第9章-單片微波集成電路簡介第課件

1、第9章單片微波集成電路簡介9.1單片微波集成電路的材料與元件9.2MMIC電路的設計特點9.3微波集成電路加工工藝簡介9.4微波及毫米波集成電路應用實例 9.1單片微波集成電路的材料與元件9.1.1單片微波集成電路的基片材料MMIC的基片同時兼有兩種功能：一是作為半導體有源器件的原材料，二是作為微波電路的支撐體。砷化鎵(GaAs)是最常用的材料，在低頻率情況下，也可以用硅(Si)材料。MMIC的制作是在半絕緣的GaAs基片表面局部區(qū)域摻雜構(gòu)成有源器件(FET或二極管)，把其余表面作為微帶匹配電路和無源元件載體。GaAs和Si的主要特性列于表9-1中，同時也給出了MIC常用的氧化鋁陶瓷(Al2O

2、3)作為對比。 表9-1MMIC基片半導體材料的特性 由表9-1可見，GaAs有源層的電子遷移率比Si高6倍，作為基片時的電阻率則高幾個數(shù)量級，用GaAs制作的MMIC性能遠優(yōu)于用Si制作的。但GaAs的電阻率比Al2O3要低許多，微波在GaAs基片中的介質(zhì)損耗不能忽略，盡管MMIC尺寸小，介質(zhì)損耗不太嚴重，但在電路設計中必須予以考慮 GaAs基片厚度常選為0.10.3 mm，面積在0.5 mm0.5 m5 mm5 mm之間。薄基片散熱好，接地通孔性能好，但高阻抗微帶線的線條太細不易制作，微帶電路設計有一定局限性。做微波功率放大器或振蕩器時宜采用較薄基片，以利于散熱和增加功率容量。 9.1.2

3、單片微波集成電路的無源元件在MMIC中使用的傳輸線和無源元件與MIC中應用的基本相同，但也有自己的特點。MMIC中常用的無源元件有兩類：一類是集總元件(尺寸通常小于0.1波長)，另一類是分布元件。X波段到20 GHz適用于集總元件，高于20 GHz宜采用分布元件。1. 電容 MMIC中經(jīng)常采用的電容有微帶縫隙電容、交指電容、疊層電容和肖特基結(jié)電容。 微帶縫隙電容的電容量很小，很難超過0.05 pF。 交指電容的電容量稍大，但耦合指長度不能太大，電容量只能做到1 pF以下，Q值能達到100左右。 為獲得1100 pF量級的電容量需采用疊層電容，又稱MIM電容，其結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。絕緣層介質(zhì)用S

4、i3N4、SiO2或聚酰亞胺。MIM電容的主要問題是難于保證電容值制造的準確性和重復性。 肖特基結(jié)或PN結(jié)也可制作電容器，如圖9-2所示。這種電容可以在制作有源器件時一起完成，適于0.510 pF左右的容量。 圖 9-1疊層(MIM)電容圖 9-2肖特基結(jié)電容2. 電感與MIC類似，MMIC中應用的電感包括圖9-3所示的幾種: 直線電感和單環(huán)電感的尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單，電感量大約幾納亨以下。 多圈螺旋方形或圓形電感具有較大電感量和較高Q值，電感量約可達數(shù)十納亨，Q值大約為10，最高可接近4050。 圖 9-3MMIC電感為減小電感線圈所占基片的面積，線條盡量要細，電阻損耗不容忽視，匝間電容以及薄基

5、片對地板的臨近效應都將使有效電感量降低。多圈電感的內(nèi)圈端點引出線要用Si3N4或SiO2做絕緣層或用空氣橋跨接，制作工藝比較復雜。 不論哪種結(jié)構(gòu)的電感，導線總長度都應該遠小于波長，才能具有集總參數(shù)電感的特性。 3. 電阻用于MMIC的電阻主要有薄膜電阻和體電阻兩大類。要求電阻材料具有較好的穩(wěn)定性，低的溫度系數(shù)，還要考慮允許電流密度、功率和可靠性等問題。 實際應用中的電阻包括以下幾類： 鎳鉻系電阻：具有良好的粘附性，阻值穩(wěn)定性高，成本低。制作技術多用蒸發(fā)工藝，但較難控制合金成分的比例。 鉭系電阻：目前可用充氮反應濺射制備氮化鉭電阻，用鉭硅共濺射可獲得耐高溫的電阻。鉭系電阻薄膜也可用于混合MIC中

6、。 金屬陶瓷系電阻：制作高阻最有效的方法是在金屬中摻入絕緣體以形成電阻率高、穩(wěn)定性好的電阻，如Cr-Si電阻、NiCr-Si電阻和CrNi- SiO2電阻等。調(diào)整材料的配方比例使電阻率在很大范圍內(nèi)改變，以適應不同電阻值的要求。 體電阻：利用GaAs N型層的本征電阻，它是MMIC中特有的類型。在GaAs基片上局部摻雜，做上歐姆接觸就構(gòu)成了電阻，其電阻率比較適中。體電阻的主要缺點是電阻溫度系數(shù)為正，而且在電流強度過大時，電子速度飽和，呈現(xiàn)非線性特性，此種特性不利于一般線性模擬電路，但可用于某些數(shù)字邏輯電路。 9.1.3單片微波集成電路的有源器件MMIC中的有源器件和MIC中常用晶體管的類型基本一

7、樣。三極管幾乎都采用FET，也使用雙柵FET。二極管有肖特基勢壘管、變?nèi)莨?、體效應管、PIN管等。在MMIC中由于各種晶體管都沒有管殼封裝，縮短了元件之間的互連線，減少了焊點，因此可用的極限頻率提高，工作頻帶加寬，尺寸減小，可靠性改善。FET是高頻模擬電路和高速數(shù)字電路的主要元件，肖特基勢壘二極管是二極管中的主要元件。不論是哪種晶體管，在MMIC中都是平面結(jié)構(gòu)，即各電極引線需從同一平面引出。為減小晶體管寄生參量，GaAs導電區(qū)要盡量小，只要能保證器件工作即可。 肖特基勢壘二極管和FET的平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-4所示。圖中，電極引線是金(Au)，有源層是N型GaAs，電導率=0.05 cm，載流

8、子濃度為nn=107 cm3，歐姆接觸用金鍺(AuGe)。為了保證歐姆接觸良好，有源層上還有一層低電阻率的N+GaAs層，電導率=0.0015 cm，載流子濃度為nn=1018 cm3。 在晶體管區(qū)的表面還有一層Si3N4或SiO2作為保護層。對FET而言是在有源層上制作Ti/Pt/Au混合體形成肖特基勢壘，再真空蒸發(fā)柵極金屬，柵金屬的質(zhì)量和位置對FET的性能至關重要。要考慮金屬對GaAs有良好的附著力，導電性好，熱穩(wěn)定性強，金屬可用Cr-Ni-Au、Cr-Au、Cr-Rn或A1-Ge，也可用A1。柵成型后表面再覆蓋一層保護層，源極和漏極的金屬亦是真空蒸發(fā)形成的。目前In-Ge-Au和Au-G

9、e-Ni用得較多，使FET有良好的歐姆接觸并能承受短時升溫。圖 9-4平面晶體管結(jié)構(gòu) 9.2MMIC電路的設計特點 盡管MMIC電路的設計方法和MIC有一定相似之處，但是其結(jié)構(gòu)特點決定了要有一些不同的考慮。典型的MMIC設計程序如圖9-5所示。設計的依據(jù)是由用戶提出的技術指標，設計者必須要考慮實際的設備和條件； 根據(jù)系統(tǒng)要求決定電路的拓撲結(jié)構(gòu)，采用什么類型的器件，例如單柵或雙柵FET、低噪聲或高功率FET、集成度的規(guī)模和價格等。由于MMIC的各種元件都集成在一塊基片上，分布參數(shù)的影響不能忽略；有時還必須考慮傳輸線間電磁場的耦合效應；此外，集成電路制作后無法調(diào)整，需精確地、全面地設計電路模塊和元

10、件模塊，計入加工中引入的誤差。因此，MMIC設計必須采用計算機輔助設計方法，選用合適的CAD軟件對電路參數(shù)進行優(yōu)化，以獲得元件最佳值，并由計算機進行設計后的容差分析、穩(wěn)定性的檢驗等。目前使用最多的是Agilent公司的ADS軟件。設計的成功與否，決定了產(chǎn)品的成品率，也影響電路的成本和價格。圖 9-5MMIC設計程序流程圖MMIC設計中應主要考慮如下幾點: (1) MMIC的元件不能篩選、修復或更換。例如微帶線，寬的微帶線具有阻抗低、損耗小的特點，一般阻抗在30100 范圍內(nèi)。傳輸線寬度的任何變化，都將引起阻抗的不連續(xù)性。制造過程中，分布式元件比集總元件較易控制，雖然分布式元件占的空間大，因為制

11、作的工藝簡單，制造偏差的影響較小，所以多選用分布式元件。 (2) 設計中所用的器件數(shù)據(jù)必須選取在寬帶范圍內(nèi)的參數(shù)值，以便擴大電路的適應性。同時，MMIC集成度越高，元件越多，加工過程中越不可避免出現(xiàn)偏差。這會導致器件參數(shù)變化是制造公差的函數(shù)，設計時對元件需要允許有較大的公差。選用低靈敏度電路，著眼點不是電阻、電感、電容或其他參數(shù)的絕對值，而是它們之間的比例，可在CAD設計時再作調(diào)整。 (3) 盡量減小電路尺寸。在C波段以下的較低頻段，不宜采用分布參數(shù)傳輸線，盡量用集總參數(shù)元件。有時FET寄生參數(shù)影響不大，可以不加匹配元件，寧可多用一兩只FET，以獲得足夠增益，而尺寸可能更小。(4) 由于元件、

12、部件尺寸小，因而容易在電路結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)負反饋電路，以擴展頻帶和改善性能。 設計更復雜的行波式或平衡式放大器時，雖然使用了更多的FET，但是這些FET一次制成，又處于同一基片上，成本增加并不多，而性能上卻有很大改善，這是MMIC的特點。 (5) 分布參數(shù)電路雖比集總參數(shù)元件電路制作工藝簡單，但尺寸較大，需將微帶線折彎或盤繞，這將產(chǎn)生線間耦合。設計時除了考慮將線間距離控制在23倍的基片厚度之外，還需用更精確的電磁場數(shù)值分析方法進行分析和計算，以提高設計精度。(6) 電路高溫工作的可靠性。小信號MMIC的散熱問題較容易解決，但對功率放大電路，需要考慮封裝的熱阻抗和工作環(huán)境條件。GaAs MMIC的短暫

13、工作溫度在300以下，一般最高溫度應低于150。(7) 關于抗輻射的問題?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)有抗輻射的要求，故在集成電路生產(chǎn)中提出了輻照硬度(Radiation Hardness)的指標，即在生產(chǎn)過程中為確保質(zhì)量，需挑選出那些較能承受輻射的產(chǎn)品。上述幾個方面，有些是一般的原則，有些隨MMIC應用的不同，相對的重要性也隨之而變?？傊O計的MMIC必須滿足電氣性能技術指標要求，工作可靠，具有高成品率和低成本。 9.3微波集成電路加工工藝簡介9.3.1微波集成電路工藝流程簡介微波集成電路(MIC)的加工主要有以下幾個步驟：(1) 制備紅膜。任何一個MIC的加工，首先需要有設計完成的電路布線圖或結(jié)構(gòu)圖，根

14、據(jù)這個圖來刻制紅膜。紅膜是聚酯薄膜，上面覆蓋一層透明的軟塑料(紅色或橙色)，紅膜厚約50100 m，軟塑料厚約2550 m，利用坐標刻圖機在光臺上刻繪所需的圖形，使所需的圖形部位紅色塑料膜脫離基體，即根據(jù)刻出的線條，有選擇地揭剝紅膜。一般將原圖尺寸放大約510倍，主要是提高制圖精確度?？讨频募t膜尺寸要求精密準確。常規(guī)制版工藝全由人工繪制、刻膜和揭剝紅膜； 現(xiàn)在采用新工藝，即用計算機控制，編制軟件程序，或用X-Y繪圖儀繪制。(2) 制造掩膜。掩膜的作用是將設計的圖形從紅膜上精確地轉(zhuǎn)移至基片上。常用的是光掩膜，它是在玻璃基片上表面鍍一層鉻或氧化鋁等材料，然后，再在上面涂一層光乳膠(銀鹵化物)，這種

15、材料光靈敏度高，圖像分辨率好。利用已刻制的紅膜圖形初縮照相制版后，置于玻璃基片上曝光，然后經(jīng)過光刻制成掩膜。也可以不由紅膜制造掩膜，而由圖形發(fā)生器直接制作掩膜。 (3) 光刻基片電路。將MIC的基片毛坯拋光后，在基片上鍍金屬膜。一般有三種方法：真空蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)或濺射，視不同的金屬材料而定。主要要求金屬與基片之間有良好的附著力，性能穩(wěn)定且損耗低。例如在氧化鋁基片上鍍金屬膜，材料為CrCuAu或NiCrNiAu，可先在基片上鍍一層催化層，然后再先后分層鍍上不同的金屬。隨后，在已鍍金屬膜的基片上涂一層感光膠，感光膠有正性膠和負性膠兩種，將掩膜置于其上方，通過曝光、成型、腐蝕去掉不希望有的金屬涂層

16、，如圖9-6所示。前兩個圖中表示涂感光膠的地方刻蝕后無金屬層；后兩個圖中表示涂感光膠的地方保留了金屬層。前者所涂感光膠的厚度應與最后所需金屬膜的厚度相近，它適于制作2550 m寬或金屬帶相距2550 m的線條。后者比較節(jié)省金屬，而且價格便宜。圖 9-6MIC中基片上制作圖形的示意圖(4) 有源器件的安裝調(diào)試。 如圖9-7所示，這是常規(guī)工藝流程。微波集成電路的制作必須在超凈環(huán)境中進行以保證質(zhì)量。如果制作MIC的基板材料已經(jīng)制備了雙面敷銅(或其他金屬)，則可省去在基片材料上鍍金屬膜的步驟，直接根據(jù)掩膜光刻基片電路即可。 圖 9-7微波集成工藝流程圖9.3.2單片微波集成電路工藝流程簡介MMIC制作

17、的復雜性在于要在GaAs基片上同時制作有源器件和無源元件，工序很多；它是多層結(jié)構(gòu)，所用掩膜不止一個而是成套的，對掩膜的圖形精度也有更高的要求，電路的制作工藝比MIC更復雜。1. 圖形轉(zhuǎn)移新技術圖9-8示出了制作掩膜的過程，輸入的圖形數(shù)據(jù)是由制作掩膜的專用計算機輸入的，已考慮了制作掩膜過程中出現(xiàn)的尺寸誤差并進行了預先修正。通過計算機由圖形信息控制圖形發(fā)生器。 圖 9-8圖形轉(zhuǎn)移新技術圖9-8中給出了圖形產(chǎn)生的幾種方式： 光學圖形發(fā)生器：本質(zhì)上為一臺特殊的照相機，也是一種光學投影照相系統(tǒng)。將原圖分解成許多單元圖形或單元復合圖形，計算機控制光孔變化，計算曝光位置，進行多次曝光完成初縮版的照相。 電子

18、束圖形發(fā)生器及曝光裝置：它是在計算機的控制下，利用光刻蝕的原理制備出所要求的掩膜圖案。由于電子束的散射和衍射很小，又便于聚焦成0.020.2 m的細斑，因而具有極高的分辨率，所以在計算機的控制下能直接制成精縮版。這是發(fā)展微米與亞微米技術的重要工具。 激光圖形發(fā)生器：它是在計算機控制下，通過調(diào)制激光束對光致抗蝕劑進行選擇性加工。因制版的薄膜上涂有一層低溫CVD淀積的氧化鐵，底版放在微動臺上，當激光束作柵狀掃描時，可以有選擇地把需要形成窗口處的氧化鐵熔化并蒸發(fā)。此法的主要優(yōu)點是能在短時間內(nèi)制成初縮板，甚至直接制成精縮掩膜，縮短研制周期，但分辨率較低。 一般掩膜底版曝光后，經(jīng)顯影、漂洗、后烘、腐蝕、

19、去膠等一系列過程(即光刻蝕過程)，就完成了主掩膜的制作。2. MMIC工藝流程 在GaAs基片上制作微波電路，須同時制作有源器件和無源元件。現(xiàn)以小信號集成電路為例，圖9-9給出了MMIC的全部制作過程。 圖 9-9MMIC工藝流程圖(1) 有源層。 如圖9-10(a)所示，首先在半絕緣GaAs基片上制作有源層，如果要形成N型有源區(qū)，即將所需要的雜質(zhì)原子摻雜到半導體基片規(guī)定區(qū)域的晶格中去，達到預期的位置和數(shù)量要求，這就是摻雜技術。目前所采用的方法有離子注入和外延摻雜兩種。離子注入是一種新?lián)诫s技術，它把雜質(zhì)原子電離并使帶電性的離子在高電場中逐級加速，直接注入到半導體中去。這種技術能在較大的面積上形

20、成薄而均勻的摻雜層。圖9-9中退火的作用是消除離子注入所造成的晶格損傷。另一種是外延技術，即在GaAs基片表面生長另外的GaAs層，保護晶體結(jié)構(gòu)，這種生長的新單晶層，其導電類型、電阻率、厚度和晶格結(jié)構(gòu)的完整性都可以控制，達到預期要求，這個過程稱為外延，新生長的單晶層為外延生長層。外延方法有液相外延(LPE)、氣相外延(VPE)和分子束外延(MBE)三種，其中LPE是老技術，MBE是新技術，應用MBE能做高電子遷移率的場效應集成電路和異質(zhì)結(jié)雙極型集成電路，但一般VPE的應用較為廣泛。圖 9-10MMIC加工的工藝過程示意圖(2) 絕緣。在有源面上電流流過該區(qū)，但在特定的區(qū)域若要限制電流流過，則需

21、絕緣。對有源器件，只允許電流在所規(guī)定的部位流過，而其他部位需絕緣。對無源電路，要減小傳輸線的寄生電容和導體損耗，也要注意絕緣。絕緣層的制作方法可采用臺面蝕刻和離子注入兩種方法，用蝕刻的方法將不需要有源層的區(qū)域全部去掉，此方法簡單，故廣為采用(如圖9-10(b)所示)。 (3) 歐姆接觸。在半導體表面和焊接點之間需要良好的電接觸，因此需制作歐姆接觸點。MMIC的這類觸點十分重要，觸點接觸不好，接觸電阻將導致噪聲增大和增益下降。制作歐姆接觸的方法是在GaAs上，將熔合的金、鍺(Au) =88，(Ge)=12，熔點為360)摻入GaAs層和有源層，然后在其上蒸發(fā)鍍一層鎳，整個厚度約為2000，隨后制

22、成焊點，見圖9-10(c)。 (4) 肖特基或柵極結(jié)構(gòu)。在有源層上放置金屬可形成肖特基勢壘(如圖9-10(d)所示)。柵極金屬的選擇要考慮對GaAs的附著力、導電性能和熱穩(wěn)定性，對GaAs基片多用TiPtAu合金材料。(5) 第一層金屬。第一層金屬是指覆蓋的噴涂金屬，以增加導電性。對電容、電感和傳輸線，此層金屬即為底部的導電板。它和肖特基柵金屬是同時制作的。 (6) 電阻沉積。在MMIC中，電阻作為FET偏置網(wǎng)絡、終端負載、反饋、絕緣或衰減器等元件，見圖9-10(e)。對GaAs材料和電阻膜，要注意電流飽和、耿氏區(qū)的形成和溫度系數(shù)等問題。制作電阻膜多用濺射法。濺射法是用受電場加速的正離子轟擊固

23、體靶表面，從固體表面飛濺出原子到達基片形成薄膜，這種方法比蒸發(fā)鍍膜先進。 (7) 介質(zhì)鍍膜。介質(zhì)鍍膜的作用是對FET有源層、二極管和電阻器加以鈍化；在金屬與金屬之間絕緣以制造電容(如疊層電容)，如圖9-10(f)所示。介質(zhì)膜的厚度一般在10003000，單位面積的電容量由膜的厚度來決定。(8) 第二層金屬。制作第二層金屬主要是作為元件之間的互連線、空氣橋、MIM電容的上極板等。材料仍用TiPtAu，為了減小阻值，再鍍以金，層厚約35 m，如圖9-10(g)所示。 (9) 底面拋光和小孔金屬化，如圖9-10(h)所示。 GaAs基片底面要拋光磨平，并要精確控制基片厚度，因其厚度與微帶傳輸線的特性

24、阻抗有關。小孔是提供MMIC接地的重要元件。小孔金屬化技術在不斷改進，早期采用銀漿接地，在孔中直接蒸發(fā)金屬，近幾年常用濺射和離子鍍膜，使小孔中的金屬膜在繞射作用下形成膜，有時也用化學淀銅。由于采用了敏化和活化反應，因而能以銅代金，獲得較小的接觸電阻。 此外還出現(xiàn)了用導電膠接地等辦法。小孔直徑一般為50100 m，多用激光打孔。 圖9-10(i)示出了完整的單片微波集成電路。各工序加工完畢后，需對MMIC芯片進行測試。芯片測試技術是提高MMIC集成度、降低成本、縮短研究周期必不可少的關鍵技術之一。檢測裝置采用特殊的探針，探針間距達到10 m量級。目前采用接觸式探針，今后可用不接觸式光電探頭，自動

25、取樣測量，取其合格者切割成小片。最后經(jīng)過性能測試，檢驗MMIC的技術指標。上述即為微波單片集成電路制作的全部過程。 9.3.3微波集成電路新技術簡介1. 多芯片組件技術(MCM)多芯片組件(Multi-Chip-Modules，MCM)技術是微波集成電路技術與微組裝技術相結(jié)合的一種新技術。在微波、毫米波領域，當單芯片一時還達不到多種芯片的集成度時，人們設想能否將高集成度、高性能、高可靠性的CSP(Chip Size Package，芯片尺寸封裝)芯片和專用集成電路芯片(ASIC)在高密度多層互聯(lián)基板上用表面安裝技術(SMT)組裝成為多種多樣的電子組件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)，這種想法導致了多芯片組件(M

26、CM)的誕生。 多芯片組件將多個集成電路芯片和其他片式元器件組裝在一塊高密度多層互連基板上，然后封裝在外殼內(nèi)，是電路組件功能達到系統(tǒng)級的基礎。MCM采用DCA(裸芯片直接安裝技術)或CSP，使電路圖形線寬達到幾微米到幾十微米的等級。在MCM的基礎上設計了與外部電路連接的扁平引線，間距為0.5 m，將多塊MCM借助SMT組裝在普通的PCB上，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。MCM的主要特點有：封裝延遲時間縮小，易于實現(xiàn)組件高速化；縮小整機組件封裝的尺寸和質(zhì)量，一般體積減小 14，質(zhì)量減輕13；可靠性大大提高。MCM與目前的SMT組裝電路相比，體積和質(zhì)量可減少7090；單位面積內(nèi)的焊點減少95以上，單位面積

27、內(nèi)的IO數(shù)減少84以上，從而使可靠性提高5倍以上；信號互連線大大縮短，使信號傳輸速度提高46倍，并且大大地增加了功能。在一些射頻應用領域，如功率放大器(PA)電路，早先采用的MMIC獨立元件已被整合多種應用、附加匹配功能的MCM所取代。MCM已發(fā)展成以不同材料和工藝為基礎的多種MCM結(jié)構(gòu)和類型，如MCM-L(多層金屬和介質(zhì))、MCM-C(陶瓷)、MCM-D(淀積工藝)、MCM-LD和MCM-CD等。當前MCM已發(fā)展到疊裝的三維電子封裝(3D)，即在二維X、Y平面電子封裝(2D)MCM的基礎上，向Z方向即空間發(fā)展的高密度電子封裝技術，實現(xiàn)3D，不但使電子產(chǎn)品密度更高，也使其功能更多，傳輸速度更快

28、，性能與可靠性更好，而電子系統(tǒng)相對成本更低。 MCM在組裝密度(封裝效率)、信號傳輸速度、電性能以及可靠性等方面獨具優(yōu)勢，是目前能最大限度地發(fā)揮高集成度、高速單片IC性能，制作高速電子系統(tǒng)，實現(xiàn)整機小型化、多功能化、高可靠、高性能的最有效途徑。因為發(fā)展很快，MCM已成為20世紀90年代最有發(fā)展前途的高級微組裝技術，在計算機、通信、雷達、數(shù)據(jù)處理、宇航、軍事、汽車等領域得到越來越廣泛的應用。據(jù)20世紀90年代初國際有關專家認定，5年之內(nèi)，誰在MCM技術方面領先，誰就能在電子裝備制造方面處于先驅(qū)地位。近年來，各大公司對MCM給予了高度的重視，紛紛加入 MCM這一技術競爭的行列。國際上，美國將MCM

29、列為 20世紀90年代優(yōu)先發(fā)展的6大關鍵軍事電子技術以及美國2000年前發(fā)展的10項軍民兩用高新技術之一。1993年美國政府撥款7000萬美元，在電子工業(yè)協(xié)會內(nèi)建立一個新的分部，實施一個由政府資助、耗資5億美元的MCM技術三年發(fā)展計劃，使美國于1996年在多芯片集成技術方面居世界領先地位。1994年底，由歐洲5國(英、法、瑞典、奧地利、芬蘭)的10余家公司、大學、研究機構(gòu)組成聯(lián)盟，完成了一項發(fā)展MCM技術的三年合作計劃，其工作頻率可高達40 GHz(用于通信)、功率密度達40 W/cm2(用于汽車和工業(yè))。日本各著名公司也采取了有效措施強化MCM產(chǎn)業(yè)，已開始了半定制MCM的研究。目前，MCM已

30、被公認為是20世紀90年代的代表技術，近十年又是MCM發(fā)展的最輝煌的時代。2. 低溫共燒陶瓷多層集成電路技術(LTCC)低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramics，LTCC)是現(xiàn)代微電子封裝中重要的研究分支，主要用于高速、高頻系統(tǒng)。低溫共燒陶瓷是一種很薄的陶瓷多層基片，這種陶瓷材料厚度僅為10 mm，由三層組成，里外兩層均為涂覆陶瓷層，中間夾有一層銀。它與其他多層基板技術相比較，具有以下特點： 易于實現(xiàn)更多布線層數(shù)，提高組裝密度。 易于內(nèi)埋置各種無源元器件，提高組裝密度，實現(xiàn)多功能。 便于基板燒成前對每一層布線和互連通孔進行質(zhì)量檢查，有利于提高多層基板的成品

31、率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。 具有良好的高頻特性和高速傳輸特性。 易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔，從而可實現(xiàn)性能優(yōu)良的多功能微波MCM。 與薄膜多層布線技術具有良好的兼容性，二者結(jié)合可實現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件(MCM-CD)。 易于實現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，進一步減小體積和質(zhì)量，提高可靠性。 LTCC具有很好的抗沖擊性能，其成本遠低于常規(guī)材料，而且易于大批量生產(chǎn)。 LTCC系統(tǒng)最早被用于多層基板和多芯片組裝，最近幾年，LTCC技術開始進入無源集成領域，成為實現(xiàn)無源集成的一項關鍵性技術。目前，通過LTCC技術實現(xiàn)無源集成主要有兩種途徑：一種是將無源元件埋在低燒

32、低介陶瓷中；另一種是通過多層多成分陶瓷的共燒和圖形化實現(xiàn)。無疑，后者是利用LTCC來實現(xiàn)無源集成的方向。與此同時，LTCC技術由于自身具有的獨特優(yōu)點，在用于制作新一代移動通信中的表面組裝型元器件時顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。目前，移動通信中采用LTCC技術制作的SMD型VCO、LC濾波器、頻率合成組件、GSMDCS開關共用器、DCDC變換器、功率放大器、藍牙組件等均已獲得越來越廣泛的應用。目前，LTCC已經(jīng)成為電子元器件、微電子封裝領域的一項關鍵性技術和炙手可熱的明日技術之一，日益受到重視。 9.4微波及毫米波集成電路應用實例在過去的50年里，微波和毫米波集成電路有了巨大的發(fā)展。 如今，集成電路已經(jīng)具

33、有更小的尺寸、更高的集成度和更低的成本，在雷達、電子戰(zhàn)和商業(yè)領域中有更廣泛的應用。本節(jié)將簡要介紹微波及毫米波集成電路在雷達、電子對抗和通信領域的應用。9.4.1微波及毫米波集成電路在雷達領域的應用雷達在許多軍事和商業(yè)領域中都有廣泛的應用。軍事應用包括目標位置跟蹤、繪圖和偵測，商業(yè)應用包括氣象探測、運動測量、速度測量、避免撞擊汽車的自動雷達和航空雷達。早期雷達使用磁控管的發(fā)射機，在第二次世界大戰(zhàn)得到了發(fā)展。后來，電子管型、放大器型的發(fā)射機相繼應用，如速調(diào)管(KPA)和行波管(TWT)。到1970年，固態(tài)發(fā)射機通過高效的高功率硅使雙極型晶體管第一次在雷達中應用?？展芾走_在航空交通中起控制作用。19

34、90年由Northrop Grumman公司開發(fā)的ASR-12固態(tài)雷達發(fā)射模塊電路是空氣冷卻式微帶功率模塊，它使用4個聯(lián)結(jié)硅鍺(SiGe)功率晶體管，頻帶覆蓋為2.72.9 GHz，雷達帶寬峰值功率為700 W。SiGe與硅BJT相比可以有更高的工作頻率和效率。在19801990年，高電子遷移率晶體管(HEMT)的發(fā)展為接收機前端提供了很好的低噪聲放大器。GaAs pHEMT可工作于100 GHz的頻帶范圍，硅BJT的工作頻帶也從3 GHz擴展到20 GHz左右。 1990年MA-COM推出了汽車防撞雷達收發(fā)模塊，其工作頻率為77 GHz，使用玻璃硅(GMIC)基板，并在基板上制作低損耗微帶傳

35、輸線、偏置電路(螺旋電感、電容和電阻)、環(huán)形橋、散熱和接地裝置。微波電路包括微帶線介質(zhì)諧振器振蕩器(DRO)、放大器、倍頻器、混頻器和PIN開關等。 考慮到體積限制和分辨特性的要求，導彈上的微波系統(tǒng)使用毫米波頻段較多，對MMIC的要求是低成本和精密封裝。 由Northrop Grumman公司在1990年生產(chǎn)的W波段彈載收發(fā)模塊內(nèi)徑為25.4 mm，厚度為6.35 mm，外接4個圓極化天線。模塊包括一個單脈沖比較器和兩個全MMIC接收機，每個MMIC接收機信道都有一個平衡低噪聲放大器、一個圖像增強抑制諧波混頻器和一個中頻放大器。基板采用石英、明礬和LTCC混合材料，選用InP MMIC低噪放大

36、器來改善噪聲特性； 放大器和混頻器選用GaAs pHEMT。 由Northrop Grumman公司在1990年為導彈應用制造的W波段1 W微型發(fā)射機的重量僅為68 g，最大尺寸是33.02 mm。發(fā)射機輸入端輸入Ku波段信號后，經(jīng)兩次倍頻、功率放大和功分后進入兩個8路輸出通道。每個8路輸出通道經(jīng)功率放大后，送入放射狀的功率合成器中，每兩個放射狀的合成器的輸出信號在一個T型波導中耦合。石英型LTCC介質(zhì)基板為集成電路提供直流通路且作為有源MMIC電路的控制信號。所有的MMIC均應用了GaAs pHEMT。 在固態(tài)相控陣雷達中，每一個單元都帶有自己的收發(fā)模塊(TR組件)。固態(tài)相控陣雷達有許多實際

37、應用，如ANSPY-1(神盾系統(tǒng))、愛國者系統(tǒng)、EAR系統(tǒng)、機載預警系統(tǒng)(AWACS)、多功能電子掃描自適應雷達系統(tǒng)(MESAR)、ANTPS-70、ANTPQ-37、PAVE PAWS、眼鏡蛇DANE、眼鏡蛇JUDY、F22和高空防衛(wèi)雷達等。 9.4.2微波及毫米波集成電路在電子對抗領域的應用微波及毫米波集成電路在電子對抗(ECM)領域也有廣泛的應用。無源ECM主要采用金屬碎箔、假目標或其他反射體來改變雷達回波模型。有源ECM使用人為干擾技術和欺詐技術，欺詐性ECM是有意圖地發(fā)射或重發(fā)具有一定幅度、頻率、相位的間歇或連續(xù)波信號來迷惑電子系統(tǒng)對信息的獲取和使用。20世紀80年代開發(fā)的寬帶ECM

38、多功能模塊使用微帶線、槽線和共面波導，完整的功能包括耦合、限幅、上變頻、下變頻、寬帶放大、幅度調(diào)制、整流、選通和穩(wěn)頻源等， 可工作在不同頻段，包括S、C、X和Ku波段。 9.4.3微波及毫米波集成電路在通信領域的應用MIC和MMIC在通信等商業(yè)領域中的應用非常廣泛。雙向無線電通信、尋呼、蜂窩電話、視距通信鏈路、衛(wèi)星通信、無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍牙、本地多點分布式系統(tǒng)(LMDS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)等系統(tǒng)的快速普及改變了人們的生活方式。 雙向無線電通信是一種便捷的通信方式。1941年，Motorola首先生產(chǎn)出商業(yè)的FM雙向無線電通信系統(tǒng)線路和設備。FM技術較AM技術在解決幅度恒定問題上有

39、了重大的改進。1955年，Motorola推出了Handie-Talkie袖珍無線尋呼機，選擇性地發(fā)送無線電信息給特定的用戶。尋呼機很快取代了醫(yī)院和工廠的公共通告系統(tǒng)。1962年，Motorola推出了全晶體管化的Handie-Talkie HT200便攜式雙向無線電通信系統(tǒng)。1983年，Motorola推出了第一代DynaTAC模擬蜂窩系統(tǒng)，在1985年開始商業(yè)運作。在20世紀90年代，數(shù)字技術引入了蜂窩無線通信(第二代)，為改善話音質(zhì)量的同樣帶寬提供了更多的無線信道，工作頻段為8001000 MHz和17501900 MHz，模擬和數(shù)字并存。數(shù)字模式包括全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、時分多址

40、(TDMA)和碼分多址(CDMA)。第三代蜂窩電話為Internet的接入提供了更高的數(shù)據(jù)率和嵌入式藍牙模塊，可以無線連接到計算機上。這些系統(tǒng)中使用了大量的MMIC電路。視距高塔通信鏈路從20世紀40年代起用于進行電話、圖像和數(shù)據(jù)在微波頻段的通信。C.Clarke在1945年首先提出了衛(wèi)星通信。由于語音、圖像和數(shù)據(jù)傳輸方面的全球需求飛速增長，衛(wèi)星通信在過去的30年中得到了迅猛的發(fā)展。固定衛(wèi)星服務(FSS)，如INTELSAT，為衛(wèi)星和很多較大的地球站之間提供通信。這些地球站通過陸地電纜連接起來，主要使用了S、C和Ku波段，也用到了2030 GHz。1965年發(fā)射的INTELSAT 提供240路話音信道。1989年之前發(fā)射了INTELSAT