硅基三維立體集成接收前端的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是三維立體接收前端，包括上層集成輻射單元的MEMS天線，中層具有微屏蔽結構的MEMS濾波器，下層實現(xiàn)接收通道功能及性能的硅基轉接板；上、中、下三層通過TSV技術實現(xiàn)信號互連。本發(fā)明優(yōu)點：1）采用MEMS加工工藝，可實現(xiàn)天線和濾波器小型化；2）采用MEMS加工工藝，可與傳統(tǒng)集成電路工藝集成兼容；3）采用高阻硅基基板結構，內部可集成無源元件，實現(xiàn)多種功能，集成度高；4）所用濾波器采用微電子工藝加工克服傳統(tǒng)濾波器由于加工精度導致的頻飄問題；5）所用天線、濾波器、接收通道通過TSV技術實現(xiàn)垂直互連，減小體積；6）實現(xiàn)40GHz以內的硅基立體接收前端，微波性能優(yōu)良，實現(xiàn)接收前端的小型化和低成本化。
【專利說明】
硅基三維立體集成接收前端
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種涉及微波、毫米波頻段的硅基三維立體接收前端，屬于微波、微電子、MEMS交叉技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代通信及雷達系統(tǒng)技術發(fā)展，系統(tǒng)中需要大量高可靠性、小型化、低成本的集成模塊。三維立體集成技術為電子產品性能的提高、功能的豐富與完善、成本的降低創(chuàng)造了有利條件，所謂三維立體集成是指通過采用三維(X，Y, z方向)結構形式對各類芯片進行立體結構的三維集成技術，該技術借助三維疊層技術制作，系統(tǒng)之間溝通的電氣及散熱管道均采用縱向垂直布局。一直以來，數(shù)字電路尤其是大容量存儲領域在三維立體集成領域得到了長足發(fā)展，為人們展示了三維立體集成在性能和體積上的巨大優(yōu)勢，但是在微波毫米波領域，由于三維垂直傳輸帶來的性能惡化，尚在進行前沿性研究。本發(fā)明主要利用MEMS工藝研究TSV作為微波傳輸?shù)年P鍵技術，實現(xiàn)微波通道、天線以及濾波器的立體集成，減小射頻前端的體積。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種新型基于MEMS工藝技術的三維立體接收前端的設計方法，不僅工作頻率較高，性能優(yōu)異，同時該接收前端體積小，厚度薄，可集成多種無源器件。
[0004]本發(fā)明的技術解決方案:三維立體接收前端，其結構包括集成輻射單元的MEMS天線I，具有微屏蔽結構的MEMS濾波器2，實現(xiàn)接收通道功能及性能的硅基轉接板3;
所述MEMS天線I包含輻射單元貼片，貼片表面金屬采用銅(Cu)材料，通過TSV過孔對輻射單元進行激勵，貼片單元底部娃基材料通過MEMS工藝挖腔處理；
所述的具有微屏蔽結構的MEMS濾波器2包括上下兩層襯底，通過鍵合工藝形成一體，下層襯底包含耦合線諧振器和傳輸結構，上層襯底對濾波器形成密閉；
所述的硅基轉接板3至少包括三層金屬布線，金屬采用銅(Cu)材料，硅基表面使用多層低介電常數(shù)的介質材料進行金屬層之間的隔離和表面鈍化保護，基板表面利用多層技術設計模塊所需的各類無源元件，轉接板表面采用微組裝工藝安裝實現(xiàn)接收功能的MMIC;硅基轉接板底部通過TSV將信號引入模塊底部，形成模塊射頻及低頻接口。
[0005]接收前端上層為背腔式MEMS天線，采用硅基材料進行制作，頂部為輻射單元，天線背面通過腐蝕方法設計腔體，用于拓寬天線帶寬，提高天線增益。
中層為微屏蔽式MEMS濾波器，該濾波器由上下兩層襯底組成，利用深刻蝕通孔技術、三維金屬互連技術、DRIE(深反應離子刻蝕)和各種鍵合工藝實現(xiàn)濾波器所需微腔體，減小了傳統(tǒng)的傳輸線型微波濾波器的尺寸，且易于和傳統(tǒng)IC(集成電路)工藝集成。
[0006]底層為硅基轉接板，基板采用高阻硅作為襯底，硅基表面使用多層低介電常數(shù)的介質材料進行金屬層之間的隔離和表面鈍化保護，基板表面利用多層技術設計組件所需的各類無源元件如功分器、電阻、電容、濾波器，微波、數(shù)字芯片等各類分立元件采用微組裝的方法進行安裝，實現(xiàn)接收通道性能。
[0007]上、中、下三層通過TSV技術完成微波信號三維互連，通過三維互連實現(xiàn)接收前端的立體構成，大大減小模塊體積。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為:
1)采用MEMS加工工藝，可實現(xiàn)天線和濾波器小型化；
2)采用MEMS加工工藝，可與傳統(tǒng)集成電路工藝集成兼容；
3)采用高阻硅基基板結構，內部可集成無源元件，實現(xiàn)多種功能，集成度高；
4)所用濾波器采用微電子工藝加工克服傳統(tǒng)濾波器由于加工精度導致的頻飄問題；
5)所用天線、濾波器、接收通道通過TSV技術實現(xiàn)垂直互連，大大減小體積。
【附圖說明】
[0009]圖1是三維立體接收前端的結構示意圖(實施例)。
[0010]圖2是三維立體接收前端的原理圖。
[0011]圖中的101為MEMS天線貼片，102為天線基板背腔，103為濾波器上層襯底，104為濾波器下層襯底，105-1為天線與濾波器三維傳輸互連的TSV，105-2為濾波器與硅基轉接板三維傳輸互連的TSV，105-3為硅基轉接板與外部三維傳輸互連的TSV，106為實現(xiàn)接收功能的MMIC。
【具體實施方式】
[0012]對照附圖，三維立體接收前端，其特征在于:包括集成輻射單元的MEMS天線I，具有微屏蔽結構的MEMS濾波器2，實現(xiàn)接收通道功能及性能的硅基轉接板3;
所述MEMS天線I包含輻射單元貼片，貼片表面金屬采用銅(Cu)材料，通過TSV過孔對輻射單元進行激勵，貼片單元底部娃基材料通過MEMS工藝挖腔處理；
所述具有微屏蔽結構的MEMS濾波器2包括上下兩層襯底，通過鍵合工藝形成一體，下層襯底包含耦合線諧振器和傳輸結構，上層襯底對濾波器形成密閉；
所述硅基轉接板3至少包括三層金屬布線，金屬采用銅(Cu)材料，硅基表面使用多層低介電常數(shù)的介質材料進行金屬層之間的隔離和表面鈍化保護，基板表面利用多層技術設計模塊所需的各類無源元件，轉接板表面采用微組裝工藝安裝實現(xiàn)接收功能的MMIC;
硅基轉接板底部通過TSV將信號引入模塊底部，形成模塊射頻及低頻接口，MEMS天線I設在上層，具有微屏蔽結構的MEMS濾波器2設在中層，實現(xiàn)接收通道功能及性能的硅基轉接板3設在下層，上、中、下三層通過TSV技術實現(xiàn)信號互連。
[0013]所述硅基基板表面采用微組裝方式將各類微波單片集成電路、數(shù)字集成電路安裝到硅基表面，從而具備完整接收前端功能。
[0014]所述利用MEMS工藝，將天線、接收通道、濾波器在Z軸方向進行堆疊，改變平面式組件設計方法，減小體積。
[0015]利用MEMS技術實現(xiàn)各類有源無源器件的立體集成，減小體積。
[0016]TSV通孔不僅傳輸?shù)皖l信號，也進行微波信號傳輸，具有頻率特性。
[0017]采用MEMS工藝集成天線。
[0018]采用MEMS工藝構成濾波器，具有良好的電磁兼容性。
[0019]對照圖2，硅基天線對射頻信號進行選擇，同時對不需要的頻率起到一定的濾波作用；BPFl對天線進來的頻率進行選擇，抑制過強的干擾信號，對低噪放有一定的保護作用，同時抑制鏡像頻率，提高接收機的輸出信噪比；LNA對選擇后的信號進行放大，保證接收機的噪聲系數(shù)和接收靈敏度;混頻器則起到提供射頻和中頻頻率組合作用，BPF2抑制諧波，選擇輸出中頻，經過放大進入下一級信號處理。
實施例
[0020]三維立體集成接收前端，其結構包括上層MEMS天線，該天線包含輻射單元貼片101，輻射單元貼片背面的背腔102，連接上中兩層的TSV過孔105-1。
[0021]中層結構包括濾波器上層襯底103，濾波器下層襯底104上下兩層襯底，濾波器上層襯底103包括采用深刻蝕通孔技術、三維金屬互連技術、DRIE(深反應離子刻蝕)設計制作的微腔體，通過鍵合技術將濾波器下層襯底104層鍵合到濾波器上層襯底103層表面，實現(xiàn)濾波器的微屏蔽。濾波器與硅基轉接板三維傳輸互連的TSV 105-2為連接中層與下層之間的TSV過孔。
[0022]下層結構包括實現(xiàn)接收功能的MMIC106和硅基轉接板與外部三維傳輸互連的TSV105-3以及底部的硅基轉接板，MMIC 106為具備各項功能的MMIC和數(shù)字芯片，用于實現(xiàn)接收通道各類功能，外部三維傳輸互連的TSV 105-3為連接下層基板與外界接口的TSV過孔，用于實現(xiàn)各類微波及數(shù)字接口。
【主權項】
1.三維立體接收前端，其特征在于:包括集成輻射單元的MEMS天線(I)，具有微屏蔽結構的MEMS濾波器(2)，實現(xiàn)接收通道功能及性能的硅基轉接板(3); 所述MEMS天線(I)包含輻射單元貼片，貼片表面金屬采用銅(Cu)材料，通過TSV過孔對福射單元進行激勵，貼片單元底部娃基材料通過MEMS工藝挖腔處理； 所述具有微屏蔽結構的MEMS濾波器(2)包括上下兩層襯底，通過鍵合工藝形成一體，下層襯底包含耦合線諧振器和傳輸結構，上層襯底對濾波器形成密閉； 所述硅基轉接板(3)至少包括三層金屬布線，金屬采用銅(Cu)材料，硅基表面使用多層低介電常數(shù)的介質材料進行金屬層之間的隔離和表面鈍化保護，基板表面利用多層技術設計模塊所需的各類無源元件，轉接板表面采用微組裝工藝安裝實現(xiàn)接收功能的MMIC; 硅基轉接板底部通過TSV將信號引入模塊底部，形成模塊射頻及低頻接口，MEMS天線(I)設在上層，具有微屏蔽結構的MEMS濾波器(2)設在中層，實現(xiàn)接收通道功能及性能的硅基轉接板(3)設在下層，上、中、下三層通過TSV技術實現(xiàn)信號互連。2.根據(jù)權利要求1所述三維立體接收前端，其特征在于:硅基基板表面采用微組裝方式將各類微波單片集成電路、數(shù)字集成電路安裝到硅基表面，從而具備完整接收前端功能。3.根據(jù)權利要求1所述三維立體接收前端，其特征在于:利用MEMS工藝，將天線、接收通道、濾波器在Z軸方向進行堆疊，改變平面式組件設計方法，減小體積。
【文檔編號】H04B1/16GK105846841SQ201610159644
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】周駿, 郁元衛(wèi), 沈國策
【申請人】中國電子科技集團公司第五十五研究所