1. 引言
自20世纪70年代至今，在卫星、广播、雷达、通信系统中都需要对电路参量进行控制，例如控制电路的通断、相移量、衰减量等等。基于微组装工艺的微波开关因体积小、用途多等优点成为微波控制电路中的重要组成部分。PIN二极管由于开路和短路特性好、控制速度快、微波损耗小、可控功率容量大、具有比较理想的开关特性，所以是微波开关首选器件 [1]。而同时把PIN二极管、微波固体器件和微带电路通过多功能芯片技术、多层复合基板技术和多芯片组装技术集成的微波组件 [2]，其结构紧凑、可靠性高易于系统集成，且由于相关工艺上的不断完善，由安装而引入的寄生参量，如引线电感、管壳电容等的影响都非常小，因而进一步改善了微波组件控制电路的电性能。
基于微组装工艺的微波开关则选用裸芯片PIN二极管、芯片电容等器件，通过基板烧结/粘接、芯片共晶/粘接、金丝键合等微组装工艺来实现的。微组装关键工艺技术主要是粘接/烧结工艺技术和微型焊接工艺技术，它是微组装工艺技术中的重要和基础技术。微型焊接工艺技术包括芯片的粘接/共晶工艺技术，金丝楔/球键合工艺技术 [3] [4]。
目前国内外的战术通信宽带设备正在向小型化、轻量化、高工作频率、多功能、高可靠和低成本等方向发展 [5]，微波开关作为战术通信宽带设备的重要组成部分其性能、功率、效率、成本、体积等是组件设计的关键点 [6]。基于微组装工艺实现的微波开关引入的寄生参量更小，因此具有插损小、体积小、散热好和更高的工作频率等优点，完全符合目前战术通信宽带设备的发展方向。通过研究并突破基于微组装工艺的微波开关研制技术，能够为未来实现宽带战术通信设备小型化、高可靠性和低功耗打下坚实的技术基础。
2. 开关电路设计
2.1. 基本原理
2.1.1. 开关工作原理
PIN管开关的基本电路结构形式有串联、并联、串并联和串并串四种，其中，串联形式下，开关具有较小的插损和较宽的工作带宽，但是隔离度不高；并联形式下，开关的隔离度较高且能够处理较大的功率，但是由于1/4波长线的引入，使得其带宽较窄，尺寸也偏大；串并联的形式则综合了前两种形式的优点。
1) 对于串联型结构形式的PIN二极管开关，影响开关插入损耗的主要因数是PIN二极管正向偏置时的等效串联电阻参数Rs，而影响开关隔离度的主要因数是PIN二极管零偏或反偏时的等效结电容参数CT；
2) 对于并联型结构形式的PIN二极管开关来说，情形则正好相反，影响开关插入损耗的主要因数是PIN二极管零偏或反偏时的等效结电容参数CT，而影响开关隔离度的主要因数是PIN二极管正向偏置时的等效串联电阻参数Rs；
3) 对于串并联型和串并串联型这两种结构形式的PIN二极管开关来说，影响开关插入损耗的主要因数是处于串联支路上的PIN二极管正向偏置时的串联等效电阻参数Rs，以及处于并联支路上的PIN二极管零偏或反向偏置时的等效结电容参数CT。
总之，PIN二极管正向偏置时的串联等效电阻Rs和它在零偏及反向偏置时的并联等效结电容CT越小，开关的插入损耗和隔离度性能越好，同时，PIN二极管在零偏及反向偏置时的并联等效结电容CT越小，开关的高频工作特性越好。
单级PIN管并联的形式有隔离度较高，体积要小的特点，如图1中所示。
Figure 1. SPDT switch of a single-stage PIN diode parallel structure [7]
图1. 单级PIN管并联SPDT开关 [7]
两只PIN管分别并联于左右两条信号通路中，且均位于距离公共端口1/4波长处。当左PIN管为负压偏置时，左信号通路导通，而此时右PIN管为正压偏置，被短路到地，由于1/4波长传输线的作用，使得此时从公共端口看向右端口的阻抗为无穷大，因而右信号通路被开路。
同理，右信号通路导通时，右PIN管截止，而左PIN管导通，左信号通路的输入阻抗为无穷大，因而被隔离。
2.1.2. 金丝键合原理
基于微组装工艺技术的微波开关设计中，金丝互连技术是实现开关设计的关键，键合互连的拱高、跨距、和金丝的根数对微波特性有很大影响。因此，在设计仿真时需充分考虑金丝的各项参数对微波特性的影响。
金丝互连模型可以用等效串联电阻Rs、串联电感Ls和并联电容C1和C2构成的低通滤波网络来表示，如图2所示：
目前，关于金丝互连的研究多是用三维电磁场分析软件HFSS对其进行建模分析和仿真优化。得出的结论基本一致：单根金丝互连时对微波特性有较大影响，采用两根或三根金丝键合互连的性能大大优于单根金丝；采用两根金丝时，增加金丝之间的间距能有效减少寄生电感；在键合时应尽量采用低拱高、小跨距以提高微波性能。
2.2. 器件选型
基于微组装的微波开关设计，PIN管芯的参数指标决定了开关电路设能否满足设计指标要求。
Figure 2. Gold bondwire equivalent circuit [8]
图2. 金丝等效电路 [8]
通过改变I区宽度和二极管面积，可以构造出具有相同Rs和Ct特性，但尺寸不同的PIN二极管，这些元器件可能具有相同的小信号特性；比如具有较厚I区的PIN管具有更大的击穿电压和更好的失真性能，较薄的I区具有更快的开关速度。以并联型电路结构为例，开关工作带宽小于10%。根据所需开关技术指标要求，综合分析考虑PIN管各个参数对指标的影响，本文选用MACOM公司的MA4P303-134进行分析和仿真设计，如图3为管芯结构。
Figure 3. MACOM MA4P303-134 die [9]
图3. MACOM MA4P303-134管芯 [9]
根据MA4P303-134的参数分析，见表1：
Table 1. MACOM MA4P303-134 die parameters
表1. MACOM公司的MA4P303-134管芯参数
1) 工作频率范围为0.02~18 GHz。满足开关工作频率范围要求。
2) 反偏结电容Cj为0.15 pF。通过并联结构电路插损计算公式计算可知，在中心频率8.05 GHz时，由单个PIN管结电容引入的插损在0.16 dB以内。
3) 正向导通电阻为1.5Ω@10mA。此时单个PIN管隔离度理论值为>24 dB，通过适当调整导通电流，可以进一步改善电路隔离度。
4) 热阻为30℃/W。假设电路插损为1 dB，则电路最大损耗功率为2.06 W，同时假设损耗功率PIN管吸收，则该PIN管在10 W连续波工作时温升为62℃，62℃ + 65℃ < 175℃(管子工作的最大结温)，因此可以保证PIN管不会损坏。
5) 最大反向击穿电压为200 V。在极限条件下最大射频峰值电压为64 V，而PIN管此时内建直流电压为10 V，为保证PIN管稳定工作，可将PIN管反向直流偏置电压设为20 V，此时64 V + 20 V < 200 V，因此可以保证PIN管不会反向击穿。
2.3. 电路仿真
基于微组装工艺的微波开关原理仿真包括PIN管模型建模、键合金丝建模以及电路仿真优化设计。
2.3.1. 金丝键合仿真
金丝键合模型用HFSS仿真工具进行仿真 [10]。金带键合互连的微波特性随拱高、跨距、金带宽度和金带厚度的不同而变化，并且具有如下特点：
1) 在同一金带、同跨距情况下，键合金带的拱高越低对微波传输特性影响越小，以平直为最佳。但是腔体、电路、芯片间的热膨胀系数不同，平直键合金带在高、低温冲击中会因热失配而失效：平直键合金带所受应力集中，受到温度冲击或振动时容易发生断裂；从键合工艺的特点来看，平直键合金带的焊接稳定性很难保证。因此为兼顾微波特性和可靠性，必须保持适当的拱高。
2) 在同一金带、同拱高情况下，键合金带的跨距越短对微波传输特性影响越小。
3) 在同跨距、同拱高、同金带厚度情况下，金带越宽对微波传输特性的影响越小。
根据MA4P303-134芯片焊区尺和文献中给出的金丝参数 [11]，初步确定采用两根金丝做键合，金丝间距200 μm，金丝直径12.5 μm，跨距为500 μm时，拱高100 μm。利用仿真工具HFSS对其进行建模仿真，如图4。
Figure 4. Simulation model of gold wire bonding
图4. 金丝键合仿真模型
从图5可以看出在7.725~8.025 GHz内S21小于−0.1 dB。S11和S22小于−18 dB。仿真结果较好，说明该设置的金丝键合参数比较合理。可以用于后续射频开关的仿真。
2.3.2. 微波开关仿真
基于微组装工艺的微波开关原理仿真包括PIN管模型建模、键合金丝建模以及电路仿真优化设计。本案方案利用ADS仿真工具对开关电路进行仿真，其中键合金丝的参数是采用上章节HFSS仿真结果为依据。
在原理仿真中采用ADS中的PIN二极管模型PIN_diode，输入其相关参数进行原理仿真。
Figure 5. Simulation results of S-parameter of gold wire bonding transmission line
图5. 金丝键合传输线的S参数仿真结果
将HFSS中仿真的金丝参数代入到ADS中的金丝模型BONDW_shape对键合金丝的拱高、跨距等参数进行设定，利用BONDW2对线间参数进行设定。相关参数设定后进行开关原理仿真及优化，仿真结果如图6所示。
Figure 6. Simulation results of the SPDT switch schematic
图6. 开关原理图仿真结果
从仿真结果可以看出：在频段7.725~8.025 GHz内驻波S11、S22都小于−35 dB，插损S21小于0.08 dB，隔离度S13大于58 dB。仿真结果较好，可以利用其参数进行有限地共仿真。
原理图中BONDW在版图中用JEDEC Bondwire代替，设置JEDEC Bondwire半径12.5 μm；跨距500 μm；拱高100 μm。
如图7~9所示为ADS中生成的版图，PIN管管芯键合点采用铜箔替代。
Figure 7. The layout generated in ADS
图7. ADS中生成的版图
Figure 8. Layout of ADS wire bonding
图8. ADS金丝键合的版图
设置完成后，对版图进行MOMENTUM仿真，仿真完成后进行共仿真，共仿真电路图见图10：
从图11的仿真结果可以看出：在频段7.725~8.025 GHz内驻波S11、S22都小于−25 dB，插损S21小于0.15 dB，隔离度S13大于49 dB。仿真结果较好。
Figure 10. Co-simulation schematic with limited reference
图10. 参考有限的联合仿真图
Figure 11. Co-simulation results with limited reference
图11. 参考有限的仿真结果
3. 结语
本文研究了基于SPDT开关的微组装工艺流程和要求；并利用HFSS和ADS软件对微组装开关进行了仿真，仿真结果表明驻波S11、S22都小于−25 dB，插损S21小于0.15 dB，隔离度S13大于49 dB，仿真结果较好。为实物设计提供了参数依据。本文在基于微组装工艺和仿真工具的使用进行了详细说明，具有一定指导意义。