单片微波集成电路（MMIC）技术详解与应用概述

我们来详细介绍一下单片微波集成电路（MMIC）技术。
"什么是MMIC？"
单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC）是一种将微波（通常指频率从几百MHz到几十GHz）或毫米波（>30GHz）功能的电子元器件（如晶体管、电阻、电容、传输线等）以及可能的数字逻辑电路，通过半导体工艺（主要是单片集成工艺，如GaAs、InP、SiGe等）制作在一块单一的半导体衬底（晶圆）上的集成电路。
"核心特点："
1. "单片集成 (Monolithic Integration):" 所有有源和无源元件以及它们之间的互连都制作在同一块半导体材料上，形成一个整体。 2. "微波/毫米波频率工作 (Microwave/Millimeter-Wave Operation):" 主要设计用于高频段，频率范围通常在几百MHz到几十GHz，甚至更高。 3. "高性能 (High Performance):" 相较于传统的分立元件或混合集成电路，MMIC在微波频段通常能提供更高的性能，例如： "低噪声系数 (Low Noise Figure, NF):" 对于接收机前端至关重要。 "高增益 (High Gain):" 对于放大器、混频器等是关键指标。 "高功率 (High Power):" 对于发射机末级或相控阵天线驱动器。 "宽带宽

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通常的单片微波集成电路（MMIC）技术如图1.1所示，我们将向读者讲解单片微波集成电路（MMIC）技术的实用指南以及设计技巧和经验法则，可以在第一时间正确满足系统规格要求。我们将首先向工程师介绍MMIC的基本技术，并概述它们优于其他组件的优势;第二，我们将为设计工程师提供各种组件的基础信息和设计方法，使工程师能够根据需求规格立即开始设计;第三，我们将帮助读者深入了解MMIC独有的布局，工艺和测试约束;最后，我们将会让技术人员，项目管理人员和生产经理更多地了解与使用MMIC相关的代工实践和经济学原理。

1.1 MMIC简介

首字母缩略词MMIC代表单片微波集成电路。单片（来自希腊语）的意思是“作为一块石头”，并描述了MMIC的基本特征（即，它们是由单片半导体材料制成的）。微波这个词指的是使用它们的交流信号频率范围，它覆盖1毫米到1米的自由空间波长，对应于300 MHz到300 GHz的频率范围。术语集成电路（IC）表示半导体材料不包含单个二极管或晶体管，但由有源器件（如晶体管）和无源器件（如电容器和电阻器）的电子电路及其所有互连组成的，并构成了一个完整的系统。

MMIC用于大多数涉及发送和接收微波信号的应用，范围从低至千兆赫（GHz）的蜂窝移动电话，无线局域网（WLAN）和全球定位系统（GPS）接收器到地球观测辐射计和安全扫描仪等应用所使用数百千兆赫结束。它们在光纤，卫星通信和点对点链路中应用于通信行业;汽车行业内的识别，道路交通信息和巡航控制系统;在军事工业中的电子战，导弹导引头和相控阵雷达系统中。

由于它们的单片性质，MMIC被制造为半导体材料的整个晶片的小部件。晶圆的加工包括在其表面形成微观特征，因此所有的制造设备都需要安装在洁净室环境中，以防止灰尘和湿气影响这些特征。这往往使制造过程非常耗时且成本高，并且通常在整个处理完成之前不能检查电路是否具有正确功能。由于这些原因，芯片的设计必须是首次就正确或在致力于制造工艺之前进行校正。由于MMIC工艺生产过程中设计阶段的重要性，我们旨在探索代工厂MMIC生产运行的整体背景下的MMIC设计，包括技术/代工厂选择，代工厂特性和组件单元的建模，仿真和电路的布局，以及工艺和测试方法的限制。同时我们的讲解将不会过于理论化，而是介绍MMIC设计行业日常使用的MMIC设计技术和实践。

图1.1安装在氧化铝基板中的典型MMIC

1.2 MMIC的发展历史

是MMIC用于系统应用中而不是其它替代技术如波导或混合氧化铝电路的原因最好通过考虑当今MMIC技术的历史和发展来探究。

Jan Czochralski于1916年开发了一种生长单晶的方法，迈向开发单片电路的第一步，但当时电子行业并没有从真空阀器件转向固态技术，直到晶体管由Bell电话实验室于1947年发明。与真空阀门器件相比，晶体管更小巧，更高效，更可靠，互连量提高了一个数量级，使设计人员能够创建更复杂的电路和系统。这种多样的互连带来了它自身的问题，因为焊接如此多的连接速度慢，成本高，并且再次变得不可靠起来。这使电子工业寻求制造复杂电路的经济可靠的方法。该问题的解决方案就是IC，由德州仪器公司的Jack Kilby于1959年首次获得专利。IC可以使用光刻法制造，这可以在几个良好控制的工艺步骤中实现多种组件和将要印刷到单片半导体材料表面上的互连。顺便提一下，Kilby的第一个集成电路是由锗（Ge）制成的，而另一个工程师，Fairchild Semiconductor的Robert Noyce，于1961年4月获得了一项由硅（Si）制成的更复杂的“单一电路(unitary circuit)”的专利 。

按照今天的标准，这些早期集成电路的速度很慢 - 例如，阿波罗太空船上的计算机只有2-MHz时钟速率 - 但IC中可以实现的额外复杂性使单个芯片能够执行那时需要一台大型机电台式设备才能完成的数学计算任务。Kilby通过袖珍计算器的发明证明了这一点，它成为第一个使用IC的商业产品，并帮助推动了刚刚起步的硅IC产业的发展。

微波频率工作的首批硅IC之一（硅MMIC）是1966年开发的X波段发射/接收（Tx / Rx）开关，但插入损耗太高，无法在最终的系统中使用。在微波频率下，半导体上的信号波长变得与电路的尺寸相当，因此互连线必须设计为传输线，并且信号与半导体衬底材料的相互作用更多。如果衬底的电阻率低，则传输线是有损耗的，并且所得到的电路具有过多的插入损耗。这些早期的硅MMIC遭受了所谓的逆温（ inversion）的影响，其表现为最初的高电阻率硅衬底在衬底上的其他组件经过高温处理之后表现出了低电阻率。当时硅晶体管可用于1至6 GHz之间的频率范围，但逆温（ inversion problem）问题阻碍了硅MMIC的进一步发展。一种方法是使用安装在单片电路上的诸如电容器和电感器之类的无源元件的芯片晶体管，成功地设计出了了500MHz的中频（IF）放大器，但它并不是完全单片集成的解决方案。

同时，对其他半导体材料的兴趣正在增加，并且在1962年，液体封装的Czochralski（LEC， liquid-encapsulated Czochralski）方法被开发用于生长在其熔点处具有高蒸气压的单晶材料。这最初应用于铅硒（PbSe）和铅碲（PbTe），正如砷化镓（GaAs）被认为是MMICs的合适衬底材料，LEC于1965年成功应用于生产稳定的高电阻率GaAs材料。同样在1965年，第一批GaAs场效应晶体管由Jim Turner在英国Caswell的Plessey Research 和在美国加州理工学院的CA Mead制造出来了。

特纳（Turner）的器件栅极长度为~24μm，能在非常高的频率（VHF）范围下表现出增益。1967年，GaAs场效应晶体管（FET）显示出在微波频率下工作的能力，Plessey生产了一个4μm栅极长度的GaAs金属半导体场效应晶体管（MESFET），在1 MHz时增益为10 dB 。这成为世界上第一个以Plessey GAT 1品牌出售的商用GaAs MESFET。1968年发布了第一个使用二极管和微带线的简单单片微波GaAs电路，并于1970年报道出了GaAs FETs，这是第一次在微波频率上胜过硅晶体管。这种在稳定的高电阻率材料上生产高性能晶体管的能力使得GaAs成为MMIC在后来几十年发展的首选材料。

GaAs IC开发正在加速发展，1976年，RS Pengelly和JA Turner 报道了首个使用场效应晶体管的单片微波集成电路或MMIC，如图1.2所示。该MMIC采用单个1μm栅极长度MESFET和单个金属层形成单匝环路电感器和交叉指型电容器，在7至12 GHz范围内呈现出几dB（分贝）的增益，并推动了全球范围内GaAs MMIC行业的增长。

图1.2世界上第一个GaAs FET MMIC放大器

1979年，电气和电子工程师协会（IEEE）成立了首个专门用于GaAs IC开发的协会，并且在1985年，当Plessey Caswell展示了在2英寸直径的GaAs晶圆上进行栅极长度0.7-μm-的MESFET MMIC工艺加工时，业界的乐观情绪被点燃了，GaAs IC的增长加速了。1985年也预示着是“带隙工程（band-gap engineering）”的时代，这是一种混合不同半导体材料以创造具有特定先进特性晶体管的技术。这最终促成了1988年高电子迁移率晶体管（HEMT，high-electron-mobility transistor）低噪声放大器（LNA）MMIC和1989年异质结双极晶体管（HBT，heterojunction bipolar transistor）功率放大器的诞生。MMIC开发途径的其他里程碑包括1990年出现的磷化铟（InP）频段范围为5-100-GHz的行波放大器以及Plessey的商用0.2-μm栅长假晶HEMT（pHEMT ）器件的推出；有关MMIC历史和发展的更多信息可以在更多的其它材料中找到。

今天，在许多不同的半导体材料上存在MMIC工艺，其中晶体管在整个微波频率范围内表现出增益。硅MMIC也在使用传输线技术来克服了衬底损耗问题，同时采用频率响应与GaAs相当的硅锗（SiGe）晶体管，这使硅MMIC得到了复兴。MMIC的未来看起来肯定会继续朝着更奇特的半导体材料和更复杂的设计技术的方向发展，其中芯片的最终功能将仅受到工程师想象力的限制。

1.3 MMIC的优势

为了总结MMIC开发的历史，MMIC的出现是因为它们将高性能微波晶体管与低损耗无源元件和传输线相结合，并且可以使用少量光刻工艺步骤形成具有多个互连的复杂电路。

晶体管的微波频率响应还要求它们的尺寸在微米量级上，这样得到的芯片尺寸只有几毫米，比同等的混合微波集成电路（MIC）小一个数量级。封装晶体管安装在氧化铝基板上MMIC的小尺寸也意味着它们的重量比它们的混合MIC等价物少一个数量级。MMIC的这两个特性使它们非常适用于移动电子例如移动手机电话和便携式计算机中应用，其中小型化和轻便有助于使这类产品更具有商业优势。

MMIC的可靠性虽然一直是新型器件在新型半导体材料上的问题，但在Si和GaAs 上的可靠性已经得到了很好的理解，许多MMIC和MMIC工艺具有如此高的可靠性水平，它们已经适合太空等空间应用。事实上，MMIC的坚固单片特性，以及它们的小尺寸和重量，使它们成为太空设备的必要组件。

它们的低成本也是一个优势，因为它们的成本是同等混合电路的三分之一，但这种优势在每种应用中并不总是很明确的。半导体制造设备的高运行成本意味着批次处理晶片的成本是昂贵的，并且如果用于制造少量芯片，则每个芯片都变得非常昂贵。只有在需要大量芯片时才能确保MMIC的低成本优势，并且该设计可以产生高产量电路。我们将会提供实用技术，以帮助MMIC设计人员通过生产高产MMIC设计来保持成本优势。

1.4 基本设计流程

我们后面的文章将按照基本设计过程的顺序来排列，并且我们假设MMIC设计者拥有完整的需求规范并且完全可以自由选择MMIC工艺。

MMIC设计者必须做出的第一个选择是用于制造芯片的元件技术，例如衬底材料，晶体管类型和可用的无源元件。然后，这种选择将决定需要哪个铸造（代工）工艺（foundry process）。在此阶段，设计人员需要联系潜在的MMIC代工厂（foundry），讨论使用他们的工艺流程并获得有关其功能的更多详细信息。如果要求是针对多种功能，那么考虑几个单功能芯片或一个更大的多功能MMIC之间的经济权衡也是一个好的出发点。与代工厂密切相关的另一个问题是它们支持的计算机辅助设计（CAD）仿真工具，并且可以为其提供MMIC组件的完整器件模型库。这个问题不仅包括它们是否支持某个特定公司的CAD 工具以及它们是否能够为CAD工具中所需的规格提供最合适的（例如非线性）模型。

当选择好代工厂并且设计师已经获得CAD工具和模型库时，下一步是实际的MMIC设计，这是我们将要讲解的主要焦点。MMIC的设计和布局实际上是两部分独立的内容，但设计人员会发现，在设计阶段结束时，必须同时执行我们将要讲述的设计和布局观点以实现紧凑和高产量的芯片设计。

在完成设计和布局之后，根据设计数据制造光刻掩模，并通过铸造洁净室制造工艺处理批次的晶片。然后在切割成单个芯片之前使用晶片上RF（RFOW）设备测试晶片，以完成整个MMIC生产工艺过程。