满足60GHz及更高频率应用需求的MMIC

微波元件和模块的自动化生产已有多年历史。无数应用得益于大规模微波点对点链接所提供的能力。但在频率约为60GHz的毫米波频段，这些产品仍无法实行自动化生产。

通过集成各种甚高频单片器件来成功实现毫米波模块和子系统往往需要丰富的经验。在模块封装设计以及如何调适组件、如何在适当的地方添加吸收材料以使模块正常工作并优化其性能方面，工程师门遇到了重重困难。

几乎没有例外，毫米波公司都是小规模的业内专家，它们为军事、航空航天和研究应用手工制造产品。封装和制造方面的困难限制了毫米波系统的部署以及这些频段的使用，这些困难使产品难以大幅降低成本、缩小体积、减轻重量。

对60GHz及更高频率元件的需求

随着手机以及广播和闭路电视内回程高清视频对视频流需求的增加，人们对毫米波频可用的充裕带宽很感兴趣。未压缩高清视频需要1.4Gbps带宽。此外，3G长期演进(LTE)服务才刚刚开始在移动网络上部署，每个基站都需要100Mbps的回程能力。在毫米波频段，共有多达7GHz带宽可供这些应用使用。

这些超高频段内的充裕带宽还可为雷达和成像系统提供更高分辨率。例如，调频连续波(FMCW)雷达的目标间隔分辨力正比于扫频带宽。用于诸如车辆自适应巡航控制和车道变换辅助等非军用批量应用的精确毫米波雷达，目前已部署在77和79GHz频段。

用于检测衣服内所藏匿武器和爆炸物的最新扫描系统也需要毫米波频段内的宽带宽(图1)。主动发射系统通常依赖于类似雷达的扫频方式；而仅接收的被动系统则要求在约100GHz附近的W频段、超过20GHz的带宽内都要有良好的灵敏度和高增益。

封装问题

大多数微波和毫米波器件及子系统包含金属外壳或涂覆着金属层的外壳，在壳体上要磨制成形用于安装小型MMIC芯片和其它元件的空腔。在MMIC芯片、绑定线和其它元件的制造和使用过程中，这些通常镀金的外壳对它们起着保护作用，并使它们免受外部环境的侵害。外壳还使器件免受由系统内其它电子器件及工作环境引入的电磁辐射的干扰。

当然，对许多应用来说，这种金属模块在尺寸、重量和成本方面远非理想。例如，用于提供协助飞行员在黑暗场所、恶劣天气以及“灯光管制”条件下(沙尘暴)起停直升机的实时图像的空中系统需要小巧轻便的毫米波组件，这种要求与对目前正在测试的无人驾驶飞行器上的成像系统的要求一脉相承。

所有微波电路都辐射能量，互连导线、绑定线和芯片本身都是辐射源。当波长接近MMIC芯片大小的时候，许多或许可在较低频率下忽略不计的电磁效应，开始变得严重得多，此时电磁效应甚至主导系统功能从而破坏系统性能。

耦合进电路其它部分的辐射能量往往导致不期望、甚至灾难性的行为。用于固放MMIC芯片的“空腔”以及非平面电路板上过滤器构造内的非体传导所产生的共振就是例证。共振往往导致毫米波模块完全失效。不期望的毫米波辐射轻易地“泄漏”进并影响到系统内所有部件的情况使实用装备的制造面临艰巨挑战。

倒晶封装方案

倒晶封装MMIC是有助于减轻这些影响的一种方法，其中，芯片“脸”朝下与带互连的基板固焊在一起。由石英或陶瓷(通常是氧化铝)以及多种有机高频电路板材料形成的薄膜或厚膜电路就属于这类基板。

芯片连接通常是可在高频下提供低损耗过渡的由各类焊料形成的凸点。但，即使是非导体基板表面的接近都会影响芯片的高频性能。

但因缺少热效率足够的基板，倒晶芯片组装无法实现大面积接触。因此，必须借助芯片前面和焊固凸点对许多高频MMIC芯片来说相对高的散热加以管理。MMIC芯片和基底材料间热系数的不匹配也可能在运行中产生可靠性问题。

诸如在MMIC芯片和基板间灌入非导电填料等针对该问题的解决方案，常会影响微波性能。此外，大多MMIC芯片的平面特征可能不足以为所有连接提供可靠的低损耗凸点。意欲对倒晶封装芯片进行查验、调整调适甚至返工的无能为力也意味着倒晶芯片组装技术并非对所有毫米波子系统都适用。

小体积空腔

为防止在该电路的基本工作频率上建立起共振模式，有可能使裹覆有源器件的空腔足够小。然而，在更高频率下的共振模式仍然会耦合进器件和基板，从而继续严重影响电路性能。

即使是这种方法，吸波材料也必不可少。另外，在60GHz及更高的毫米波频，为规避共振而把空腔做得足够小的要求就变得不切实际了，特别是当需要对MMIC芯片进行低成本自动装配和绑定时。

最重要的是，在60GHz及更高波频，为显著降低系统成本，有对片上更高集成度的强劲需求。这终将导致越来越大毫米波芯片的产生。例如，已有一系列把工作在60和70GHz的集成接收器和发射器芯片(其中一些基于硅锗(SiGe)BiCMOS工艺)以及带片上功放的宽带宽砷化镓(GaAs)和氮化镓(GaN)放大器整合起来以在60、70甚至94 GHz频段实现大功率输出的产品出现。

吸收器方案

应对这些问题的另一种方法是采用辐射吸收材料(RAM)来封装芯片。RAM对微波能量反射少，而微波能量对其穿透能力低。对芯片空腔的内部以及空腔内RAM的焊固区位进行涂覆是常用作法。

然而，其中一些材料必须做得很厚才能有效地匹配毫米波频的辐射能量阻抗。因此，要形成恰好可放置在合适位置并被固焊在只有几毫米大小空腔内的RAM块就并非易事。很多时候，它需要训练有素工程师的人为干预。这反过来又提升了成本、降低了产量。

其它薄些的材料往往依赖波长效应来吸收辐射。这就使它们与生俱来地具有窄带特征且可能无法抑制某个特定频率的谐波以及空腔的高阶共振模式。此外，许多可吸收微波频率的材料在60、70和100GHz时的吸收效率会变得相当低。当挨近MMIC芯片使用可吸收毫米波能量的材料来抑制有害影响时要非常小心才可能避免恶化期望的电路性能以至造成电路无法工作。

半导体封装

对诸如60GHz极短距离无线个人局域网或77/79 GHz汽车雷达等一两个毫米波应用来说，其工作带宽相对窄或输出功率低。在这些场合，可采用低成本、用塑料封装MMIC芯片的传统半导体封装，但它以性能为代价。这种封装在高频时的巨大损耗清楚表明，它实在不适用于大多数微波应用，更不用说用在毫米波部件和系统中了。

其它方案包括用于半导体的陶瓷封装，如低温共烧陶瓷(LTCC)或氧化铝。这些方案常用于军事或航空组件，它们一般能提供良好的可靠性及抵御环境侵袭的能力，但对商业用途来说仍很昂贵。其中一些方法涉及机加工或蚀刻处理以及随后的硅基板涂覆，这些处理的成本很高。所有这些技术仍需要导电的涂层或表面甚至RAM来吸收任何不需要的微波能量。

MMIC Solutions使用简单的低成本技术在多层电路板内为MMIC芯片形成一个空腔，它无需金属加工且用一个低成本封盖来保护MMIC器件(图2)。很容易制造的封盖可以自动组装。对其涂覆的导电表面进行精确安放以吸收不期望的毫米波能量，并使其能在即使高于100GHz工作频率的条件下消除共振问题。该技术已被用于建构60GHz/V频段(图3)射频通信模块以及100GHz/W频段的被动成像应用。

装配问题

模块和组件的自动化装配会提供重复性(例如，芯片位置和绑定线长度)以及更可预测的性能。确实，自动化往往能降低损耗并有助于提升性能，多年来它一直在微波组件领域使用。即使在若干小批量军事和航空应用中也确信无疑在采用自动化方法。

自动化还对降低用于移动运营商网络通信回程链路中点对点射频的微波模块的成本起着重要作用。此外，它还被用在更新的低成本汽车雷达系统中。

然而，自动化制造60GHz及以上频率的毫米波系统要困难得多。对安置和绑定 MMIC芯片的公差要求更严苛，拥有所需昂贵设备的制造商也更少。封装还必须足够大以便相关设备及自动化装配过程中所用的拾取夹具能对其进行操控，从而将引发如前所述的空腔共振、吸收材料及其它方面的问题。

诸如许多商用毫米波应用固有的高阶调制和快速频率捷变等高度复杂的系统问题不仅助推了对更高芯片集成度的要求且正如这些问题本身所引致的，它也要求在模块封装中整合进更多器件。

这些组件可以是“芯片和导线”类的MMIC器件或诸如连接器、电容器、稳压器和振荡器等各种表贴器件。常规作法是，把金属外壳做得大些以装下通过玻璃金属密封的互连着高频元件的表面贴装电路板。但这种方法无法实现小型化也做不到大范围部署所需的低成本。

电路板模块

如果电路板材具有良好的微波或毫米波特性，则在一块电路板上组装实现一个带

表贴元件和高频“芯片和导线”器件的模块就有可能。Rogers (比如其Duroid产品)、Taconic及其它一些厂家生产的多层基板材料就因适用于微波应用而广为人知。

但出于刚性和支撑方面的考虑，大多这类高频电路板采用的都是玻璃纤维。当对这些材料进行切割以为MMIC芯片生成凹槽或空腔时，会引发问题。纤维材质粗糙的边沿可能迷惑高精度自动装配所使用的机器视觉系统。

另外，在高温装配过程中，因为不同层内纤维的导向不同，所以各层可能会有相对移动。这可能会大大降低其性能，结果甚至是灾难性的，因为自动化毫米波组装需要高精密的结构和器件安置。

就前面提到的多层电路板，MMIC Solutions使用Rogers的新型液晶聚合物(LCP)材料。这种材料消除了这种影响，从而使采用高产的MMIC芯片和表贴器件的自动装配技术来制造可工作在60GHz及更高频率的模块成为可能。

100GHz的被动成像需要很好的接收灵敏度，该灵敏度通常被约定为噪声等效温差(60GHz)，它是宽带噪声内可被检测到的最小差异。这就要求接收器具有很低的噪声指标(约5dB@100GHz)，另外，模块的电路板还要有非常低的高频损耗。

MMIC Solutions用于W波段成像的MSi102多层 LCP基板的植埋带状线的测得损耗小于0.2dB/mm。MSi102与标准WR-10机械接口配伍，接口也是在模块基板上形成的。波导终止(截止电路)是由用于裹封MMIC器件的封盖成形的(图4)。

在成像应用中，接收器阵列的装入密度对确定图像的分辨率尤其重要，因此，在系统检测可能有危险的小型物体的能力方面发挥着重要作用。因此，成像阵列的模块小型化也许在所有毫米波应用中最具挑战性。

使用最新的多层基板来减小体积，MMIC Solutions为成像系统开发了其最新的MSi200系列接收器。这些模块的大小为：18mm(长)* 8.5mm(宽)*5.5mm(高)、小于850 mm3。

本文小结

不是所有工作在毫米波段的系统为了批量部署都要求体积小、重量轻、成本低。某些军事、航空航天和研究领域的无线电和雷达应用在数量上当然不会太多，对它们来说，“专家手工制作”是正确的作法。

但把毫米波频段丰富的可用带宽用于商业系统和服务的日益强劲的需求，对新方案提出了要求。一些应用要求更小、更轻的元件，而几乎所有应用都欢迎这样的元件。

作者：John McNicol

业务开发和营销总监

MMIC Solutions