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一种Ku频段高密度集成的陶瓷SiP封装R组件的设计

电子技术应用

罗里

中国西南电子技术研究所

摘要： 针对机载卫星通信天线尺寸小、重量轻、可靠性强的需求，结合多层陶瓷转接板布线灵活、重量轻的特点，BGA封装I/O口多、体积小的优势，提出了一种基于HTCC工艺SiP-BGA封装架构的2×4通道Ku频段双极化R组件的设计方法。利用电磁仿真软件对组件中高密度射频垂直过渡互联结构进行了仿真设计，同时设计了一款小型化薄膜功分器，以实现4通道接收信号的合成；此外，为确保组件的射频性能及工程可实现性，对整个组件的通道隔离度、散热性进行了仿真计算；最后研制出小型化、高集成度的2×4通道Ku频段R组件，其体积为13 mm×12.5 mm×2.5 mm，重量小于4 g。组件电性能测试结果与仿真设计结果吻合良好，测试结果表明，该组件在10~12.8 GHz频段内合成增益大于23 dB，输入P-1dB不小于-5 dBm。

關鍵詞： 有源相控阵 Ku频段 SIP R组件

中圖分類號：TN61 文獻標志碼：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組件的設計[J]. 電子技術應用，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，它將一個或多個裸芯片及可能的無源元件構成的高性能模塊集成在一個陶瓷基板上，并裝載在一個封裝外殼內(nèi)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，是一種可實現(xiàn)系統(tǒng)級芯片集成的半導體技術[1]。二維有源相控陣天線陣常見的集成結構形式主要包括磚式和瓦式[2-4]，但隨著系統(tǒng)應用要求的不斷提高以及封裝技術的不斷發(fā)展，陶瓷SiP封裝技術及平板式集合安裝形式以其特殊的優(yōu)勢成為有源相控陣天線陣面選用構架之一。近年來，陶瓷SiP T/R組件在低剖面衛(wèi)通天線中的應用逐漸成為一個熱門研究方向。陶瓷SiP組件在低剖面衛(wèi)通天線中應用的主要優(yōu)勢包括：

（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。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靈活的特點，且高密度垂直過渡互聯(lián)技術可有效減少組件布線面積，有利于實現(xiàn)SIP整體尺寸的縮小和重量的減輕。此外，SIP 減少了母板布線的層數(shù)和復雜性，同時提高了母板的空間利用率[5-7]，從而可進一步降低整機的尺寸和重量，提高天線的集成度和系統(tǒng)性能。

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

（3）陶瓷SIP組件具有優(yōu)異的可靠性，可以應對惡劣的環(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，可以滿足衛(wèi)通天線在極端工作環(huán)境下的要求，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

在衛(wèi)星通信天線領域，Ku頻段相控陣天線的接收鏈路和發(fā)射鏈路通常為全雙工連續(xù)波工作模式，收、發(fā)信號工作頻率相近，為保障收發(fā)鏈路通信質量，在天線安裝位置面積足夠的情況下，相控陣收發(fā)天線通常采用分陣設計，以保證收發(fā)通道的隔離度要求。相應地，相控陣天線的T組件和R組件也采用獨立設計。針對機載衛(wèi)星通信天線尺寸小、重量輕、性能高、可靠性強的需求，本文利用陶瓷SIP組件的優(yōu)勢，設計了一種基于HTCC(High Temperature Cofired Ceramic)工藝的SIP-BGA(Ball Grid Array)封裝架構的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，組件利用底部焊接的BGA球作為電路的I/O端與天線母板互聯(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可有效提高器件的I/O口數(shù)。通常，在引線數(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的傳輸路徑,減小引線電感、電阻，從而提升電路射頻性能[7]。本文采用電磁仿真軟件對組件中的高密度垂直過渡互聯(lián)結構、射頻信號功率合成網(wǎng)絡結構的高頻性能進行了仿真優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結果設計加工了實物。文中給出了實測結果與仿真結果，兩者指標吻合較好。

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作者信息：

羅里

（中國西南電子技術研究所，四川成都 610036）

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