我們來詳細介紹一下單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)。
"什么是MMIC？"
單片微波集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC）是一種將微波（通常指頻率從幾百MHz到幾十GHz）或毫米波（>30GHz）功能的電子元器件（如晶體管、電阻、電容、傳輸線等）以及可能的數(shù)字邏輯電路，通過半導(dǎo)體工藝（主要是單片集成工藝，如GaAs、InP、SiGe等）制作在一塊單一的半導(dǎo)體襯底（晶圓）上的集成電路。
"核心特點："
1. "單片集成 (Monolithic Integration):" 所有有源和無源元件以及它們之間的互連都制作在同一塊半導(dǎo)體材料上，形成一個整體。 2. "微波/毫米波頻率工作 (Microwave/Millimeter-Wave Operation):" 主要設(shè)計用于高頻段，頻率范圍通常在幾百MHz到幾十GHz，甚至更高。 3. "高性能 (High Performance):" 相較于傳統(tǒng)的分立元件或混合集成電路，MMIC在微波頻段通常能提供更高的性能，例如： "低噪聲系數(shù) (Low Noise Figure, NF):" 對于接收機前端至關(guān)重要。 "高增益 (High Gain):" 對于放大器、混頻器等是關(guān)鍵指標(biāo)。 "高功率 (High Power):" 對于發(fā)射機末級或相控陣天線驅(qū)動器。 "寬帶寬

相關(guān)內(nèi)容：

通常的單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)如圖1.1所示，我們將向讀者講解單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)的實用指南以及設(shè)計技巧和經(jīng)驗法則，可以在第一時間正確滿足系統(tǒng)規(guī)格要求。我們將首先向工程師介紹MMIC的基本技術(shù)，并概述它們優(yōu)于其他組件的優(yōu)勢;第二，我們將為設(shè)計工程師提供各種組件的基礎(chǔ)信息和設(shè)計方法，使工程師能夠根據(jù)需求規(guī)格立即開始設(shè)計;第三，我們將幫助讀者深入了解MMIC獨有的布局，工藝和測試約束;最后，我們將會讓技術(shù)人員，項目管理人員和生產(chǎn)經(jīng)理更多地了解與使用MMIC相關(guān)的代工實踐和經(jīng)濟學(xué)原理。

1.1 MMIC簡介

首字母縮略詞MMIC代表單片微波集成電路。單片（來自希臘語）的意思是“作為一塊石頭”，并描述了MMIC的基本特征（即，它們是由單片半導(dǎo)體材料制成的）。微波這個詞指的是使用它們的交流信號頻率范圍，它覆蓋1毫米到1米的自由空間波長，對應(yīng)于300 MHz到300 GHz的頻率范圍。術(shù)語集成電路（IC）表示半導(dǎo)體材料不包含單個二極管或晶體管，但由有源器件（如晶體管）和無源器件（如電容器和電阻器）的電子電路及其所有互連組成的，并構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)。

MMIC用于大多數(shù)涉及發(fā)送和接收微波信號的應(yīng)用，范圍從低至千兆赫（GHz）的蜂窩移動電話，無線局域網(wǎng)（WLAN）和全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器到地球觀測輻射計和安全掃描儀等應(yīng)用所使用數(shù)百千兆赫結(jié)束。它們在光纖，衛(wèi)星通信和點對點鏈路中應(yīng)用于通信行業(yè);汽車行業(yè)內(nèi)的識別，道路交通信息和巡航控制系統(tǒng);在軍事工業(yè)中的電子戰(zhàn)，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭和相控陣?yán)走_系統(tǒng)中。

由于它們的單片性質(zhì)，MMIC被制造為半導(dǎo)體材料的整個晶片的小部件。晶圓的加工包括在其表面形成微觀特征，因此所有的制造設(shè)備都需要安裝在潔凈室環(huán)境中，以防止灰塵和濕氣影響這些特征。這往往使制造過程非常耗時且成本高，并且通常在整個處理完成之前不能檢查電路是否具有正確功能。由于這些原因，芯片的設(shè)計必須是首次就正確或在致力于制造工藝之前進行校正。由于MMIC工藝生產(chǎn)過程中設(shè)計階段的重要性，我們旨在探索代工廠MMIC生產(chǎn)運行的整體背景下的MMIC設(shè)計，包括技術(shù)/代工廠選擇，代工廠特性和組件單元的建模，仿真和電路的布局，以及工藝和測試方法的限制。同時我們的講解將不會過于理論化，而是介紹MMIC設(shè)計行業(yè)日常使用的MMIC設(shè)計技術(shù)和實踐。

圖1.1安裝在氧化鋁基板中的典型MMIC

1.2 MMIC的發(fā)展歷史

是MMIC用于系統(tǒng)應(yīng)用中而不是其它替代技術(shù)如波導(dǎo)或混合氧化鋁電路的原因最好通過考慮當(dāng)今MMIC技術(shù)的歷史和發(fā)展來探究。

Jan Czochralski于1916年開發(fā)了一種生長單晶的方法，邁向開發(fā)單片電路的第一步，但當(dāng)時電子行業(yè)并沒有從真空閥器件轉(zhuǎn)向固態(tài)技術(shù)，直到晶體管由Bell電話實驗室于1947年發(fā)明。與真空閥門器件相比，晶體管更小巧，更高效，更可靠，互連量提高了一個數(shù)量級，使設(shè)計人員能夠創(chuàng)建更復(fù)雜的電路和系統(tǒng)。這種多樣的互連帶來了它自身的問題，因為焊接如此多的連接速度慢，成本高，并且再次變得不可靠起來。這使電子工業(yè)尋求制造復(fù)雜電路的經(jīng)濟可靠的方法。該問題的解決方案就是IC，由德州儀器公司的Jack Kilby于1959年首次獲得專利。IC可以使用光刻法制造，這可以在幾個良好控制的工藝步驟中實現(xiàn)多種組件和將要印刷到單片半導(dǎo)體材料表面上的互連。順便提一下，Kilby的第一個集成電路是由鍺（Ge）制成的，而另一個工程師，F(xiàn)airchild Semiconductor的Robert Noyce，于1961年4月獲得了一項由硅（Si）制成的更復(fù)雜的“單一電路(unitary circuit)”的專利 。

按照今天的標(biāo)準(zhǔn)，這些早期集成電路的速度很慢 - 例如，阿波羅太空船上的計算機只有2-MHz時鐘速率 - 但IC中可以實現(xiàn)的額外復(fù)雜性使單個芯片能夠執(zhí)行那時需要一臺大型機電臺式設(shè)備才能完成的數(shù)學(xué)計算任務(wù)。Kilby通過袖珍計算器的發(fā)明證明了這一點，它成為第一個使用IC的商業(yè)產(chǎn)品，并幫助推動了剛剛起步的硅IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

微波頻率工作的首批硅IC之一（硅MMIC）是1966年開發(fā)的X波段發(fā)射/接收（Tx / Rx）開關(guān)，但插入損耗太高，無法在最終的系統(tǒng)中使用。在微波頻率下，半導(dǎo)體上的信號波長變得與電路的尺寸相當(dāng)，因此互連線必須設(shè)計為傳輸線，并且信號與半導(dǎo)體襯底材料的相互作用更多。如果襯底的電阻率低，則傳輸線是有損耗的，并且所得到的電路具有過多的插入損耗。這些早期的硅MMIC遭受了所謂的逆溫（ inversion）的影響，其表現(xiàn)為最初的高電阻率硅襯底在襯底上的其他組件經(jīng)過高溫處理之后表現(xiàn)出了低電阻率。當(dāng)時硅晶體管可用于1至6 GHz之間的頻率范圍，但逆溫（ inversion problem）問題阻礙了硅MMIC的進一步發(fā)展。一種方法是使用安裝在單片電路上的諸如電容器和電感器之類的無源元件的芯片晶體管，成功地設(shè)計出了了500MHz的中頻（IF）放大器，但它并不是完全單片集成的解決方案。

同時，對其他半導(dǎo)體材料的興趣正在增加，并且在1962年，液體封裝的Czochralski（LEC， liquid-encapsulated Czochralski）方法被開發(fā)用于生長在其熔點處具有高蒸氣壓的單晶材料。這最初應(yīng)用于鉛硒（PbSe）和鉛碲（PbTe），正如砷化鎵（GaAs）被認(rèn)為是MMICs的合適襯底材料，LEC于1965年成功應(yīng)用于生產(chǎn)穩(wěn)定的高電阻率GaAs材料。同樣在1965年，第一批GaAs場效應(yīng)晶體管由Jim Turner在英國Caswell的Plessey Research 和在美國加州理工學(xué)院的CA Mead制造出來了。

特納（Turner）的器件柵極長度為~24μm，能在非常高的頻率（VHF）范圍下表現(xiàn)出增益。1967年，GaAs場效應(yīng)晶體管（FET）顯示出在微波頻率下工作的能力，Plessey生產(chǎn)了一個4μm柵極長度的GaAs金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET），在1 MHz時增益為10 dB 。這成為世界上第一個以Plessey GAT 1品牌出售的商用GaAs MESFET。1968年發(fā)布了第一個使用二極管和微帶線的簡單單片微波GaAs電路，并于1970年報道出了GaAs FETs，這是第一次在微波頻率上勝過硅晶體管。這種在穩(wěn)定的高電阻率材料上生產(chǎn)高性能晶體管的能力使得GaAs成為MMIC在后來幾十年發(fā)展的首選材料。

GaAs IC開發(fā)正在加速發(fā)展，1976年，RS Pengelly和JA Turner 報道了首個使用場效應(yīng)晶體管的單片微波集成電路或MMIC，如圖1.2所示。該MMIC采用單個1μm柵極長度MESFET和單個金屬層形成單匝環(huán)路電感器和交叉指型電容器，在7至12 GHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)出幾dB（分貝）的增益，并推動了全球范圍內(nèi)GaAs MMIC行業(yè)的增長。

圖1.2世界上第一個GaAs FET MMIC放大器

1979年，電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）成立了首個專門用于GaAs IC開發(fā)的協(xié)會，并且在1985年，當(dāng)Plessey Caswell展示了在2英寸直徑的GaAs晶圓上進行柵極長度0.7-μm-的MESFET MMIC工藝加工時，業(yè)界的樂觀情緒被點燃了，GaAs IC的增長加速了。1985年也預(yù)示著是“帶隙工程（band-gap engineering）”的時代，這是一種混合不同半導(dǎo)體材料以創(chuàng)造具有特定先進特性晶體管的技術(shù)。這最終促成了1988年高電子遷移率晶體管（HEMT，high-electron-mobility transistor）低噪聲放大器（LNA）MMIC和1989年異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT，heterojunction bipolar transistor）功率放大器的誕生。MMIC開發(fā)途徑的其他里程碑包括1990年出現(xiàn)的磷化銦（InP）頻段范圍為5-100-GHz的行波放大器以及Plessey的商用0.2-μm柵長假晶HEMT（pHEMT ）器件的推出；有關(guān)MMIC歷史和發(fā)展的更多信息可以在更多的其它材料中找到。

今天，在許多不同的半導(dǎo)體材料上存在MMIC工藝，其中晶體管在整個微波頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出增益。硅MMIC也在使用傳輸線技術(shù)來克服了襯底損耗問題，同時采用頻率響應(yīng)與GaAs相當(dāng)?shù)墓桄N（SiGe）晶體管，這使硅MMIC得到了復(fù)興。MMIC的未來看起來肯定會繼續(xù)朝著更奇特的半導(dǎo)體材料和更復(fù)雜的設(shè)計技術(shù)的方向發(fā)展，其中芯片的最終功能將僅受到工程師想象力的限制。

1.3 MMIC的優(yōu)勢

為了總結(jié)MMIC開發(fā)的歷史，MMIC的出現(xiàn)是因為它們將高性能微波晶體管與低損耗無源元件和傳輸線相結(jié)合，并且可以使用少量光刻工藝步驟形成具有多個互連的復(fù)雜電路。

晶體管的微波頻率響應(yīng)還要求它們的尺寸在微米量級上，這樣得到的芯片尺寸只有幾毫米，比同等的混合微波集成電路（MIC）小一個數(shù)量級。封裝晶體管安裝在氧化鋁基板上MMIC的小尺寸也意味著它們的重量比它們的混合MIC等價物少一個數(shù)量級。MMIC的這兩個特性使它們非常適用于移動電子例如移動手機電話和便攜式計算機中應(yīng)用，其中小型化和輕便有助于使這類產(chǎn)品更具有商業(yè)優(yōu)勢。

MMIC的可靠性雖然一直是新型器件在新型半導(dǎo)體材料上的問題，但在Si和GaAs 上的可靠性已經(jīng)得到了很好的理解，許多MMIC和MMIC工藝具有如此高的可靠性水平，它們已經(jīng)適合太空等空間應(yīng)用。事實上，MMIC的堅固單片特性，以及它們的小尺寸和重量，使它們成為太空設(shè)備的必要組件。

它們的低成本也是一個優(yōu)勢，因為它們的成本是同等混合電路的三分之一，但這種優(yōu)勢在每種應(yīng)用中并不總是很明確的。半導(dǎo)體制造設(shè)備的高運行成本意味著批次處理晶片的成本是昂貴的，并且如果用于制造少量芯片，則每個芯片都變得非常昂貴。只有在需要大量芯片時才能確保MMIC的低成本優(yōu)勢，并且該設(shè)計可以產(chǎn)生高產(chǎn)量電路。我們將會提供實用技術(shù)，以幫助MMIC設(shè)計人員通過生產(chǎn)高產(chǎn)MMIC設(shè)計來保持成本優(yōu)勢。

1.4 基本設(shè)計流程

我們后面的文章將按照基本設(shè)計過程的順序來排列，并且我們假設(shè)MMIC設(shè)計者擁有完整的需求規(guī)范并且完全可以自由選擇MMIC工藝。

MMIC設(shè)計者必須做出的第一個選擇是用于制造芯片的元件技術(shù)，例如襯底材料，晶體管類型和可用的無源元件。然后，這種選擇將決定需要哪個鑄造（代工）工藝（foundry process）。在此階段，設(shè)計人員需要聯(lián)系潛在的MMIC代工廠（foundry），討論使用他們的工藝流程并獲得有關(guān)其功能的更多詳細信息。如果要求是針對多種功能，那么考慮幾個單功能芯片或一個更大的多功能MMIC之間的經(jīng)濟權(quán)衡也是一個好的出發(fā)點。與代工廠密切相關(guān)的另一個問題是它們支持的計算機輔助設(shè)計（CAD）仿真工具，并且可以為其提供MMIC組件的完整器件模型庫。這個問題不僅包括它們是否支持某個特定公司的CAD 工具以及它們是否能夠為CAD工具中所需的規(guī)格提供最合適的（例如非線性）模型。

當(dāng)選擇好代工廠并且設(shè)計師已經(jīng)獲得CAD工具和模型庫時，下一步是實際的MMIC設(shè)計，這是我們將要講解的主要焦點。MMIC的設(shè)計和布局實際上是兩部分獨立的內(nèi)容，但設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計階段結(jié)束時，必須同時執(zhí)行我們將要講述的設(shè)計和布局觀點以實現(xiàn)緊湊和高產(chǎn)量的芯片設(shè)計。

在完成設(shè)計和布局之后，根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)制造光刻掩模，并通過鑄造潔凈室制造工藝處理批次的晶片。然后在切割成單個芯片之前使用晶片上RF（RFOW）設(shè)備測試晶片，以完成整個MMIC生產(chǎn)工藝過程。