專利名稱：用于毫米波應(yīng)用的封裝天線與集成電路芯片的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用來集成封裝天線裝置與半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片的設(shè)備和方法，具體地涉及用來封裝具有平面天線的IC芯片的設(shè)備和方法，這些平面天線例如由BEOL(后端線工藝)金屬化結(jié)構(gòu)集成構(gòu)成，從而組成毫米波應(yīng)用的緊湊的集成無線電/無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線系統(tǒng)和裝置中的技術(shù)改進(jìn)已經(jīng)導(dǎo)致了無線PAN(個(gè)人區(qū)域網(wǎng))、無線LAN(局域網(wǎng))、無線WAN(廣域網(wǎng))、蜂窩網(wǎng)、以及其它類型無線通信系統(tǒng)方面的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣泛發(fā)展。為了能夠在無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)裝置之間進(jìn)行無線通信，各個(gè)裝置必須配備有接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、或收發(fā)信機(jī)、以及天線，此天線要能夠有效地輻射/接收向/自網(wǎng)絡(luò)中其它裝置傳輸?shù)男盘?hào)。
常規(guī)的MMW(毫米波)無線電通信系統(tǒng)典型地由分立元件構(gòu)成，這些分立元件以低的集成度被獨(dú)立地包封和/或安裝在印刷電路板、封裝件、或襯底上。例如，典型地利用在各個(gè)半導(dǎo)體芯片(RF集成電路)之間以及半導(dǎo)體芯片與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)天線之間提供電連接的昂貴而臃腫的波導(dǎo)和/或封裝級(jí)或板級(jí)微帶結(jié)構(gòu)，來建造MMW無線電通信系統(tǒng)。
然而，對(duì)于提供高性能、高數(shù)據(jù)傳輸速率、高容量(high-volume)、低功耗、低成本、以及重量輕的解決辦法的具有集成的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)/收發(fā)信機(jī)以及天線系統(tǒng)的更緊湊的無線電通信系統(tǒng)，存在著日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。實(shí)際上，目前的通信系統(tǒng)確實(shí)需要提供大帶寬和高效率工作特性的高性能天線系統(tǒng)。隨著工作頻率上升，常規(guī)波導(dǎo)前端的制造和裝配變得更為困難。關(guān)于這一點(diǎn)，結(jié)合更高工作頻率的要求而在半導(dǎo)體制造和封裝技術(shù)中的革新，已經(jīng)使得用來集成RF集成電路與天線以提供高度集成的無線電通信系統(tǒng)變得實(shí)際可行。
但由于集成度增大，獲得高性能系統(tǒng)的能力就變得更成問題，特別是在毫米波的頻率下，其中，集成天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和EM特性將決定可獲得的系統(tǒng)性能。對(duì)于高集成度設(shè)計(jì)，典型地對(duì)天線的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)折衷(例如天線帶寬與效率之間的折衷)。

發(fā)明內(nèi)容
通常，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案包括用來集成封裝天線與半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片的裝置和方法，以便提供包括例如語音通信、數(shù)據(jù)通信、雷達(dá)應(yīng)用的毫米波應(yīng)用的高度集成的高性能無線電/無線通信系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案包括用來構(gòu)造緊湊的具有IC芯片的無線通信模塊的裝置和方法，這些IC芯片具有集成的接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、或收發(fā)信機(jī)電路和/或其它芯片上RF元件或電路、以及由IC芯片的BEOL(后端線工藝)金屬化結(jié)構(gòu)集成構(gòu)成的平面天線。
在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，電子裝置包括金屬封裝框架和IC(集成電路)芯片以及非金屬封裝蓋子。此IC芯片包含有源電路區(qū)和天線區(qū)，其中，天線區(qū)包含集成制作成IC芯片BEOL(后端線工藝)金屬化結(jié)構(gòu)一部分的天線。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬封裝框架包含具有芯片安裝表面的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，其中，IC芯片被安裝到芯片安裝表面，使IC芯片的天線區(qū)延伸通過芯片安裝表面的邊緣。而且，IC芯片的天線區(qū)被設(shè)置在金屬封裝框架的空腔區(qū)上，其中，空腔區(qū)包含金屬底部和側(cè)壁表面。此空腔可以用空氣或介質(zhì)材料填充。此空腔區(qū)可以包括拋物柱面反射器(parabolic reflector)。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案中，IC芯片可以包括形成在有源電路區(qū)與天線區(qū)之間的集成反射元件，以便降低耦合到有源電路區(qū)的輻射。
在本發(fā)明的再一示例性實(shí)施方案中，半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片包括半導(dǎo)體襯底，此半導(dǎo)體襯底包含有源器件區(qū)和天線區(qū)。此天線區(qū)包含集成制作為BEOL(后端線工藝)金屬化一部分的Yagi天線。此Yagi天線包含反射元件、饋電偶極子元件、以及導(dǎo)向元件，其中，反射元件被設(shè)置在饋電偶極子元件與有源器件區(qū)之間，且其中，Yagi天線在半導(dǎo)體襯底的水平面內(nèi)沿有源器件區(qū)到天線區(qū)邊緣的方向定向。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案中，天線區(qū)可以包含多個(gè)形成線性天線陣列的Yagi天線。有源器件區(qū)可以包括成束電路，此成束電路經(jīng)由集成天線饋電網(wǎng)絡(luò)而被連接到線性陣列中各個(gè)Yagi天線，以便控制線性Yagi天線陣列產(chǎn)生的輻射圖形。
在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案中，具有集成線性Yagi天線陣列的IC芯片，可以被安裝到具有集成拋物柱面反射器的低成本鋁封裝件中，以便構(gòu)成低成本的汽車?yán)走_(dá)模塊。數(shù)字成束技術(shù)可以被用來得到所希望的水平角分辨率，而利用此拋物柱面反射器能夠得到(如某些雷達(dá)應(yīng)用所要求的)窄的垂直束寬度。
從結(jié)合附圖的示例性實(shí)施方案的下列詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些或其它示例性實(shí)施方案、方面、特點(diǎn)、以及優(yōu)點(diǎn)將得到描述或變得明顯。


圖1是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖2是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖3是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖4是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖5是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖6是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖7是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖8是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖9是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置。
圖10是曲線圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的計(jì)算機(jī)模擬的天線系統(tǒng)的模擬回波損耗。
圖11和12是曲線圖，分別示出了計(jì)算機(jī)模擬的天線系統(tǒng)的模擬水平和垂直輻射圖形。
具體實(shí)施例方式
通常，此處所述的本發(fā)明的示例性實(shí)施方案包括用來集成封裝天線與半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片的裝置和方法，以便提供包括例如語音通信、數(shù)據(jù)通信、雷達(dá)應(yīng)用的毫米波應(yīng)用的高度集成的高性能無線電/無線通信系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案包括用來構(gòu)造其中集成封裝了天線系統(tǒng)與IC芯片的緊湊的無線通信模塊的裝置和方法，這些IC芯片具有集成的接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、或收發(fā)信機(jī)電路。例如，本發(fā)明的示例性實(shí)施方案(諸如下面參照?qǐng)D1-2和7-9所述的)包括無線通信模塊，該模塊包括具有芯片上有源RF電路和集成制作為IC芯片的BEOL(后端線工藝)金屬化結(jié)構(gòu)一部分的平面天線的IC芯片。在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施方案(諸如下面參照?qǐng)D3-6所述的)中，通過對(duì)具有芯片上有源RF電路的IC芯片與形成在分立的半導(dǎo)體/介質(zhì)襯底上的平面天線一起進(jìn)行封裝，構(gòu)成無線通信模塊。
要理解的是，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的無線通信模塊提供了用于毫米波應(yīng)用的緊湊的高性能低成本設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案，當(dāng)具有RF有源電路的IC芯片與平面天線集成封裝時(shí)，考慮到了諸如封裝件結(jié)構(gòu)/布局以及封裝件元件材料之類的各種因素，以便得到所希望的集成度和系統(tǒng)性能。例如，對(duì)于形成在半導(dǎo)體/介質(zhì)襯底上的平面天線，諸如帶寬和效率之類的天線特性將取決于襯底材料以及周圍的結(jié)構(gòu)/材料。
舉例來說，對(duì)于給定的工作頻率，平面天線的帶寬-效率乘積將取決于諸如襯底材料的介電常數(shù)和介電損耗正切(dielectric losstangent)之類的性能。通常，天線效率(即天線輻射的功率與輸入到天線的功率之間的關(guān)系的一種度量)將由于較高的介質(zhì)電阻損耗(dielectric resistive losses)和阻抗失配而降低。而且，帶寬-效率乘積受到襯底材料介電常數(shù)的影響。通常，當(dāng)平面天線制造在介質(zhì)襯底上時(shí)，EM功率能夠被耦合到襯底中，導(dǎo)致功率損耗。實(shí)際上，對(duì)于高介電常數(shù)的襯底，電磁波容易駐留在襯底材料中，導(dǎo)致襯底波和表面波沿半導(dǎo)體管芯形成，這可以使大量的能量被反饋到具有芯片上天線設(shè)計(jì)的IC電路中。采用介電常數(shù)較低的襯底材料，導(dǎo)致較高的帶寬-效率乘積。
而且，當(dāng)構(gòu)造具有集成天線的緊湊的無線通信模塊時(shí)，天線性能會(huì)取決于天線結(jié)構(gòu)和封裝件結(jié)構(gòu)以及設(shè)置在天線附近的元件的材料而變化。關(guān)于這一點(diǎn)，應(yīng)該考慮封裝件布局來設(shè)計(jì)天線。芯片上天線的另一因素是管芯成本。由于用來制造MMW電路的半導(dǎo)體工藝的管芯區(qū)域(GaAs、InP、SiGe、性能非常高的CMOS)非常昂貴，故最小化天線所需面積的尺寸是可取的(小的天線尺寸是高度優(yōu)選的)。而且，為了高的可重復(fù)性、堅(jiān)固(robustness)、以及低生產(chǎn)成本，希望提供能夠用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造和芯片封裝技術(shù)來構(gòu)造的緊湊的無線通信模塊。
下面參照附圖中所示示例性實(shí)施方案來更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案的無線通信模塊，這些模塊的設(shè)計(jì)考慮了上述各因素，同時(shí)采用了標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造和封裝技術(shù)來提供用于毫米波應(yīng)用的緊湊、高性能、低成本解決方法。
圖1是示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的一種裝置。更具體地說，圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來封裝具有集成制作為BEOL金屬化一部分的一個(gè)或更多個(gè)天線的IC芯片的裝置(10)(即無線通信模塊)的示意側(cè)視圖。參照?qǐng)D1，裝置(10)包含用作封裝框架結(jié)構(gòu)的金屬封裝基底(11)。封裝基底(11)可以是例如用已知方法制造的引線封裝框架或非引線封裝框架。封裝基底(11)包含一個(gè)抬高的部分即臺(tái)面型結(jié)構(gòu)(11a)。半導(dǎo)體管芯(12)(或IC芯片)被安裝在臺(tái)面結(jié)構(gòu)(11a)的上表面上。IC芯片(12)包含天線區(qū)(12a)和有源器件區(qū)(12b)。天線區(qū)(12a)包含集成制作在IC芯片(12)的有源表面上的一個(gè)或更多個(gè)平面天線。有源器件區(qū)(12b)包含各種集成電路器件和元件，例如接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、收發(fā)信機(jī)之類。
IC芯片(12)被背面安裝(環(huán)氧樹脂、焊料等)到抬高的臺(tái)面結(jié)構(gòu)(11a)，使IC芯片(12)的天線區(qū)(12a)延伸通過臺(tái)面(11a)的表面邊緣并設(shè)置在空腔區(qū)(13)上方。空腔(13)的底部表面(13a)用作反射器，以便確保能量不被輻射到在其上安裝模塊(10)的板中。此反射器有效地將天線輻射限制到天線上方的上半球，從而能夠得到穩(wěn)定的天線工作?？涨?13)被金屬壁(14)環(huán)繞。如圖1所示，金屬底部表面(13a)和壁(14)防止了輻射損耗，并確保了天線輻射R沿上半球中的某些方向輻射。
裝置(10)還包含在IC芯片(12)的有源表面上的鍵合焊點(diǎn)與適當(dāng)?shù)姆庋b件引線(16)之間提供(I/O信號(hào)和功率)電連接的線鍵合(15)。此封裝件結(jié)構(gòu)被包封層(17)包封。可以用介電損耗小的任何適當(dāng)材料來形成包封層(17)。包封材料(17)應(yīng)該具有小的介電損耗，以便得到有效的天線輻射，但要對(duì)IC芯片(12)和鍵合線(15)提供足夠的保護(hù)。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案中，包封劑或蓋子(17)可以被設(shè)計(jì)為具有諸如透鏡或其它適當(dāng)結(jié)構(gòu)之類的成束結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施方案中，為了例如降低從天線耦合到有源器件的EM以及提高沿所希望的方向的輻射或波傳播，可以在天線區(qū)(12a)中或在天線區(qū)(12a)與器件區(qū)(12b)之間形成反射器和/或束成形圖形。這些圖形被設(shè)計(jì)來限制沿天線襯底平面方向傳播的表面/襯底波的影響。這些圖形可以被設(shè)計(jì)來提供沿所希望的平行于和/或垂直于天線襯底的方向更大的增益/輻射，和/或抑制沿平行于襯底到有源器件區(qū)(12b)的方向的輻射或波傳播。
圖2示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來封裝天線和IC芯片的電子裝置(20)。除了電子裝置(20)包含封裝蓋(27)(或封裝帽)之外，圖2的電子裝置(20)具有相似于圖1的電子裝置(10)的結(jié)構(gòu)。封裝蓋(27)優(yōu)選由諸如聚丙烯、聚酰亞胺、或其它適當(dāng)材料之類的低損耗材料組成。對(duì)于這種實(shí)施方案，與圖1裝置(10)中天線區(qū)(12a)被埋置在包封材料中相反，天線區(qū)(12a)被空氣或真空環(huán)繞。在另一示例性實(shí)施方案中，蓋(27)可以被設(shè)計(jì)成具有諸如透鏡或其它適當(dāng)結(jié)構(gòu)的成束結(jié)構(gòu)。
要理解的是，圖1和2的示例性無線通信模塊可以被設(shè)計(jì)來優(yōu)化系統(tǒng)性能并用標(biāo)準(zhǔn)的芯片制造和封裝方法來構(gòu)成以便降低制造成本和提高成品率。例如，IC芯片(12)可以由MMW頻率下介電常數(shù)比較大且介電損耗小的半導(dǎo)體材料(諸如硅、GaAs、InP、或其它現(xiàn)有或諸如GaN之類的未來半導(dǎo)體材料)組成。采用介電損耗低的材料，提供了更高的天線效率。
而且，采用介電常數(shù)大的襯底材料，對(duì)于天線的給定工作頻率，減小了介質(zhì)波長(zhǎng)(與自由空間波長(zhǎng)相比)，這使得能夠顯著地減小給定工作頻率的天線尺寸。對(duì)于芯片上天線的設(shè)計(jì)，天線尺寸的減小，使天線區(qū)(12a)所需的管芯面積減為最小，從而增大了器件區(qū)(12b)中有源器件的可用管芯面積。以這種方式，對(duì)于具有分立天線區(qū)和器件區(qū)的芯片，總的芯片面積能夠被減為最小。有利的是，通過在諸如GaAs和InP的大介電常數(shù)襯底上制作芯片上天線，能夠得到毫米波應(yīng)用下的總體系統(tǒng)效率，從而能夠以單片方式得到天線元件和發(fā)射機(jī)/接收機(jī)模塊的高度集成。因此，能夠用芯片上天線來構(gòu)成MMIC(微波單片集成電路)裝置。
而且，由于大介電常數(shù)襯底以及諸如反射器或成束圖形之類的各種結(jié)構(gòu)而耦合到有源器件區(qū)的EM，能夠被形成在天線區(qū)(12a)與有源器件區(qū)(12b)之間，從而最小化或防止了EM從天線區(qū)(12a)耦合到有源器件區(qū)(12b)。
利用標(biāo)準(zhǔn)的BEOL加工技術(shù)來構(gòu)造天線區(qū)(12a)中的平面天線(以及天線饋電和其它結(jié)構(gòu))，能夠精確且可重復(fù)地形成小尺寸天線(以及其它結(jié)構(gòu))，這是達(dá)到低成本和高成品率大規(guī)模生產(chǎn)所要求的。取決于所需應(yīng)用和/或工作頻率，天線區(qū)(12a)可以包含一個(gè)或更多個(gè)任何適當(dāng)類型的天線，此天線被圖形化成BEOL金屬化層的一部分，諸如偶極子天線、折疊偶極子天線、環(huán)形天線、正交回路天線、片型天線、共平面片型天線、單極天線等，以及一種或更多種不同類型的天線饋電和/或阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，諸如平衡差分線路、共平面線路等。舉例來說，天線區(qū)(12a)可以包括圖7和8所述的Yagi天線裝置，下面將詳細(xì)地進(jìn)行解釋。
而且，將具有天線區(qū)(12a)的芯片(12)安裝在空腔(13)上，使天線區(qū)(12a)能夠被低損耗材料環(huán)繞，以便最小化對(duì)天線性能的影響。如上所述，可以用空氣(介電常數(shù)＝1)填充空間/空腔(13)(圖2)，或用低損耗包封材料(諸如泡沫材料)來填充。
在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施方案中，可以用圖1和2的IC芯片(12)來構(gòu)造無線通信模塊，其中，IC芯片(12)被安裝到金屬表面而不在空腔上方設(shè)置天線區(qū)(12a)，其中，金屬表面用作天線的反射器。但取決于襯底材料和BEOL介質(zhì)材料的類型/厚度，這種設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致更低的帶寬-效率乘積(例如窄帶工作和/或較低的效率)，對(duì)于某些應(yīng)用，這是可以接受的。
在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施方案中，例如如圖3-6的示意圖所述，通過對(duì)IC芯片與形成在安裝到IC芯片的分立襯底上的平面天線進(jìn)行封裝，能夠構(gòu)成緊湊的無線通信模塊。舉例來說，圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置(30)的示意圖。通常，裝置(30)包含用作封裝框架結(jié)構(gòu)的金屬封裝基底(31)。半導(dǎo)體管芯(32)(或IC芯片)被安裝在封裝基底(31)的上表面上。IC芯片(32)可以包含各種集成電路，諸如接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、收發(fā)信機(jī)等。IC芯片(32)可以由任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料組成。
半導(dǎo)體襯底(33)經(jīng)由鍵合球連接(34)(例如C4)被安裝到IC芯片(32)。襯底(33)包含具有一個(gè)或更多個(gè)平面天線的天線區(qū)(33a)。襯底(33)被安裝到IC芯片(32)，使天線區(qū)(33a)延伸通過IC芯片(32)的表面邊緣，并被設(shè)置成離基底(31)的金屬表面(31a)一定距離，在表面(31a)與襯底(33)的底部之間形成一個(gè)空間S。金屬表面(31a)用作天線的反射器，以便將天線的輻射限制在天線上方的上半球。
裝置(30)還包含在IC芯片(32)有源表面上的鍵合焊點(diǎn)與適當(dāng)?shù)姆庋b件引線(36)之間提供(I/O信號(hào)和功率的)電連接的線鍵合(35)。此封裝件結(jié)構(gòu)被包封層(37)包封。可以用介電損耗小和介電常數(shù)低的任何適當(dāng)材料來形成包封層(37)。包封材料(37)應(yīng)該具有小的介電損耗，以便得到有效的天線輻射，但要對(duì)IC芯片(32)、鍵合線(35)、以及天線襯底(33)提供足夠的保護(hù)。
圖4示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來封裝天線和IC芯片的電子裝置(40)。除了電子裝置(40)包含封裝蓋(47)(或封裝帽)之外，圖4的電子裝置(40)具有相似于圖3的電子裝置(30)的結(jié)構(gòu)。封裝蓋(47)優(yōu)選由諸如聚酰亞胺或其它適當(dāng)材料之類的低損耗材料組成。對(duì)于這種實(shí)施方案，與圖3裝置(30)中天線區(qū)被埋置在包封材料中相反，天線區(qū)(33a)被空氣或真空環(huán)繞。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來封裝天線和IC芯片的電子裝置(50)的示意側(cè)視圖。通常，裝置(50)包含用作封裝框架結(jié)構(gòu)的平面金屬封裝基底(51)。半導(dǎo)體管芯(52)(或IC芯片)經(jīng)由鍵合球連接(54)(例如C4)被正面(或倒裝)安裝到承載襯底(53)。承載襯底(53)被鍵合到金屬基底(51)。承載襯底(53)提供了向/自IC芯片(52)的I/O電連接的空間轉(zhuǎn)換。襯底(53)包含其上形成有一個(gè)或更多個(gè)平面天線的天線區(qū)(53a)。襯底(53)還包含其它的金屬化結(jié)構(gòu)，包括通道孔、傳輸線、天線饋電等。IC芯片(52)被安裝到承載襯底(53)，使天線區(qū)(53a)不被IC芯片(52)重疊。利用這種設(shè)計(jì)，封裝基底(51)用作天線的反射基底平面，使天線輻射R能夠沿上半球中的某些方向輻射而不被IC芯片(52)阻擋。裝置(50)還包含在襯底(53)上的鍵合焊點(diǎn)與適當(dāng)?shù)姆庋b件引線(56)之間提供(I/O信號(hào)和功率)電連接的線鍵合(55)。此封裝件結(jié)構(gòu)被包封層(57)包封?？梢杂媒殡姄p耗小和介電常數(shù)低的任何適當(dāng)材料來形成包封層(57)。包封材料(57)應(yīng)該具有小的介電損耗，以便得到有效的天線輻射，但要對(duì)IC芯片(52)、鍵合線(55)、以及天線襯底(53)提供足夠的保護(hù)。
圖6示意地示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的電子裝置(60)。除了電子裝置(60)包含封裝蓋(67)(或封裝帽)之外，圖6的電子裝置(60)具有相似于圖5的電子裝置(50)的結(jié)構(gòu)。封裝蓋(67)優(yōu)選由諸如聚酰亞胺或其它適當(dāng)材料之類的低損耗材料組成。對(duì)于這種實(shí)施方案，與圖5裝置(50)中天線區(qū)被埋置在包封材料中相反，天線區(qū)(53a)被空氣或真空環(huán)繞。
對(duì)于圖3-6的示例性實(shí)施方案，各平面天線被形成在分立的天線襯底(33，53)上，這提供了更多的設(shè)計(jì)靈活性，但集成度更低(與圖1和2的芯片上天線架構(gòu)相比)。例如，利用分立的天線襯底顯著地最小化或防止了從天線耦合到有源電路器件的EM。而且，能夠獨(dú)立地選擇芯片襯底和天線襯底，使具有所需性質(zhì)的不同襯底能夠被使用，從而優(yōu)化了給定應(yīng)用的系統(tǒng)性能。例如，取決于用途，各IC芯片可以由諸如高電阻率的硅或GaAs之類的半導(dǎo)體材料組成，而天線襯底可以由任何適當(dāng)材料組成，例如包括諸如熔融氧化硅(SiO2)、氧化鋁、聚苯乙烯、陶瓷、特氟龍基襯底、FR4等的介電或絕緣材料，或者諸如硅之類的半導(dǎo)體材料。
而且，可以用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造和封裝技術(shù)來形成圖3-6的示例性結(jié)構(gòu)，以便能夠進(jìn)行低成本高成品率的大規(guī)模生產(chǎn)。例如，利用本技術(shù)領(lǐng)域一般熟練人員所知的標(biāo)準(zhǔn)方法，平面天線、天線饋電、傳輸線、通道等可以被形成在天線襯底上。
圖7示意地示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施方案的用來集成封裝天線和IC芯片的裝置(70)。具體地，圖7是無線通信模塊(70)的俯視平面圖，此無線通信模塊(70)包含IC芯片，此IC芯片具有集成制作為BEOL金屬化工藝一部分的芯片上平面天線。裝置(70)包含安裝襯底(71)和IC芯片(72)。IC芯片(72)包含天線區(qū)(72a)和有源器件區(qū)(72b)，其中，IC芯片(72)被背面安裝到襯底(71)，使天線區(qū)(72a)延伸通過襯底(71)的表面邊緣。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，裝置(70)例如具有基于圖1或2所示的結(jié)構(gòu)，其中，安裝襯底(71)是封裝基底(11)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)(11a)。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施方案中，襯底(71)可以是例如安裝到封裝基底的承載襯底。IC芯片(72)包含形成在有源器件區(qū)(12b)表面上的多個(gè)鍵合焊點(diǎn)(74)，這些鍵合焊點(diǎn)(74)例如用鍵合線(73)被連接到承載襯底上的相應(yīng)鍵合位置(75)或封裝引線。有源器件區(qū)(72b)可以包含各種MMW功能以及信號(hào)發(fā)生和上/下轉(zhuǎn)換，例如采用鍵合線(73)從管芯取出的I/O信號(hào)。
在圖7的示例性實(shí)施方案中，天線區(qū)(72a)包含集成制作為IC芯片(72)BEOL結(jié)構(gòu)的上部金屬化一部分的平面Yagi天線。此平面Yagi天線包含由天線饋電(77)來饋電而被驅(qū)動(dòng)的偶極子天線(76)以及包括反射元件(78)和導(dǎo)向元件(79)的多個(gè)寄生元件。
天線饋電(77)可以是差分共平面帶狀線，利用具有交叉信號(hào)線的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器(balun)，此帶狀線被連接到器件區(qū)(72b)中的有源電路，以便得到單端饋電。在另一示例性實(shí)施方案中，差分帶狀線可以被直接連接到差分(例如推挽)功率放大電路的差分輸入。
正如標(biāo)準(zhǔn)Yagi天線那樣，導(dǎo)向器(79)被形成為稍許短于饋電偶極子(76)。寄生元件(78)和(79)提供了到天線的方向性。更具體地說，在圖7的示例性實(shí)施方案中，平面Yagi天線在水平面(XY平面)內(nèi)沿垂直于偶極子(76)縱軸(y軸)的正x軸定向。換言之，由于饋電(76)與導(dǎo)向器(79)和反射器(78)的格局(constellation)，大部分輻射能量被導(dǎo)向遠(yuǎn)離有源器件區(qū)(72b)的天線區(qū)(72a)的邊緣。利用這種示例性設(shè)計(jì)，有源器件區(qū)(72b)被置于反射器(78)后面，以便最小化EM能量從天線耦合回來。
天線區(qū)(72a)的管芯面積由a×w給定，而反射器(78)后面的有源電路區(qū)(72b)的管芯面積由b×w表示。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，IC芯片(72)由介電常數(shù)大且損耗正切小的半導(dǎo)體襯底材料(例如高電阻率的硅、GaAs、或InP等)組成。當(dāng)IC芯片(72)由介電常數(shù)大的襯底材料組成時(shí)，天線尺寸能夠被制作成沿管芯(72)的天線區(qū)(72a)邊緣小于0.1自由空間波長(zhǎng)×0.5自由空間波長(zhǎng)(例如小于0.4mm×2mm＠77GHz)。天線所需的少量管芯面積使得能夠?qū)?duì)于典型收發(fā)信機(jī)足夠多的更多的管芯面積分配到有源器件區(qū)(72b)。利用這種設(shè)計(jì)，示例性天線能夠得到寬的(例如5％)帶寬同時(shí)具有高的效率。
為了確定根據(jù)本發(fā)明的芯片上天線設(shè)計(jì)的電學(xué)性質(zhì)和特性，利用從Ansoft得到的市售HFSSTM，對(duì)圖7的示例性天線進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。如本技術(shù)領(lǐng)域所知，HFSSTM是一種用于RF、無線、封裝、以及光電子設(shè)計(jì)的三維EM模擬軟件工具。關(guān)于模擬，對(duì)具有標(biāo)準(zhǔn)熔融二氧化硅(SiO2)基BEOL且具有50Ω輸入阻抗以及大約78GHz諧振頻率的高電阻率硅(1kΩcm)襯底，構(gòu)建了類似于圖7所示的單元件Yagi天線模型。此天線在無封裝的自由空間內(nèi)被模擬。模擬的結(jié)果被示于圖10-12。
具體地，圖10圖示了模型天線的模擬回波損耗，具體地對(duì)70-85GHz頻率范圍按單位dB表示的模擬回波損耗。圖10中的模擬結(jié)果顯示出78GHz的中心頻率和大約4GHz的寬的帶寬(76-80GHz)，其中，帶寬根據(jù)S11被測(cè)量為大約-10dB或更好的頻率范圍來定義。
而且，圖11和12分別示出了被模擬天線的被模擬的水平和垂直輻射圖形。圖11和12所示的輻射圖形假設(shè)了圖7所示的笛卡兒坐標(biāo)系，其中，Z軸沿垂直于襯底平面的方向延伸(在襯底上方正Z方向)，其中，x軸在垂直于饋電偶極子(76)縱軸的方向沿襯底平面延伸(正x沿離開天線區(qū)邊緣的方向)，且其中，y軸在平行于饋電偶極子(76)縱軸的方向沿襯底平面延伸。
圖11示出了極坐標(biāo)中的水平輻射圖形(XY平面)，其中，能量被聚焦在0度處的所希望的方向上(亦即正X方向)。圖12示出了由ZY平面(＝90度)和ZX平面(＝0度)所定義的垂直平面的極坐標(biāo)中的模擬的垂直輻射圖形，其中0度代表正z方向，90度代表正x方向，而180度代表負(fù)z方向。在圖12中，顯示出在ZY平面和ZX平面內(nèi)存在著最小輻射，能量被聚焦在所希望的方向(亦即正x方向)上。
圖8示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來封裝天線和IC芯片的電子裝置(80)。具體地，圖8是封裝結(jié)構(gòu)相似于圖7所示但包括芯片上線性天線陣列的電子模塊的俯視平面圖，該芯片上線性天線陣列采用多個(gè)圖7所示Yagi天線形成。在圖8中，裝置(80)包含安裝襯底(81)以及具有天線區(qū)(82a)和有源器件區(qū)(82b)的IC芯片(82)，且其中，IC芯片(82)被背面安裝到襯底(81)，使天線區(qū)(82a)延伸通過襯底(81)的表面邊緣。多個(gè)鍵合焊點(diǎn)(84)形成在有源器件區(qū)(82b)的表面上，采用鍵合線(83)連接到相應(yīng)的鍵合位置(85)或引線。
在本示例性實(shí)施方案中，天線區(qū)(82a)包含采用諸如圖7所示的多個(gè)Yagi天線形成的線性天線陣列。具體地，此天線陣列包含由各自天線饋電(87a)和(87b)饋電的二個(gè)偶極子天線(86a)和(86b)，以及多個(gè)寄生元件。這些寄生元件包含細(xì)長(zhǎng)的反射器(88)(其中，各個(gè)Yagi天線的分立反射器可以被組合)以及多個(gè)導(dǎo)向器(89a)和(89b)，它們提供了天線的方向性。當(dāng)IC芯片襯底由介電常數(shù)比較大的材料(例如GaAs)組成時(shí)，偶極子(87a)和(87b)的長(zhǎng)度能夠小于自由空間中波長(zhǎng)的1/2。關(guān)于這一點(diǎn)，對(duì)于要被安放成沿天線區(qū)(82a)邊緣相距1/2波長(zhǎng)以形成元件的線性陣列的天線元件，在天線區(qū)(82a)中存在著足夠的管芯面積。雖然在圖8中示出了二個(gè)元件，但取決于應(yīng)用和可得到的管芯面積，線性天線陣列可以由任何數(shù)目的元件組成。
在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，可以在要求一定天線圖形的各種成束應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)圖8的芯片上線性天線陣列。例如，在圖8的示例性實(shí)施方案中，天線饋電線(87a)和(87b)可以被連接到芯片上饋電網(wǎng)絡(luò)，以便硬編碼(hard code)所希望的天線圖形。在另一示例性實(shí)施方案中，如本技術(shù)領(lǐng)域一般熟練人員理解的那樣，各個(gè)天線可以被連接到反射器(88)后面的芯片有源區(qū)中的分立的發(fā)射機(jī)或接收機(jī)，以便能夠進(jìn)行數(shù)字成束。
在下面參照?qǐng)D9所述的另一示例性實(shí)施方案中，諸如圖8所示的具有芯片上線性天線陣列的IC芯片，可以被安裝到具有集成的拋物柱面反射器的低成本鋁封裝件中，從而構(gòu)成低成本的汽車?yán)走_(dá)模塊。在這種實(shí)施方案中，數(shù)字成束技術(shù)可以被用來得到所希望的水平角度分辨率，同時(shí)通過拋物柱面反射器得到(某些雷達(dá)應(yīng)用中所要求的)窄的垂直束寬度。
舉例來說，圖9示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施方案的用來集成封裝IC芯片以形成雷達(dá)模塊的裝置(90)。具體地，圖9是電子裝置(90)的示意側(cè)視圖，此電子裝置(90)包含圖8所述的IC芯片(82)和承載襯底(81)。裝置(90)包含(可以由鋁組成的)金屬封裝基底(91)。拋物柱面反射器(92)被設(shè)置在封裝基底(91)的一側(cè)上。反射器(92)可以被集成制作為封裝基底材料的一部分，或獨(dú)立形成和安裝在封裝件(90)中。裝置(90)包含封裝蓋子(93)(或封裝帽)，此封裝蓋子(93)由諸如聚酰亞胺之類的低損耗材料或在感興趣的工作頻率下基本上透明的其它適當(dāng)?shù)牟牧辖M成。
如上面參照?qǐng)D8所述，具有集成的Yagi天線陣列的IC芯片(82)被直接安裝到載體(81)上，使天線區(qū)(82a)延伸通過載體(81)的邊緣。此載體(81)可以是PC板，但在板技術(shù)的公差不允許這樣做的情況下，載體(81)可以是安裝到第二載體/板(94)的一個(gè)中間板/載體。芯片(82)的I/O信號(hào)經(jīng)由鍵合線(83)被連接到板/載體(81)。球形罩材料(glob top material)(95)被形成在芯片(82)的器件區(qū)和鍵合線(83)上，以便提供保護(hù)。雷達(dá)系統(tǒng)的各種控制電路和電源電路可以被安裝在PC板(94)上。圖9的示例性封裝件架構(gòu)最小化了封裝件的厚度T，對(duì)于諸如汽車?yán)走_(dá)產(chǎn)品之類的某些應(yīng)用，這是一個(gè)關(guān)鍵的尺度。
要理解的是，圖9的示例性雷達(dá)模塊提供了低成本的緊湊而靈活的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)能夠被用于各種軍用和民用雷達(dá)中。此示例性雷達(dá)模塊能夠在水平面和垂直面內(nèi)都得到幾度的非常窄的束寬度。在水平面內(nèi)，線性陣列中的各個(gè)Yagi天線元件能夠一起提供比較寬的束，且數(shù)字成束技術(shù)能夠被用來得到水平面內(nèi)所希望的角度分辨率。而且，取決于用途，反射器可以被設(shè)計(jì)來提供所要求的垂直方向上的方向性。圖9的示例性雷達(dá)模塊特別適合于要求低成本緊湊雷達(dá)裝置的汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用。這種汽車?yán)走_(dá)裝置能夠被用于各種用途，諸如測(cè)距(例如汽車前部或后部到物體的距離)、路旁探測(cè)、和/或側(cè)面氣囊啟動(dòng)或者轉(zhuǎn)向輔助。而且，此靈活設(shè)計(jì)能夠被用來得到汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用所期待的更高的水平角度分辨率，同時(shí)覆蓋更廣闊的方位角范圍。
要理解的是，上述圖1-9所述的示例性電子裝置能夠用各種芯片制造和封裝技術(shù)來構(gòu)造，且本發(fā)明不局限于此處所述的任何一種特定的芯片制造和封裝技術(shù)。
雖然此處參照用于說明目的的附圖已經(jīng)描述了各個(gè)示例性實(shí)施方案，但要理解的是，本發(fā)明不局限于這些實(shí)施方案，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可以作出各種其它的改變和修正而不偏離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電子裝置，包括金屬封裝框架；IC(集成電路)芯片，此IC芯片包括有源電路區(qū)和天線區(qū)，其中，天線區(qū)包括集成制作為IC芯片的BEOL(后端線工藝)金屬化結(jié)構(gòu)一部分的天線；以及非金屬封裝蓋子。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中，金屬封裝框架包括具有芯片安裝表面的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，其中，IC芯片被安裝到芯片安裝表面，使IC芯片的天線區(qū)延伸通過芯片安裝表面的邊緣。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中，IC芯片的天線區(qū)被設(shè)置在金屬封裝框架的空腔區(qū)上，其中，空腔區(qū)包括金屬底部和側(cè)壁表面。
4.權(quán)利要求3的裝置，其中，空腔用介質(zhì)材料填充。
5.權(quán)利要求4的裝置，其中，介質(zhì)材料是形成封裝蓋子的包封劑材料。
6.權(quán)利要求3的裝置，其中，空腔用空氣填充。
7.權(quán)利要求3的裝置，其中，空腔區(qū)包括拋物面反射器。
8.權(quán)利要求1的裝置，還包括安裝到金屬封裝框架的襯底，其中，IC芯片被安裝到襯底，使IC芯片的天線區(qū)延伸通過襯底的邊緣并被設(shè)置在金屬封裝框架的金屬表面上。
9.權(quán)利要求1的裝置，其中，金屬封裝框架包括引線封裝框架。
10.權(quán)利要求1的裝置，其中，金屬封裝框架包括非引線封裝框架。
11.權(quán)利要求1的裝置，其中，IC芯片包括形成在有源電路區(qū)與天線區(qū)之間的反射元件，以便降低耦合到有源電路區(qū)的輻射。
12.權(quán)利要求1的裝置，其中，天線包括YAGI天線，此YAGI天線包括反射元件、饋電偶極子元件、以及導(dǎo)向元件。
13.權(quán)利要求1的裝置，其中，天線區(qū)包括線性天線陣列。
14.權(quán)利要求1的裝置，其中，IC芯片包括集成制作的天線饋電網(wǎng)絡(luò)。
15.權(quán)利要求1的裝置，其中，IC芯片包括集成的無線電接收電路。
16.權(quán)利要求1的裝置，其中，IC芯片包括集成的無線電發(fā)射電路。
17.權(quán)利要求1的裝置，其中，IC芯片包括集成的無線電收發(fā)二用電路。
18.權(quán)利要求1的裝置，其中，天線的諧振頻率約為30GHz或以上。
19.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述裝置包括雷達(dá)模塊。
20.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述裝置包括用于數(shù)據(jù)通信的無線通信模塊。
21.權(quán)利要求1的裝置，其中，所述裝置包括用于語音通信的無線通信模塊。
22.一種半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片，包括半導(dǎo)體襯底，此半導(dǎo)體襯底包括有源器件區(qū)和天線區(qū)；其中，天線區(qū)包括集成制作為BEOL(后端線工藝)金屬化一部分的Yagi天線；其中，Yagi天線包括反射元件、饋電偶極子元件、以及導(dǎo)向元件，其中，反射元件被設(shè)置在饋電偶極子元件與有源器件區(qū)之間，且其中，Yagi天線沿有源器件區(qū)到天線區(qū)邊緣的方向在半導(dǎo)體襯底的水平面內(nèi)定向。
23.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，半導(dǎo)體襯底由高電阻率的硅組成。
24.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，半導(dǎo)體襯底由GaAs組成。
25.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，半導(dǎo)體襯底由InP組成。
26.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，有源器件區(qū)包括IC接收電路。
27.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，有源器件區(qū)包括IC發(fā)射電路。
28.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，有源器件區(qū)包括IC收發(fā)二用電路。
29.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，天線區(qū)包括多個(gè)形成線性天線陣列的Yagi天線。
30.權(quán)利要求22的IC芯片，其中，有源器件區(qū)包括成束電路，用來控制線性天線陣列所產(chǎn)生的輻射圖形。
31.權(quán)利要求22的IC芯片，還包括連接到線性天線陣列中各個(gè)Yagi天線元件的天線饋電網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
提供了一種用來集成封裝天線與半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片的裝置和方法，以便為包括例如語音通信、數(shù)據(jù)通信、以及雷達(dá)應(yīng)用的毫米波應(yīng)用提供高度集成的高性能無線電/無線通信系統(tǒng)。例如，采用IC芯片構(gòu)成無線通信模塊，所述IC芯片具有接收機(jī)/發(fā)射機(jī)/收發(fā)信機(jī)集成電路和由IC芯片的BEOL(后端線工藝)金屬化結(jié)構(gòu)集成構(gòu)成的平面天線。
文檔編號(hào)H01L23/488GK1937225SQ200610154048
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月21日
發(fā)明者劉兌現(xiàn), 托馬斯·茲威克, 烏爾里?！·普菲弗爾, 布萊恩·P.·高徹爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司