基于三维异质集成技术的超宽带射频前端模块的设计与制造

《Microelectronics Journal》：Design and fabrication of an ultra-wideband RF front-end module based on three-dimensional heterogeneous integration technology

　　

Hongyi Kang|Zhiyu Wang|Jingyu Zhou|Haotian Wu|Zichen Guo|Annan Xu|Xi Guo|Chenge Wang|Jiongjiong Mo|Faxin Yu

中国杭州浙江大学航空航天学院，邮编310027

摘要

本文介绍了一种基于三维异质集成技术的超宽带四通道射频前端模块的设计与制造方法。该射频前端模块的工作频率范围为200 MHz至2.1 GHz，拥有四个可独立控制的发射/接收通道。每个通道都包含一个单刀双掷开关、驱动放大器、低噪声放大器以及GaN功率放大器，所有这些组件都被密封在三个垂直堆叠的高电阻率硅中间层中。顶部和底部的中间层分别提供双面重分布层以及基于硅通孔的同轴垂直互连结构，而厚度为250微米的中间腔体层则用于放置裸芯片并实现密封功能。在200 MHz至2.1 GHz的整个频段内，接收通道的小信号增益超过19 dB，噪声系数低于2 dB；而发射通道的饱和输出功率则超过33 dBm。

引言

近年来，宽带无线通信和数据链路技术在物联网、第五代无线网络以及电子战等领域得到了快速发展。作为系统中的核心部件，射频前端模块的性能和尺寸直接决定了系统的体积、重量以及运行能力。随着数据链路通信系统和主动相控阵雷达不断向小型化和高性能方向发展，对射频前端模块的集成密度要求也越来越高。

传统的射频前端模块通常采用金属腔体封装，芯片间的连接通过印刷电路板实现，外部接口则由射频连接器及低频连接器提供。然而，庞大的金属外壳限制了其集成密度的提升。为了解决这一问题，人们开始研究诸如多芯片模块和平面式硅封装之类的二维集成技术。在这些技术中，多个裸芯片和无源元件被集成在高性能的互连基板上，基板背面的球栅阵列则作为外部接口，用于连接射频信号端口、电源端以及控制信号接口。常见的基板材料包括低温共烧陶瓷、玻璃以及高温共烧陶瓷。尽管这些封装方式能够显著缩小体积并减轻重量，但模块的尺寸仍然受限于内部芯片和元件的布局面积。功能较为复杂的模块往往需要较大的基板面积，这不仅会增加封装的复杂性，还会带来可靠性方面的问题。此外，在这类平面式封装方案中，通道间的隔离和密封还需要依靠额外的专用结构来实现，这进一步增加了模块的尺寸并提升了制造难度。

三维封装技术通过让不同类型的元件垂直堆叠，从而在较小的基板面积内实现高集成密度，为解决上述问题提供了有效的解决方案。这一技术也因此成为先进封装领域的研究热点。不过，现有的三维异质集成方案往往存在硅基板过厚以及制造工艺复杂的问题。

为应对这些挑战，本文提出了一种基于三层高电阻率硅中间层的新型三维异质集成方案。该方案的主要优点在于：首先，与传统平面式封装不同，传统方案中的芯片位于单个基板平面上，隔离和密封功能依赖专门的辅助结构，而该方案则通过垂直堆叠三层硅中间层，并将裸芯片嵌入到中间的空腔中。这样的设计不仅能实现芯片的固定，还能通过金属化的硅通孔阵列实现通道间的隔离，同时完成密封功能，从而在较小的空间内实现高集成密度和良好的通道间隔离效果。其次，与现有的解决方案相比，该方案不仅降低了硅基板的厚度，还简化了中间层的制造工艺。较短的垂直互连结构有助于减少硅通孔带来的寄生效应，而将偏置电路放置在顶部的中间层上，则能最大程度降低对L波段及更低频段下工作的放大器性能的影响。基于上述集成方案，本文设计、制造并测试了一种工作频率范围为200 MHz至2.1 GHz的四通道超宽带射频前端模块。

内容节选

系统架构与链路预算

本文设计的射频前端模块工作频率范围为200 MHz至2.1 GHz，包含四个完全独立的发射/接收通道。每个通道都由一个单刀双掷开关、驱动放大器、低噪声放大器以及功率放大器组成，用于实现射频信号的放大以及发射/接收通道的切换。该模块的框图和链路预算如图1所示。根据链路预算分析，每个通道的接收链路

射频前端模块的制造过程

在本研究中，通过使用顶部中间层、中间腔体层以及底部中间层，实现了对裸芯片的密封封装。本节将详细介绍这三层中间层的制造过程，以及最终射频前端模块的三维堆叠和微型组装流程。

测试结果

图11展示了制造和微型组装完成后三层硅中间层的照片。图11(a)为芯片安装完成后底部中间层的俯视图，而图11(b)和(c)则分别展示了最终射频前端模块的俯视图和仰视图。

图12显示了射频前端模块堆叠完成后Cu–Sn/Cu结合界面的聚焦离子束截面扫描电镜图像。由于结合界面处形成了稳定的金属间化合物，因此该射频前端模块具有良好的密封性。

结论

本文设计、制造并通过对一种基于三维异质集成技术的超宽带四通道射频前端模块进行了实验测试。在该架构中，顶部和底部的中间层提供了双面重分布层以及球栅阵列接口，而厚度为250微米的中间腔体层则负责对裸芯片进行密封处理，同时确保通道间具有良好的隔离效果。这三层中间层通过晶圆级的Cu–Sn/Cu连接在一起。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的财务利益或个人关系。