專利名稱：應(yīng)用于毫米頻率的封裝電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在非常高的頻率、大于45GHz、所謂的“毫米頻率”下工作的電子電路。
這些電子電路用于雷達(dá)型應(yīng)用，其中在毫米頻率下發(fā)送電磁波并且在天線上接收被障礙物反射的波，從而從這個(gè)波一方面提取這個(gè)障礙物和發(fā)送波的源之間的距離信息，另一方面提取它們之間的相對(duì)速度信息。
毫米頻率電路也可以用于短距離和非常高的比特率通信應(yīng)用。
無論在何種應(yīng)用中，毫米頻率信號(hào)的電子處理包括可由安裝在印制電路上的硅集成電路執(zhí)行的低頻處理部件。這個(gè)部件可以通過常用的和便宜的技術(shù)來制造，并且一個(gè)和同一個(gè)集成電路芯片上的電路元件之間或者不同集成電路芯片之間進(jìn)行簡單的連接。該處理還包括非常高的高頻部件(大于45GHz)，這只可以通過由硅以外的半導(dǎo)體材料(特別是，砷化鎵GaAs和其衍生物，或者甚至是SiGe)制成器件和集成電路來實(shí)現(xiàn)。這些集成電路被稱為“微波單片集成電路”或MMIC。這種高頻部件引起的問題是制造困難和通常證實(shí)了是非常昂貴的。
實(shí)際上，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的功能，必須使用大量MMIC集成電路芯片，這是因?yàn)榭梢苑旁谝粋€(gè)和相同芯片上的電路元件的數(shù)量對(duì)于MMIC電路來說比由硅制成的低頻電路更加受到限制。而且，這些芯片利用互連安裝在襯底上，在非常高的工作頻率下難以制造所述互連?；ミB的設(shè)計(jì)是很難的，并且由于為保證毫米頻率信號(hào)的傳輸而需要非常高的尺寸精度，因此制造成本高。隨著系統(tǒng)中MMIC數(shù)量的增加，這個(gè)問題變得更加嚴(yán)重。而且，將要產(chǎn)生的功能的復(fù)雜性的增加使芯片數(shù)量增加。
當(dāng)芯片數(shù)量很多時(shí)，將芯片安裝在混合襯底(通常這種安裝采用布線將芯片連接到混合襯底上)上本身也是非常昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是降低在大于45GHz(和優(yōu)選大于60GHz)的毫米頻率下工作并包括MMIC芯片的電子系統(tǒng)的成本。
為了實(shí)現(xiàn)這種成本的降低，本發(fā)明提出了使用一種新型器件來制造系統(tǒng)。這種電子器件是安裝在獨(dú)立封裝中并打算利用大量器件連接到例如印制電路板上的電子系統(tǒng)的其它器件上的器件；這個(gè)器件包括至少一個(gè)在大于45GHz的主毫米頻率F左右工作的集成電路芯片MMIC。封裝具有用于在封裝的內(nèi)部和外部之間對(duì)電信號(hào)進(jìn)行通信的至少兩個(gè)端口，第一端口是的具有通過電磁耦合(即沒有物理電接觸)進(jìn)行的轉(zhuǎn)換(transition)以傳輸大于45GHz的主工作頻率的端口，第二端口是具有微帶或同軸型轉(zhuǎn)換以傳輸作為主頻率F的分諧波的工作頻率F/N的端口。
分諧波頻率優(yōu)選是下列四個(gè)頻率之一F/6或F/4或F/3(或者，在極端情況下，可以是F/2)。
對(duì)于在77GHz的工作頻率，因此分諧波頻率是77GHz的1/6或1/4或1/3。
該封裝優(yōu)選設(shè)有位于距離第一端口為一定距離的位置上的導(dǎo)電罩(conductive cover)，從而在這個(gè)端口附近，產(chǎn)生在主工作頻率下的電磁短路，這個(gè)端口短路形成波反射器，有助于通過第一端口進(jìn)行這個(gè)頻率的無接觸傳輸。
第一端口上方的導(dǎo)電罩的高度優(yōu)選等于主工作頻率的波長的四分之一，從而提供這個(gè)短路和反射器作用。這個(gè)高度還可以是波長的四分之一的奇數(shù)倍。
位于該封裝中的該MMIC或每個(gè)MMIC將優(yōu)選包括乘以比率N以便從分諧波頻率變?yōu)橹鞴ぷ黝l率的裝置。在某種情況下，它也可以包括以比率N除以頻率的裝置。
因此該器件具有特殊的特征，它包括沒有物理接觸并專用于在主頻率下的信號(hào)通路的端口，以及具有專用于在分諧波頻率下的信號(hào)通路的接觸的端口。
附圖簡述通過閱讀參考下面的附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明使本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將更加顯而易見，其中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的毫米封裝器件；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的涉及雷達(dá)天線的器件。
實(shí)施方式可以使用根據(jù)本發(fā)明的器件的典型應(yīng)用是雷達(dá)應(yīng)用，其中，一方面，通過第一天線可以發(fā)送大于45GHz、本例中為77GHz的毫米頻率，另一方面，可以通過幾個(gè)不同天線接收被障礙物反射的電磁波。因此涉及多束雷達(dá)。幾個(gè)接收天線的存在可以在較寬的角度范圍內(nèi)觀察障礙物的存在并且還能更加準(zhǔn)確地定位被檢測到的障礙物。
根據(jù)本發(fā)明，建議將MMIC芯片單獨(dú)地放置在密封的封裝中，即所謂的毫米封裝，能夠在大于45GHz的頻率下工作，并具有允許通過在工作頻率下的無接觸電磁耦合進(jìn)行連接的外部端口，在這種頻率為77GHz的情況下，具有發(fā)送或接收天線或具有引導(dǎo)到這些天線的波導(dǎo)。
通過在這些非常高頻率下的電磁耦合進(jìn)行的傳輸是通過使用在封裝內(nèi)部、重要的是在內(nèi)部和外部之間的電磁信號(hào)的自由傳播性能來提供的。這個(gè)封裝特別包括導(dǎo)電罩(金屬或金屬化罩)，其封閉來自芯片或到達(dá)芯片的信號(hào)傳播線。該導(dǎo)電罩位于無接觸外部端口之上，并與其相隔一定距離，從而它形成(在為其設(shè)計(jì)該器件的主工作頻率下，)電磁短路，有助于經(jīng)過這個(gè)端口以自由傳播方式進(jìn)行信號(hào)傳輸。
在大于45GHz的工作頻率F下的這些端口是通過空氣中(或在氣體中或在真空中)的電磁耦合進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，特別是能夠朝波導(dǎo)進(jìn)行輻射的導(dǎo)電元件，其中所述波導(dǎo)與這些元件放在一條直線上，或者能夠在波導(dǎo)的輸出上接收電磁輻射的導(dǎo)電元件，其中導(dǎo)電元件放在波導(dǎo)的前面。封閉MMIC芯片的該封裝包括與這些導(dǎo)電元件成一條直線的非導(dǎo)電部件，以便允許電磁能量在波導(dǎo)和導(dǎo)電元件之間通過。
除了能在大于45GHz的頻率下進(jìn)行有效耦合的一個(gè)或多個(gè)外部無接觸端口之外，該封裝優(yōu)選還具有不能在大于45GHz的頻率下有效地工作但是被設(shè)計(jì)成可以在該工作頻率的分諧波頻率下工作的端口。而且，包含在這些器件中的芯片優(yōu)選包括必須的頻率乘法裝置，從而從分諧波頻率改變?yōu)橹黝l率。
不能在77GHz工作但是能在10GHz以上、甚至高達(dá)25GHz或稍微更高一些的頻率下工作的端口是使用微帶線或同軸線制造的。該器件與位于同一襯底上的其它器件的連接將是很容易的，這是因?yàn)槌休d的頻率遠(yuǎn)低于毫米工作頻率。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的器件的剖面圖。這個(gè)例子只示出了該器件的封裝中的一個(gè)MMIC芯片，但是可以是兩個(gè)，或者甚至在異常情況下，可以是三個(gè)。
該封裝是導(dǎo)電的，例如金屬或部分金屬化的；它優(yōu)選包括用做襯底的金屬基底，其上直接安裝MMIC芯片22的背面；在封裝內(nèi)部并朝向封裝的外部提供互連的雙面陶瓷襯底24；以及覆蓋基底的金屬或金屬化罩25，從而在基底和罩之間密封一個(gè)或多個(gè)芯片和陶瓷襯底。由于MMIC芯片22直接焊接到基底上，因此陶瓷襯底24包括其中插入芯片的開口。陶瓷襯底24優(yōu)選是在兩面被金屬化的襯底在正面上的金屬化26從而形成傳輸線，和在背面上的金屬化28，從而形成接地平面。各種介質(zhì)和導(dǎo)電部分的尺寸使得該器件正確地在所述工作頻率(77GHz)下工作。使用金屬化26和28，一方面，用于在芯片之間建立互連，另一方面，用于產(chǎn)生封裝的外部端口、都能在77GHz下工作的兩個(gè)端口以及設(shè)計(jì)成傳輸作為77GHz的分諧波的頻率的端口。
在圖1的例子中，能傳輸77GHz頻率的端口30包括通過無接觸電磁耦合進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，所述無接觸電磁耦合使得77GHz的頻率下的信號(hào)在沒有接觸的情況下，從波導(dǎo)傳到芯片或從芯片傳到波導(dǎo)。
這個(gè)通過電磁耦合進(jìn)行的轉(zhuǎn)換優(yōu)選經(jīng)過封裝中的、更具體地說是金屬基底20中的開口32。這個(gè)開口32與圖1中未示出的波導(dǎo)連通。這個(gè)開口物理地但不是電磁地被陶瓷襯底24封閉。它與設(shè)置在陶瓷襯底的背面的金屬化28中的去金屬化區(qū)34成一條直線。在前部金屬化26上，形成從MMIC芯片22到端口30的微帶線，微帶線的端部36精確地與基底20的開口32的中心對(duì)正而地終止。這個(gè)端部36與由形成接地平面的金屬化28包圍的去金屬化區(qū)34一起形成輻射元件，因此形成例如與放在開口32前面的波導(dǎo)通信的天線，通過電磁裝置將波導(dǎo)與微帶線直接耦合。在微帶線的端部36上方，罩的導(dǎo)電表面位于與由這條線傳輸?shù)男盘?hào)的主工作頻率的波長適合的距離上，這個(gè)距離使得罩形成電磁短路，因此形成由微帶線的端部36輻射的天線的反射器。例如，陶瓷襯底24的金屬化上方的罩的高度H等于對(duì)應(yīng)與這個(gè)頻率的波長的四分之一或非常接近于這個(gè)值。其還可以是該波長的四分之一的奇數(shù)倍。
在微帶線的另一端，布線鏈接38設(shè)置在芯片和微帶線之間。最終的耦合在77GHz工作，只要正確選擇金屬化和非金屬化區(qū)的尺寸、陶瓷襯底的厚度以及陶瓷襯底中的開口的寬度使其與對(duì)應(yīng)于77GHz主頻率的波長適合即可。
在想象的主要應(yīng)用中，波導(dǎo)連接到接收(或發(fā)送)反射的雷達(dá)波的天線，并且微帶線的端部36用做用于接收進(jìn)入封裝的電磁波的元件。
圖1所示的另一端口是通過微帶線的直接端口40，不允許在77GHz通信而允許在分諧波頻率下通信，所述分諧波頻率優(yōu)選是F/6，但也可以是F/4或F/3，或者在某些情況下甚至為F/2。對(duì)應(yīng)于這個(gè)端口的微帶線形成在金屬化的陶瓷襯底24的頂部金屬化26中。底部金屬化28用做接地平面。該線從封裝的內(nèi)部經(jīng)過導(dǎo)電罩25的局部中斷或者經(jīng)過罩中的凹口到達(dá)封裝的外部，其中所述導(dǎo)電罩25的局部中斷是通過使微帶線與罩絕緣，例如通過置于微帶線和罩邊緣之間的絕緣墊圈42來實(shí)現(xiàn)的。
在這個(gè)分諧波頻率端口40的一側(cè)上，MMIC芯片也通過布線鏈接44連接到微帶線。
該器件可以通過端口40外部地與安裝在同一混合襯底上的其它類似器件連接或與安裝在相同混合襯底上或安裝在常規(guī)印制電路上的不同器件連接。這種連接可以從在封裝外部延伸的頂部金屬化表面26直接進(jìn)行；例如，可以將導(dǎo)線焊接到這個(gè)頂表面上；或者甚至可以經(jīng)過焊接到金屬化26的這個(gè)外部部分上然后形成該器件的內(nèi)部部分的引線46來進(jìn)行。
因此，應(yīng)該理解的是在使用這個(gè)器件的電子系統(tǒng)中，公共襯底將具有安裝其上的不是獨(dú)立芯片而是上述類型的器件，因此大大簡化了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造。
圖2表示在雷達(dá)電子系統(tǒng)中使用圖1的器件。其中可以看到圖1的器件的組件(基底20、芯片22、罩25)。直接安裝后者使其與作為波導(dǎo)板的金屬板50接觸在這個(gè)板中，形成波導(dǎo)52，其輸出端恰好與基底20的開口32對(duì)正，因此與導(dǎo)電端部36對(duì)正，所述導(dǎo)電端部在波導(dǎo)和封裝之間提供電磁耦合。
波導(dǎo)的另一端，在本應(yīng)用中為輸入端，與拋物面雷達(dá)接收天線62的發(fā)送中心對(duì)正，其中所述天線62被加工在相對(duì)于波導(dǎo)板50設(shè)置的金屬板60中。波導(dǎo)板50可以包括大量波導(dǎo)，例如引導(dǎo)到被加工在相同天線板60中的第二天線64的第二波導(dǎo)54；這個(gè)波導(dǎo)將從第二天線接收來的電磁波引導(dǎo)到類似于圖1的器件的第二毫米封裝器件(未示出)，該第二毫米封裝器件與圖1的器件一樣安裝在形成根據(jù)本發(fā)明的大量器件共用的襯底的板50上。
在圖1和2的實(shí)施例中，假設(shè)陶瓷襯底24固定在金屬基底上?？梢韵胂鬀]有金屬基底，該封裝由在兩面被金屬化的陶瓷襯底和金屬罩形成。在這種情況下，利用完全相同的方式制造通過電磁耦合進(jìn)行轉(zhuǎn)換的端口30；設(shè)置在背面金屬化28中的去金屬化區(qū)34代替了開口32，由于不存在基底，因此所述開口32也不存在。波導(dǎo)完全與這個(gè)去金屬化區(qū)成一條直線。在不同實(shí)施例中，可以提供微帶線，其自由端用做無接觸電磁轉(zhuǎn)換，由MMIC芯片(與芯片22相同或除了芯片22以外)承載，代替由陶瓷襯底承載，如圖1和2中的情況。在這種情況下，如此用做電磁轉(zhuǎn)換的MMIC芯片被固定在該封裝的金屬基底上，芯片的一部分與設(shè)置在基底中的開口成一條直線地延伸，該開口本身與波導(dǎo)成一條直線。由MMIC芯片承載的微帶線的自由端則與基底中的開口對(duì)正，從而通過這個(gè)開口形成無接觸電磁轉(zhuǎn)換。
上面的說明提出了通過電磁耦合進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，其使用了封裝的罩用做反射器來產(chǎn)生轉(zhuǎn)換。然而，還可以想象通過耦合進(jìn)行的其它類型的轉(zhuǎn)換，例如非反射器轉(zhuǎn)換，使用封裝的不同元件的幾何形狀以有助于電磁耦合。例如，使用襯底24(或芯片22的)的頂面上的微帶線和底面上的槽線(槽形式的去金屬化區(qū)34)之間的電磁耦合的轉(zhuǎn)換。則不需要反射器，并且本實(shí)施例特別適合于其中封裝的罩是塑料材料的情況。
根據(jù)本發(fā)明的器件可以用來在便宜的印制電路襯底(樹脂基襯底)上結(jié)合低頻器件(集成電路芯片或在低頻工作的其它器件)和在高達(dá)大約25GHz工作的器件來制造完全的電子系統(tǒng)。這些器件通過微帶連接而連接到根據(jù)本發(fā)明的毫米封裝器件，并且毫米封裝器件通過利用無接觸電磁耦合的轉(zhuǎn)換和通過波導(dǎo)連接到天線。
權(quán)利要求
1.一種電子器件，其安裝在獨(dú)立封裝中并打算連接到電子系統(tǒng)的其它器件上，這個(gè)器件的特征在于它包括至少一個(gè)在大于45GHz的主毫米頻率F附近工作的集成電路芯片(22)，并且該封裝具有用于在該封裝的內(nèi)部和外部之間對(duì)電信號(hào)進(jìn)行通信的至少兩個(gè)端口(30和40)，第一端口(30)是具有通過無接觸電磁耦合進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，以傳輸大于45GHz的所述主工作頻率下的信號(hào)的端口，第二端口(40)是具有微帶或同軸型轉(zhuǎn)換，以傳輸作為所述主頻率F的分諧波的工作頻率F/N的端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于該封裝設(shè)有位于距離第一端口為一定距離的位置上的導(dǎo)電罩(25)，從而在這個(gè)端口上方，產(chǎn)生在所述主工作頻率下的電磁短路，由此形成波反射器，有助于通過所述第一端口進(jìn)行這個(gè)頻率的傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于導(dǎo)電罩在端口上方的高度等于所述工作頻率的波長的四分之一，或者所述工作頻率的波長的四分之一的奇數(shù)倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于包含在封裝中的芯片之一包括使頻率乘以比率N的裝置，從而將頻率從所述分諧波頻率變?yōu)樗鲋鞴ぷ黝l率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于它包括陶瓷襯底(24)，其第一金屬化面被刻蝕從而形成具有自由端(36)的微帶線(26)，其另一面也被金屬化從而形成接地平面，所述接地平面面向所述自由端被中斷，從而在該封裝的外部和內(nèi)部之間經(jīng)由線端部提供無接觸電磁耦合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于導(dǎo)電罩在所述微帶線的自由端上方的高度等于所述工作頻率的波長的四分之一，或所述工作頻率的波長的四分之一的奇數(shù)倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的器件，其特征在于它包括面向微帶線端部(36)開口的金屬基底(20)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于它包括固定在基底上的一個(gè)或多個(gè)MMIC芯片，所述芯片之一包括微帶線，其一個(gè)自由端用做無接觸電磁轉(zhuǎn)換，這個(gè)芯片在基底中的開口上方延伸，從而所述微帶線的自由端設(shè)置成與該開口對(duì)正，以便通過這個(gè)開口形成無接觸電磁轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在大于45GHz的高頻應(yīng)用的毫米封裝電子器件。根據(jù)本發(fā)明，為有助于設(shè)計(jì)包括在這些頻率下工作的MMIC芯片的系統(tǒng)，提出了使用包含一個(gè)或多個(gè)芯片(22)的封裝，這些封裝使得可以在這些頻率下工作并包括兩個(gè)類型的端口通過經(jīng)由波導(dǎo)提供與在高工作頻率F的天線的連接的無接觸電磁耦合進(jìn)行轉(zhuǎn)換的端口(30)；進(jìn)行微帶或同軸型轉(zhuǎn)換的端口(40)，所述轉(zhuǎn)換能實(shí)現(xiàn)在工作頻率的分諧波頻率F/N(優(yōu)選N＝6或4，或者，如果需要的話，N＝3)的連接。
文檔編號(hào)H01P5/107GK1714467SQ200380103850
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者馬克·卡米亞德, 德尼·東內(nèi)克, 克勞斯·貝倫霍夫 申請(qǐng)人:聯(lián)合單片電路半導(dǎo)體公司