一種毫米波亞毫米波矽基片載端射天線的製作方法

2023-09-20 10:27:55 2

本發明涉及一種片載天線，具體涉及一種毫米波亞毫米波矽基片載端射天線。

背景技術：

天線，作為接收端的第一個元件和發射端的最後一個元件，都必須與電路相連接，因此，為了保證最大功率傳輸，阻抗匹配是必不可少的環節。此外，由於天線是常規PCB上實現，金絲鍵合用於將它們連接到集成電路，可以極大地影響匹配，尤其是在毫米波頻段，因為這些鍵合線通常具有不確定性，不能保證可重複性。相比之下，片載天線可以與前級電路一次集成，緩解了上述問題。

然而，在現有的低成本矽基半導體工藝中，襯底一般具有較低的電阻率(通常10Ω.cm)，天線向空間輻射的能源更多的通過襯底的低電阻路徑，從而導致增益下降。同時，襯底通常還具有高介電常數(εr＝11.9)，導致天線的輻射功率被限制在襯底裡邊，而不是被輻射到自由空間，進一步降低了輻射效率。

而且，片載天線受限於輻射面積以及輻射效率，其增益往往處於一個非常低的水平(通常小於0dB)，無法滿足對天線增益要求高的場合。並且，受制於天線及前端電路尺寸，使得天線無法在大規模二維陣列的場合下使用。

同時，在晶片裂片過程中，由於晶片切割工藝的影響，容易發生崩邊的現象，導致晶片損壞及片載天線性能下降。

技術實現要素：

為了改善上述問題，本發明提供了一種結構簡單、高效率、高增益的毫米波亞毫米波矽基片載端射天線。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：

一種毫米波亞毫米波矽基片載端射天線，包括金屬支撐臺，以及設置於金屬支撐臺一側的片載天線；所述片載天線包括矽襯底，設置於矽襯底上表面的SiO2層，以及設置於矽襯底上表面並位於SiO2層一側的金屬走線層；所述金屬走線層位於片載天線靠近金屬支撐臺的一側；所述金屬走線層上設有CPW饋電埠；所述SiO2層上設有與CPW饋電埠相連的平行雙線，且設有與平行雙線相連的八木天線有源振子；所述金屬支撐臺靠近片載天線的一側面上設有反射面，該反射面與CPW饋電埠的接地面組合構成發射器。其中，金屬支撐臺為金屬方塊，片載天線採用標準矽基工藝設計製造並粘貼在金屬支撐臺邊沿。

為了進一步地增加天線增益，本發明還包括設置於SiO2層上且位於八木天線有源振子前端的八木天線引向器。

為了解決晶片裂解過程中的崩邊問題，本發明還包括設置於SiO2層周邊邊緣由懸浮金屬層形成的懸浮金屬環。同時懸浮金屬環還能對晶片起到加固保護的作用。

進一步地，所述八木天線引向器與八木天線有源振子距離為0.2～0.4λg，所述八木天線引向器長度為0.2～0.3λg；其中，λg為毫米波亞毫米波在矽襯底中的介質波長。

再進一步地，所述八木天線有源振子長度為0.3～0.5λ，寬度為0.02λ；其中，λ為毫米波亞毫米波在真空中的介質波長。

更進一步地，所述反射面邊長尺寸大於2λ；其中，λ為毫米波亞毫米波在真空中的介質波長。

另外，所述矽襯底的厚度小於0.25λg；其中，λg為毫米波亞毫米波在矽襯底中的介質波長。

此外，所述懸浮金屬環的各單元尺寸小於0.05λg，單元間距大於0.02λg；其中，λg為毫米波亞毫米波在矽襯底中的介質波長。

本發明所公開的毫米波亞毫米波矽基片載端射天線所採用的引向器為金屬振子但不僅限於此，亦可採用矽襯底與介質層組成的介質諧振器等形式的引向器。

當襯底厚度小於0.25λg的時候，本發明所公開的毫米波亞毫米波矽基片載端射天線所採用的反射器為金屬反射面。當襯底厚度大於0.25λg的時候，本發明所公開的毫米波亞毫米波矽基片載端射天線可以採用的背面刻蝕/金屬濺射的方法實現金屬反射器，以及其它方法實現的反射器。

本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：

本發明具有結構簡單、尺寸小、高效率、高增益的優點，解決了晶片裂片過程中的崩邊問題，滿足在毫米波亞毫米波成像、通信以及相控陣等領域的應用要求。並且，本發明與主流CMOS工藝全面兼容，適用於各種電阻率的矽基片，且不需要額外的阻抗匹配部件。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明的俯視圖。。

圖3為本發明的側視圖。

圖4為實施例中D波段端射天線的反射係數。

其中，附圖中標記對應的零部件名稱為：1-金屬支撐臺，2-片載天線，3-反射面，4-CPW饋電埠，5-平行雙線，6-八木天線有源振子，7-八木天線引向器，8-懸浮金屬層，9-矽襯底，10-SiO2層，11-金屬走線層。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限於下列實施例。

實施例

如圖1～4所示，一種毫米波亞毫米波矽基片載端射天線，包括金屬支撐臺1，以及設置於金屬支撐臺一側的片載天線2；所述片載天線包括矽襯底9，設置於矽襯底上表面的SiO2層10，以及設置於矽襯底上表面並位於SiO2層一側的金屬走線層11；所述金屬走線層位於片載天線靠近金屬支撐臺的一側；所述金屬走線層上設有CPW饋電埠4；所述SiO2層上設有與CPW饋電埠相連的平行雙線5，且設有與平行雙線相連的八木天線有源振子6；所述金屬支撐臺靠近片載天線的一側面上設有反射面3，該反射面與CPW饋電埠的接地面組合構成發射器。

其中，天線饋電端使用CPW形式饋電，與平行雙線相連，經過八木天線有源振子向外輻射能量，八木天線有源振子長度為0.3～0.5λ，寬度為0.02λ。基於實際應用，在天線饋電端引入反射面，其邊長尺寸大於2λ與饋電端的接地面一起組成發射器，與八木天線有源振子距離為0.3～0.4λ。

為了進一步增加天線增益，本發明還包括設置於SiO2層上且位於八木天線有源振子前端的八木天線引向器7。其中八木天線引向器由八木天線有源振子前端的兩段金屬線組成，長度為0.2～0.3λg；所述八木天線引向器與八木天線有源振子距離為0.2～0.4λg。矽襯底的厚度小於0.25λg；所述懸浮金屬環的各單元尺寸小於0.05λg，單元間距大於0.02λg(λg為毫米波亞毫米波在矽襯底中的介質波長)。

為了解決晶片裂解過程中的崩邊問題，本發明還包括設置於SiO2層周邊邊緣由懸浮金屬層8形成的懸浮金屬環。同時懸浮金屬環還能對晶片起到加固保護的作用。

通過上述設計的毫米波亞毫米波矽基片載端射天線具有結構簡單、尺寸小、高效率、高增益的優點。解決了晶片裂片過程中的崩邊問題，滿足在毫米波亞毫米波成像、通信以及相控陣等領域的應用要求。

以140GHz作為工作頻率。選用七層金屬層的0.13um BiCMOS工藝，最頂層金屬的厚度為2-3um，最底層金屬為0.5um，最頂層金屬盒最底層金屬之間的介質為SiO2，厚度為10um。晶片的襯底為矽介質，相對介電常數為11.9，電阻率為10-50Ω.cm。CPW饋電埠直接過渡到平行雙線。八木天線有源振子的長度為600um，寬度為20um，與反射面的距離為200um。八木天線引向器長度為100um，天線寬度為1mm，矽襯底的厚度被減薄到100um。通過測試得知，本天線的-10dB帶寬範圍為133GHz-163GHz，如圖4所示。本天線的增益為5.1dB，遠優於現有技術。

按照上述實施例，便可很好地實現本發明。值得說明的是，基於上述結構設計的前提下，為解決同樣的技術問題，即使在本發明上做出的一些無實質性的改動或潤色，所採用的技術方案的實質仍然與本發明一樣，故其也應當在本發明的保護範圍內。