1、第9章单片微波集成电路简介第9章单片微波集成电路简介9.1单片微波集成电路的材料与元件9.2MMIC电路的设计特点9.3微波集成电路加工工艺简介9.4微波及毫米波集成电路应用实例第9章单片微波集成电路简介 9.1单片微波集成电路的材料与元件单片微波集成电路的材料与元件9.1.1单片微波集成电路的基片材料单片微波集成电路的基片材料MMIC的基片同时兼有两种功能：一是作为半导体有源器件的原材料，二是作为微波电路的支撑体。砷化镓(GaAs)是最常用的材料，在低频率情况下，也可以用硅(Si)材料。MMIC的制作是在半绝缘的GaAs基片表面局部区域掺杂构成有源器件(FET或二极管)，把其余表面作为微带匹
2、配电路和无源元件载体。GaAs和Si的主要特性列于表9-1中，同时也给出了MIC常用的氧化铝陶瓷(Al2O3)作为对比。 第9章单片微波集成电路简介表表9-1MMIC基片半导体材料的特性基片半导体材料的特性 第9章单片微波集成电路简介由表9-1可见，GaAs有源层的电子迁移率比Si高6倍，作为基片时的电阻率则高几个数量级，用GaAs制作的MMIC性能远优于用Si制作的。但GaAs的电阻率比Al2O3要低许多，微波在GaAs基片中的介质损耗不能忽略，尽管MMIC尺寸小，介质损耗不太严重，但在电路设计中必须予以考虑 GaAs基片厚度常选为0.10.3 mm，面积在0.5 mm0.5 m5 mm5
3、mm之间。薄基片散热好，接地通孔性能好，但高阻抗微带线的线条太细不易制作，微带电路设计有一定局限性。做微波功率放大器或振荡器时宜采用较薄基片，以利于散热和增加功率容量。 第9章单片微波集成电路简介9.1.2单片微波集成电路的无源元件单片微波集成电路的无源元件在MMIC中使用的传输线和无源元件与MIC中应用的基本相同，但也有自己的特点。MMIC中常用的无源元件有两类：一类是集总元件(尺寸通常小于0.1波长)，另一类是分布元件。X波段到20 GHz适用于集总元件，高于20 GHz宜采用分布元件。1. 电容电容 MMIC中经常采用的电容有微带缝隙电容、交指电容、叠层电容和肖特基结电容。 第9章单片微
4、波集成电路简介 微带缝隙电容的电容量很小，很难超过0.05 pF。 交指电容的电容量稍大，但耦合指长度不能太大，电容量只能做到1 pF以下，Q值能达到100左右。 为获得1100 pF量级的电容量需采用叠层电容，又称MIM电容，其结构如图9-1所示。绝缘层介质用Si3N4、SiO2或聚酰亚胺。MIM电容的主要问题是难于保证电容值制造的准确性和重复性。 肖特基结或PN结也可制作电容器，如图9-2所示。这种电容可以在制作有源器件时一起完成，适于0.510 pF左右的容量。 第9章单片微波集成电路简介图 9-1叠层(MIM)电容第9章单片微波集成电路简介图 9-2肖特基结电容第9章单片微波集成电路简
5、介2. 电感电感与MIC类似，MMIC中应用的电感包括图9-3所示的几种: 直线电感和单环电感的尺寸小、结构简单，电感量大约几纳亨以下。 多圈螺旋方形或圆形电感具有较大电感量和较高Q值，电感量约可达数十纳亨，Q值大约为10，最高可接近4050。 第9章单片微波集成电路简介图 9-3MMIC电感第9章单片微波集成电路简介为减小电感线圈所占基片的面积，线条尽量要细，电阻损耗不容忽视，匝间电容以及薄基片对地板的临近效应都将使有效电感量降低。多圈电感的内圈端点引出线要用Si3N4或SiO2做绝缘层或用空气桥跨接，制作工艺比较复杂。 不论哪种结构的电感，导线总长度都应该远小于波长，才能具有集总参数电感的
6、特性。 第9章单片微波集成电路简介3. 电阻电阻用于MMIC的电阻主要有薄膜电阻和体电阻两大类。要求电阻材料具有较好的稳定性，低的温度系数，还要考虑允许电流密度、功率和可靠性等问题。 实际应用中的电阻包括以下几类： 镍铬系电阻：具有良好的粘附性，阻值稳定性高，成本低。制作技术多用蒸发工艺，但较难控制合金成分的比例。 钽系电阻：目前可用充氮反应溅射制备氮化钽电阻，用钽硅共溅射可获得耐高温的电阻。钽系电阻薄膜也可用于混合MIC中。 第9章单片微波集成电路简介 金属陶瓷系电阻：制作高阻最有效的方法是在金属中掺入绝缘体以形成电阻率高、稳定性好的电阻，如Cr-Si电阻、NiCr-Si电阻和CrNi- S
7、iO2电阻等。调整材料的配方比例使电阻率在很大范围内改变，以适应不同电阻值的要求。 体电阻：利用GaAs N型层的本征电阻，它是MMIC中特有的类型。在GaAs基片上局部掺杂，做上欧姆接触就构成了电阻，其电阻率比较适中。体电阻的主要缺点是电阻温度系数为正，而且在电流强度过大时，电子速度饱和，呈现非线性特性，此种特性不利于一般线性模拟电路，但可用于某些数字逻辑电路。 第9章单片微波集成电路简介9.1.3单片微波集成电路的有源器件单片微波集成电路的有源器件MMIC中的有源器件和MIC中常用晶体管的类型基本一样。三极管几乎都采用FET，也使用双栅FET。二极管有肖特基势垒管、变容管、体效应管、PIN
8、管等。在MMIC中由于各种晶体管都没有管壳封装，缩短了元件之间的互连线，减少了焊点，因此可用的极限频率提高，工作频带加宽，尺寸减小，可靠性改善。FET是高频模拟电路和高速数字电路的主要元件，肖特基势垒二极管是二极管中的主要元件。不论是哪种晶体管，在MMIC中都是平面结构，即各电极引线需从同一平面引出。为减小晶体管寄生参量，GaAs导电区要尽量小，只要能保证器件工作即可。 第9章单片微波集成电路简介肖特基势垒二极管和FET的平面结构示意图如图9-4所示。图中，电极引线是金(Au)，有源层是N型GaAs，电导率=0.05 cm，载流子浓度为nn=107 cm3，欧姆接触用金锗(AuGe)。为了保证
9、欧姆接触良好，有源层上还有一层低电阻率的N+GaAs层，电导率=0.0015 cm，载流子浓度为nn=1018 cm3。 在晶体管区的表面还有一层Si3N4或SiO2作为保护层。对FET而言是在有源层上制作Ti/Pt/Au混合体形成肖特基势垒，再真空蒸发栅极金属，栅金属的质量和位置对FET的性能至关重要。第9章单片微波集成电路简介要考虑金属对GaAs有良好的附着力，导电性好，热稳定性强，金属可用Cr-Ni-Au、Cr-Au、Cr-Rn或A1-Ge，也可用A1。栅成型后表面再覆盖一层保护层，源极和漏极的金属亦是真空蒸发形成的。目前In-Ge-Au和Au-Ge-Ni用得较多，使FET有良好的欧姆接
10、触并能承受短时升温。第9章单片微波集成电路简介图 9-4平面晶体管结构第9章单片微波集成电路简介 9.2MMIC电路的设计特点电路的设计特点 尽管MMIC电路的设计方法和MIC有一定相似之处，但是其结构特点决定了要有一些不同的考虑。典型的MMIC设计程序如图9-5所示。设计的依据是由用户提出的技术指标，设计者必须要考虑实际的设备和条件； 根据系统要求决定电路的拓扑结构，采用什么类型的器件，例如单栅或双栅FET、低噪声或高功率FET、集成度的规模和价格等。由于MMIC的各种元件都集成在一块基片上，分布参数的影响不能忽略；有时还必须考虑传输线间电磁场的耦合效应；此外，集成电路制作后无法调整，需精确
11、地、全面地设计电路模块和元件模块，计入加工中引入的误差。第9章单片微波集成电路简介因此，MMIC设计必须采用计算机辅助设计方法，选用合适的CAD软件对电路参数进行优化，以获得元件最佳值，并由计算机进行设计后的容差分析、稳定性的检验等。目前使用最多的是Agilent公司的ADS软件。设计的成功与否，决定了产品的成品率，也影响电路的成本和价格。第9章单片微波集成电路简介图 9-5MMIC设计程序流程图第9章单片微波集成电路简介MMIC设计中应主要考虑如下几点: (1) MMIC的元件不能筛选、修复或更换。例如微带线，宽的微带线具有阻抗低、损耗小的特点，一般阻抗在30100 范围内。传输线宽度的任何
12、变化，都将引起阻抗的不连续性。制造过程中，分布式元件比集总元件较易控制，虽然分布式元件占的空间大，因为制作的工艺简单，制造偏差的影响较小，所以多选用分布式元件。 第9章单片微波集成电路简介(2) 设计中所用的器件数据必须选取在宽带范围内的参数值，以便扩大电路的适应性。同时，MMIC集成度越高，元件越多，加工过程中越不可避免出现偏差。这会导致器件参数变化是制造公差的函数，设计时对元件需要允许有较大的公差。选用低灵敏度电路，着眼点不是电阻、电感、电容或其他参数的绝对值，而是它们之间的比例，可在CAD设计时再作调整。 第9章单片微波集成电路简介(3) 尽量减小电路尺寸。在C波段以下的较低频段，不宜采
13、用分布参数传输线，尽量用集总参数元件。有时FET寄生参数影响不大，可以不加匹配元件，宁可多用一两只FET，以获得足够增益，而尺寸可能更小。(4) 由于元件、部件尺寸小，因而容易在电路结构上实现负反馈电路，以扩展频带和改善性能。 设计更复杂的行波式或平衡式放大器时，虽然使用了更多的FET，但是这些FET一次制成，又处于同一基片上，成本增加并不多，而性能上却有很大改善，这是MMIC的特点。 第9章单片微波集成电路简介(5) 分布参数电路虽比集总参数元件电路制作工艺简单，但尺寸较大，需将微带线折弯或盘绕，这将产生线间耦合。设计时除了考虑将线间距离控制在23倍的基片厚度之外，还需用更精确的电磁场数值分
14、析方法进行分析和计算，以提高设计精度。(6) 电路高温工作的可靠性。小信号MMIC的散热问题较容易解决，但对功率放大电路，需要考虑封装的热阻抗和工作环境条件。GaAs MMIC的短暂工作温度在300以下，一般最高温度应低于150。第9章单片微波集成电路简介(7) 关于抗辐射的问题。现代电子系统有抗辐射的要求，故在集成电路生产中提出了辐照硬度(Radiation Hardness)的指标，即在生产过程中为确保质量，需挑选出那些较能承受辐射的产品。上述几个方面，有些是一般的原则，有些随MMIC应用的不同，相对的重要性也随之而变。总之，设计的MMIC必须满足电气性能技术指标要求，工作可靠，具有高成品
15、率和低成本。 第9章单片微波集成电路简介 9.3微波集成电路加工工艺简介微波集成电路加工工艺简介9.3.1微波集成电路工艺流程简介微波集成电路工艺流程简介微波集成电路(MIC)的加工主要有以下几个步骤：(1) 制备红膜。任何一个MIC的加工，首先需要有设计完成的电路布线图或结构图，根据这个图来刻制红膜。红膜是聚酯薄膜，上面覆盖一层透明的软塑料(红色或橙色)，红膜厚约50100 m，软塑料厚约2550 m，利用坐标刻图机在光台上刻绘所需的图形，使所需的图形部位红色塑料膜脱离基体，即根据刻出的线条，有选择地揭剥红膜。一般将原图尺寸放大约510倍，主要是提高制图精确度。第9章单片微波集成电路简介刻制
16、的红膜尺寸要求精密准确。常规制版工艺全由人工绘制、刻膜和揭剥红膜； 现在采用新工艺，即用计算机控制，编制软件程序，或用X-Y绘图仪绘制。(2) 制造掩膜。掩膜的作用是将设计的图形从红膜上精确地转移至基片上。常用的是光掩膜，它是在玻璃基片上表面镀一层铬或氧化铝等材料，然后，再在上面涂一层光乳胶(银卤化物)，这种材料光灵敏度高，图像分辨率好。利用已刻制的红膜图形初缩照相制版后，置于玻璃基片上曝光，然后经过光刻制成掩膜。也可以不由红膜制造掩膜，而由图形发生器直接制作掩膜。 第9章单片微波集成电路简介(3) 光刻基片电路。将MIC的基片毛坯抛光后，在基片上镀金属膜。一般有三种方法：真空蒸发、电子束蒸发
17、或溅射，视不同的金属材料而定。主要要求金属与基片之间有良好的附着力，性能稳定且损耗低。例如在氧化铝基片上镀金属膜，材料为CrCuAu或NiCrNiAu，可先在基片上镀一层催化层，然后再先后分层镀上不同的金属。随后，在已镀金属膜的基片上涂一层感光胶，感光胶有正性胶和负性胶两种，将掩膜置于其上方，通过曝光、成型、腐蚀去掉不希望有的金属涂层，如图9-6所示。前两个图中表示涂感光胶的地方刻蚀后无金属层；后两个图中表示涂感光胶的地方保留了金属层。第9章单片微波集成电路简介前者所涂感光胶的厚度应与最后所需金属膜的厚度相近，它适于制作2550 m宽或金属带相距2550 m的线条。后者比较节省金属，而且价格便
18、宜。第9章单片微波集成电路简介图 9-6MIC中基片上制作图形的示意图第9章单片微波集成电路简介(4) 有源器件的安装调试。 如图9-7所示，这是常规工艺流程。微波集成电路的制作必须在超净环境中进行以保证质量。如果制作MIC的基板材料已经制备了双面敷铜(或其他金属)，则可省去在基片材料上镀金属膜的步骤，直接根据掩膜光刻基片电路即可。 第9章单片微波集成电路简介图 9-7微波集成工艺流程图第9章单片微波集成电路简介9.3.2单片微波集成电路工艺流程简介单片微波集成电路工艺流程简介MMIC制作的复杂性在于要在GaAs基片上同时制作有源器件和无源元件，工序很多；它是多层结构，所用掩膜不止一个而是成套
19、的，对掩膜的图形精度也有更高的要求，电路的制作工艺比MIC更复杂。1. 图形转移新技术图形转移新技术图9-8示出了制作掩膜的过程，输入的图形数据是由制作掩膜的专用计算机输入的，已考虑了制作掩膜过程中出现的尺寸误差并进行了预先修正。通过计算机由图形信息控制图形发生器。 第9章单片微波集成电路简介图 9-8图形转移新技术第9章单片微波集成电路简介图9-8中给出了图形产生的几种方式： 光学图形发生器：本质上为一台特殊的照相机，也是一种光学投影照相系统。将原图分解成许多单元图形或单元复合图形，计算机控制光孔变化，计算曝光位置，进行多次曝光完成初缩版的照相。 电子束图形发生器及曝光装置：它是在计算机的控
20、制下，利用光刻蚀的原理制备出所要求的掩膜图案。由于电子束的散射和衍射很小，又便于聚焦成0.020.2 m的细斑，因而具有极高的分辨率，所以在计算机的控制下能直接制成精缩版。这是发展微米与亚微米技术的重要工具。第9章单片微波集成电路简介 激光图形发生器：它是在计算机控制下，通过调制激光束对光致抗蚀剂进行选择性加工。因制版的薄膜上涂有一层低温CVD淀积的氧化铁，底版放在微动台上，当激光束作栅状扫描时，可以有选择地把需要形成窗口处的氧化铁熔化并蒸发。此法的主要优点是能在短时间内制成初缩板，甚至直接制成精缩掩膜，缩短研制周期，但分辨率较低。 一般掩膜底版曝光后，经显影、漂洗、后烘、腐蚀、去胶等一系列过
21、程(即光刻蚀过程)，就完成了主掩膜的制作。第9章单片微波集成电路简介2. MMIC工艺流程工艺流程 在GaAs基片上制作微波电路，须同时制作有源器件和无源元件。现以小信号集成电路为例，图9-9给出了MMIC的全部制作过程。 第9章单片微波集成电路简介图 9-9MMIC工艺流程图第9章单片微波集成电路简介(1) 有源层。 如图9-10(a)所示，首先在半绝缘GaAs基片上制作有源层，如果要形成N型有源区，即将所需要的杂质原子掺杂到半导体基片规定区域的晶格中去，达到预期的位置和数量要求，这就是掺杂技术。目前所采用的方法有离子注入和外延掺杂两种。离子注入是一种新掺杂技术，它把杂质原子电离并使带电性的
22、离子在高电场中逐级加速，直接注入到半导体中去。这种技术能在较大的面积上形成薄而均匀的掺杂层。图9-9中退火的作用是消除离子注入所造成的晶格损伤。第9章单片微波集成电路简介另一种是外延技术，即在GaAs基片表面生长另外的GaAs层，保护晶体结构，这种生长的新单晶层，其导电类型、电阻率、厚度和晶格结构的完整性都可以控制，达到预期要求，这个过程称为外延，新生长的单晶层为外延生长层。外延方法有液相外延(LPE)、气相外延(VPE)和分子束外延(MBE)三种，其中LPE是老技术，MBE是新技术，应用MBE能做高电子迁移率的场效应集成电路和异质结双极型集成电路，但一般VPE的应用较为广泛。第9章单片微波集
23、成电路简介图 9-10MMIC加工的工艺过程示意图第9章单片微波集成电路简介(2) 绝缘。在有源面上电流流过该区，但在特定的区域若要限制电流流过，则需绝缘。对有源器件，只允许电流在所规定的部位流过，而其他部位需绝缘。对无源电路，要减小传输线的寄生电容和导体损耗，也要注意绝缘。绝缘层的制作方法可采用台面蚀刻和离子注入两种方法，用蚀刻的方法将不需要有源层的区域全部去掉，此方法简单，故广为采用(如图9-10(b)所示)。 第9章单片微波集成电路简介(3) 欧姆接触。在半导体表面和焊接点之间需要良好的电接触，因此需制作欧姆接触点。MMIC的这类触点十分重要，触点接触不好，接触电阻将导致噪声增大和增益下
24、降。制作欧姆接触的方法是在GaAs上，将熔合的金、锗(Au) =88，(Ge)=12，熔点为360)掺入GaAs层和有源层，然后在其上蒸发镀一层镍，整个厚度约为2000，随后制成焊点，见图9-10(c)。 第9章单片微波集成电路简介(4) 肖特基或栅极结构。在有源层上放置金属可形成肖特基势垒(如图9-10(d)所示)。栅极金属的选择要考虑对GaAs的附着力、导电性能和热稳定性，对GaAs基片多用TiPtAu合金材料。(5) 第一层金属。第一层金属是指覆盖的喷涂金属，以增加导电性。对电容、电感和传输线，此层金属即为底部的导电板。它和肖特基栅金属是同时制作的。 第9章单片微波集成电路简介(6) 电
25、阻沉积。在MMIC中，电阻作为FET偏置网络、终端负载、反馈、绝缘或衰减器等元件，见图9-10(e)。对GaAs材料和电阻膜，要注意电流饱和、耿氏区的形成和温度系数等问题。制作电阻膜多用溅射法。溅射法是用受电场加速的正离子轰击固体靶表面，从固体表面飞溅出原子到达基片形成薄膜，这种方法比蒸发镀膜先进。 第9章单片微波集成电路简介(7) 介质镀膜。介质镀膜的作用是对FET有源层、二极管和电阻器加以钝化；在金属与金属之间绝缘以制造电容(如叠层电容)，如图9-10(f)所示。介质膜的厚度一般在10003000，单位面积的电容量由膜的厚度来决定。(8) 第二层金属。制作第二层金属主要是作为元件之间的互连
26、线、空气桥、MIM电容的上极板等。材料仍用TiPtAu，为了减小阻值，再镀以金，层厚约35 m，如图9-10(g)所示。 第9章单片微波集成电路简介(9) 底面抛光和小孔金属化，如图9-10(h)所示。 GaAs基片底面要抛光磨平，并要精确控制基片厚度，因其厚度与微带传输线的特性阻抗有关。小孔是提供MMIC接地的重要元件。小孔金属化技术在不断改进，早期采用银浆接地，在孔中直接蒸发金属，近几年常用溅射和离子镀膜，使小孔中的金属膜在绕射作用下形成膜，有时也用化学淀铜。由于采用了敏化和活化反应，因而能以铜代金，获得较小的接触电阻。 此外还出现了用导电胶接地等办法。小孔直径一般为50100 m，多用激
27、光打孔。 第9章单片微波集成电路简介图9-10(i)示出了完整的单片微波集成电路。各工序加工完毕后，需对MMIC芯片进行测试。芯片测试技术是提高MMIC集成度、降低成本、缩短研究周期必不可少的关键技术之一。检测装置采用特殊的探针，探针间距达到10 m量级。目前采用接触式探针，今后可用不接触式光电探头，自动取样测量，取其合格者切割成小片。最后经过性能测试，检验MMIC的技术指标。上述即为微波单片集成电路制作的全部过程。 第9章单片微波集成电路简介9.3.3微波集成电路新技术简介微波集成电路新技术简介1. 多芯片组件技术多芯片组件技术(MCM)多芯片组件(Multi-Chip-Modules，MC
28、M)技术是微波集成电路技术与微组装技术相结合的一种新技术。在微波、毫米波领域，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，人们设想能否将高集成度、高性能、高可靠性的CSP(Chip Size Package，芯片尺寸封装)芯片和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样的电子组件、子系统或系统，这种想法导致了多芯片组件(MCM)的诞生。 第9章单片微波集成电路简介多芯片组件将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在外壳内，是电路组件功能达到系统级的基础。MCM采用DCA(裸芯片直接安装技术)或CSP，使电路图形线宽达
29、到几微米到几十微米的等级。在MCM的基础上设计了与外部电路连接的扁平引线，间距为0.5 m，将多块MCM借助SMT组装在普通的PCB上，从而实现了系统的功能。MCM的主要特点有：封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化；缩小整机组件封装的尺寸和质量，一般体积减小 14，质量减轻13；可靠性大大提高。第9章单片微波集成电路简介MCM与目前的SMT组装电路相比，体积和质量可减少7090；单位面积内的焊点减少95以上，单位面积内的IO数减少84以上，从而使可靠性提高5倍以上；信号互连线大大缩短，使信号传输速度提高46倍，并且大大地增加了功能。在一些射频应用领域，如功率放大器(PA)电路，早先采用的MMI
30、C独立元件已被整合多种应用、附加匹配功能的MCM所取代。第9章单片微波集成电路简介MCM已发展成以不同材料和工艺为基础的多种MCM结构和类型，如MCM-L(多层金属和介质)、MCM-C(陶瓷)、MCM-D(淀积工艺)、MCM-LD和MCM-CD等。当前MCM已发展到叠装的三维电子封装(3D)，即在二维X、Y平面电子封装(2D)MCM的基础上，向Z方向即空间发展的高密度电子封装技术，实现3D，不但使电子产品密度更高，也使其功能更多，传输速度更快，性能与可靠性更好，而电子系统相对成本更低。 第9章单片微波集成电路简介MCM在组装密度(封装效率)、信号传输速度、电性能以及可靠性等方面独具优势，是目前
31、能最大限度地发挥高集成度、高速单片IC性能，制作高速电子系统，实现整机小型化、多功能化、高可靠、高性能的最有效途径。因为发展很快，MCM已成为20世纪90年代最有发展前途的高级微组装技术，在计算机、通信、雷达、数据处理、宇航、军事、汽车等领域得到越来越广泛的应用。据20世纪90年代初国际有关专家认定，5年之内，谁在MCM技术方面领先，谁就能在电子装备制造方面处于先驱地位。近年来，各大公司对MCM给予了高度的重视，纷纷加入 MCM这一技术竞争的行列。第9章单片微波集成电路简介国际上，美国将MCM列为 20世纪90年代优先发展的6大关键军事电子技术以及美国2000年前发展的10项军民两用高新技术之
32、一。1993年美国政府拨款7000万美元，在电子工业协会内建立一个新的分部，实施一个由政府资助、耗资5亿美元的MCM技术三年发展计划，使美国于1996年在多芯片集成技术方面居世界领先地位。1994年底，由欧洲5国(英、法、瑞典、奥地利、芬兰)的10余家公司、大学、研究机构组成联盟，完成了一项发展MCM技术的三年合作计划，其工作频率可高达40 GHz(用于通信)、功率密度达40 W/cm2(用于汽车和工业)。第9章单片微波集成电路简介日本各著名公司也采取了有效措施强化MCM产业，已开始了半定制MCM的研究。目前，MCM已被公认为是20世纪90年代的代表技术，近十年又是MCM发展的最辉煌的时代。2
33、. 低温共烧陶瓷多层集成电路技术低温共烧陶瓷多层集成电路技术(LTCC)低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramics，LTCC)是现代微电子封装中重要的研究分支，主要用于高速、高频系统。低温共烧陶瓷是一种很薄的陶瓷多层基片，这种陶瓷材料厚度仅为10 mm，由三层组成，里外两层均为涂覆陶瓷层，中间夹有一层银。它与其他多层基板技术相比较，具有以下特点： 第9章单片微波集成电路简介 易于实现更多布线层数，提高组装密度。 易于内埋置各种无源元器件，提高组装密度，实现多功能。 便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周
34、期，降低成本。 具有良好的高频特性和高速传输特性。 易于形成多种结构的空腔，从而可实现性能优良的多功能微波MCM。 第9章单片微波集成电路简介 与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件(MCM-CD)。 易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和质量，提高可靠性。 LTCC具有很好的抗冲击性能，其成本远低于常规材料，而且易于大批量生产。 第9章单片微波集成电路简介LTCC系统最早被用于多层基板和多芯片组装，最近几年，LTCC技术开始进入无源集成领域，成为实现无源集成的一项关键性技术。目前，通过LTCC技术实现无源集成主要有
35、两种途径：一种是将无源元件埋在低烧低介陶瓷中；另一种是通过多层多成分陶瓷的共烧和图形化实现。无疑，后者是利用LTCC来实现无源集成的方向。与此同时，LTCC技术由于自身具有的独特优点，在用于制作新一代移动通信中的表面组装型元器件时显现出巨大的优越性。第9章单片微波集成电路简介目前，移动通信中采用LTCC技术制作的SMD型VCO、LC滤波器、频率合成组件、GSMDCS开关共用器、DCDC变换器、功率放大器、蓝牙组件等均已获得越来越广泛的应用。目前，LTCC已经成为电子元器件、微电子封装领域的一项关键性技术和炙手可热的明日技术之一，日益受到重视。第9章单片微波集成电路简介 9.4微波及毫米波集成电
36、路应用实例微波及毫米波集成电路应用实例在过去的50年里，微波和毫米波集成电路有了巨大的发展。 如今，集成电路已经具有更小的尺寸、更高的集成度和更低的成本，在雷达、电子战和商业领域中有更广泛的应用。本节将简要介绍微波及毫米波集成电路在雷达、电子对抗和通信领域的应用。第9章单片微波集成电路简介9.4.1微波及毫米波集成电路在雷达领域的应用微波及毫米波集成电路在雷达领域的应用雷达在许多军事和商业领域中都有广泛的应用。军事应用包括目标位置跟踪、绘图和侦测，商业应用包括气象探测、运动测量、速度测量、避免撞击汽车的自动雷达和航空雷达。早期雷达使用磁控管的发射机，在第二次世界大战得到了发展。后来，电子管型、
37、放大器型的发射机相继应用，如速调管(KPA)和行波管(TWT)。到1970年，固态发射机通过高效的高功率硅使双极型晶体管第一次在雷达中应用。第9章单片微波集成电路简介空管雷达在航空交通中起控制作用。1990年由Northrop Grumman公司开发的ASR-12固态雷达发射模块电路是空气冷却式微带功率模块，它使用4个联结硅锗(SiGe)功率晶体管，频带覆盖为2.72.9 GHz，雷达带宽峰值功率为700 W。SiGe与硅BJT相比可以有更高的工作频率和效率。在19801990年，高电子迁移率晶体管(HEMT)的发展为接收机前端提供了很好的低噪声放大器。GaAs pHEMT可工作于100 GH
38、z的频带范围，硅BJT的工作频带也从3 GHz扩展到20 GHz左右。 第9章单片微波集成电路简介1990年MA-COM推出了汽车防撞雷达收发模块，其工作频率为77 GHz，使用玻璃硅(GMIC)基板，并在基板上制作低损耗微带传输线、偏置电路(螺旋电感、电容和电阻)、环形桥、散热和接地装置。微波电路包括微带线介质谐振器振荡器(DRO)、放大器、倍频器、混频器和PIN开关等。 第9章单片微波集成电路简介考虑到体积限制和分辨特性的要求，导弹上的微波系统使用毫米波频段较多，对MMIC的要求是低成本和精密封装。 由Northrop Grumman公司在1990年生产的W波段弹载收发模块内径为25.4
39、mm，厚度为6.35 mm，外接4个圆极化天线。模块包括一个单脉冲比较器和两个全MMIC接收机，每个MMIC接收机信道都有一个平衡低噪声放大器、一个图像增强抑制谐波混频器和一个中频放大器。基板采用石英、明矾和LTCC混合材料，选用InP MMIC低噪放大器来改善噪声特性； 放大器和混频器选用GaAs pHEMT。 第9章单片微波集成电路简介由Northrop Grumman公司在1990年为导弹应用制造的W波段1 W微型发射机的重量仅为68 g，最大尺寸是33.02 mm。发射机输入端输入Ku波段信号后，经两次倍频、功率放大和功分后进入两个8路输出通道。每个8路输出通道经功率放大后，送入放射状
40、的功率合成器中，每两个放射状的合成器的输出信号在一个T型波导中耦合。石英型LTCC介质基板为集成电路提供直流通路且作为有源MMIC电路的控制信号。所有的MMIC均应用了GaAs pHEMT。 第9章单片微波集成电路简介在固态相控阵雷达中，每一个单元都带有自己的收发模块(TR组件)。固态相控阵雷达有许多实际应用，如ANSPY-1(神盾系统)、爱国者系统、EAR系统、机载预警系统(AWACS)、多功能电子扫描自适应雷达系统(MESAR)、ANTPS-70、ANTPQ-37、PAVE PAWS、眼镜蛇DANE、眼镜蛇JUDY、F22和高空防卫雷达等。 第9章单片微波集成电路简介9.4.2微波及毫米波
41、集成电路在电子对抗领域的应用微波及毫米波集成电路在电子对抗领域的应用微波及毫米波集成电路在电子对抗(ECM)领域也有广泛的应用。无源ECM主要采用金属碎箔、假目标或其他反射体来改变雷达回波模型。有源ECM使用人为干扰技术和欺诈技术，欺诈性ECM是有意图地发射或重发具有一定幅度、频率、相位的间歇或连续波信号来迷惑电子系统对信息的获取和使用。20世纪80年代开发的宽带ECM多功能模块使用微带线、槽线和共面波导，完整的功能包括耦合、限幅、上变频、下变频、宽带放大、幅度调制、整流、选通和稳频源等， 可工作在不同频段，包括S、C、X和Ku波段。 第9章单片微波集成电路简介9.4.3微波及毫米波集成电路在
42、通信领域的应用微波及毫米波集成电路在通信领域的应用MIC和MMIC在通信等商业领域中的应用非常广泛。双向无线电通信、寻呼、蜂窝电话、视距通信链路、卫星通信、无线局域网(WLAN)、蓝牙、本地多点分布式系统(LMDS)和全球定位系统(GPS)等系统的快速普及改变了人们的生活方式。 第9章单片微波集成电路简介双向无线电通信是一种便捷的通信方式。1941年，Motorola首先生产出商业的FM双向无线电通信系统线路和设备。FM技术较AM技术在解决幅度恒定问题上有了重大的改进。1955年，Motorola推出了Handie-Talkie袖珍无线寻呼机，选择性地发送无线电信息给特定的用户。寻呼机很快取代
43、了医院和工厂的公共通告系统。1962年，Motorola推出了全晶体管化的Handie-Talkie HT200便携式双向无线电通信系统。1983年，Motorola推出了第一代DynaTAC模拟蜂窝系统，在1985年开始商业运作。在20世纪90年代，数字技术引入了蜂窝无线通信(第二代)，为改善话音质量的同样带宽提供了更多的无线信道，第9章单片微波集成电路简介工作频段为8001000 MHz和17501900 MHz，模拟和数字并存。数字模式包括全球移动通信系统(GSM)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。第三代蜂窝电话为Internet的接入提供了更高的数据率和嵌入式蓝牙模块，可以
44、无线连接到计算机上。这些系统中使用了大量的MMIC电路。第9章单片微波集成电路简介视距高塔通信链路从20世纪40年代起用于进行电话、图像和数据在微波频段的通信。C.Clarke在1945年首先提出了卫星通信。由于语音、图像和数据传输方面的全球需求飞速增长，卫星通信在过去的30年中得到了迅猛的发展。固定卫星服务(FSS)，如INTELSAT，为卫星和很多较大的地球站之间提供通信。这些地球站通过陆地电缆连接起来，主要使用了S、C和Ku波段，也用到了2030 GHz。1965年发射的INTELSAT 提供240路话音信道。1989年之前发射了INTELSAT 系列卫星，提供了33 000条电话线路。
45、随着数字压缩技术和多路复用技术的发展，现已有120 000条双向电话信道和三条电视信道。 第9章单片微波集成电路简介DBS服务用具有较高功率的卫星把电视节目发送到用户家中或公用电视天线后，再用电缆把信号传送到户。早期的系统使用C波段，需要一个大的抛物面天线，而现在普遍使用Ku波段系统，只需要一个很小的抛物面天线。最新的Ku波段接收天线是平板喇叭阵配合MMIC电路，体积更小，安装调试极为方便。 第9章单片微波集成电路简介移动卫星服务(MSS)为大的固定地球站和许多装在车、舰船和飞机上的一些地面终端之间传送信号。动中通、动动通是目前军事通信的热门话题。IMMARSAT 2系列卫星从1989年开始发
46、射，它可以支持150路同时传输。IMMARSAT 3比IMMARSAT 2系统提供的信道数多10倍，这些卫星系统运行在高同步静止轨道，其他的一些卫星系统运行于低轨道，即在600800 km之间(Iridium、Ellipso和Globalstar等)或在中等高度(10 000 km)的圆形轨道中(ICO)。 第9章单片微波集成电路简介发展于20世纪90年代的WLAN已经应用于家庭、学校和办公楼的高数据速率的链接。IEEE 802.11标准最初的频率大约在2400 MHz，具有20 dBm的射频功率和50 m的范围。蓝牙技术作为一种计算机与外围设备和其他应用硬件之间互连的低花费无线方式发展于21
47、世纪初期。蓝牙也在2400 MHz的频带上进行，它具有0 dBm的功率和110 m的范围。如果再放大到20 dBm，它的范围可以达到50 m。 第9章单片微波集成电路简介无线局域网WLAN 802.11b/g 射频T/R组件芯片包括接收机、发射机和频率综合器。实测的频率发生器的相位噪声为129 dBc/Hz(在3 MHz下)，谐波抑制小于30 dBc, 杂散抑制小于69 dBc。所有流片均采用SMIC 0.18 m RF CMOS工艺。第9章单片微波集成电路简介LMDS技术应用于陆地多媒体传送系统，用来与蜂窝之间在大约48009600 m的范围内进行双向宽带传输。1998年，美国联邦通信委员会
48、(FCC)为这项应用在2831 GHz频段分配了1300 MHz的带宽。LMDS提供了高速Internet接入、电视广播、可视会议、图像、声音和电话服务。混合pHEMT和MMIC pHEMT的功率放大在这个频段内已经达到2 W的功率。GPS系统的广泛普及使得各类交通定位十分方便，并且已经研制出成功可靠的终端系统。集成硅BJT MMIC芯片已经大量用于处理1.575 GHz的GPS信号。 第9章单片微波集成电路简介总之，在过去的50年中，微波领域在不断地发展和壮大。发展的最初动力虽来源于新军事系统发展的需要，但现在这个领域却被包括以高速和大带宽需要为重点的、信息时代的新需求的多种商业应用所推动。集成射频、微波和毫米波电路已经成为非常大众化的产品。混合电路将会变得更像单块集成电路。为了用一块芯片解决问题，MMIC将会集成更多的电路功能，低成本射频应用的硅CMOS集成电路和毫米波电路的InP集成电路将会变得更加成熟和普及。可以预见，在不久的将来，随着信息时代的不断发展，微波、毫米波集成电路将会是信息网络和终端设备的核心，处于越来越重要的地位，越来越深刻地影响和改善人们的生活。
