專利名稱：芯片封裝和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及帶有集成天線的晶片尺寸(wafer-scale)封裝結(jié)構(gòu)。更具體地說(shuō)，涉及晶片尺寸封裝結(jié)構(gòu)和用于整體地封裝天線結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體RFIC (射頻集成電路)芯片的方法，從而形成用于毫米波(_波)和太赫茲(THz )應(yīng)用的緊湊型集成無(wú)線電/無(wú)線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，使用與接收器或發(fā)射器耦合的天線實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的連接性和通信，以便與網(wǎng)絡(luò)中的其它元件相互發(fā)射所需信號(hào)。在傳統(tǒng)無(wú)線電通信系統(tǒng)(例如，毫米波無(wú)線電)中，分立部件通常以低集成水平組裝。這些系統(tǒng)常使用昂貴且龐大的波導(dǎo)和封裝級(jí)或板級(jí)微帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝以互連半導(dǎo)體及其所需的發(fā)射器或接收器天線。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和封裝工程的最新發(fā)展，這些無(wú)線電通信系統(tǒng)的尺寸變得越來(lái)越小。對(duì)于某些現(xiàn)有技術(shù)而言，可使用多層印刷電路板(PCB)(基于有機(jī))或使用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)(基于陶瓷)制造多層集成天線結(jié)構(gòu)。這些多層有機(jī)或陶瓷集成天線結(jié)構(gòu)可使用標(biāo)準(zhǔn)C4 (可控坍塌芯片連接)技術(shù)與半導(dǎo)體IC芯片相連。使用基于有機(jī)或陶瓷的封裝技術(shù)制造的集成天線結(jié)構(gòu)一般適合于60GHz，甚至最高94GHz頻帶中的應(yīng)用工作頻率，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)適當(dāng)性能。但是，對(duì)于94GHz甚至更高的頻帶的操作頻率，由于例如低PCB和LTCC制造解析度，使用上述基于有機(jī)或陶瓷的多層天線結(jié)構(gòu)便成問(wèn)題。而且，用于PCB和LTCC技術(shù)的封裝材料對(duì)于高頻應(yīng)用而言損耗度太大。因此，需要設(shè)計(jì)具有與半導(dǎo)體IC芯片(例如，RFIC)耦合的集成天線的封裝結(jié)構(gòu)，從而為工作頻率最高達(dá)到THz范圍的應(yīng)用提供高性能操作
發(fā)明內(nèi)容
一般而言，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括帶有集成天線的晶片尺寸封裝結(jié)構(gòu)，具體而言，晶片尺寸封裝結(jié)構(gòu)和方法以集成封裝天線結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體RFIC芯片，從而形成用于毫米波(_波)和太赫茲(THz)應(yīng)用的緊湊型集成無(wú)線電/無(wú)線通信系統(tǒng)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種芯片封裝包括RFIC芯片、天線結(jié)構(gòu)和界面層。所述RFIC芯片包括具有活性表面和非活性表面的半導(dǎo)體襯底以及在所述半導(dǎo)體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (后段制程)結(jié)構(gòu)。所述天線結(jié)構(gòu)包括天線襯底和在所述天線襯底的表面上形成的平面天線輻射器，其中所述天線襯底由低損耗半導(dǎo)體材料形成。所述界面層將所述天線結(jié)構(gòu)連接到所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)。所述低損耗半導(dǎo)體材料例如可以為高電阻率硅、硅石(silica)或石英。在另一示例性實(shí)施例中，一種裝置包括芯片封裝和電路板，其中所述芯片封裝安裝在所述電路板上。所述芯片封裝包括RFIC芯片、天線結(jié)構(gòu)和界面層。所述RFIC芯片包括具有活性表面和非活性表面的半導(dǎo)體襯底以及在所述半導(dǎo)體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (后段制程)結(jié)構(gòu)。所述天線結(jié)構(gòu)包括天線襯底和在所述天線襯底的表面上形成的平面天線輻射器，其中所述天線襯底由低損耗半導(dǎo)體材料形成。所述界面層將所述天線結(jié)構(gòu)連接到所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)。所述低損耗半導(dǎo)體材料例如可以為高電阻率硅、硅石或石英。所述裝置進(jìn)一步包括提供所述RFIC芯片和所述電路板之間的DC電源、接地、控制和I/O基帶信號(hào)線的電互連。通過(guò)結(jié)合附圖閱讀下面對(duì)示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其它示例性實(shí)施例、方面和特性將得到闡釋或變得顯而易見(jiàn)。


圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖7示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。 圖8示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖9示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖10示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖11示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。圖12示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考晶片尺寸封裝結(jié)構(gòu)和方法進(jìn)一步詳細(xì)地介紹本發(fā)明的示例性實(shí)施例，所述晶片尺寸封裝結(jié)構(gòu)和方法集成封裝天線結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體RFIC (射頻集成電路)芯片，從而形成用于毫米波(mm波)應(yīng)用(例如，94GHz)和太赫茲(THz)應(yīng)用(例如，300GHz至6THz)的緊湊型集成無(wú)線電/無(wú)線通信系統(tǒng)。一般而言，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)包括使用硅或薄膜制造工藝制造的天線結(jié)構(gòu)，此天線結(jié)構(gòu)使用晶片尺寸制造技術(shù)與RFIC芯片集成封裝。在下面將參考圖1-12詳細(xì)介紹的封裝結(jié)構(gòu)示例性實(shí)施例中，封裝結(jié)構(gòu)通常包括RFIC (射頻集成電路)芯片、天線結(jié)構(gòu)和界面層。RFIC芯片包括具有活性表面和非活性表面的半導(dǎo)體襯底，以及在半導(dǎo)體襯底的活性表面上形成的BEOL (后段制程)結(jié)構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)包括天線襯底和在天線襯底的表面上形成的平面天線輻射器，其中天線襯底由一個(gè)或多個(gè)天線襯底層形成，其中天線襯底由低損耗半導(dǎo)體材料形成，例如高電阻率硅(或低損耗娃)、娃石、石英或其它適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料。界面層將天線結(jié)構(gòu)連接到RFIC芯片的BEOL結(jié)構(gòu)。將理解，附圖所示的各層和/或區(qū)域并非按比例繪制，并且通常在集成芯片封裝中使用的一種或多種層和/或區(qū)域類型可能不在給定圖中明確示出。這并不暗示實(shí)際的集成芯片封裝省略未明確示出的層和/或區(qū)域。而且，各圖中相同或類似的參考標(biāo)號(hào)用于表示相同或類似的特征、部件或結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)于每個(gè)附圖，不再重復(fù)對(duì)相同或類似的特征、部件或結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說(shuō)明。圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。具體而言，圖1是封裝結(jié)構(gòu)100的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)包括RFIC芯片110、界面層120、天線結(jié)構(gòu)130和應(yīng)用板140 (或電路板)。RFIC芯片110包括半導(dǎo)體襯底112 (例如，低電阻率硅襯底)和具有介電層和金屬化層的多個(gè)交錯(cuò)層(例如，層L1、L2、L3和L4)的BEOL (后段制程)結(jié)構(gòu)114。天線結(jié)構(gòu)130 —般包括至少一個(gè)襯底層132、在襯底132的頂表面上形成的平面天線134結(jié)構(gòu)、穿過(guò)襯底132形成的多個(gè)通孔，以及多個(gè)在襯底132的頂表面上形成的接觸襯墊138。如圖1的示例性實(shí)施例中描述的那樣，天線輻射器134可以是電磁耦合貼片天線(patch antenna),其中天線接地面102和天線饋線104是形成為RFIC芯片110的BEOL結(jié)構(gòu)114的一部分的金屬化結(jié)構(gòu)。具體而言，如圖1所示，天線接地面102是在RFIC芯片110的BEOL結(jié)構(gòu)114的第一層(底層)L1中形成的金屬化結(jié)構(gòu)，而天線饋線104是在RFIC芯片110的BEOL結(jié)構(gòu)114的最后 的層(頂層)L4上形成的金屬化結(jié)構(gòu)。天線饋線104例如可以是電磁耦合到貼片天線輻射器134的微帶線或共平面波導(dǎo)線，其中接地面102還充當(dāng)天線饋線104的接地面。低損耗天線襯底132由低損耗半導(dǎo)體襯底材料形成，例如高電阻率硅(例如，>IOOOOhm.cm)、硅石、石英或其它適合于晶片尺寸制造的材料。襯底132的介電常數(shù)和厚度將決定諸如天線輻射效率和帶寬之類的天線性能參數(shù)。例如，對(duì)于94GHz工作頻率，襯底132可以由厚度約為50微米的低損耗硅襯底形成。貼片輻射器134的尺寸和結(jié)構(gòu)將決定天線的諧振頻率，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解這一點(diǎn)。RFIC芯片110的襯底112包括在其活性表面上形成的有源電路元件。有源電路元件可以形成接收器、發(fā)射器或收發(fā)器電路，以及其它通常用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線RFIC芯片的有源或無(wú)源電路元件。BEOL結(jié)構(gòu)114的各層可以由諸如氧化硅之類的常用介電材料或絕緣材料、由銅或金或其它用于在晶片尺寸制造中實(shí)現(xiàn)BEOL結(jié)構(gòu)的常用金屬或?qū)w材料形成。RFIC芯片110的整體厚度可以在約150微米或約700微米的范圍內(nèi)，具體取決于應(yīng)用要求。該厚度例如由芯片與芯片封裝或應(yīng)用板如何接口決定。天線襯底132通過(guò)界面層120附著到RFIC芯片110上，所述界面層包括多個(gè)借助底填充材料124加固的微金屬柱或微金屬球122/126。微金屬柱或微金屬球122/126可以包括用于將天線襯底132接合到RFIC芯片110的無(wú)源金屬連接襯墊或連接環(huán)122，或者包括有源金屬襯墊126，該有源金屬襯墊126提供BEOL結(jié)構(gòu)114的頂層L4的金屬線路106和連接到天線襯底132頂表面上的接觸襯墊138的金屬通孔136之間的電連接。襯底132頂表面上的接觸襯墊138充當(dāng)?shù)綉?yīng)用板140 (例如，印刷電路板)上的接觸襯墊142的連接。接觸襯墊142可以是接地襯墊、DC電源襯墊、輸入/輸出襯墊、控制信號(hào)襯墊等。應(yīng)用板140上的接觸襯墊142使用接合線144而線接合到天線襯底132上的接觸襯墊138。在這方面，RFIC芯片/天線封裝110/130通過(guò)線合線144連接到應(yīng)用板140，其中所有mm波或THz頻率信號(hào)包含在RFIC封裝中，只有諸如DC電源、控制和基帶信號(hào)之類的低頻信號(hào)通過(guò)接合線144。將理解，上面參考圖1介紹的本發(fā)明的原理可以擴(kuò)展到其它封裝設(shè)計(jì)。例如，圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)。具體而言，圖2是封裝結(jié)構(gòu)200的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)與圖1中的封裝結(jié)構(gòu)100類似，只是圖2中的封裝結(jié)構(gòu)200包括形成電磁耦合層疊貼片天線結(jié)構(gòu)的多層天線結(jié)構(gòu)230。具體而言，天線結(jié)構(gòu)230包括具有第一貼片輻射器134和通孔136 (類似于圖1)的第一襯底132以及具有通孔236和在其頂表面上形成的第二貼片輻射器234和接觸襯墊238的第二襯底232。在圖2的示例性實(shí)施例中，使用兩個(gè)貼片輻射器134/234來(lái)增加天線帶寬(與圖1中的單貼片結(jié)構(gòu)相比)，在特定應(yīng)用中需要這樣做。兩種襯底132和232可由相同材料或不同材料形成。例如，第一襯底層132可以由玻璃(硅石)形成，而第二襯底232可由低損耗硅形成，從而提供兩種具有不同介電常數(shù)(硅石具有小于硅的介電常數(shù))的低損耗襯底?？墒褂帽绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員公知的方法實(shí)現(xiàn)具有不同損耗和介電常數(shù)的材料以調(diào)諧層疊貼片天線結(jié)構(gòu)的操作頻率/帶寬。與圖1中的封裝結(jié)構(gòu)類似，第二襯底232表面上的接觸襯墊238充當(dāng)?shù)綉?yīng)用板140(例如，印刷電路板)上的接觸襯墊142的連接。接觸襯墊142可以是接地襯墊、DC電源襯墊、輸入/輸出襯墊、控制信號(hào) 襯墊等。應(yīng)用板140上的接觸襯墊142使用接合線144線接合到天線襯底232上的接觸襯墊238。在不同的天線襯底132和232中形成的通孔126和236被形成為相互對(duì)準(zhǔn)，以提供BEOL結(jié)構(gòu)114的頂層L4的金屬線路106和天線襯底232頂表面上的接觸襯墊238之間的電連接。圖1和2的示例性實(shí)施例示出具有電磁耦合貼片天線和層疊貼片天線結(jié)構(gòu)的天線結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展為包括其它類型的輻射器，例如平板槽天線結(jié)構(gòu)或平板槽環(huán)天線結(jié)構(gòu)。在此類實(shí)施例中，圖1和2中的輻射器134和234實(shí)現(xiàn)為其中形成定義本領(lǐng)域公知的槽或槽環(huán)的孔的薄金屬板。這些用于形成槽或槽環(huán)天線結(jié)構(gòu)的金屬板可進(jìn)一步充當(dāng)散熱器以散發(fā)RFIC芯片110產(chǎn)生的熱量。而且，由于晶片尺寸制造技術(shù)用于制造根據(jù)本發(fā)明的原理的芯片封裝，因此可以在封裝設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)細(xì)柵距金屬結(jié)構(gòu)，從而還允許在封裝中實(shí)現(xiàn)帶有針饋(probe-feed)和孔饋(aperture-feed)的貼片天線。例如，圖3示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)孔耦合天線設(shè)計(jì)。具體而言，圖3是封裝結(jié)構(gòu)300的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)與圖2中的封裝結(jié)構(gòu)200類似，只是圖3中的封裝結(jié)構(gòu)300包括形成孔耦合貼片天線的多層天線結(jié)構(gòu)330。
具體而言，天線結(jié)構(gòu)330包括第一襯底層331、天線接地面332、第二襯底層333和貼片輻射器334。接地面332包括多個(gè)孔335A和335B。與圖1和2中的封裝結(jié)構(gòu)對(duì)照，天線接地面332形成為天線結(jié)構(gòu)330的一部分，而非RFIC芯片110的BE0L114的一部分。如圖3所示，在BE0L114的第一層LI上形成的接地面102充當(dāng)天線饋線104的接地面。在圖3的示例性實(shí)施例中，電磁能通過(guò)形成于接地面332中的孔335A在天線饋線104和天線福射器334之間耦合。而且，形成于第一和第二天線襯底331和333中的通孔336和337穿過(guò)形成于天線接地面332中的孔335B，從而在BEOL結(jié)構(gòu)114的頂層L4的金屬線路106和天線襯底333頂表面上的接觸襯墊338之間形成電連接。通過(guò)在圖3中的天線封裝結(jié)構(gòu)330內(nèi)實(shí)施天線接地面332 (與圖1和2所示的在BEOL結(jié)構(gòu)114中實(shí)施天線接地面102相比),用天線接地面332將天線福射器334和天線饋線104隔離開(kāi)。這樣允許天線輻射器和饋電結(jié)構(gòu)基本上相互獨(dú)立地進(jìn)行優(yōu)化。圖3中的孔耦合封裝設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展到孔耦合層疊貼片天線設(shè)計(jì)(如下面參考圖4所述)和針饋貼片天線設(shè)計(jì)(如下面參考圖5所述)。圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)孔耦合層疊貼片天線設(shè)計(jì)。具體而言，圖4是封裝結(jié)構(gòu)400的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)與圖3中的封裝結(jié)構(gòu)300類似，只是圖4中的封裝結(jié)構(gòu)400包括多層天線結(jié)構(gòu)430，此天線結(jié)構(gòu)包括形成于其表面上的帶有第二貼片輻射器434的附加天線襯底層432、穿過(guò)襯底432形成并將下天線襯底層333和331中的下通孔337和336連接到形成于天線襯底層432頂表面上的導(dǎo)電襯墊438的附加通孔436。圖4中的層疊貼片天線設(shè)計(jì)提供了改進(jìn)的操作帶寬，該設(shè)計(jì)包括位于天線襯底333上的第一貼片輻射器334，其中第二貼片輻射器343形成于天線襯底432上。上輻射器貼片434被形成為比下輻射器貼片334寬，從而允許貼片輻射器334/434和天線饋線104之間通過(guò)形成于天線接地面332中的孔335A進(jìn)行有效耦合，并且允許調(diào)諧天線帶寬。圖5示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)針饋貼片天線設(shè)計(jì)。具體而言，圖5是封裝結(jié)構(gòu)500的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)與圖3中的封裝結(jié)構(gòu)300類似，只是圖5中的封裝結(jié)構(gòu)500包括多層天線結(jié)構(gòu)530，此天線結(jié)構(gòu)包括穿過(guò)天線層331、332和333形成的垂直饋針532，該垂直饋針將天線饋線104連接到形成于天線襯底333的表面上的貼片輻射器334。連接到饋線104端部的垂直饋針532充當(dāng)垂直過(guò)渡，其將穿過(guò)接地面332的孔335A進(jìn)行延伸，從而將來(lái)自天線饋線104的能量耦合到貼片輻射器334。圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)TSV(硅通孔)設(shè)計(jì)。具體而言，圖6是封裝結(jié)構(gòu)600的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)與圖1中的封裝結(jié)構(gòu)100類似，只是圖6中的封裝結(jié)構(gòu)600包括RFIC芯片610，該芯片具有多個(gè)穿過(guò)RFIC芯片610的半導(dǎo)體襯底112形成的導(dǎo)電硅通孔611、612和613。RFIC芯片610的底層640包括絕緣層641 (鈍化層)和多個(gè)形成于RFIC芯片610的非活性表面上的接觸襯墊642。接觸襯墊642可以使用焊料球(例如，C4連接)接合到形成于應(yīng)用板40上的對(duì)應(yīng)接觸(未示出)。在圖6的示例性實(shí)施例中，硅通孔611、612和613提供底層接觸襯墊642和分別形成于BE0L114各層上的金屬線路108、102 和107之間的電連接。具體而言，硅通孔612提供BEOLl 14的第一層LI上的接地面102和接觸襯墊642之間的電連接，從而提供RFIC芯片610和應(yīng)用板140之間的接地連接。硅通孔611提供形成于BEOLl 14的第三層L3上的金屬線路108和接觸襯墊642之間的電連接，從而提供RFIC芯片610和應(yīng)用板140之間的DC電源、或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。類似地，硅通孔613提供形成于BEOLl 14的第二層L2上的金屬線路107和接觸襯墊642之間的電氣連接，從而提供RFIC芯片610和應(yīng)用板140之間的DC電源、或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。與圖1中的天線封裝層130對(duì)照，圖6中的天線封裝層630不包括天線襯底132內(nèi)的任何導(dǎo)電通孔。相反，通過(guò)圖6中的封裝設(shè)計(jì)，所有DC電源、接地、控制和I/O基帶信號(hào)線借助RFIC芯片610實(shí)現(xiàn)。圖1-6示出其中RFIC芯片和天線封裝結(jié)構(gòu)的足印(footprint)尺寸相同或基本相似的示例性實(shí)施例。在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例中，如下面參考圖7-12介紹的那樣，RFIC芯片和天線封裝結(jié)構(gòu)的足印尺寸不同，從而允許使用不同的封裝和布線方法。例如，在其中RFIC芯片的足印尺寸大于天線封裝的足印尺寸的應(yīng)用中，低頻接合線可以附著到RFIC芯片頂表面以及天線封裝的頂表面上。具體而言，圖7示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)，其中RFIC芯片的足印尺寸大于天線結(jié)構(gòu)。更具體地說(shuō)，圖7示出封裝結(jié)構(gòu)700的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)包括RFIC芯片710以及尺寸小于RFIC芯片710的天線結(jié)構(gòu)730。圖7中的封裝結(jié)構(gòu)700與圖2中的封裝結(jié)構(gòu)200類似，因?yàn)榉庋b結(jié)構(gòu)700包括形成電磁耦合層疊貼片天線結(jié)構(gòu)的多層天線結(jié)構(gòu)。具體而言，天線結(jié)構(gòu)730包括帶有第一貼片輻射器733和通孔735的第一襯底731以及帶有通孔736和第二貼片輻射器734和形成于其頂面上的接觸襯墊738的第二襯底732。天線襯底731/732的足印尺寸小于RFIC芯片710，以便RFIC芯片710頂表面的周邊區(qū)域不被天線結(jié)構(gòu)730覆蓋。在該設(shè)計(jì)中，附加接觸襯墊148可以形成于RFIC芯片710上表面的暴露的周邊區(qū)域上，并且接合線連接146可以在RFIC芯片710頂表面上的接觸襯墊148和應(yīng)用板上的接觸襯墊142之間形成，從而提供RFIC芯片710和應(yīng)用板140之間的DC直流電源，或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。如果RFIC芯片7 10頂表面上的暴露區(qū)域有限，則附加接合線連接144可以在天線襯底732頂表面上的接觸襯墊738和應(yīng)用板140上的接觸襯墊142之間形成，從而提供附加DC電源，或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例中，可在封裝結(jié)構(gòu)700上添加頂部包封(保護(hù))層740以保護(hù)RFIC芯片710的暴露表面區(qū)域。圖8-11示出其中天線結(jié)構(gòu)的足印尺寸大于RFIC芯片的足印尺寸的封裝結(jié)構(gòu)的各種示例性實(shí)施例。例如在實(shí)例中，天線結(jié)構(gòu)的足印尺寸可以大于RFIC芯片的足印尺寸,其中天線結(jié)構(gòu)包括多個(gè)形成陣列天線的輻射器，或者其中天線的工作頻率相對(duì)較低(在這種情況下，針對(duì)所需的較低諧振頻率構(gòu)建較大的平板天線結(jié)構(gòu))。例如，圖8示意性地示出封裝結(jié)構(gòu)800的一個(gè)示例性實(shí)施例，其中RFIC芯片810的足印尺寸小于天線結(jié)構(gòu)830的足印尺寸。一般而言，與圖1類似，圖8中的封裝結(jié)構(gòu)800包括電磁耦合貼片天線設(shè)計(jì)。天線結(jié)構(gòu)830包括多個(gè)天線襯底831、832和833，其中貼片輻射器834形成于天線襯底833頂表面上。天線襯底831、832和833延伸超過(guò)RFIC芯片810的側(cè)壁，從而允許天線封裝830通過(guò)界面層820附著到應(yīng)用板840上。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，界面820包括BGA (球柵陣列)界面,其包括多個(gè)包封在底填充材料824中的BGA連接822、826。有些BGA連接822是被實(shí)現(xiàn)為將天線結(jié)構(gòu)830接合到應(yīng)用板840表面的非電連接。其它BGA連接826仍充當(dāng)應(yīng)用板840和RFIC芯片810之間的電連接。例如，如圖8所示，有些BGA連接826連接到形成為RFIC芯片810和天線結(jié)構(gòu)830之間的界面層120的一部分的金屬線路122，以及連接到通過(guò)天線830的各襯底層831和832中形成的過(guò)孔和金屬線形成的金屬線路835，從而提供RFIC芯片810和應(yīng)用板840之間的DC直流電源，或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。應(yīng)用板840被形成為帶有以插入的方式接收RFIC芯片810的開(kāi)口 841。而且，借助形成于應(yīng)用板840中的開(kāi)口 841，可選的散熱器850可以附著到RFIC芯片810的半導(dǎo)體襯底112的非活性表面上，以提供散發(fā)RFIC芯片810產(chǎn)生的熱的裝置。在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例中，例如圖9所示，應(yīng)用板940中可能不具有在其中形成的開(kāi)口。在這種情況下，天線結(jié)構(gòu)830和應(yīng)用板940之間的BGA界面920包括BGA連接924、926和底填充層924，該底填充層的厚度(例如，對(duì)于多數(shù)應(yīng)用而言350 μπι的厚度是足夠)足以提供天線結(jié)構(gòu)830和應(yīng)用板940之間的適當(dāng)接合/連接。通過(guò)此處描述的封裝設(shè)計(jì)方法，帶有集成天線的RFIC封裝可以通過(guò)BGA界面倒置附著到應(yīng)用板上，該應(yīng)用板中形成開(kāi)口以提供天線輻射窗口。這些結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例在圖10和11中示出。具體而言，圖10示意性地示出封裝結(jié)構(gòu)1000的一個(gè)示例性實(shí)施例，其中RFIC芯片1010的足印尺寸小于天線結(jié)構(gòu)1030的足印尺寸，這與圖8中的結(jié)構(gòu)類似，但是其中封裝1000倒置。封裝結(jié)構(gòu)1000包括電磁耦合貼片天線設(shè)計(jì)。天線結(jié)構(gòu)1030包括多個(gè)天線襯底1031、1032和1033，其中貼片輻射器1034形成于天線襯底1033的表面上。天線1010通過(guò)界面層1020連接到RFIC芯片1010，界面層1020的結(jié)構(gòu)類似于上述其它實(shí)施例中的界面層?？蛇x的散熱器1050可以附著到RFIC芯片1010的半導(dǎo)體襯底112的非活性表面上，以提供散發(fā)RFIC芯片1010產(chǎn)生的熱的裝置。封裝1000使用BGA界面1042/1043倒置附著到應(yīng)用板1040上，其中天線結(jié)構(gòu)1030的貼片輻射器1034與形成于應(yīng)用板1040中的開(kāi)口 1041對(duì)準(zhǔn)。此開(kāi)口 1041提供天線輻射器1034的窗口以發(fā)射和捕獲電磁福射。在本發(fā)明的一個(gè)不例性實(shí)施例中，界面1042/1043包括多個(gè)包封在底填充材料·中的BGA連接。有些BGA連接1043是被實(shí)現(xiàn)為將天線結(jié)構(gòu)1030接合到應(yīng)用板1040表面的非電連接。其它BGA連接1042還充當(dāng)應(yīng)用板1040和RFIC芯片1010之間的電連接。例如，如圖10所示，有些BGA連接1042連接到形成為RFIC芯片1010和應(yīng)用板1040之間的天線襯底層1031、1032和1033的一部分的導(dǎo)電互連1035(包括一系列導(dǎo)電通孔和金屬線路)。這些導(dǎo)電互連1035提供RFIC芯片1010和應(yīng)用板1040之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。圖11示意性地示出封裝結(jié)構(gòu)1100的另一示例性實(shí)施例，其中RFIC芯片1110的足印尺寸小于天線結(jié)構(gòu)1130的天線結(jié)構(gòu)，這與圖10中的結(jié)構(gòu)類似，但是其中使用接合線提供RFIC芯片1110和應(yīng)用板1140之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。如圖1所示，封裝結(jié)構(gòu)1100包括電磁耦合貼片天線設(shè)計(jì)，其中天線結(jié)構(gòu)1130包括多個(gè)天線襯底1131、1132和1133，其中貼片輻射器1134形成于天線襯底1133的表面上。而且，天線襯底1131的暴露表面的周邊區(qū)域上形成接觸襯墊1136。接觸襯墊1136連接到形成為RFIC芯片1110和接觸襯墊1136之間的天線襯底層1131、1132和1133 (或界面層1120)的一部分的導(dǎo)電互連1135 (包括一系列導(dǎo)電通孔和金屬線路)。接合線連接1146形成于天線襯底1131的暴露表面上的接觸襯墊1136和應(yīng)用板1140上的接觸襯墊1144之間，從而提供RFIC芯片1110和應(yīng)用板1140之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。而且，如圖11所示，非活性BGA連接1143用于將天線結(jié)構(gòu)1130連接到應(yīng)用板1140。可選的散熱器1150可以附著到RFIC芯片1110的半導(dǎo)體襯底112的非活性表面上，以提供散發(fā)RFIC芯片1110產(chǎn)生的熱量的裝置。在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明原理的示例性封裝結(jié)構(gòu)可以借助常規(guī)BGA或接點(diǎn)柵格陣列(LGA)封裝概念實(shí)現(xiàn)。例如，圖12示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的包括天線結(jié)構(gòu)和集成電路芯片的封裝結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)使用BGA或LGA封裝實(shí)現(xiàn)。具體而言，圖12是封裝結(jié)構(gòu)1200的示意性側(cè)視圖，此封裝結(jié)構(gòu)包括RFIC芯片1210、天線結(jié)構(gòu)1230和連接RFIC芯片1210與天線結(jié)構(gòu)1230的界面層1220。RFIC芯片1210通過(guò)接合層1251接合到封裝襯底1250。封裝包封層1260環(huán)繞RFIC芯片1210和天線封裝1230的側(cè)面和頂部形成，其中包封層1260頂部區(qū)域中的開(kāi)口允許天線1230發(fā)射和捕獲輻射。多個(gè)接觸襯墊1212形成于RFIC芯片1210上表面的暴露周邊區(qū)域上。接合線連接1214形成于RFIC芯片1210上的接觸襯墊1212和封裝襯底1250上形成的接觸襯墊1252之間。多個(gè)導(dǎo)電通孔1253形成于封裝襯底1250中，從而形成接觸襯墊1252和接觸1242 (形成于封裝襯底1250的底表面和應(yīng)用板1240之間)之間的電連接，借此提供RFIC芯片1210和應(yīng)用板1240之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號(hào)連接。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員很容易理解與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的集成芯片/天線封裝結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的各種優(yōu)點(diǎn)。例如 ，很容易使用公知的晶片尺寸制造和封裝技術(shù)制造示例性封裝結(jié)構(gòu)，從而制造和封裝天線結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體RFIC芯片以形成用于毫米波和太赫茲應(yīng)用的緊湊型集成無(wú)線電/無(wú)線通信系統(tǒng)。此外，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成芯片封裝允許將天線與收發(fā)器芯片之類的IC芯片整體封裝在一起，這樣可提供收發(fā)器和天線之間具有低損耗的緊湊型設(shè)計(jì)?？蓪?shí)現(xiàn)各種類型的天線設(shè)計(jì)，例如其中包括貼片天線，槽天線、槽環(huán)天線、偶極天線和諧振腔天線。而且，使用根據(jù)本發(fā)明的集成天線/IC芯片封裝節(jié)省大量空間、尺寸、成本和重量，這對(duì)于幾乎任何商業(yè)或軍事應(yīng)用而言都是最佳選擇。盡管此處參考出于說(shuō)明目的的附圖描述了示例性實(shí)施例，但是將理解，本發(fā)明并不限于這些精確的實(shí)施例，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以執(zhí)行各種其它更改和修改。
權(quán)利要求
1.一種芯片封裝，包括: RFIC (射頻集成電路)芯片，其包括具有活性表面和非活性表面的半導(dǎo)體襯底以及在所述半導(dǎo)體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (后段制程)結(jié)構(gòu)； 天線結(jié)構(gòu)，其包括天線襯底和在所述天線襯底的表面上形成的平面天線輻射器，其中所述天線襯底由低損耗半導(dǎo)體材料形成；以及 界面層，用于將所述天線結(jié)構(gòu)連接到所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，進(jìn)一步包括在所述天線襯底上的所述表面上形成的接觸襯墊以及穿過(guò)所述天線襯底形成的導(dǎo)電過(guò)孔，其中所述導(dǎo)電過(guò)孔形成所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)和在所述天線襯底的所述表面上形成的所述接觸襯墊之間的電互連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，進(jìn)一步包括形成為所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)一部分的天線饋線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，進(jìn)一步包括形成為所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)一部分的天線接地 面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，其中所述天線襯底為低損耗硅襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，其中所述天線襯底包括由兩個(gè)或更多個(gè)天線襯底層的置層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的芯片封裝，其中至少一個(gè)天線襯底層為低損耗硅襯底以及至少另一天線襯底層為娃石襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的芯片封裝，進(jìn)一步包括在兩個(gè)鄰近天線襯底層之間設(shè)置的金屬化圖形。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的芯片封裝，其中所述金屬化圖形為在所述天線襯底的所述表面上形成的所述天線輻射器和在所述BEOL結(jié)構(gòu)中形成的天線饋線之間設(shè)置的天線接地面。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的芯片封裝，其中所述金屬化圖形為第二天線輻射器。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的芯片封裝，其中所述金屬化圖形為所述電互連的至少一部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，其中所述RFIC芯片的足印大于所述天線結(jié)構(gòu)的足印。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，其中所述RFIC芯片的足印小于所述天線結(jié)構(gòu)的足印。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，其中位于所述天線結(jié)構(gòu)和所述BEOL結(jié)構(gòu)之間的所述界面層包括將所述天線結(jié)構(gòu)接合到所述BEOL結(jié)構(gòu)的多個(gè)金屬柱或環(huán)以及底填充材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的芯片封裝，其中所述低損耗半導(dǎo)體材料為高電阻率硅、硅石或石英。
16.一種裝置,包括: 一種芯片封裝，包括: RFIC (射頻集成電路)芯片，其包括具有活性表面和非活性表面的半導(dǎo)體襯底以及在所述半導(dǎo)體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (后段制程)結(jié)構(gòu)； 天線結(jié)構(gòu)，其包括天線襯底和在所述天線襯底的表面上形成的平面天線輻射器，其中所述天線襯底由低損耗半導(dǎo)體材料形成；以及 界面層，用于將所述天線結(jié)構(gòu)連接到所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)； 電路板，其中所述芯片封裝安裝在所述電路板上；以及 電互連結(jié)構(gòu)，用于提供所述RFIC芯片和所述電路板之間的DC電源、接地、控制和I/O基帶信號(hào)線。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中所述電互連結(jié)構(gòu)包括: 在所述天線襯底的所述表面上形成的接觸襯墊； 在所述電路板的所述表面上形成的接觸襯墊； 在所述天線襯底和所述電路板的所述表面上的接觸襯墊之間形成的接合線；以及 在所述天線襯底中形成的導(dǎo)電過(guò)孔和金屬線路，其將所述天線襯底的所述表面上的所述接觸襯墊連接到所述BEOL結(jié)構(gòu)中的接觸。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中所述電互連結(jié)構(gòu)包括: 從所述活性表面到所述非活性表面穿過(guò)所述RFIC芯片的所述半導(dǎo)體襯底形成的導(dǎo)電過(guò)孔；以及 位于所述RFIC芯片的半導(dǎo)體子組的所述非活性表面上的接觸襯墊，其形成到所述電路板上的接觸襯墊的電接合。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中所述天線結(jié)構(gòu)被接合到所述電路板，其中所述電路板具有開(kāi)口，所述開(kāi)口形成用于通過(guò)所述天線輻射器發(fā)射或捕獲電磁輻射的窗口。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中所述天線結(jié)構(gòu)被接合到所述電路板，其中所述電路板具有開(kāi)口以形成用于插入所述RFIC芯片的窗口。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中所述RFIC芯片的所述半導(dǎo)體襯底的所述非活性表面被接合到所述電路板。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置，其中所述低損耗半導(dǎo)體材料為高電阻率硅、硅石或石英。
全文摘要
本發(fā)明涉及芯片封裝和裝置。提供了晶片尺寸結(jié)構(gòu)和方法以集成封裝天線結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體RFIC(射頻集成電路)芯，從而形成用于毫米波(mm波)和太赫茲(THz)應(yīng)用的緊湊型集成無(wú)線電/無(wú)線通信系統(tǒng)。例如，芯片封裝包括RFIC芯片、天線結(jié)構(gòu)和界面層。所述RFIC芯片包括具有活性表面和非活性表面的半導(dǎo)體襯底以及在所述半導(dǎo)體襯底的所述活性表面上形成的BEOL(后段制程)結(jié)構(gòu)。所述天線結(jié)構(gòu)包括天線襯底和在所述天線襯底的表面上形成的平面天線輻射器，其中所述天線襯底由低損耗半導(dǎo)體材料形成。所述界面層將所述天線結(jié)構(gòu)連接到所述RFIC芯片的所述BEOL結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L23/66GK103247581SQ20131004912
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者劉兌現(xiàn), J-O·普盧沙爾, S·K·雷諾茲 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司