选择信号MODE、片选信号SYNC、数据装载信号LDAC、串行数据输入SDI和串行数据输出SDO。
上述方案的原理是：由于W频段电子系统的频段高，工作波长短，二维相控阵微系统的尺寸和集成度有了更高的要求。本发明整体采用AIP架构，收发天线阵列采用多层微带贴片结构，射频收发芯片采用晶圆级芯片封装技术，将收发天线和射频收发芯片通过多层有机转接板封装工艺集成在一起，实现相控阵系统的小型化和高集成度。本发明最终实现二维相控阵系统信号发射、接收及波束指向控制等功能，同时具备工作状态监控功能，发射通道的输出功率监测、发射与接收通道的温度监测、通过遥测输出接口进行反馈监控，并且可以实现二维相控阵微系统的阵列拓展和有效散热。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供了一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，采用多层有机转接板封装工艺，将多层微带贴片结构的收发天线阵列与晶圆级芯片封装的射频收发芯片集成在一起。该架构的各连接通道(供电、控制、射频)均采用C4微凸点和BGA植球进行垂直互联，一方面避免金丝键合工艺中金丝长度、金丝拱高等引入的不一致性，另一方面集成度更高，传输路径更短，传输损耗更小。与传统的天线和收发组件采用分离设计的相控阵系统架构相比，W频段二维相控阵AIP微系统架构大大减小了天线和收发组件之间的互联损耗，有效提升了相控阵系统的小型化水平以及集成度。同时，AIP微系统架构将W频段二维相控阵系统构成了一个标准的表面贴装器件，可以在PCB基板上灵活地进行阵列拓展，提高了相控阵系统的标准化和阵列化。
附图说明
图1为一种W频段二维AIP微系统架构组成图；
图2为一种W频段二维AIP微系统架构多层有机转接板组成图；
图3为一种W频段二维AIP微系统架构天线阵列组成图；
图4为一种W频段二维AIP微系统架构石英基板组成图。
附图标记：
1、微凸点；2、BGA植球；3、天线阵列；4、多层有机转接板；5、PCB基板；6、八通道发射波束形成芯片；7、八通道接收波束形成芯片；8、散热材料；9、热沉；10、天线单元；11、辐射贴片单元；12、垂直馈电结构；13、接地单元；M1、寄生贴片层；M2、辐射贴片层；M3、第一接地层；M4、供电与控制信号层；M5、第二接地层；M6、射频信号水平传输层。
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。
实施例1
如图1所示，一种W频段二维AIP微系统架构，包括多层有机转接板4，设置在多层转接有机板4上的天线阵列3，通过BGA植球2与多层转接有机板4相连的PCB基板5，设置在PCB基板5上的散热材料8，设置在散热材料8上的八通道发射波束形成芯片6、八通道接收波速形成芯片7和设置在PCB基板5底侧的热沉；八通道发射波束形成芯片6、八通道接收波速形成芯片7和多层转接有机板4通过微凸点1封装键合。
八通道发射波束形成芯片6基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和微凸点1布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合；
八通道发射波束形成芯片6用于完成W波段射频信号的功率均分、功率放大、幅相控制、功率温度遥测功能；
八通道发射波束形成芯片6用于接收W波段射频信号输入，对输入信号进行八分路功率均分，每一个通道射频信号可变增益放大、移相控制、功率放大输出；
八通道接收波束形成芯片7基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和微凸点1布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合；
八通道接收波束形成芯片7用于完成W波段射频信号的低噪放大、幅相控制、功率合成、温度遥测功能；
八通道接收波束形成芯片7接收八通道W波段射频信号输入，每一个通道对射频输入信号进行低噪放大、移相控制、可变增益放大，然后对八个通道射频信号功率均分和输出。
如图2所示，多层有机转接板4由5层有机材料层压制成，包括6层金属信号层；金属信号层包括自上而下的多层微带贴片天线的寄生贴片层M1、多层微带贴片天线的辐射贴片层M2、第一接地层M3、供电与控制信号层M4、第二接地层M5和射频信号水平传输层M6；多层有机转接板4采用具备低损耗、低介电常数、高力学强度、高热导率、低热膨胀系数等优良特性的多层有机材料复合层压集成实现，实现高效率、大带宽封装天线，并完成W频段射频信号传输、供电传输、控制信号传输、遥测信号输出、天线信号馈入等功能以及力学支撑、辅助散热等功能。多层有机转接板4通过C4微凸点1实现与射频收发芯片实现焊接装配，通过BGA植球2工艺实现与PCB基板5的对外互连传输、固定支撑。
如图3所示，天线阵列3包括设置在寄生贴片层M1上的寄生贴片天线单元10，设置在辐射贴片层M2上的辐射贴片单元11，与辐射贴片单元11一端垂直相连的垂直馈电结构12和设置在第一接地层M3与第二接地层M5上的接地单元13。封装天线集成在多层有机转接板4上，通过多层有机转接板4与射频收发芯片集成为一体；接收与发射天线单元阵列采用多层微带贴片结构，在多层有机转接板4表面构成寄生贴片天线单元10阵列，通过多层有机板内部的辐射贴片单元11阵列进行射频信号耦合传输；辐射贴片单元11阵列与垂直馈电网络相连接，实现射频信号传输。
PCB基板5实现对整个微系统的供电控制分发、射频信号分路合成馈入馈出、遥测信号汇总反馈等功能。需要实现二次电源转换、控制指令解析与下发、状态反馈等功能，电源模块、DSP、FPGA、各类传感器等器件均装配在此PCB基板5上；同时，PCB基板5还对微系统实现阵列拓展和承载支撑作用。
散热材料8实现对微系统的散热功能，在PCB基板5上构建散热通道，在微系统通过BGA焊接到PCB基板5后，通过散热通道装填高热导率散热材料，实现发射和接收芯片底部与PCB基板5、散热通道的优良热接触，并且散热通道将微系统的热量传导到底部接触的热沉上去。
如图4所示，还包括电源接口、控制接口和射频接口；
电源接口用于提供供电偏置，电源接口包括3.3V电压偏置和1V电压偏置；
控制接口用于提供控制指令：控制接口为3.3V的TTL电平，包括时钟信号SCLK、复位信号RST、模块选择信号MODE、片选信号SYNC、数据装载信号LDAC、串行数据输入SDI和串行数据输出SDO；
射频接口用于提供射频信号输入和接收射频信号输出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：包括多层有机转接板(4)，设置在所述多层转接有机板(4)上的天线阵列(3)，通过BGA植球(2)与所述多层转接有机板(4)相连的PCB基板(5)，设置在所述PCB基板(5)上的散热材料(8)，设置在所述散热材料(8)上的八通道发射波束形成芯片(6)、八通道接收波速形成芯片(7)和设置在所述PCB基板(5)底侧的热沉(9)；所述八通道发射波束形成芯片(6)、所述八通道接收波速形成芯片(7)和所述多层转接有机板(4)通过微凸点(1)封装键合。
2.根据权利要求1所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述多层有机转接板(4)由5层有机材料层压制成，包括6层金属信号层。
3.根据权利要求1所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述金属信号层包括自上而下的多层微带贴片天线的寄生贴片层(M1)、多层微带贴片天线的辐射贴片层(M2)、第一接地层(M3)、供电与控制信号层(M4)、第二接地层(M5)和射频信号水平传输层(M6)。
4.根据权利要求3所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述天线阵列(3)包括设置在所述寄生贴片层(M1)上的寄生贴片天线单元(10)，设置在所述辐射贴片层(M2)上的辐射贴片单元(11)，与所述辐射贴片单元(11)一端垂直相连的垂直馈电结构(12)和设置在所述第一接地层(M3)与所述第二接地层(M5)上的接地单元(13)。
5.根据权利要求1所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述八通道发射波束形成芯片(6)基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和所述微凸点(1)布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合；
所述八通道发射波束形成芯片(6)用于完成W波段射频信号的功率均分、功率放大、幅相控制、功率温度遥测功能；
所述八通道发射波束形成芯片(6)用于接收W波段射频信号输入，对所述输入信号进行八分路功率均分，每一个通道射频信号可变增益放大、移相控制、功率放大输出。
6.根据权利要求1所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述八通道接收波束形成芯片(7)基于硅基COMS工艺，采用晶圆级芯片封装技术，完成芯片的表面电路分布和所述微凸点(1)布局制备，预备以Flip-chip装配工艺进行封装键合；
所述八通道接收波束形成芯片(7)用于完成W波段射频信号的低噪放大、幅相控制、功率合成、温度遥测功能；
所述八通道接收波束形成芯片(7)接收八通道W波段射频信号输入，每一个通道对所述射频输入信号进行低噪放大、移相控制、可变增益放大，然后对八个通道射频信号功率均分和输出。
7.根据权利要求1所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述多层转接有机板(4)用于实现高效率、大带宽封装天线，并完成W频段射频信号传输、供电传输、控制信号传输、遥测信号输出、天线信号馈入功能和力学支撑、辅助散热功能。
8.根据权利要求1所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：还包括电源接口、控制接口和射频接口；
所述电源接口用于提供供电偏置；
所述控制接口用于提供控制指令；
所述射频接口用于提供射频信号输入和接收射频信号输出。
9.根据权利要求8所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述电源接口包括3.3V电压偏置和1V电压偏置。
10.根据权利要求8所述的一种W频段二维相控阵AIP微系统架构，其特征在于：所述控制接口为3.3V的TTL电平，包括时钟信号SCLK、复位信号RST、模块选择信号MODE、片选信号SYNC、数据装载信号LDAC、串行数据输入SDI和串行数据输出SDO。
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