《電子技術應用》
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基于扇出型晶圆级封装的X波段异构集成T/R模组研制
电子技术应用
张翔宇,张帅,赵宇,吴洪江
中国电子科技集团公司第十三研究所
摘要: 基于扇出型晶圆级封装(FOWLP)技术,设计并制造了一款X波段四通道收发模组。模组异构集成了CMOS和GaAs两种工艺的芯片,可实现接收射频信号的低噪声放大、幅相控制及功率放大输出等功能。模组内部通过重布线层实现芯片间的互联以及扇出,与印制电路板通过球栅阵列实现垂直连接,模组最终体积仅为12.8 mm×10.4 mm×0.5 mm。模组经测试,结果为接收增益≥27 dB,噪声系数≤4 dB,发射增益≥26.7 dB,饱和输出功率≥24 dBm,四位数控衰减精度RMS≤1 dB,六位数控移相精度RMS≤6°,符合设计预期,在高密度树脂基封装的基础上整合了两种材质芯片的特性,实现了优异的性能。
中圖分類號:TN454 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257153
中文引用格式: 張翔宇,張帥,趙宇,等. 基于扇出型晶圓級封裝的X波段異構集成T/R模組研制[J]. 電子技術應用,2026,52(2):15-23.
英文引用格式: Zhang Xiangyu,Zhang Shuai,Zhao Yu,et al. Design of X-band heterogeneous integrated T/R module based on fan-out wafer-level packaging[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(2):15-23.
Design of X-band heterogeneous integrated T/R module based on fan-out wafer-level packaging
Zhang Xiangyu,Zhang Shuai,Zhao Yu,Wu Hongjiang
The 13th Research Institute of China Electronics Technology
Abstract: Based on Fan-Out Wafer-Level Packaging (FOWLP) technology, a compact X-band quad-channel transceiver module was designed and fabricated. This module heterogeneously integrates chips manufactured using Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) and Gallium Arsenide (GaAs) processes, enabling functionalities such as low-noise amplification, amplitude-phase control, and power amplification output for received RF signals. Within the module, interconnections and fan-out among chips are achieved through redistribution layers (RDL), while vertical connections to the printed circuit board (PCB) are realized via ball grid arrays (BGA). The final module dimensions are a mere 12.8 mm × 10.4 mm × 0.5 mm. Test results indicate that the module achieves a reception gain ≥27 dB, noise figure≤4 dB, transmission gain≥26.7 dB, and saturated output power ≥24 dBm. Furthermore, the RMS accuracy of the 4-bit digital attenuation≤1 dB, and the RMS accuracy of the 6-bit digital phase shifter≤6°, all meeting design expectations. By consolidating the characteristics of two distinct material chips on a high-density resin-based packaging platform, this module demonstrates superior performance.
Key words : wafer-level packaging;T/R microsystems;system-in-package;redistribution layer;advanced packaging technology;miniaturization

引言

T/R模組是相控陣系統的重要組成部分,其性能在很大程度上決定了相控陣系統整體的性能。當前相控陣中的T/R模組技術主要發展方向為高性能、小體積、輕質量和低成本[1]。隨著電子信息技術不斷發展,越來越多的電子設備終端采用了相控陣體制,作為相控陣系統中的關鍵器件,T/R模組通常集成了功率放大器、低噪聲放大器、限幅器、數控移相器、數控衰減器等電路功能[2]。系統級封裝(System in Package, SiP)是指將多種集成多種有源結構和無源結構集成在一個封裝體內,能使產品在高集成密度的條件下保持優異性能。 T/R模組在相控陣系統中通常是許多子陣單元以陣列形式組合工作,所以其尺寸、功耗和增益等指標對整個系統的影響十分明顯,因此系統級封裝技術在T/R微系統領域應用優勢明顯。SiP具有小型化、高集成、低成本等諸多優勢。隨著電子信息技術的持續進步,對T/R模組SiP的性能要求將越來越高[3]。

目前,應用在T/R微系統主流的SiP封裝方式主要有陶瓷基管殼封裝[4-5]和三維硅基異構集成[6-7],兩種封裝方式的加工工藝都需要經過芯片粘結、引線鍵合等微組裝工藝將芯片裝配在封裝腔體中,再通過植球工序實現電信號傳輸結構,因此具有加工流程多、周期長、不利于進一步降低成本的不足。扇出型晶圓級封裝(Fan-Out Wafer-Level Packaging,FOWLP)是一種先進半導體封裝技術,可基于樹脂基實現SiP方案,在重構晶圓上通過刻蝕、電鍍等半導體工藝完成封裝過程,其優勢在于通過重布線層(Re-distributed Layer, RDL)替代了傳統引線鍵合實現電信號的互聯和傳輸,采用聚酰亞胺(Polyimide, PI)實現層間的隔離,能夠縮短傳輸路徑,減小傳輸損耗、提高集成密度,進而可在更小體積和更低成本的條件下實現優異的性能[8-9]。目前FOWLP技術廣泛應用于消費電子產品處理器芯片、人工智能芯片等領域[10-12],但應用在T/R微系統領域還鮮有報道。

本文基于FOWLP技術,設計了一款X波段四通道T/R模組。本次設計在塑封模組中集成了互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)和砷化鎵兩種工藝結構的芯片,整合發揮了CMOS芯片可實現高密度數字集成的特點,砷化鎵高增益、低噪聲的射頻性能優勢,以及FOWLP集成密度高、模組體積小的優點,信號的輸入輸出通過BGA植球實現。經測試驗證,本次設計研制了一款高性能、低成本的四通道T/R模組,為今后FOWLP技術在T/R微系統領域的進一步應用提供了設計參考。


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作者信息:

張翔宇,張帥,趙宇,吳洪江

(中國電子科技集團公司第十三研究所, 河北 石家莊 050000)

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