T_R组件核心技术最新发展综述_二_吴礼群

第2期2012

年4月

Journal of CAEIT

Vol．7No．2Apr．2012

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综述

收稿日期：2011-08-05修订日期：2011-

12-05T /R 组件核心技术最新发展综述（二）

吴礼群，孙再吉

（南京电子器件研究所，南京210016）

2．4

新型集成技术

2．4．1

模块级集成

新一代T /R 组件无疑将采用三维集成技术来

大幅度缩小T /R 组件的体积。DARPA 的“可重构收发器的可缩放毫米波结构（SMART ）计划”的目标就是提高毫米波孔径的集成水平。

SMART 计划始于2006年，目的是开发三维集成辐射表皮的多层模块。将在薄型结构上制造完整

的T /R 组件，

到2010年4年期项目结束时，在厚度远小于1cm 的表皮上获得5W /cm 2

的功率密度。该方法有助于快速开发出最小封装内的多波段固态阵列。

按SMART 计划要求，一个叠层中可以同时安装多个PA 和LNA ，各自有特定的频率范围。这些模块应形成随意大小的毫米波阵列，由批生产的模

块化子阵部件组成。这些高性能、

低成本的部件通过PA 阵列的高度集成，便于实现排列式发射机，以

此获得极高的输出功率。此外，这种结构可实现可重构多波段AESA ，使阵列实时应对复杂电子环境。2．4．2微波系统级封装（SIP ）技术

移动武器平台（如：空天、星载、机载和地面移动武器）对相控阵雷达用T /R 组件的要求比较苛刻：在有限的空间和尺度下，在保证可靠工作的前提

下，

实现最大发射功率输出，以达到最大探测距离。这样的要求在技术上转化为T /R 组件的进一步集成，在现在至未来较长一段时间内，在单一封装内实现T /R 的全部功能是达到这一要求的主要途径。

SIP 级T /R 组件的核心内容是三维多芯片组装（3D-MCM ）。T /R 组件从二维布局提升到三维堆叠，特别是在密集阵列应用要求下，需要重点解决的是高效散热、三维电磁场模拟和仿真、高密度互连（HDI ）、信号路由与窜扰和高成品率制造。

SIP 级T /R 组件的发展将会更多依赖于微电子

工艺集成。圆片级封装（WLP ）是其中一种主要技

术途径。在圆片工艺下实现的无源片上集成（IPD ）、高密度铜互连、（硅通孔）TSV 和圆片（芯片）键合将进一步提升T /R 组件的集成密度，直接的效果将是相控阵雷达的小型化。

T /R 组件技术的长期发展将可能迎来以异构集成为主要内容的片上集成微系统，也就是片上平台。

3

T /R 组件现状及发展趋势

3．1

T /R 组件的发展趋势之一：基于圆片级封装的T /R 组件开始出现

在技术发展方面，具备快速波形转换能力和高

焦点增益的大型相控阵是未来通信和国防应用所偏重的。这类阵列可支持未来的空间和空中情报监控侦查平台（ISR ），提供极高的空间分辨率以支持地面移动目标识别（GMTI ）、

空中移动目标识别（AMTI ）及搜救任务（SAR ）。另外，单元间距大于Nyquist 限制的密集阵列，其天线扫描范围将受到限制。对于宽带孔径来说，单元间距应小于半波长。由于信号频率不断增加，

RF 前端模块的尺寸和天馈结构的尺寸通常较大，制约了大型相控阵小于半波长的单元间距的实现，圆片级组装（WSA ）的超紧凑超小T /R 模块是一种有效的解决方案。

诺·格公司的基于圆片级组装的T /R 模块，如图1所示。图1（a ）是一个Q 波段发射器与天线集成的整体框架和内部示意图。其中一层衬底（圆片1）使用GaAs HEMT 技术制作，内含RF 器件。另一层GaAs 衬底（圆片2）上制造集成环形天线。RF 、数字和接地信号由其中一层GaAs 圆片通孔导入模块。该模块内含一个放大器，一个3-bit 移相器及提供信号通道与接地的空腔内部互连（ICIC ，

intra cav-

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2012年第2期

ity inetrconnects ）。为实现Q 波段模块内超过30dB

的隔离，在空腔中加入了隔离接地栅条［13］

。

3．2

T /R 模块的发展趋势之二：下一代T /R

组件应用的GaN 器件技术发展呈加速态势

相对于GaAs 器件而言，

GaN 器件的卓越特性使之特别适合应用于未来的相控阵雷达。为此，各技术强国都在GaN 器件技术上投入了可观的力量。

目前，

GaN 器件尚未进入相控阵雷达装备应用的主要原因是技术尚未成熟，

主要体现在器件的成本较高和器件的可靠性较低两方面。

为解决这两个问题，

SiC 基GaN 圆片的大直径化和器件工艺的成熟化是必经之路。现在，基于多年的技术积累和多项工艺技术的成熟，

SiC 基GaN 射频器件进入4英寸圆片规模量产阶段，其标志是4英寸工艺线代工服务（FOUNDRY ）的开放。这个标志对下一代T /R 组件中GaN 器件的应用具有里程碑意义。FOUNDRY 的开放可以加速推进GaN 技术的成熟，一方面，更大直径圆片工艺的规模效益可以使成本迅速下降，另一方面，

FOUNDRY 的开放可以通过更大批量的流片使器件工艺技术更为成熟，以此大幅度提高器件可靠性。目前4英寸GaN 器

件的技术特征概括如下［14］

。

（1）材料技术

①4英寸4H －SiC 高纯半绝缘衬底材料，平均

微管密度小于1cm 2，最低0．35cm 2

；②MOCVD 外

延炉内4英寸8片/批，

薄层电阻平均偏差1．3%，圆片与圆片间偏差0．4%；③AlGaN 厚度（基于

1100片外延片测试），圆片与圆片偏差1．8%（σ/均值），片内偏差1．1%（σ/均值）。

（2）设计技术

①大信号模型、非线性模型完备；②工艺设计

套件（PDK ，

process desing kits ）完备；③双场板结构，Г形栅和第一场板整合。

（3）工艺技术

①4英寸0．4μm I 线步进光刻工艺（0．25μm 处发展中）；②100μm 通孔工艺（源接触和无源元件接地）；③Г型栅结构；④MIM 电容，击穿电压大于100V ；⑤双层钝化；⑥欧姆接触电阻0．35Ω·mm 。

（4）典型器件性能两级GaN MMIC ，工作频率2．5 6．0GHz ，输入和输出50Ω匹配，28V 电压工作，小信号增益18dB ，射频输出功率25W ，效率30% 50%。

3．3

T /R 模块的发展趋势之三－塑料封装T /R 模块支持的轻量化、低成本相控阵出现

GaAs 射频器件是目前相控阵雷达射频前端的

首选器件。由于民用和商业市场的大批量应用，

加上军用市场的需求促进，

GaAs 器件技术在今天已经非常成熟，无论是成本还是可靠性都已经达到其竞

争器件难以超越的水平。但是，长久以来，在军事应有方面，由于应用量相对于民用和商用非常小，再加上军用要求特别，这样，尽管民用或商用价格已经非常低，

但军用的GaAs 器件价格还是高昂，对于像由几千个T /R 模块组成的相控阵雷达，

GaAs T /R 组件的成本是影响相控阵雷达装备应用的主要负担。除了低成本要求，相控阵雷达的空间应用和航空应用对T /R 模块提出苛刻的轻量化要求。洛克希德·马丁公司在其“瓦片”式阵列天线单元

中开始使用塑料封装的单片化T/R 模块，与此配套，在天线组装工艺中使用软基板贴片工艺生产阵列“瓦片”，“瓦片”式相控阵阵列单元剖面结构如图2所示。T/R 单片，如图3所示。该单片集成了一个高功率T/R 开关，一个功率放大器，一个带有限幅器的低噪声放大器，一个5位移相器和一个5位衰减器，另外，直流偏置电路和抗辐射加固控制接口电路也集成在内。