固体电子学研究与进展

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黄宏娟, 赵德胜, 龚亚飞, 张晓东, 时文华, 张宝顺

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 81-86.

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芯片异构集成的节距不断缩小至10 μm及以下,焊料外扩、桥联成为焊料微凸点互连工艺的主要技术问题。通过对微凸点节距为8 μm的Cu/Sn固液扩散键合的工艺研究,探索精细节距焊料微凸点互连工艺存在的问题,分析Cu/Sn微凸点键合界面金属间的化合物,实现了精细节距和高质量的Cu/Sn微凸点互连,获得了节距为8 μm、微凸点数为1 900个、总面积为3 mm×3 mm的不均匀微凸点阵列,该阵列互连对准误差小于0.5 μm,含有200个微凸点菊花链结构的电学导通。

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用于不同体态芯片互连的凸点制备及性能表征

陈聪, 李杰, 姜理利, 吴璟, 张岩, 郁元卫, 黄旼, 朱健

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 87-92.

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随着轻量化、小型化及模块功能多样化的发展,由二维平面到三维高度上的先进封装技术应运而生。微凸点作为实现芯片到圆片异构集成的关键结构,可有效缩短信号传输距离,提升芯片性能。利用电沉积法在Si基板上以Cu作支撑层、Ni作阻挡层淀积微米级别的Au/Sn凸点,所制得的多层凸点直径约60 μm、高度约54 μm,其高度可控、尺寸可调,并研究了Die内凸点高度的一致性,同时对凸点进行了剪切强度和推拉力测试。结果表明,Die内凸点高度均匀性≤2%,剪切力可达61.72 g以上,与化合物芯片（另一侧为Au）键合后推拉力可达7.5 kgf,可实现与化合物芯片的有效集成。

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15 kV/10 A SiC 功率MOSFET器件设计及制备^*

李士颜, 杨晓磊, 黄润华, 汤伟, 赵志飞, 柏松

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 93-97.

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报道了在150 μm厚、掺杂浓度5.0×10¹⁴ cm^-3的外延层上制备15 kV/10 A超高压SiC功率MOSFET器件的研究结果。对器件原胞结构开展了仿真优化,基于材料结构、JFET区宽度和JFET区注入掺杂等条件优化,有效地提升了器件的导通能力,器件比导通电阻为204 mΩ·cm²,击穿电压大于15.7 kV,在漏极电压15 kV时,器件漏电流为10 μA,漏电流密度为12 μA·cm^-2。在工作电压1.7 kV、导通电流10 A条件下,开通时间和关断时间分别为140 ns和 84 ns。

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各向异性抛物势对非对称半指数量子阱中磁极化子基态能量的影响^*

戈君, 肖景林

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 98-102.

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考虑GaAs非对称半指数量子阱中的生长方向存在非对称半指数势和在垂直于量子阱的生长方向存在各向异性抛物势的情况下,从理论上研究了非对称半指数量子阱中弱耦合磁极化子的性质。采用线性组合算符方法和两次幺正变换,导出非对称半指数量子阱中弱耦合磁极化子的基态能量。选择非对称半指数GaAs 半导体量子阱晶体作为例子,讨论了非对称半指数量子阱中弱耦合磁极化子的基态能量随磁场的回旋共振频率、非对称半指数受限势的两个参数和x方向及y 方向的各向异性抛物势的受限强度的变化关系。数值计算结果显示：非对称半指数量子阱中弱耦合磁极化子的基态能量随磁场的回旋共振频率增加而增大,磁极化子的基态能量是参量U₀的增函数,是参量σ的减函数。磁极化子的基态能量随x方向和y 方向的各向异性抛物势的受限强度的增加而迅速增大,表现了奇特的量子尺寸限制效应。

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面向有源相控阵系统2~18 GHz超宽带幅相多功能MMIC

潘晓枫, 刘尧, 林宗伟, 张天羽, 殷晓星, 陶洪琪

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 103-108.

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基于0.15 μm GaAs E/D pHEMT工艺研制了一款工作频率为2~18 GHz的高精度低功耗超宽带幅相多功能芯片,片内集成了超宽带数控移相器、Gm-boost结构行波放大器、单刀双掷吸收式开关、无源匹配电路、数字SPI接口电路等,整个芯片尺寸为4.0 mm×4.0 mm。提出奇偶模相速补偿的全通网络结构以及基于有源宽带差分结构的移相器电路拓扑,在九个倍频程范围内实现了高移相精度、低损耗和高幅度平坦度的数控移相器。测试结果表明：在2~18 GHz频率范围内移相精度RMS小于5°,移相寄生调幅小于±0.8 dB,发射/接收增益大于8 dB,输出1 dB压缩点功率大于12 dBm,输入驻波小于2.4,输出驻波小于1.7。

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基于 0.7 μm InP DHBT的毫米波数字化功率放大器

周广超, 郭润楠, 张斌

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 109-114.

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基于磷化铟双异质结双极型晶体管（InP DHBT）实现了一款K波段数字化功率放大器芯片。该芯片利用InP DHBT工艺兼容高速数字与射频功率电路的优点,采用多个数字功放单元并联连接的形式,每个数字功放单元可以根据数字基带控制信号接通或断开,形成多位的射频功率直接输出。在分析了基于共射-共基结构数字功放单元电路的瞬态响应和大信号特性的基础上,设计并实现8位数字化功率放大器,其不同权重功放单元输出经过下层金属接地作为地平面的总线式结构进行功率合成,有效调节了传输线的阻抗和信号的耦合,有利于输出功率的合成。在20 GHz时,最大饱和输出功率和附加效率分别为27 dBm和21%,归一化输出电压的均方差为0.031 5,电路线性度较好。

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基于菱形SIW的小型化双频可控带通滤波器^*

张胜, 佘金川, 仝梦寒

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 115-119.

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提出了一种四分之一模菱形基片集成波导谐振腔,设计并制作了一款小型化的双频带通滤波器。引入了T型槽线结构,实现了滤波器双通带中心频率的调节。利用间隙耦合、高低阶模式耦合和源负载耦合,在带外产生了7个传输零点,提高了滤波器的频率选择特性。滤波器双通带中心频率分别为4.4和7.7 GHz,3 dB带宽分别为517和405 MHz。测试与仿真结果基本一致。

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W波段硅基集成天线

曹扬磊, 朱健, 侯芳, 沈国策, 焦宗磊

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 120-124.

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针对小型化和易集成的应用要求,基于硅基三维集成工艺设计了一款W波段硅基集成天线。天线为8×8阵列天线,采用硅基晶圆多层堆叠的方式,使馈电网络与辐射贴片单元分隔开,采用硅通孔技术进行层间互联,传递微波信号。天线在高阻硅基板上制造,中心频率为95.8 GHz,工作频段为90.3~98.6 GHz,峰值增益为10 dBi左右。

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多波束阵列天线的稀疏化设计^*

张伟, 文舸一

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 125-131.

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讨论利用加权最大功率传输效率法（Weighted method of maximum power transmission efficiency,WMMPTE）实现多波束阵列天线的稀疏化,使得天线单元数目小于天线波束数数目。待设计天线与置于波束方向的测试天线形成无线功率传输系统,再利用WMMPTE优化可得到多波束阵列天线的最优激励分布。根据最优激励分布可进行阵列单元的稀疏化。通过工作频率为5.8 GHz的一维直线阵列和二维平面阵列为例介绍了稀疏化设计过程。模拟和实验表明,经WMMPTE优化后,利用3单元天线阵列可以实现4个波束、8单元天线阵列可以实现9个波束。

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硅基微波毫米波收发芯片封装结构研究^*

梁皓辰, 钱峰, 沈宏昌, 徐阳

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 132-136.

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借助硅基转接板来实现芯片互连的2.5D/3D封装技术是目前广泛应用的一种封装方式,其电磁损耗是影响系统集成的关键问题。以一种基于硅基转接板的封装结构为对象,根据理论分析对硅基转接板进行挖腔预处理。通过对该结构进行建模仿真,得出封装结构的电性能指标。最后利用该结构分别封装一个微带直通线和一款收发芯片,并对实际的电性能进行验证,得到了适用于微波毫米波频段的低损耗、高可靠性封装结构。

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复合型混沌系统的设计与仿真

张学丰, 彭良玉, 彭代鑫

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 137-142.

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基于切换控制的方法设计了一个同时拥有多翅膀和多涡卷混沌吸引子的四维复合型混沌系统。通过观察复合型混沌系统的相图、分岔图和Lyapunov指数谱,分析了该系统动力学行为。根据Matlab数值仿真的结果,得出了该复合型混沌系统是超混沌系统,并且其最大Lyapunov指数大于复合前两个系统的最大Lyapunov指数,说明该系统的运动轨迹更加复杂多变。复合型混沌系统的Multisim电路仿真结果与Matlab数值仿真结果一致,验证了复合型混沌系统理论设计的正确性。

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一种双通道零漂移运算放大器的设计

韩前磊, 黄立朝, 孔祥艺, 丁宁

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 143-148.

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设计了一款双通道、零漂移、轨到轨输入输出的运算放大器,可用于温度、压力传感器等精密信号采集领域。整体结构主要包括：带隙基准、振荡器、分频器、开关控制、主运放和调零运放模块。其中振荡器、分频器、基准偏置为共用模块,开关控制、主运放、调零运放在双通道中相互独立。基于Cadence仿真软件,采用国内0.5 μm CMOS工艺完成流片,在工作电源2.7~5.5 V条件下,实现的性能指标为：输入失调电压<10 μV,电源电流<1.8 mA,输入失调漂移<0.04 μV/℃,共模抑制比>120 dB,电源抑制比>120 dB,开环增益>130 dB,过载恢复时间<50 μs,噪声<35 nV/√Hz。该运算放大器具有高精密、零漂移的特征。

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一种由多级2/3分频单元级联而成的通道可编程分频器设计

杨扬, 魏鲁, 袁昊煜

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 149-153.

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介绍了一种由多级2/3分频单元级联的可编程分频器,可应用于扇出缓冲器的通道中。分频器采用0.18 μm BiCMOS工艺实现。分频器的电源电压为3.3 V,分频比支持1、3、5以及4~4 094的所有偶数分频,且所有分频输出信号的占空比为50%。

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基于磨砂玻璃压印的压阻式柔性压力传感器^*

李明星, 姚佳楠, 刘江, 李若舟, 方玉明

固体电子学研究与进展. 2021, 41(2): 154-160.

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柔性压阻传感器结构简单、电阻变化范围宽、灵敏度高,在电子皮肤和医疗健康检测等领域受到广泛的关注和研究。使用不同目数的磨砂玻璃作为模具制备了具有微结构的多壁碳纳米管（MWCNT）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）导电复合材料,并实现了微结构柔性压阻传感器。研究表明,目数最小（微结构尺寸为125 μm）的磨砂玻璃制备的传感器具有最高灵敏度（7.4 kPa^-1）,并且该传感器具有低于15%的迟滞性,13 ms的快速响应时间,低于90 Pa的低压检测能力以及在不同压力大小下稳定的输出响应。该方法制备的柔性传感器结构简单且成本低,具有较好的应用价值。

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2021年, 第41卷, 第2期　刊出日期：2021-04-25

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