基于三维封装结构的多功能相控阵TR芯片的制作方法

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片。

背景技术：

相控阵雷达是一种先进的雷达体制，以相控阵天线为基础，采用多种高技术的产物。60年代，为适应对人造卫星、洲际弹道导弹等外空目标的监视、跟踪和识别等需要，战略防御系统用的大型相控阵雷达才应运而生。由于大型相控阵雷达的研制费用极高，因此早期只有美、苏等国研制了几部实用雷达。

随着作为雷达观测对象的各种飞行器性能的提高，雷达目标环境的复杂化，为了从雷达回波中提取更多信息和提高雷达的生产能力，对雷达的战术性能提出了越来越高的要求，例如，要求雷达具有高精度、高数据率、抗干扰、目标识别、多功能以及多种自适应能力等，与此同时，随着技术的进步，特别是微电子技术，固态功率器件和阵列信号处理技术的飞速发展，相控阵技术已从大型相控阵雷达逐步推广应用于各种战术雷达和民用雷达之中。

相控阵雷达的天线阵面由大量个别控制的小型天线单元排列而成，单元数目与雷达的功能相关，一般从几百个到几万个，这些天线单元有规则的排列在平面上，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描，故称之为电扫描。天线单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量。每个天线单元除了有天线辐射阵子之外，还有放大器、移相器、衰减器、开关等器件。不同阵子通过移相器可以被馈入不同相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束。天线的单元数目越多，则波束在空间可形成的波束越多。这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名。

相控阵雷达设计的重点和难点在于t/r组件。目前业界t/r组件的设计和制造通常采用混合集成技术，即通过微组装工艺将数十款单功能微波芯片(放大器、开关、移相器、衰减器、限幅器、驱动器等芯片)集成在一块电路板或微波腔体中，这种技术虽然比较成熟，但是其固有的缺点严重制约了相控阵雷达技术的发展。其固有的缺点包括以下几个方面：

1、体积大。传统的t/r组件中需要大量的芯片，大量的微带传输线、芯片载板、电容电阻、金属隔腔等，导致其体积很难做的很小，考虑到相控阵雷达包含成千上万个t/r组件，若采用传统的t/r组件技术制作，相控阵雷达的体积和重量会非常大，这会严重影响设备的便携性和使用方便性。

2、成本高。传统的t/r组件技术需要大量的微波芯片、大量的微带传输线、芯片载板、电容、电阻和金属隔腔，再加上人工调试和微组装，成本十分高昂。

3、一致性差。相控阵雷达对每个t/r组件的性能一致性具有着非常严格的要求。在微波毫米波频段、传统的t/r组件的幅度、相位、移相精度、衰减精度等性能指标受芯片级联、金丝、传输线长度、微组装配工艺的影响严重，性能的一致性较差，严重影响了相控阵雷达的性能。

4、可靠性差。传统t/r组件有大量的微带传输线、芯片载板、电容电阻、金属隔腔、金丝等，雷达在使用过程中任何一部分出问题都会导致该t/r通道性能恶化。

5、需要大量的调试工作。由于传统t/r组件的性能一致性很难保证，装配完成后很难满足相控阵系统的一致性要求，所以需要工程师对t/r组件进行大量的调试工作，需要投入大量的时间和精力，严重影响了相控阵雷达的生产效率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片，芯片射频部分采用高性能砷化镓芯片，包括四个一样的单通道，分别为第一通道ch1、第二通道ch2、第三通道ch3和第四通道ch4，四个单通道分别与一分四功分器四个端口相连，每个通道包括6位数控衰减器att、6为数控移相器phs、低噪声放大器lna、驱动放大器drv1、驱动放大器drv2、功率放大器pa、单刀三掷开关sp3t、限幅器limiter；芯片逻辑控制用cmos芯片做成多功能芯片的控制电路，将cmos芯片与砷化镓多功能芯片倒装，形成一体化三维封装结构。

优选地，所述多功能相控阵tr芯片上共有27个外置焊盘，其中包含9个射频焊盘，9个射频焊盘分别为接收发射公共端口com、第一通道输出端口tx1、第一通道输入端口rx1，第二通道输出端口tx2、第二通道输入端口rx2，第三通道输出端口tx3、第三通道输入端口rx3，第四通道输出端口tx4、第四通道输入端口rx4，其余18个焊盘包括串行数据输入端口din，串行数据输出端口dout，输出使能端口oe，串并转换电路时钟信号输入端口clk，低电平串行数据有效，高电平串并转换后数据并入缓存区端口den，串并转换电路数据锁存信号输入端ld，功能寄存器串行数据输入端口fin，功能寄存器数据有效端口fen，三级寄存器锁存信号端口set，内部逻辑组合产生接收电源调制端口tr1，内部逻辑组合产生发射电源调制端口tr2，tr组件工作有效，用于内部逻辑组合端口en，发射电源调制输出端口tx，接收电源调制输出端口rx，衰减控制输出端口att，相位控制输出端口phs，开关信号输出端口sw1，开关信号输出端口sw2。

优选地，第一通道ch1的接收射频信号输入端rx1接限幅器limiter输入端，限幅器limiter、lna、6位数控衰减器att、驱动放大器drv1依次连接，drv1的输出端接单刀三掷开关sp3t的一端，单刀三掷开关另一端接驱动放大器drv2，drv2输出端接功率放大器pa，pa的输出端接发射射频信号输出端tx1，单刀三掷开关的第三端子通过50ω电阻接地，单刀三掷开关公共端接6位数控移相器phs，phs的一端接一分四功分器的端口。

优选地，所述6位数控移相器的移相步进为5.625°，相位调制范围为0°～360°。

优选地，所述限幅器处在接收通道最前端，用于限制接收到的射频信号的幅度，若接收到的信号较小，限幅器表现出一个较小插损的器件，若接收到信号较大，限幅器限制接收射频信号的幅度，防止接收到的射频信号过大，损坏接收链路。

优选地，所述6位数控衰减器att用于对输入射频号进行幅度调制，衰减步进为0.5db，衰减范围为0.5db～31.5db。

优选地，所述单刀三掷开关sp3t用于实现接收通道和发射通道的相互切换，当该支路不需要时可将sp3t切换到负载态。

相对于传统的t/r组件设计和制造技术，本发明提出的基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片具有以下几点明显优势：

1、体积小。本发明基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片，该芯片包含四个通道，将射频所需多种芯片集成在一个芯片上，尺寸小，将所有控制采用cmos芯片，将cmos芯片和砷化镓射频芯片倒装形成一体化三维封装结构实现多功能芯片性能。采用本发明仅需要配备混频器、滤波器等几个芯片就可实现原本需要数十款芯片才能实现的功能，大幅度的减少了芯片、微带线、腔体、电容电阻等器件的使用，进一步减小了t/r组件的体积和重量。

2、成本低。芯片的成本与芯片的面积是成正比的，相对于传统的t/r组件使用的单功能芯片，本发明基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片的尺寸小，同时将数字采用cmos芯片制作，成本低、功耗低。

3、一致性好。本发明四个单通道芯片一致，其一致性取决于半导体加工的一致性，受外部影响较小，且在筛片时就可发现一致性不好的次品，避免安装调试，浪费人力物力，相对于传统t/r组件，本发明具有明显优势。

4、可靠性高。本发明由于将四个通道集成，每个通道包含多种芯片，因此减少了载板、金丝、隔腔和微带线的使用，出故障的可能性减小。

5、调试简单。由于本发明基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片射频部分是在同一个半导体晶圆上制作，一致性好，和cmos芯片倒装完成后即可控制，不需要再人为调试各模块的性能，可以大幅度的减少调试时间，提高t/r组件的生产效率。

附图说明

图1为本发明一种基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片结构示意图；

图2为本发明一种基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片成品示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图来详细说明本发明的具体实施方式，如图1所示一种基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片结构图，射频芯片包括四个一样的单通道，分别为第一通道ch1、第二通道ch2、第三通道ch3和第四通道ch4，四个单通道分别与一分四功分器四个端口相连，每个通道包括6位数控衰减器att、6为数控移相器phs、低噪声放大器lna、驱动放大器drv1、驱动放大器drv2、功率放大器pa、单刀三掷开关sp3t、限幅器limiter。芯片逻辑控制线多，为了降低芯片功耗，减小芯片面积，用cmos芯片做成多功能芯片的控制电路，cmos芯片包括tr电源调制、栅极驱动、负压保护和串并转换等功能，可通过串行总线配置。将cmos芯片与多功能芯片倒装，形成一体化三维封装结构。

进一步的，多功能相控阵tr芯片共有27个外置焊盘，其中包含9个射频焊盘，9个射频焊盘分别为接收发射公共端口com、第一通道输出端口tx1、第一通道输入端口rx1，第二通道输出端口tx2、第二通道输入端口rx2，第三通道输出端口tx3、第三通道输入端口rx3，第四通道输出端口tx4、第四通道输入端口rx4，其余18个焊盘包括串行数据输入端口din，串行数据输出端口din，输出使能端口oe，串并转换电路时钟信号输入端口clk，低电平串行数据有效，高电平串并转换后数据并入缓存区端口den，串并转换电路数据锁存信号输入端ld，功能寄存器串行数据输入端口fin，功能寄存器数据有效端口fen，三级寄存器锁存信号端口set，内部逻辑组合产生接收电源调制端口tr1，内部逻辑组合产生发射电源调制端口tr2，tr组件工作有效，用于内部逻辑组合端口en，发射电源调制输出端口tx，接收电源调制输出端口rx，衰减控制输出端口att，相位控制输出端口phs，开关信号输出端口sw1，开关信号输出端口sw2。

进一步地，多功能芯片为四个相同收发通道连接至一分四功分器。这里仅以ch1进行描述，接收射频信号输入端rx1接限幅器limiter输入端，限幅器limiter、lna、6位数控衰减器att、驱动放大器drv1依次连接，drv1的输出端接单刀三掷开关sp3t的一端，单刀三掷开关另一端接驱动放大器drv2，drv2输出端接功率放大器pa，pa的输出端接发射射频信号输出端tx1；单刀三掷开关的第三端子通过50ω电阻接地；单刀三掷开关公共端节6位数控移相器phs，phs的一端接一分四功分器的端口。

进一步地，限幅器用于限制接收到的射频信号的幅度，若接收到的信号较小，限幅器会表现出一个较小插损的器件，若接收到信号较大，限幅器会限制接收射频信号的幅度，防止接收到的射频信号过大，损坏接收链路。由于限幅器处在接收通道最前端，故限幅器小信号插损要尽可能的小，从而降低系统的噪声系数。低噪声放大器lna用于对接收到的射频信号进行低噪声放大，在放大射频信号的同时将噪声系数降至最低，低噪声放大器的噪声对整个系统的噪声至关重要，因此低噪声放大器需要有较高增益的同时尽可能的降低噪声系数。衰减器att能够对输入射频号进行幅度调制，6位数控衰减器的衰减步进为0.5db，衰减范围为0.5db～31.5db。驱动放大器drv1用于对输入射频信号进行一定的放大，由于接收链路中存在移相器phs、衰减器att、开关等器件，导致链路插损较大，所以需要驱动放大器drv1来保证接收通道具有一定的增益。单刀三掷开关sp3t负责实现接收通道和发射通道的相互切换，当该支路不需要时可将sp3t切换到负载态，保证该支路不对其他支路产生影响。6位数控移相器phs为发射通道和接收通道的共用器件，能够对接收和发射的射频信号进行相位调制，6位数控移相器移相步进为5.625°，相位调制范围为0°～360°。驱动放大器drv2为功率放大器pa提供一定的输入功率，保证功率放大器pa能够将发射射频信号放大到所需射频信号。功率放大器pa为发射支路最后一级，要保证该放大器的输出功率和效率尽可能的高，输出功率高，电磁波才能传的更远，效率高可以保证直流功率尽可能的转换成射频功率。一分四功分器divider为接收通道和发射通道的共用器件，当工作在发射态时，功分器可以将com端输入信号等幅同相的分成四份进入移相器phs，当工作在接收态时，可以将四个接收通道接收到的射频信号合成一路信号。

本发明中如果通道增益有要求可以增加可减少放大器的数量，如果芯片面积有要求可以直接采用单个收发通道即可，本发明发射端口和接收端口分开，也可采用单刀双掷开关进行切换。

图2为cmos控制芯片02倒装在砷化镓芯片01上的成品图，尺寸小功耗低。本领域技术人员可以理解的是，本发明不限于砷化镓芯片和cmos芯片的倒装，任何三五族芯片和硅基芯片皆可倒装。

通过本发明实施例实现的基于三维封装结构的多功能相控阵tr芯片，具有体积小，成本低，一致性好，可靠性高和调试简单的优点。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。