專利名稱：雙重模式微波/毫米波集成電路封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種雙重模式微波\毫米波微集成電路封裝，尤有關(guān)于一種可提供微帶線(microstrip line)模式與共平面波導(dǎo)(coplanar waveguide)模式兩種工作方式的微波/毫米波集成電路封裝。
過去30年來，微帶線是微波IC設(shè)計最廣為熟知的波導(dǎo)元件；另一方面，近年來共平面波導(dǎo)的應(yīng)用有長足的進(jìn)展。兩種工作方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，微帶線工作方式由于是為單模，故易于使用，共平面波導(dǎo)則具有衰減較小的優(yōu)點(diǎn)，且接地較為容易；另一方面，微帶線的衰減較共平面波導(dǎo)為大，共平面波導(dǎo)則由于非為單模，故使用上較為困難。


圖10示意顯示一種習(xí)知的微波集成電路IC封裝結(jié)構(gòu)，其是揭示于美國專利號碼5,235,208中，其中包括上方金屬層91、中間金屬層92與下方金屬層93所構(gòu)成的三層式基座(相同概念亦可擴(kuò)大至四層以上的基座)，IC晶片94，傳輸線95，IC晶片焊接部96，上方介電層97，下方介電層98，通路孔(via hole)991、992、993、994等。其是利用該多層基座形成一傳輸介質(zhì)，或背面導(dǎo)線式共平面波導(dǎo)，以和IC晶片94銜接。此種IC封裝方式由于不具有如圖11與圖12的引線框，封裝結(jié)構(gòu)整體的電感值較小，因此具有較高的操作頻率(根據(jù)該文獻(xiàn)的報導(dǎo)可達(dá)20GHz以上)，但其缺點(diǎn)在于此種封裝是采用密封的方式來防潮，或本高于SOIC(SmallOutline Integrated Circuit)封裝結(jié)構(gòu)，故已逐漸地為SOIC封裝方式所取代。
SOIC封裝技術(shù)是目前最為廣泛使用的封裝技術(shù)，其結(jié)構(gòu)可藉由圖11來表示。要點(diǎn)在于將IC晶片81以平面式安裝(surface mounting)的方式粘著于引線框82的槳部(paddle)821上，打上焊線(bond wire)83，然后以膠質(zhì)材料84固定后，再以塑膠85注模而形成。其優(yōu)點(diǎn)在于藉由外面的塑膠層85的保護(hù)，防止因?yàn)闈駳狻⒒覊m等的侵入而影響電氣特性，因而提高了可靠度。但隨著IC封裝的小型化，雖然引線框或焊線所形成的電感量降低，但線框的線與線間距也相對縮小，進(jìn)而使其間的電磁耦合量不容忽視，此為其缺點(diǎn)。
圖12表示近年來Marc Gomes-Casseres與Philip M.Fabis等人所提出的另一種SOIC封裝結(jié)構(gòu)，非常類似于圖11的傳統(tǒng)的SOIC封裝結(jié)構(gòu)，唯一不同之處在于將引線框82的槳部(paddle)821以一人工鉆石基座86取代，以達(dá)到增強(qiáng)導(dǎo)熱效果，因而降低傳輸損耗，是一種適合高功率微波IC的封裝架構(gòu)。
上述幾種習(xí)知的封裝技術(shù)均無法同時提供微帶線/共平面波導(dǎo)兩種工作方式，且分別有以下缺點(diǎn)圖10所示者并非采用平面式安裝，制造上較為麻煩，且成本較高。圖11所示隨著使用頻率的升高，輻射出去的電磁能量損耗愈大，嚴(yán)重影響包裝后的整體電氣性能。圖12所示雖然傳輸損耗較低，但由于采用人工鉆石，故成本自然提高。
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種低成本的封裝技術(shù)，同于SOIC封裝技術(shù)，其利用膠質(zhì)材料固定，再以塑膠注模(參考圖11或圖12中的94與85)，故同樣具有高可靠度。且其封裝結(jié)構(gòu)具有通路孔(參考圖10中的991、992、993、994)，有助于散熱至周邊環(huán)境。此外，由于整體封裝結(jié)構(gòu)依波導(dǎo)方式設(shè)計，故工作頻率非常高，未經(jīng)特別縮小設(shè)計的典型情況下，30GHz以上的工作頻率可輕易地達(dá)成。尤其值得一提的是，本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)可提供微帶線模與共平面波導(dǎo)兩種工作方式，此是任何習(xí)知的微波IC封裝結(jié)構(gòu)無法達(dá)成的。
本發(fā)明的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝的構(gòu)造可由圖1所示之上視圖、圖2所示之下視圖、圖3所示的剖面圖加以說明。圖1之上視圖顯示本發(fā)明的上表面包含上方左金屬帶11與上方右金屬帶12，分布區(qū)域分別由上表面的左緣與右緣的約中央位置朝上表面的中心點(diǎn)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，左金屬帶11與右金屬帶12分別在上表面的左緣與右緣有通路孔111與121連接至下表面；左絕緣帶13與右絕緣帶14，均為細(xì)長狀而具有甚小的面積，分別位于上方左金屬帶11與右金屬帶12的外側(cè)；上方中間金屬區(qū)15，分布于上表面除了上方左金屬帶11、上方右金屬帶12、左絕緣帶13及右絕緣帶14外的所有區(qū)域，中間金屬帶15分別在上表面的左緣之上下兩側(cè)，與右緣這上下兩側(cè)，以及水平方向約略中間位置處有通路孔151-156連接至上表面；IC晶片16，置于上表面上的約略中面位置，晶片所覆蓋的范圍全部位于上方中間金屬區(qū)15內(nèi)，且不覆蓋于任何通路孔上，信號端與接地端161-168位于晶片16之上表面，有若干焊線分別由其上表面出發(fā)而接至上方左金屬帶11、上方右金屬帶12、上方中間金屬區(qū)15；膠質(zhì)材料部17(參考圖3)，覆蓋于IC晶片16與上述焊線之上，用以將IC晶片16固定；塑膠部18，以注模的方式形成于膠質(zhì)材料部17之上。此外，上表面與下表面之間的部份為基板19。
圖2之下視圖顯示下表面包含下方左金屬帶21、22、及23，分布區(qū)域分別由下表面的左緣之下側(cè)、中間部分、上側(cè)朝下表面的右側(cè)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，各金屬帶分別有通路孔151、111、152連接至上方中間金屬區(qū)15、上方左金屬帶11、上方中間金屬區(qū)15；下方右金屬帶24、25、26，分布區(qū)域分別由下表面的順緣之下側(cè)、中間部分、上側(cè)朝下表面的左側(cè)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，各金屬帶分別有通路孔153、121、154連接至上方中間金屬區(qū)15、上方右金屬帶12、上方中間金屬區(qū)15；下方中間金屬區(qū)27，分布于下表面水平方向約略中間位置之上緣與下緣之間，有通路孔156、155連接至上方中間金屬區(qū)15。
圖1表示本發(fā)明的雙重模式微小/毫米波集成電路封裝之上視圖；圖2表示本發(fā)明的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝之下視圖；圖3表示本發(fā)明的雙重模式微小/毫米波集成電路封裝的a-a′線剖面圖；圖4表示微帶線模式下的使用者電路板；圖5表示共平面波導(dǎo)模式下的使用者電路板；圖6表示本發(fā)明的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝的另一種實(shí)施例之上視圖；圖7與圖8分別表示利用本發(fā)明的IC封裝在微帶線模式與共平面波導(dǎo)模式下，其反射信號及穿透信號的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖9表示以一種典型的電晶體作為IC16所量測到的電晶體的最大增益值Gmax對于頻率的變化結(jié)果；圖10表示一種習(xí)知的微波IC封裝結(jié)構(gòu)；圖11表示另一種習(xí)知的微波IC封裝結(jié)構(gòu)；圖12表示又一種習(xí)知的微波IC封裝結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的IC封裝是以平面式安裝的方式與外界微波/毫米波IC接在一起，適合大量生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)。因此，當(dāng)外界的銜接電路是以微帶線設(shè)計為主體時，利用本發(fā)明的IC封裝可在微帶線工作模式下進(jìn)行操作，說明如下此時可考慮成圖1所示的本發(fā)明的IC封裝是置于圖4所示的外部電路上。當(dāng)外部微波電路以微帶線31(圖4)輸入，由于微帶線31與圖2中的金屬帶22直接接觸(例如以焊接方式)，微波信號會由22(圖2)經(jīng)由通路孔111垂直攀升至金屬帶11(圖1)。當(dāng)微波信號輸入的同時，支持微帶線模式的逆向地面回流電流經(jīng)由是統(tǒng)的地面(圖4中的30)穿過通路孔301-307至使用者基板地面33，再經(jīng)由與其接觸的金屬帶21、23、24、26，及金屬區(qū)27(圖2)，并透過各自對應(yīng)的通路孔151、152、153、154及、155、156而往上攀升至金屬區(qū)15(圖1)。因此，當(dāng)使用微帶線模式時，是統(tǒng)的地面回流可以順暢地通往IC封裝的中間金屬區(qū)15(圖1)，而此金屬區(qū)15是作為IC16的接地面。
以下說明焊線的配置微波信號由金屬帶11的前緣161’接1條或數(shù)條焊線至IC16上的信號輸入端161，此焊線與接地面15及中間的空氣或填充物質(zhì)形成一個類似微帶線的波導(dǎo)。由于金屬帶11與接地面15之間隙非常小，利用焊線161-161’所形成的微帶線結(jié)構(gòu)僅造成些微的不連續(xù)性。焊線162-162’的情況類似，在此省略其說明。由IC16的接地端子163-168外接的焊線為接地線，分成兩類(1)如焊線163-163’、164-164’、165-165’、166-166’所示，是分別由點(diǎn)163、164、165、166接至距離點(diǎn)161’(位于金屬帶11的前端)最近的點(diǎn)163’、164’，與距離點(diǎn)162’(位于金屬帶12的前端)最近的點(diǎn)165’166’；(2)如焊線167、167’、168-168’所示，是分別由點(diǎn)167、168用最短的接線接至金屬區(qū)15。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的IC封裝，當(dāng)使用微帶線模式工作時由信號輸入端起形成一個相當(dāng)連續(xù)而完整的微帶線傳輸線是統(tǒng)，同時良好的接地面15與兩種不同種類的接地線又與IC16形成良好的接地回路。
另一方面，當(dāng)外界的銜接電路為共平面波導(dǎo)所組成時，其外部電路可以圖5表示，其中包括基板40、金屬板42、介質(zhì)層41、金屬帶43、44、45、46、47、48等。其中該介質(zhì)層41可填以介質(zhì)或不填任何物質(zhì)而使基板40懸空于金屬板42之上，形成懸空式共平面波導(dǎo)，亦可使基板40與金屬板42直接接觸，形成背面導(dǎo)體式共平面波導(dǎo)。
本發(fā)明的IC封裝可接受懸空式共平面波導(dǎo)或背面導(dǎo)波式共平面波導(dǎo)的輸入或輸出，以下以懸空式共平面波導(dǎo)進(jìn)行說明圖5中，由共平面金屬帶43-44-45與46-47-48所形成的接地一信號-接地的共平面波導(dǎo)由使用者藉由基板40輸入及輸出，該等共平面金屬帶的終端431-4541-451與461-471-481藉由如焊接的方式與本發(fā)明的IC封裝的底部21-22-23與24-25-26(圖2)銜接。共平面波導(dǎo)的信號由441(圖5)輸入，經(jīng)由金屬帶22、通路孔111(圖2)，往上至金屬帶11(圖1)。同時，共平面波導(dǎo)的逆向接地電流回路亦經(jīng)由431與451(圖5)與IC封裝底面的金屬帶21與23接觸后，經(jīng)由通路孔151與152往上而進(jìn)入整片接地面15。
此時，共平面波導(dǎo)的波傳播方向由水平方向轉(zhuǎn)為垂直方向，大部分電磁能量仍然散布在信號線-金屬帶11、與地線-接地面15之間。轉(zhuǎn)成水平方向的共平面波導(dǎo)在金屬帶11的前端161’以焊線跳接至IC16的輸入端161。同時，共平面波導(dǎo)兩旁的接地面15在163’與164’之處分別藉由焊線接至IC16的參考接地點(diǎn)163與164。因此，163-163’、161-161’、164-164’及其中的填充介質(zhì)或空氣，形成另一組相銜接的共平面波導(dǎo)，將電磁能量懸空式而傾斜地導(dǎo)入IC16。同理，165-165’、162-162’、166-166’亦形成共平面波導(dǎo)，用以將電磁能量導(dǎo)出IC16。
圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的另一種IC封裝，一般稱為反裝晶片法(flip-chip)，是根據(jù)圖1所示的IC封裝加以改變而成。首先，將IC16之上下表面反轉(zhuǎn)，信號端與接地端皆位于下表面。其次，將金屬帶11與金屬帶12延長其左右方向的寬度，使IC16所覆蓋的范圍中，中央部分位于原金屬區(qū)15之上；左側(cè)部分位于金屬帶11之上，右側(cè)部分位于金屬帶12之上，且IC16不覆蓋于任何通路孔上。IC16的輸入信號端與金屬帶11接觸，輸出信號端與金屬帶12接觸，而所有接地端皆與金屬帶區(qū)15接觸，且對金屬區(qū)15被IC16所覆蓋部分適當(dāng)?shù)丶右晕g刻，且前述些微的不連續(xù)性更可完全避免，傳輸特性更佳。
圖7、圖8與圖9是利用本發(fā)明的IC封裝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中圖7與圖8分別表示面積大小為2.5mm*3.2mm的基板，在微帶線模式與共平面波導(dǎo)模式下的雙埠離散參數(shù)(2-port scattering parameter)值(dB)。其數(shù)值的計算是采用頻域積分方程法及格林阻抗函數(shù)(Green′s Impedance Function)分析微波封裝在輸入端與輸出端為銜接(through)狀態(tài)下的雙埠離散參數(shù)。以圖1為例，將IC16的信號端161與162以最短直線接在一起(短路)，且將接地端子(163、167)、(167、165)、(164、168)、(168、166)分別以最短直線接在一起。雖然上述基板大小(2.5mm*3.2mm)相當(dāng)?shù)卮?，但由圖7與圖8可知，本發(fā)明的IC封裝仍然具有良好的微波封裝特性(1)在迄于30GHz的操作頻率范圍內(nèi)，輸入端反射是數(shù)S11均保持在-15dB以下，表示反射回來的信號非常少；(2)在迄于30GHz的操作頻率范圍內(nèi)，傳輸是數(shù)S21均保持在-1dB以上，表示絕大部分的信號均透過IC16而傳輸過去。比較兩種工作模式可發(fā)現(xiàn)微帶線模式之下的傳輸損耗較共平面波導(dǎo)模式下稍大。由圖7與圖8可知，本發(fā)明的IC封裝在相當(dāng)大的頻率范圍(迄于30GHz)，能成功地運(yùn)用于微帶線/共平面波導(dǎo)雙重模式。
圖9是采用典型的0.25μm GaAs PHEMT(Pseudomorphic High ElectronMobility Transistor)作為IC16植入上述大小的基板，并實(shí)測其共源極雙埠離散參數(shù)，再將該離散參數(shù)轉(zhuǎn)成電晶體的最大增益值Gmax。圖9顯示Gmax對于頻率的變化曲線，該曲線的斜率相當(dāng)符合于理論值的-6dB/octave，以外差的方式將曲線加以延伸亦可知所迄于30GHz的頻率，Gmax值均在0dB以上，證明本發(fā)明的IC封裝能夠配合時下的微波/毫米波半導(dǎo)體技術(shù)，將封裝后的工作頻率升高至毫米波段。
在發(fā)明詳細(xì)說明中所提出的具體的實(shí)施態(tài)樣或?qū)嵤├齼H為了易于說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，而并非將本發(fā)明狹義地限制于該實(shí)施例，在不超出本發(fā)明的精神及以下的權(quán)利要求范圍的情況，可作種種變化實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，包含上表面、下表面與介于該上下表面之間的基板，該上表面包含上方左金屬帶與上方右金屬帶，分布區(qū)域分別由上表面的左緣與右緣的約中央位置朝上表面的中心點(diǎn)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，該左金屬帶與右金屬帶分別在上表面的左緣與右緣有通路孔連接至該下表面；左絕緣帶與右絕緣帶，均為細(xì)長狀而具有甚小的面積，分別位于該上方左金屬帶與右金屬帶的外側(cè)；上方中間金屬區(qū)，分布于上表面除了該上方左金屬帶、上方右金屬帶、左絕緣帶及右絕緣帶外的所有區(qū)域，該中間金屬帶分別在上表面的左緣之上下兩側(cè)，與右緣之上下兩側(cè)，以及水平方向約略中間位置處有通路孔連接于該下表面；IC晶片，置于該上表面上的約略中央位置，晶片所覆蓋的范圍全部位于該上方中間金屬區(qū)內(nèi)，且不覆蓋于任何通路孔上，信號端與接地端位于該晶片之上表面，有若干焊線分別由該上表面出發(fā)而接至該上方左金屬帶、該上方右金屬帶、該上方中間金屬區(qū)；膠質(zhì)材料部，覆蓋于該IC晶片與該等焊線之上，用以將該IC晶片固定；塑膠部，以注模的方式形成于該膠質(zhì)材料部之上，該上表面包含第一、第二及第三下方左金屬帶，分布區(qū)域分別由下表面的左緣之上側(cè)、中間部分、下側(cè)朝下表面的右側(cè)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，各金屬帶分別有通路孔連接至該上方中間金屬區(qū)、上方左金屬帶、上方中間金屬區(qū)；第一、第二及第三下方右金屬帶，分布區(qū)域分別由下表面的右緣之上側(cè)、中間部分、下側(cè)朝下表面的左側(cè)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，各金屬帶分別有通路孔連接至該上方中間金屬區(qū)、上方右金屬帶、上方中間金屬區(qū)；下方中間金屬區(qū)，分布于上表面水平方向約略中間位置之上緣與下緣之間，有通路孔連接至該上方的中間金屬區(qū)。
2.如權(quán)利要求1的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，其中該上方中間金屬區(qū)有兩個通路孔連接至該下方中間金屬區(qū)。
3.如權(quán)利要求1的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，其中該IC晶片上的焊線分為三類(1)輸入信號用焊線是由該IC晶片上表面的輸入信號端連接至該上方左金屬帶距離最近之處；(2)輸出信號用焊線是由該IC晶片上表面的輸出信號端連接至該上方右金屬帶距離最近之處；(3)接地用焊線是由該IC晶片上表面的接地端連接于距離該上方左金屬帶或右金屬帶的焊接點(diǎn)最近之上方中間金屬區(qū)的點(diǎn)。
4.如權(quán)利要求3的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，其中該接地用焊線還包含由該IC晶片上表面的接地端以最短的焊線連接于該上方中間金屬區(qū)。
5.如權(quán)利要求1的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，其中該基板為多層板的結(jié)構(gòu)，可將電路設(shè)計于其上，并利用通路孔與該IC晶片結(jié)合成一模組。
6.一種雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，包含上表面與下表面，該上表面包含上方左金屬帶與上方右金屬帶，分布區(qū)域分別由上表面的左緣與右緣的約中央位置朝上表面中心點(diǎn)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，該左金屬帶與右金屬帶分別在上表面的左緣與右緣有通路孔連接至該下表面；左絕緣帶與右絕緣帶，均為細(xì)長狀而具有甚小的面積，分別位于該上方左金屬帶與右金屬帶的外側(cè)；上方中間金屬區(qū)，分布于上表面除了該上方左金屬帶、上方右金屬帶、左絕緣帶及右絕緣帶外的所有區(qū)域，該中間金屬帶分別在上表面的左緣之上下兩側(cè)，與右緣之上下兩側(cè)，以及水平方向約略中間位置處有通路孔連接至該下表面；IC晶片，置于該上表面上的約略中央位置，信號端與接地端位于該晶片的下表面，晶片所覆蓋的范圍中，中央部分位于該上方中間金屬區(qū)之上，左側(cè)部分位于該上方左金屬帶之上，右側(cè)部分位于該上方右金屬帶之上，且不覆蓋于任何通路孔上，該IC晶片的輸入信號端與該上方左金屬帶接觸，輸出信號端與該上方右金屬帶接觸，而所有接地端皆與該上方中間金屬區(qū)接觸，且對應(yīng)該上方中間金屬區(qū)接觸被該IC晶片所覆蓋部分適當(dāng)?shù)丶右晕g刻，以防該IC晶片表面電路短路；膠質(zhì)材料部，覆蓋該IC晶片之上，用以將該IC晶片固定；塑膠部，以注模的方式形成于該膠質(zhì)材料部之上，該下表面包含第一、第二及第三下方左金屬帶，分布區(qū)域分別由下表面的左緣之上、中間部分、下側(cè)朝下表面的右側(cè)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，分別有通路孔連接至該上方中間金屬區(qū)、上方左金屬帶、上方中間金屬區(qū)；第一、第二及第三下方右金屬帶，分布區(qū)域分別由下表面的右緣之上側(cè)、中間部分、下側(cè)朝下表面的左側(cè)延伸一段距離所形成的帶狀區(qū)域，分別有通路孔連接至該上方中間金屬區(qū)、上方右金屬帶、上方中間金屬區(qū)；下方中間金屬區(qū)，分布于下表面水平方向約略中間位置之上緣與下緣之間，有通路孔連接至該上方中間金屬區(qū)。
7.如權(quán)利要求6的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，其中該上方中間金屬區(qū)有兩個通路孔連接至該下方中間金屬區(qū)。
8.如權(quán)利要求6的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，其中該IC晶片的輸入信號端與該上方左金屬帶接觸，輸出信號與該上方右金屬帶接觸，所有接地端皆與該上方中間金屬區(qū)接觸。
9.如權(quán)利要求6的雙重模式微波/毫米波集成電路封裝，其中該基板為多層板的結(jié)構(gòu)，可將電路設(shè)計于其上，并利用通路孔與該IC晶片結(jié)合成一模組。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種雙重模式微波/毫米波集成電路封裝,具有成本低、工作頻率高、散熱快、可靠度高等諸優(yōu)點(diǎn),尤其值得一提者,本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)可提供微帶線模式與共平面波導(dǎo)兩種工作方式,此是任何習(xí)知的微波IC封裝結(jié)構(gòu)無法達(dá)成的。
文檔編號H01L23/02GK1197286SQ9710379
公開日1998年10月28日 申請日期1997年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月18日
發(fā)明者莊晴光 申請人:莊晴光