CN115666051A - 一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,包括:阵列天线模块和设置在阵列天线模块下部与阵列天线模块使用叠层封装连接的收发电路模块,阵列天线模块和收发电路模块可分离测试,阵列天线模块和收发电路模块与母板之间通过焊球进行射频输入输出信号的传输、控制信号的传输和供电。本发明将封装天线技术引入有源相控阵,完成天线与收发组件的小型化一体化封装,并通过多种散热措施来实现一体化小尺寸封装内高功率芯片的有效散热,本发明采用一体化、规范标准化设计,封装天线微系统尺寸较小、装配工艺简单、集成度与一致性高,可以有效降低研制与加工时间,可大规模、流水线生产。
Description
技术领域
本发明涉及基本电气元件技术领域,具体涉及一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统。
背景技术
未来对相控阵天线分辨率的要求不断提高,随之必然带来相控阵天线的口径扩大及其收发组件的数量增加。传统天线与收发组件分立设计后再通过连接器互连的集成方式使得封装尺寸与损耗较大,难以满足系统的低功耗、高集成度、小型化需求;且收发组件内含高功率芯片,小型化后系统热流密度较大,散热问题难以解决。
发明内容
本发明是为了解决传统有源相控阵系统难以小型化、低功耗、且小型化后散热困难的问题,提供一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,将封装天线技术引入有源相控阵,完成天线与收发组件的小型化一体化封装,并通过多种散热措施来实现一体化小尺寸封装内高功率芯片的有效散热,本发明采用一体化、规范标准化设计,封装天线微系统尺寸较小、装配工艺简单、集成度与一致性高,可以有效降低研制与加工时间,可大规模、流水线生产。
本发明提供一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:包括:阵列天线模块和设置在阵列天线模块下部与阵列天线模块使用叠层封装连接的收发电路模块,阵列天线模块和收发电路模块可分离测试,阵列天线模块和收发电路模块与母板之间通过焊球进行射频输入输出信号的传输、控制信号的传输和供电。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,阵列天线模块包括辐射贴片和设置在辐射贴片下部的阵列天线模块基板,阵列天线模块基板使用同轴馈电方式为辐射贴片提供信号传输。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,收发电路模块包括收发电路模块基板、设置在收发电路模块基板内部的芯片单元、设置在收发电路模块基板上表面的可伐合金围框和设置在可伐合金围框上部的可伐合金盖板,收发电路模块基板与阵列天线模块基板通过焊球和垂直互连电路电连接。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,还包括焊球单元,焊球单元包括使阵列天线模块、收发电路模块电连接的第一焊球单元和使收发电路模块、母板电连接的第二焊球单元,第一焊球单元和第二焊球单元均为BGA焊球,第一焊球单元和第二焊球单元的焊球尺寸不同。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,阵列天线模块还包括设置在阵列天线模块基板背面尺寸大于可伐合金盖板的空气腔,空气腔用于容纳可伐合金围框、可伐合金盖板在垂直方向上超出第一焊球单元直径的部分。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,辐射贴片以M×M的排布形式设置于阵列天线模块基板的上表面,阵列天线模块基板内部设置射频走线;
阵列天线模块基板和收发电路模块基板均为氮化铝高温共烧陶瓷基板;
收发电路模块基板内部设置射频走线,可伐合金围框和可伐合金盖板使用平行封焊以达到射频电路的气密性。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,收发电路模块还包括设置在收发电路模块基板上表面的空腔,芯片单元通过以下任意一种方式固定在空腔内:导电胶粘接、引线键合和倒装焊接;
芯片单元包括N通道幅相控制多功能芯片、多功能电源管理芯片和与N通道幅相控制多功能芯片、多功能电源管理芯片均电连接的至少两个收发通道,N通道幅相控制多功能芯片用于将控制信号输出至每个收发通道;
收发通道包括电连接的发射高功率放大芯片、接收限幅器芯片和低噪声放大芯片,发射高功率放大芯片集成了收发切换开关。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,多功能电源管理芯片倒扣堆叠封装在N通道幅相控制多功能芯片上表面,多功能电源管理芯片与N通道幅相控制多功能芯片通过微凸点贴合互连。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,N通道幅相控制多功能芯片和收发通道的散热面紧贴空腔的底部,收发电路模块还包括设置在芯片单元下部和周围的热通孔,热通孔贯通的设置在收发电路模块基板底部,热通孔用于将芯片单元的热量通过收发电路模块基板、第二焊球单元输出至热控底板;
收发电路模块基板内部设置隔离通孔,隔离通孔用于进行不同的收发通道之间的电磁隔离。
本发明所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,作为优选方式,封装天线射频微系统的数量至少为两个;
封装天线射频微系统的信号发射方法为:外部射频信号通过第二焊球单元分别输入给每个封装天线微系统,经由收发电路模块基板内部的垂直互连电路与键合引线传输给N通道幅相控制多功能芯片与发射高功率放大芯片进行移相放大,并继续向上经过第一焊球单元与阵列天线模块基板内部的垂直互连电路传递给辐射贴片,辐射贴片将信号转换为电磁波发射到自由空间,信号发射完成;
封装天线射频微系统的信号接收方法为:自由空间的微弱电磁波由辐射贴片捕捉,经送阵列天线模块基板、第一焊球单元、收发电路模块基板、收发通道、第二焊球单元送往主机进行下一步处理,信号接收完成。
本发明设计的封装天线射频微系统为“M×M阵列天线+N通道收发组件”的结构(M、N为正整数,N=M2);上部分为阵列天线模块,下部分为收发电路模块,整个封装采用叠层(POP)封装的封装形式,使封装天线射频微系统在水平方向上实现面积最小化,同时各模块具备可分离测试的特点;封装天线射频微系统单元和母板之间通过焊球对子单元进行射频输入输出信号的传输、以及对子单元进行供电和提供控制信号。
本发明适用于大型有源相控阵。
本发明具有以下优点:
(1)本发明选用合适的半导体芯片6,结合引线键合、平行封焊、倒装芯片、BGA互连等多种工艺合理规划设计电路布局,实现高集成度、低功耗的三维射频封装天线微系统;
(2)本发明采用幅相多功能芯片61与倒扣封装于其上表面的电源管理芯片62相结合来完成功率分配/合成、6位移相、6位衰减、驱动放大、收发切换等功能,配合外围功放、低噪放、限幅器等芯片,实现封装天线射频微系统的高性能、小型化;
(3)本发明采用高导热氮化铝高温共烧陶瓷介质收发电路模块基板21与52,将芯片6设于下层基板空气腔8中,芯片6背面贴近封装天线微系统底面,并在芯片6散热面底部及周围基板设有多个金属热通孔9,使热量可以及时散出;
(4)本发明采用多层射频链路上下互联,实现封装天线微系统的小型化;
(5)本发明采用一体化、高集成度、规范标准化设计,射频输入输出、视频输入采用装配工艺简单、互连距离短、传输损耗小的BGA互连方式;
(6)辐射贴片1排布采用M×M方形阵面,易于拼阵,使相控阵系统设计更加灵活。
附图说明
图1为一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统架构示意图;
图2为一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统架构爆炸图;
图3为一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统有源电路拓扑结构示意图;
图4为一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统芯片倒装堆叠示意图;
图5为一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统散热路径图;
图6为一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统发射信号状态时信号传输路径图。
附图标记:
1、阵列天线模块;11、辐射贴片;12、阵列天线模块基板;2、收发电路模块;13、空气腔;21、收发电路模块基板;22、芯片单元;221、N通道幅相控制多功能芯片;222、多功能电源管理芯片;223、收发通道;2231、发射高功率放大芯片;2232、接收限幅器芯片;2233、低噪声放大芯片;23、可伐合金围框;24、可伐合金盖板;25、空腔;26、热通孔;3、焊球单元;31、第一焊球单元;32、第二焊球单元。
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1-6所示,一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,包括:阵列天线模块1、设置在阵列天线模块1下部与阵列天线模块1使用叠层封装连接的收发电路模块2和焊球单元3,阵列天线模块1和收发电路模块2可分离测试,阵列天线模块1和收发电路模块2与母板之间通过焊球进行射频输入输出信号的传输、控制信号的传输和供电;
阵列天线模块1包括辐射贴片11、设置在辐射贴片11下部的阵列天线模块基板12和设置在阵列天线模块基板12背面尺寸大于可伐合金盖板24的空气腔13,阵列天线模块基板12使用同轴馈电方式为辐射贴片11提供信号传输,空气腔13用于容纳可伐合金围框23、可伐合金盖板24在垂直方向上超出第一焊球单元31直径的部分,辐射贴片11以M×M的排布形式设置于阵列天线模块基板12的上表面,阵列天线模块基板12内部设置射频走线;
收发电路模块2包括收发电路模块基板21、设置在收发电路模块基板21内部的芯片单元22、设置在收发电路模块基板21上表面的可伐合金围框23和设置在可伐合金围框23上部的可伐合金盖板24,收发电路模块基板21与阵列天线模块基板12通过焊球和垂直互连电路电连接;还包括焊球单元3,焊球单元3包括使阵列天线模块1、收发电路模块2电连接的第一焊球单元31和使收发电路模块2、母板电连接的第二焊球单元32,第一焊球单元31和第二焊球单元32均为BGA焊球,第一焊球单元31和第二焊球单元32的焊球尺寸不同;
阵列天线模块1还包括6、根据权利要求3的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:阵列天线模块基板12和收发电路模块基板21均为氮化铝高温共烧陶瓷基板;
收发电路模块基板21内部设置射频走线,可伐合金围框23和可伐合金盖板24使用平行封焊以达到射频电路的气密性;
收发电路模块2还包括设置在收发电路模块基板21上表面的空腔25,芯片单元22通过以下任意一种方式固定在空腔25内:导电胶粘接、引线键合和倒装焊接;
芯片单元22包括N通道幅相控制多功能芯片221、多功能电源管理芯片222和与N通道幅相控制多功能芯片221、多功能电源管理芯片222均电连接的至少两个收发通道223,N通道幅相控制多功能芯片221用于将控制信号输出至每个收发通道223;
收发通道223包括电连接的发射高功率放大芯片2231、接收限幅器芯片2232和低噪声放大芯片2233,发射高功率放大芯片2231集成了收发切换开关;
多功能电源管理芯片222倒扣堆叠封装在N通道幅相控制多功能芯片221上表面,多功能电源管理芯片222与N通道幅相控制多功能芯片221通过微凸点贴合互连;
N通道幅相控制多功能芯片221和收发通道223的散热面紧贴空腔25的底部,收发电路模块2还包括设置在芯片单元22下部和周围的热通孔26,热通孔26贯通的设置在收发电路模块基板21底部,热通孔26用于将芯片单元22的热量通过收发电路模块基板21、第二焊球单元32输出至热控底板;
收发电路模块基板21内部设置隔离通孔,隔离通孔用于进行不同的收发通道223之间的电磁隔离;
封装天线射频微系统的数量至少为两个。
实施例2
一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,包括:如图1所示,本发明提供了一种小型化、一体化、低损耗、散热性良好的有源相控阵封装天线射频微系统,该封装天线微系统包括:辐射贴片11、阵列天线模块基板12及其内部射频走线共同组成所述封装天线微系统中的阵列天线模块;辐射贴片11,数量为N,以M×M的排布形式设于氮化铝高温共烧陶瓷阵列天线模块基板12上表面,并通过同轴馈电方式为辐射贴片11提供信号传输;
阵列天线模块基板12背面设有尺寸略大于可伐合金盖板24的空气腔13,用于容纳可伐合金盖板24与可伐合金围框23在垂直方向上超出第一焊球单元31直径的部分;
可伐合金盖板24、位于收发电路模块基板21上表面的可伐合金围框23、氮化铝高温共烧陶瓷收发电路模块基板21及其内部走线和芯片单元22共同组成所述封装天线微系统中的收发组件模块;
收发电路模块基板21上表面设有空腔25,芯片单元22及其配套无源器件(如电容等)通过导电胶粘接、引线键合、倒装焊接等工艺固定在空腔内,其中图3所示中发射高功率放大芯片2231等散热面紧贴空腔底部,并在芯片下面和周围设有热通孔26,以便于热量顺利从芯片单元22中通过热通孔26、高导热收发电路模块基板21和第二焊球单元32传输到热控底板,解决小尺寸封装内的散热问题;
所述收发组件采用隔离通孔设计,通过在收发电路模块基板21内部不同通道收发电路走线间设置排状分布的隔离通孔,实现N路信号的电磁隔离;
所述封装天线射频微系统通过可伐合金盖板24与可伐合金围框23间采用平行封焊工艺实现射频电路的气密性;
所述阵列天线与收发组件间采用尺寸为0.4mm的BGA第一焊球单元31实现电连接,所述封装天线射频微系统与母板间采用尺寸为0.5mm的BGA第二焊球单元32实现电连接。
所述封装天线微系统有源电路中N通道幅相控制多功能芯片221的每个通道接末级发射高功率放大芯片2231、接收限幅器芯片2232和低噪声放大芯片2233,发射通路的功率放大器芯片2231集成了收发切换开关,N通道收发电路的控制信号直接由幅相控制多功能芯片221输出给各个支路,不需要额外添加外围开关电路及正负电保护电路,进一步提高系统集成度,如图3中所示。
采用高精度芯片级倒装芯片(FC)技术将Si基多功能电源管理芯片222倒扣堆叠封装在GaAs幅相多功能芯片221上表面,二者间通过微凸点贴合互连,可有效降低芯片功耗与芯片占用面积,如图4所示。
当所述封装天线射频微系统处于发射状态时,外部射频信号通过BGA焊球分别输入给每个封装天线微系统单元,接着信号经由封装天线微系统单元收发电路模块基板21内部垂直互连电路与键合引线传输给幅相多功能芯片221与发射电路芯片2231进行移相放大,并继续向上经过第一焊球单元31与阵列天线模块基板12内部的垂直互连电路传递给天线辐射贴片11,最后辐射贴片11将信号转换为电磁波发射到自由空间,如图6所示。
当所述封装天线射频微系统处于接收状态时,自由空间的微弱电磁波由辐射贴片11捕捉,并通过如图6中所示箭头相反的路径,经由接收链路一系列低噪声放大移相后送往主机进行下一步处理。
实施例1-2的使用方法为:
封装天线射频微系统的信号发射方法为:外部射频信号通过第二焊球单元32分别输入给每个封装天线微系统,经由收发电路模块基板21内部的垂直互连电路与键合引线传输给N通道幅相控制多功能芯片221与发射高功率放大芯片2231进行移相放大,并继续向上经过第一焊球单元31与阵列天线模块基板12内部的垂直互连电路传递给辐射贴片11,辐射贴片11将信号转换为电磁波发射到自由空间,信号发射完成;
封装天线射频微系统的信号接收方法为:自由空间的微弱电磁波由辐射贴片11捕捉,经送阵列天线模块基板12、第一焊球单元31、收发电路模块基板21、收发通道223、第二焊球单元32送往主机进行下一步处理,信号接收完成。
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)
1.一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:包括:阵列天线模块(1)和设置在所述阵列天线模块(1)下部与所述阵列天线模块(1)使用叠层封装连接的收发电路模块(2),所述阵列天线模块(1)和所述收发电路模块(2)可分离测试,所述阵列天线模块(1)和所述收发电路模块(2)与母板之间通过焊球进行射频输入输出信号的传输、控制信号的传输和供电。
2.根据权利要求1所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述阵列天线模块(1)包括辐射贴片(11)和设置在所述辐射贴片(11)下部的阵列天线模块基板(12),所述阵列天线模块基板(12)使用同轴馈电方式为所述辐射贴片(11)提供信号传输。
3.根据权利要求2所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述收发电路模块(2)包括收发电路模块基板(21)、设置在所述收发电路模块基板(21)内部的芯片单元(22)、设置在所述收发电路模块基板(21)上表面的可伐合金围框(23)和设置在所述可伐合金围框(23)上部的可伐合金盖板(24),所述收发电路模块基板(21)与所述阵列天线模块基板(12)通过焊球和垂直互连电路电连接。
4.根据权利要求3所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:还包括焊球单元(3),所述焊球单元(3)包括使所述阵列天线模块(1)、所述收发电路模块(2)电连接的第一焊球单元(31)和使所述收发电路模块(2)、所述母板电连接的第二焊球单元(32),所述第一焊球单元(31)和所述第二焊球单元(32)均为BGA焊球,所述第一焊球单元(31)和所述第二焊球单元(32)的焊球尺寸不同。
5.根据权利要求4所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述阵列天线模块(1)还包括设置在所述阵列天线模块基板(12)背面尺寸大于所述可伐合金盖板(24)的空气腔(13),所述空气腔(13)用于容纳所述可伐合金围框(23)、所述可伐合金盖板(24)在垂直方向上超出所述第一焊球单元(31)直径的部分。
6.根据权利要求3所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述辐射贴片(11)以M×M的排布形式设置于所述阵列天线模块基板(12)的上表面,所述阵列天线模块基板(12)内部设置射频走线;
所述阵列天线模块基板(12)和所述收发电路模块基板(21)均为氮化铝高温共烧陶瓷基板;
所述收发电路模块基板(21)内部设置射频走线,所述可伐合金围框(23)和所述可伐合金盖板(24)使用平行封焊以达到射频电路的气密性。
7.根据权利要求4所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述收发电路模块(2)还包括设置在所述收发电路模块基板(21)上表面的空腔(25),所述芯片单元(22)通过以下任意一种方式固定在所述空腔(25)内:导电胶粘接、引线键合和倒装焊接;
所述芯片单元(22)包括N通道幅相控制多功能芯片(221)、多功能电源管理芯片(222)和与所述N通道幅相控制多功能芯片(221)、所述多功能电源管理芯片(222)均电连接的至少两个收发通道(223),所述N通道幅相控制多功能芯片(221)用于将控制信号输出至每个所述收发通道(223);
所述收发通道(223)包括电连接的发射高功率放大芯片(2231)、接收限幅器芯片(2232)和低噪声放大芯片(2233),所述发射高功率放大芯片(2231)集成了收发切换开关。
8.根据权利要求7所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述多功能电源管理芯片(222)倒扣堆叠封装在所述N通道幅相控制多功能芯片(221)上表面,所述多功能电源管理芯片(222)与所述N通道幅相控制多功能芯片(221)通过微凸点贴合互连。
9.根据权利要求7所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述N通道幅相控制多功能芯片(221)和所述收发通道(223)的散热面紧贴所述空腔(25)的底部,所述收发电路模块(2)还包括设置在所述芯片单元(22)下部和周围的热通孔(26),所述热通孔(26)贯通的设置在所述收发电路模块基板(21)底部,所述热通孔(26)用于将所述芯片单元(22)的热量通过所述收发电路模块基板(21)、所述第二焊球单元(32)输出至热控底板;
所述收发电路模块基板(21)内部设置隔离通孔,所述隔离通孔用于进行不同的所述收发通道(223)之间的电磁隔离。
10.根据权利要求7所述的一种一体化有源相控阵封装天线射频微系统,其特征在于:所述封装天线射频微系统的数量至少为两个;
所述封装天线射频微系统的信号发射方法为:外部射频信号通过所述第二焊球单元(32)分别输入给每个所述封装天线微系统,经由所述收发电路模块基板(21)内部的垂直互连电路与键合引线传输给所述N通道幅相控制多功能芯片(221)与所述发射高功率放大芯片(2231)进行移相放大,并继续向上经过所述第一焊球单元(31)与所述阵列天线模块基板(12)内部的垂直互连电路传递给所述辐射贴片(11),所述辐射贴片(11)将信号转换为电磁波发射到自由空间,信号发射完成;
所述封装天线射频微系统的信号接收方法为:自由空间的微弱电磁波由所述辐射贴片(11)捕捉,经送所述阵列天线模块基板(12)、所述第一焊球单元(31)、所述收发电路模块基板(21)、所述收发通道(223)、所述第二焊球单元(32)送往主机进行下一步处理,信号接收完成。
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