滿足60GHz及更高頻率應(yīng)用需求的MMIC

微波元件和模塊的自動(dòng)化生產(chǎn)已有多年歷史。無(wú)數(shù)應(yīng)用得益于大規(guī)模微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接所提供的能力。但在頻率約為60GHz的毫米波頻段，這些產(chǎn)品仍無(wú)法實(shí)行自動(dòng)化生產(chǎn)。

通過(guò)集成各種甚高頻單片器件來(lái)成功實(shí)現(xiàn)毫米波模塊和子系統(tǒng)往往需要豐富的經(jīng)驗(yàn)。在模塊封裝設(shè)計(jì)以及如何調(diào)適組件、如何在適當(dāng)?shù)牡胤教砑游詹牧弦允鼓K正常工作并優(yōu)化其性能方面，工程師門(mén)遇到了重重困難。

幾乎沒(méi)有例外，毫米波公司都是小規(guī)模的業(yè)內(nèi)專家，它們?yōu)檐娛隆⒑娇蘸教旌脱芯繎?yīng)用手工制造產(chǎn)品。封裝和制造方面的困難限制了毫米波系統(tǒng)的部署以及這些頻段的使用，這些困難使產(chǎn)品難以大幅降低成本、縮小體積、減輕重量。

對(duì)60GHz及更高頻率元件的需求

隨著手機(jī)以及廣播和閉路電視內(nèi)回程高清視頻對(duì)視頻流需求的增加，人們對(duì)毫米波頻可用的充裕帶寬很感興趣。未壓縮高清視頻需要1.4Gbps帶寬。此外，3G長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)服務(wù)才剛剛開(kāi)始在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上部署，每個(gè)基站都需要100Mbps的回程能力。在毫米波頻段，共有多達(dá)7GHz帶寬可供這些應(yīng)用使用。

這些超高頻段內(nèi)的充裕帶寬還可為雷達(dá)和成像系統(tǒng)提供更高分辨率。例如，調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)的目標(biāo)間隔分辨力正比于掃頻帶寬。用于諸如車輛自適應(yīng)巡航控制和車道變換輔助等非軍用批量應(yīng)用的精確毫米波雷達(dá)，目前已部署在77和79GHz頻段。

用于檢測(cè)衣服內(nèi)所藏匿武器和爆炸物的最新掃描系統(tǒng)也需要毫米波頻段內(nèi)的寬帶寬(圖1)。主動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)通常依賴于類似雷達(dá)的掃頻方式；而僅接收的被動(dòng)系統(tǒng)則要求在約100GHz附近的W頻段、超過(guò)20GHz的帶寬內(nèi)都要有良好的靈敏度和高增益。

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封裝問(wèn)題

大多數(shù)微波和毫米波器件及子系統(tǒng)包含金屬外殼或涂覆著金屬層的外殼，在殼體上要磨制成形用于安裝小型MMIC芯片和其它元件的空腔。在MMIC芯片、綁定線和其它元件的制造和使用過(guò)程中，這些通常鍍金的外殼對(duì)它們起著保護(hù)作用，并使它們免受外部環(huán)境的侵害。外殼還使器件免受由系統(tǒng)內(nèi)其它電子器件及工作環(huán)境引入的電磁輻射的干擾。

當(dāng)然，對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種金屬模塊在尺寸、重量和成本方面遠(yuǎn)非理想。例如，用于提供協(xié)助飛行員在黑暗場(chǎng)所、惡劣天氣以及“燈光管制”條件下(沙塵暴)起停直升機(jī)的實(shí)時(shí)圖像的空中系統(tǒng)需要小巧輕便的毫米波組件，這種要求與對(duì)目前正在測(cè)試的無(wú)人駕駛飛行器上的成像系統(tǒng)的要求一脈相承。

所有微波電路都輻射能量，互連導(dǎo)線、綁定線和芯片本身都是輻射源。當(dāng)波長(zhǎng)接近MMIC芯片大小的時(shí)候，許多或許可在較低頻率下忽略不計(jì)的電磁效應(yīng)，開(kāi)始變得嚴(yán)重得多，此時(shí)電磁效應(yīng)甚至主導(dǎo)系統(tǒng)功能從而破壞系統(tǒng)性能。

耦合進(jìn)電路其它部分的輻射能量往往導(dǎo)致不期望、甚至災(zāi)難性的行為。用于固放MMIC芯片的“空腔”以及非平面電路板上過(guò)濾器構(gòu)造內(nèi)的非體傳導(dǎo)所產(chǎn)生的共振就是例證。共振往往導(dǎo)致毫米波模塊完全失效。不期望的毫米波輻射輕易地“泄漏”進(jìn)并影響到系統(tǒng)內(nèi)所有部件的情況使實(shí)用裝備的制造面臨艱巨挑戰(zhàn)。

倒晶封裝方案

倒晶封裝MMIC是有助于減輕這些影響的一種方法，其中，芯片“臉”朝下與帶互連的基板固焊在一起。由石英或陶瓷(通常是氧化鋁)以及多種有機(jī)高頻電路板材料形成的薄膜或厚膜電路就屬于這類基板。

芯片連接通常是可在高頻下提供低損耗過(guò)渡的由各類焊料形成的凸點(diǎn)。但，即使是非導(dǎo)體基板表面的接近都會(huì)影響芯片的高頻性能。

但因缺少熱效率足夠的基板，倒晶芯片組裝無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積接觸。因此，必須借助芯片前面和焊固凸點(diǎn)對(duì)許多高頻MMIC芯片來(lái)說(shuō)相對(duì)高的散熱加以管理。MMIC芯片和基底材料間熱系數(shù)的不匹配也可能在運(yùn)行中產(chǎn)生可靠性問(wèn)題。

諸如在MMIC芯片和基板間灌入非導(dǎo)電填料等針對(duì)該問(wèn)題的解決方案，常會(huì)影響微波性能。此外，大多MMIC芯片的平面特征可能不足以為所有連接提供可靠的低損耗凸點(diǎn)。意欲對(duì)倒晶封裝芯片進(jìn)行查驗(yàn)、調(diào)整調(diào)適甚至返工的無(wú)能為力也意味著倒晶芯片組裝技術(shù)并非對(duì)所有毫米波子系統(tǒng)都適用。

小體積空腔

為防止在該電路的基本工作頻率上建立起共振模式，有可能使裹覆有源器件的空腔足夠小。然而，在更高頻率下的共振模式仍然會(huì)耦合進(jìn)器件和基板，從而繼續(xù)嚴(yán)重影響電路性能。

即使是這種方法，吸波材料也必不可少。另外，在60GHz及更高的毫米波頻，為規(guī)避共振而把空腔做得足夠小的要求就變得不切實(shí)際了，特別是當(dāng)需要對(duì)MMIC芯片進(jìn)行低成本自動(dòng)裝配和綁定時(shí)。