《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種Ku頻段高密度集成的陶瓷SiP封裝R組件的設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
羅里
中國(guó)西南電子技術(shù)研究所
摘要： 針對(duì)機(jī)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)尺寸小、重量輕、可靠性強(qiáng)的需求，結(jié)合多層陶瓷轉(zhuǎn)接板布線(xiàn)靈活、重量輕的特點(diǎn)，BGA封裝I/O口多、體積小的優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于HTCC工藝SiP-BGA封裝架構(gòu)的2×4通道Ku頻段雙極化R組件的設(shè)計(jì)方法。利用電磁仿真軟件對(duì)組件中高密度射頻垂直過(guò)渡互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)了一款小型化薄膜功分器，以實(shí)現(xiàn)4通道接收信號(hào)的合成；此外，為確保組件的射頻性能及工程可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)整個(gè)組件的通道隔離度、散熱性進(jìn)行了仿真計(jì)算；最后研制出小型化、高集成度的2×4通道Ku頻段R組件，其體積為13 mm×12.5 mm×2.5 mm，重量小于4 g。組件電性能測(cè)試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果吻合良好，測(cè)試結(jié)果表明，該組件在10~12.8 GHz頻段內(nèi)合成增益大于23 dB，輸入P-1dB不小于-5 dBm。
關(guān)鍵詞： 有源相控陣 Ku頻段 SIP R組件
中圖分類(lèi)號(hào)：TN61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245164
中文引用格式： 羅里. 一種Ku頻段高密度集成的陶瓷SiP封裝R組件的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(8)：108-113.
英文引用格式： Luo Li. Design of a high density and high integration Ku-band R module based-on ceramic systems-in-package[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(8)：108-113.
Design of a high density and high integration Ku-band R module based-on ceramic systems-in-package
Luo Li
Southwest China Institute of Electronic Technology
Abstract： A small, lightweight and strong reliability of T/R module is strongly required for novel airborne satellite communication antennas. This paper proposes a design method for a 2×4 channel Ku-band dual-polarization R module based on a system in package with ball grid array (SIP-BGA) using high temperature cofired ceramic (HTCC) technology, which takes the advantages of the high circuit density and lightweight of multi-layer ceramics and the advantages of small size of BGA package that provides more I/O ports. Firstly, the high-density RF vertical interconnect structures are simulated and optimized by electromagnetic simulation software. Meanwhile, a miniaturized four-way power combiner based on thin film is designed. Channel isolation and heat dissipation of the entire component are then simulated to ensure both the RF performance and engineering feasibility of the component. Finally, a compact and highly integrated 2×4 channel Ku band R module, measuring 13 mm×12.5 mm×2.5 mm in volume and weighing less than 4 g, is successfully developed. Test results confirmed the good performance of the proposed circuit，the result demonstrates that the gain of R module exceeds 23 dB, and the input P-1dB is higher than -5 dBm within the frequency range of 10~12.8 GHz.
Key words : active phased array；Ku-band；systems in package；R module

引言

陶瓷SiP（System in Package）是一種集成電路封裝技術(shù)，它將一個(gè)或多個(gè)裸芯片及可能的無(wú)源元件構(gòu)成的高性能模塊集成在一個(gè)陶瓷基板上，并裝載在一個(gè)封裝外殼內(nèi)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能，是一種可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)芯片集成的半導(dǎo)體技術(shù)[1]。二維有源相控陣天線(xiàn)陣常見(jiàn)的集成結(jié)構(gòu)形式主要包括磚式和瓦式[2-4]，但隨著系統(tǒng)應(yīng)用要求的不斷提高以及封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，陶瓷SiP封裝技術(shù)及平板式集合安裝形式以其特殊的優(yōu)勢(shì)成為有源相控陣天線(xiàn)陣面選用構(gòu)架之一。近年來(lái)，陶瓷SiP T/R組件在低剖面衛(wèi)通天線(xiàn)中的應(yīng)用逐漸成為一個(gè)熱門(mén)研究方向。陶瓷SiP組件在低剖面衛(wèi)通天線(xiàn)中應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)包括：

（1）尺寸、重量以及集成度的優(yōu)化：陶瓷SIP組件具有尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。將射頻多功能芯片、濾波器、放大器等元件集成在多層陶瓷基板上，利用多層陶瓷基板走線(xiàn)靈活的特點(diǎn)，且高密度垂直過(guò)渡互聯(lián)技術(shù)可有效減少組件布線(xiàn)面積，有利于實(shí)現(xiàn)SIP整體尺寸的縮小和重量的減輕。此外，SIP 減少了母板布線(xiàn)的層數(shù)和復(fù)雜性，同時(shí)提高了母板的空間利用率[5-7]，從而可進(jìn)一步降低整機(jī)的尺寸和重量，提高天線(xiàn)的集成度和系統(tǒng)性能。

（2）陶瓷SIP組件具有優(yōu)良的高頻特性：通過(guò)優(yōu)化陶瓷基板的材料選擇和良好的電路匹配設(shè)計(jì)，可在高頻下實(shí)現(xiàn)低損耗的射頻信號(hào)傳輸，即SIP封裝可提供低功耗和低噪聲的系統(tǒng)級(jí)連接[1,4]，有利于提高天線(xiàn)的整體性能。

（3）陶瓷SIP組件具有優(yōu)異的可靠性，可以應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境條件。陶瓷材料具有良好的耐高溫、耐熱沖擊和耐腐蝕性能，可以滿(mǎn)足衛(wèi)通天線(xiàn)在極端工作環(huán)境下的要求，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

在衛(wèi)星通信天線(xiàn)領(lǐng)域，Ku頻段相控陣天線(xiàn)的接收鏈路和發(fā)射鏈路通常為全雙工連續(xù)波工作模式，收、發(fā)信號(hào)工作頻率相近，為保障收發(fā)鏈路通信質(zhì)量，在天線(xiàn)安裝位置面積足夠的情況下，相控陣收發(fā)天線(xiàn)通常采用分陣設(shè)計(jì)，以保證收發(fā)通道的隔離度要求。相應(yīng)地，相控陣天線(xiàn)的T組件和R組件也采用獨(dú)立設(shè)計(jì)。針對(duì)機(jī)載衛(wèi)星通信天線(xiàn)尺寸小、重量輕、性能高、可靠性強(qiáng)的需求，本文利用陶瓷SIP組件的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于HTCC(High Temperature Cofired Ceramic)工藝的SIP-BGA(Ball Grid Array)封裝架構(gòu)的Ku頻段雙極化接收組件。組件以多層陶瓷基板為載體，將接收鏈路功能芯片裝載在SIP封裝外殼內(nèi)。同時(shí)，組件利用底部焊接的BGA球作為電路的I/O端與天線(xiàn)母板互聯(lián)。BGA焊料球以陣列形式排布在組件陶瓷基板下方，不占用額外的組裝空間，因而在有效縮小封裝體尺寸的同時(shí)可有效提高器件的I/O口數(shù)。通常，在引線(xiàn)數(shù)相同的情況下，封裝體尺寸可減小30%以上[7]。此外，BGA陣列焊球能有效縮短信號(hào)的傳輸路徑,減小引線(xiàn)電感、電阻，從而提升電路射頻性能[7]。本文采用電磁仿真軟件對(duì)組件中的高密度垂直過(guò)渡互聯(lián)結(jié)構(gòu)、射頻信號(hào)功率合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高頻性能進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)加工了實(shí)物。文中給出了實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果，兩者指標(biāo)吻合較好。


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作者信息：

羅里

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）


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