晶片封裝和裝置的製作方法

2023-05-12 08:57:56 2

專利名稱：晶片封裝和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及帶有集成天線的晶片尺寸(wafer-scale)封裝結構。更具體地說，涉及晶片尺寸封裝結構和用於整體地封裝天線結構與半導體RFIC (射頻集成電路)晶片的方法，從而形成用於毫米波(_波)和太赫茲(THz )應用的緊湊型集成無線電/無線通信系統。
背景技術：
在無線網絡中，使用與接收器或發射器耦合的天線實現設備間的連接性和通信，以便與網絡中的其它元件相互發射所需信號。在傳統無線電通信系統(例如，毫米波無線電)中，分立部件通常以低集成水平組裝。這些系統常使用昂貴且龐大的波導和封裝級或板級微帶結構進行組裝以互連半導體及其所需的發射器或接收器天線。隨著半導體技術和封裝工程的最新發展，這些無線電通信系統的尺寸變得越來越小。對於某些現有技術而言，可使用多層印刷電路板(PCB)(基於有機)或使用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(基於陶瓷)製造多層集成天線結構。這些多層有機或陶瓷集成天線結構可使用標準C4 (可控坍塌晶片連接)技術與半導體IC晶片相連。使用基於有機或陶瓷的封裝技術製造的集成天線結構一般適合於60GHz，甚至最高94GHz頻帶中的應用工作頻率，同時能實現適當性能。但是，對於94GHz甚至更高的頻帶的操作頻率，由於例如低PCB和LTCC製造解析度，使用上述基於有機或陶瓷的多層天線結構便成問題。而且，用於PCB和LTCC技術的封裝材料對於高頻應用而言損耗度太大。因此，需要設計具有與半導體IC晶片(例如，RFIC)耦合的集成天線的封裝結構，從而為工作頻率最高達到THz範圍的應用提供高性能操作
發明內容
一般而言，本發明的示例性實施例包括帶有集成天線的晶片尺寸封裝結構，具體而言，晶片尺寸封裝結構和方法以集成封裝天線結構與半導體RFIC晶片，從而形成用於毫米波(_波)和太赫茲(THz)應用的緊湊型集成無線電/無線通信系統。在一個示例性實施例中，一種晶片封裝包括RFIC晶片、天線結構和界面層。所述RFIC晶片包括具有活性表面和非活性表面的半導體襯底以及在所述半導體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (後段製程)結構。所述天線結構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體材料形成。所述界面層將所述天線結構連接到所述RFIC晶片的所述BEOL結構。所述低損耗半導體材料例如可以為高電阻率矽、矽石(silica)或石英。在另一示例性實施例中，一種裝置包括晶片封裝和電路板，其中所述晶片封裝安裝在所述電路板上。所述晶片封裝包括RFIC晶片、天線結構和界面層。所述RFIC晶片包括具有活性表面和非活性表面的半導體襯底以及在所述半導體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (後段製程)結構。所述天線結構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體材料形成。所述界面層將所述天線結構連接到所述RFIC晶片的所述BEOL結構。所述低損耗半導體材料例如可以為高電阻率矽、矽石或石英。所述裝置進一步包括提供所述RFIC晶片和所述電路板之間的DC電源、接地、控制和I/O基帶信號線的電互連。通過結合附圖閱讀下面對示例性實施例的詳細描述，本發明的上述和其它示例性實施例、方面和特性將得到闡釋或變得顯而易見。


圖1示意性地示出根據本發明的示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖2示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖3示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖4示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖5示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖6示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖7示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。 圖8示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖9示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖10示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖11示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。圖12示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。
具體實施例方式現在將參考晶片尺寸封裝結構和方法進一步詳細地介紹本發明的示例性實施例，所述晶片尺寸封裝結構和方法集成封裝天線結構與半導體RFIC (射頻集成電路)晶片，從而形成用於毫米波(mm波)應用(例如，94GHz)和太赫茲(THz)應用(例如，300GHz至6THz)的緊湊型集成無線電/無線通信系統。一般而言，根據本發明的示例性實施例的封裝結構包括使用矽或薄膜製造工藝製造的天線結構，此天線結構使用晶片尺寸製造技術與RFIC晶片集成封裝。在下面將參考圖1-12詳細介紹的封裝結構示例性實施例中，封裝結構通常包括RFIC (射頻集成電路)晶片、天線結構和界面層。RFIC晶片包括具有活性表面和非活性表面的半導體襯底，以及在半導體襯底的活性表面上形成的BEOL (後段製程)結構。天線結構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或多個天線襯底層形成，其中天線襯底由低損耗半導體材料形成，例如高電阻率矽(或低損耗娃)、娃石、石英或其它適當的半導體材料。界面層將天線結構連接到RFIC晶片的BEOL結構。將理解，附圖所示的各層和/或區域並非按比例繪製，並且通常在集成晶片封裝中使用的一種或多種層和/或區域類型可能不在給定圖中明確示出。這並不暗示實際的集成晶片封裝省略未明確示出的層和/或區域。而且，各圖中相同或類似的參考標號用於表示相同或類似的特徵、部件或結構，因此，對於每個附圖，不再重複對相同或類似的特徵、部件或結構的詳細說明。圖1示意性地示出根據本發明的示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。具體而言，圖1是封裝結構100的示意性側視圖，此封裝結構包括RFIC晶片110、界面層120、天線結構130和應用板140 (或電路板)。RFIC晶片110包括半導體襯底112 (例如，低電阻率矽襯底)和具有介電層和金屬化層的多個交錯層(例如，層L1、L2、L3和L4)的BEOL (後段製程)結構114。天線結構130 —般包括至少一個襯底層132、在襯底132的頂表面上形成的平面天線134結構、穿過襯底132形成的多個通孔，以及多個在襯底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晶片110的BEOL結構114的一部分的金屬化結構。具體而言，如圖1所示，天線接地面102是在RFIC晶片110的BEOL結構114的第一層(底層)L1中形成的金屬化結構，而天線饋線104是在RFIC晶片110的BEOL結構114的最後 的層(頂層)L4上形成的金屬化結構。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線，其中接地面102還充當天線饋線104的接地面。低損耗天線襯底132由低損耗半導體襯底材料形成，例如高電阻率矽(例如，>IOOOOhm.cm)、矽石、石英或其它適合於晶片尺寸製造的材料。襯底132的介電常數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。例如，對於94GHz工作頻率，襯底132可以由厚度約為50微米的低損耗矽襯底形成。貼片輻射器134的尺寸和結構將決定天線的諧振頻率，本領域的普通技術人員將理解這一點。RFIC晶片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、發射器或收發器電路，以及其它通常用於實現無線RFIC晶片的有源或無源電路元件。BEOL結構114的各層可以由諸如氧化矽之類的常用介電材料或絕緣材料、由銅或金或其它用於在晶片尺寸製造中實現BEOL結構的常用金屬或導體材料形成。RFIC晶片110的整體厚度可以在約150微米或約700微米的範圍內，具體取決於應用要求。該厚度例如由晶片與晶片封裝或應用板如何接口決定。天線襯底132通過界面層120附著到RFIC晶片110上，所述界面層包括多個藉助底填充材料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可以包括用於將天線襯底132接合到RFIC晶片110的無源金屬連接襯墊或連接環122，或者包括有源金屬襯墊126，該有源金屬襯墊126提供BEOL結構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充當到應用板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、控制信號襯墊等。應用板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晶片/天線封裝110/130通過線合線144連接到應用板140，其中所有mm波或THz頻率信號包含在RFIC封裝中，只有諸如DC電源、控制和基帶信號之類的低頻信號通過接合線144。將理解，上面參考圖1介紹的本發明的原理可以擴展到其它封裝設計。例如，圖2示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構。具體而言，圖2是封裝結構200的示意性側視圖，此封裝結構與圖1中的封裝結構100類似，只是圖2中的封裝結構200包括形成電磁耦合層疊貼片天線結構的多層天線結構230。具體而言，天線結構230包括具有第一貼片輻射器134和通孔136 (類似於圖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的示例性實施例中，使用兩個貼片輻射器134/234來增加天線帶寬(與圖1中的單貼片結構相比)，在特定應用中需要這樣做。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(矽石)形成，而第二襯底232可由低損耗矽形成，從而提供兩種具有不同介電常數(矽石具有小於矽的介電常數)的低損耗襯底。可使用本領域的普通技術人員公知的方法實現具有不同損耗和介電常數的材料以調諧層疊貼片天線結構的操作頻率/帶寬。與圖1中的封裝結構類似，第二襯底232表面上的接觸襯墊238充當到應用板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 襯墊等。應用板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被形成為相互對準，以提供BEOL結構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的示例性實施例示出具有電磁耦合貼片天線和層疊貼片天線結構的天線結構。這些設計可以擴展為包括其它類型的輻射器，例如平板槽天線結構或平板槽環天線結構。在此類實施例中，圖1和2中的輻射器134和234實現為其中形成定義本領域公知的槽或槽環的孔的薄金屬板。這些用於形成槽或槽環天線結構的金屬板可進一步充當散熱器以散發RFIC晶片110產生的熱量。而且，由於晶片尺寸製造技術用於製造根據本發明的原理的晶片封裝，因此可以在封裝設計中實現細柵距金屬結構，從而還允許在封裝中實現帶有針饋(probe-feed)和孔饋(aperture-feed)的貼片天線。例如，圖3示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構，此結構實現孔耦合天線設計。具體而言，圖3是封裝結構300的示意性側視圖，此封裝結構與圖2中的封裝結構200類似，只是圖3中的封裝結構300包括形成孔耦合貼片天線的多層天線結構330。
具體而言，天線結構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包括多個孔335A和335B。與圖1和2中的封裝結構對照，天線接地面332形成為天線結構330的一部分，而非RFIC晶片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充當天線饋線104的接地面。在圖3的示例性實施例中，電磁能通過形成於接地面332中的孔335A在天線饋線104和天線福射器334之間耦合。而且，形成於第一和第二天線襯底331和333中的通孔336和337穿過形成於天線接地面332中的孔335B，從而在BEOL結構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。通過在圖3中的天線封裝結構330內實施天線接地面332 (與圖1和2所示的在BEOL結構114中實施天線接地面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。這樣允許天線輻射器和饋電結構基本上相互獨立地進行優化。圖3中的孔耦合封裝設計可以擴展到孔耦合層疊貼片天線設計(如下面參考圖4所述)和針饋貼片天線設計(如下面參考圖5所述)。圖4示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的封裝結構，此結構實現孔耦合層疊貼片天線設計。具體而言，圖4是封裝結構400的示意性側視圖，此封裝結構與圖3中的封裝結構300類似，只是圖4中的封裝結構400包括多層天線結構430，此天線結構包括形成於其表面上的帶有第二貼片輻射器434的附加天線襯底層432、穿過襯底432形成並將下天線襯底層333和331中的下通孔337和336連接到形成於天線襯底層432頂表面上的導電襯墊438的附加通孔436。圖4中的層疊貼片天線設計提供了改進的操作帶寬，該設計包括位於天線襯底333上的第一貼片輻射器334，其中第二貼片輻射器343形成於天線襯底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之間通過形成於天線接地面332中的孔335A進行有效耦合，並且允許調諧天線帶寬。圖5示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的封裝結構，此結構實現針饋貼片天線設計。具體而言，圖5是封裝結構500的示意性側視圖，此封裝結構與圖3中的封裝結構300類似，只是圖5中的封裝結構500包括多層天線結構530，此天線結構包括穿過天線層331、332和333形成的垂直饋針532，該垂直饋針將天線饋線104連接到形成於天線襯底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充當垂直過渡，其將穿過接地面332的孔335A進行延伸，從而將來自天線饋線104的能量耦合到貼片輻射器334。圖6示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的封裝結構，此結構實現TSV(矽通孔)設計。具體而言，圖6是封裝結構600的示意性側視圖，此封裝結構與圖1中的封裝結構100類似，只是圖6中的封裝結構600包括RFIC晶片610，該晶片具有多個穿過RFIC晶片610的半導體襯底112形成的導電矽通孔611、612和613。RFIC晶片610的底層640包括絕緣層641 (鈍化層)和多個形成於RFIC晶片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)接合到形成於應用板40上的對應接觸(未示出)。在圖6的示例性實施例中，矽通孔611、612和613提供底層接觸襯墊642和分別形成於BE0L114各層上的金屬線路108、102 和107之間的電連接。具體而言，矽通孔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晶片610和應用板140之間的接地連接。矽通孔611提供形成於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晶片610和應用板140之間的DC電源、或者控制或I/O基帶信號連接。類似地，矽通孔613提供形成於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晶片610和應用板140之間的DC電源、或者控制或I/O基帶信號連接。與圖1中的天線封裝層130對照，圖6中的天線封裝層630不包括天線襯底132內的任何導電通孔。相反，通過圖6中的封裝設計，所有DC電源、接地、控制和I/O基帶信號線藉助RFIC晶片610實現。圖1-6示出其中RFIC晶片和天線封裝結構的足印(footprint)尺寸相同或基本相似的示例性實施例。在本發明的其它示例性實施例中，如下面參考圖7-12介紹的那樣，RFIC晶片和天線封裝結構的足印尺寸不同，從而允許使用不同的封裝和布線方法。例如，在其中RFIC晶片的足印尺寸大於天線封裝的足印尺寸的應用中，低頻接合線可以附著到RFIC晶片頂表面以及天線封裝的頂表面上。具體而言，圖7示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構，其中RFIC晶片的足印尺寸大於天線結構。更具體地說，圖7示出封裝結構700的示意性側視圖，此封裝結構包括RFIC晶片710以及尺寸小於RFIC晶片710的天線結構730。圖7中的封裝結構700與圖2中的封裝結構200類似，因為封裝結構700包括形成電磁耦合層疊貼片天線結構的多層天線結構。具體而言，天線結構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和形成於其頂面上的接觸襯墊738的第二襯底732。天線襯底731/732的足印尺寸小於RFIC晶片710，以便RFIC晶片710頂表面的周邊區域不被天線結構730覆蓋。在該設計中，附加接觸襯墊148可以形成於RFIC晶片710上表面的暴露的周邊區域上，並且接合線連接146可以在RFIC晶片710頂表面上的接觸襯墊148和應用板上的接觸襯墊142之間形成，從而提供RFIC晶片710和應用板140之間的DC直流電源，或者控制或I/O基帶信號連接。如果RFIC晶片7 10頂表面上的暴露區域有限，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基帶信號連接。在本發明的其它示例性實施例中，可在封裝結構700上添加頂部包封(保護)層740以保護RFIC晶片710的暴露表面區域。圖8-11示出其中天線結構的足印尺寸大於RFIC晶片的足印尺寸的封裝結構的各種示例性實施例。例如在實例中，天線結構的足印尺寸可以大於RFIC晶片的足印尺寸,其中天線結構包括多個形成陣列天線的輻射器，或者其中天線的工作頻率相對較低(在這種情況下，針對所需的較低諧振頻率構建較大的平板天線結構)。例如，圖8示意性地示出封裝結構800的一個示例性實施例，其中RFIC晶片810的足印尺寸小於天線結構830的足印尺寸。一般而言，與圖1類似，圖8中的封裝結構800包括電磁耦合貼片天線設計。天線結構830包括多個天線襯底831、832和833，其中貼片輻射器834形成於天線襯底833頂表面上。天線襯底831、832和833延伸超過RFIC晶片810的側壁，從而允許天線封裝830通過界面層820附著到應用板840上。在本發明的一個示例性實施例中，界面820包括BGA (球柵陣列)界面,其包括多個包封在底填充材料824中的BGA連接822、826。有些BGA連接822是被實現為將天線結構830接合到應用板840表面的非電連接。其它BGA連接826仍充當應用板840和RFIC晶片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晶片810和天線結構830之間的界面層120的一部分的金屬線路122，以及連接到通過天線830的各襯底層831和832中形成的過孔和金屬線形成的金屬線路835，從而提供RFIC晶片810和應用板840之間的DC直流電源，或者控制或I/O基帶信號連接。應用板840被形成為帶有以插入的方式接收RFIC晶片810的開口 841。而且，藉助形成於應用板840中的開口 841，可選的散熱器850可以附著到RFIC晶片810的半導體襯底112的非活性表面上，以提供散發RFIC晶片810產生的熱的裝置。在本發明的其它示例性實施例中，例如圖9所示，應用板940中可能不具有在其中形成的開口。在這種情況下，天線結構830和應用板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，對於多數應用而言350 μπι的厚度是足夠)足以提供天線結構830和應用板940之間的適當接合/連接。通過此處描述的封裝設計方法，帶有集成天線的RFIC封裝可以通過BGA界面倒置附著到應用板上，該應用板中形成開口以提供天線輻射窗口。這些結構的示例性實施例在圖10和11中示出。具體而言，圖10示意性地示出封裝結構1000的一個示例性實施例，其中RFIC晶片1010的足印尺寸小於天線結構1030的足印尺寸，這與圖8中的結構類似，但是其中封裝1000倒置。封裝結構1000包括電磁耦合貼片天線設計。天線結構1030包括多個天線襯底1031、1032和1033，其中貼片輻射器1034形成於天線襯底1033的表面上。天線1010通過界面層1020連接到RFIC晶片1010，界面層1020的結構類似於上述其它實施例中的界面層。可選的散熱器1050可以附著到RFIC晶片1010的半導體襯底112的非活性表面上，以提供散發RFIC晶片1010產生的熱的裝置。封裝1000使用BGA界面1042/1043倒置附著到應用板1040上，其中天線結構1030的貼片輻射器1034與形成於應用板1040中的開口 1041對準。此開口 1041提供天線輻射器1034的窗口以發射和捕獲電磁福射。在本發明的一個不例性實施例中，界面1042/1043包括多個包封在底填充材料·中的BGA連接。有些BGA連接1043是被實現為將天線結構1030接合到應用板1040表面的非電連接。其它BGA連接1042還充當應用板1040和RFIC晶片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晶片1010和應用板1040之間的天線襯底層1031、1032和1033的一部分的導電互連1035(包括一系列導電通孔和金屬線路)。這些導電互連1035提供RFIC晶片1010和應用板1040之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號連接。圖11示意性地示出封裝結構1100的另一示例性實施例，其中RFIC晶片1110的足印尺寸小於天線結構1130的天線結構，這與圖10中的結構類似，但是其中使用接合線提供RFIC晶片1110和應用板1140之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號連接。如圖1所示，封裝結構1100包括電磁耦合貼片天線設計，其中天線結構1130包括多個天線襯底1131、1132和1133，其中貼片輻射器1134形成於天線襯底1133的表面上。而且，天線襯底1131的暴露表面的周邊區域上形成接觸襯墊1136。接觸襯墊1136連接到形成為RFIC晶片1110和接觸襯墊1136之間的天線襯底層1131、1132和1133 (或界面層1120)的一部分的導電互連1135 (包括一系列導電通孔和金屬線路)。接合線連接1146形成於天線襯底1131的暴露表面上的接觸襯墊1136和應用板1140上的接觸襯墊1144之間，從而提供RFIC晶片1110和應用板1140之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號連接。而且，如圖11所示，非活性BGA連接1143用於將天線結構1130連接到應用板1140。可選的散熱器1150可以附著到RFIC晶片1110的半導體襯底112的非活性表面上，以提供散發RFIC晶片1110產生的熱量的裝置。在本發明的其它示例性實施例中，根據本發明原理的示例性封裝結構可以藉助常規BGA或接點柵格陣列(LGA)封裝概念實現。例如，圖12示意性地示出根據本發明的另一示例性實施例的包括天線結構和集成電路晶片的封裝結構，此結構使用BGA或LGA封裝實現。具體而言，圖12是封裝結構1200的示意性側視圖，此封裝結構包括RFIC晶片1210、天線結構1230和連接RFIC晶片1210與天線結構1230的界面層1220。RFIC晶片1210通過接合層1251接合到封裝襯底1250。封裝包封層1260環繞RFIC晶片1210和天線封裝1230的側面和頂部形成，其中包封層1260頂部區域中的開口允許天線1230發射和捕獲輻射。多個接觸襯墊1212形成於RFIC晶片1210上表面的暴露周邊區域上。接合線連接1214形成於RFIC晶片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。多個導電通孔1253形成於封裝襯底1250中，從而形成接觸襯墊1252和接觸1242 (形成於封裝襯底1250的底表面和應用板1240之間)之間的電連接，藉此提供RFIC晶片1210和應用板1240之間的DC直流電源、或者控制或I/O基帶信號連接。本領域的普通技術人員很容易理解與根據本發明實施例的集成晶片/天線封裝結構關聯的各種優點。例如 ，很容易使用公知的晶片尺寸製造和封裝技術製造示例性封裝結構，從而製造和封裝天線結構與半導體RFIC晶片以形成用於毫米波和太赫茲應用的緊湊型集成無線電/無線通信系統。此外，根據本發明示例性實施例的集成晶片封裝允許將天線與收發器晶片之類的IC晶片整體封裝在一起，這樣可提供收發器和天線之間具有低損耗的緊湊型設計。可實現各種類型的天線設計，例如其中包括貼片天線，槽天線、槽環天線、偶極天線和諧振腔天線。而且，使用根據本發明的集成天線/IC晶片封裝節省大量空間、尺寸、成本和重量，這對於幾乎任何商業或軍事應用而言都是最佳選擇。儘管此處參考出於說明目的的附圖描述了示例性實施例，但是將理解，本發明並不限於這些精確的實施例，在不偏離本發明範圍的情況下，本領域的技術人員可以執行各種其它更改和修改。
權利要求
1.一種晶片封裝，包括: RFIC (射頻集成電路)晶片，其包括具有活性表面和非活性表面的半導體襯底以及在所述半導體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (後段製程)結構； 天線結構，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體材料形成；以及 界面層，用於將所述天線結構連接到所述RFIC晶片的所述BEOL結構。
2.根據權利要求1的晶片封裝，進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所述天線襯底形成的導電過孔，其中所述導電過孔形成所述RFIC晶片的所述BEOL結構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.根據權利要求1的晶片封裝，進一步包括形成為所述RFIC晶片的所述BEOL結構一部分的天線饋線。
4.根據權利要求1的晶片封裝，進一步包括形成為所述RFIC晶片的所述BEOL結構一部分的天線接地 面。
5.根據權利要求1的晶片封裝，其中所述天線襯底為低損耗矽襯底。
6.根據權利要求1的晶片封裝，其中所述天線襯底包括由兩個或更多個天線襯底層的置層。
7.根據權利要求6的晶片封裝，其中至少一個天線襯底層為低損耗矽襯底以及至少另一天線襯底層為娃石襯底。
8.根據權利要求6的晶片封裝，進一步包括在兩個鄰近天線襯底層之間設置的金屬化圖形。
9.根據權利要求8的晶片封裝，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結構中形成的天線饋線之間設置的天線接地面。
10.根據權利要求8的晶片封裝，其中所述金屬化圖形為第二天線輻射器。
11.根據權利要求8的晶片封裝，其中所述金屬化圖形為所述電互連的至少一部分。
12.根據權利要求1的晶片封裝，其中所述RFIC晶片的足印大於所述天線結構的足印。
13.根據權利要求1的晶片封裝，其中所述RFIC晶片的足印小於所述天線結構的足印。
14.根據權利要求1的晶片封裝，其中位於所述天線結構和所述BEOL結構之間的所述界面層包括將所述天線結構接合到所述BEOL結構的多個金屬柱或環以及底填充材料。
15.根據權利要求1的晶片封裝，其中所述低損耗半導體材料為高電阻率矽、矽石或石英。
16.一種裝置,包括: 一種晶片封裝，包括: RFIC (射頻集成電路)晶片，其包括具有活性表面和非活性表面的半導體襯底以及在所述半導體襯底的所述活性表面上形成的BEOL (後段製程)結構； 天線結構，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體材料形成；以及 界面層，用於將所述天線結構連接到所述RFIC晶片的所述BEOL結構； 電路板，其中所述晶片封裝安裝在所述電路板上；以及 電互連結構，用於提供所述RFIC晶片和所述電路板之間的DC電源、接地、控制和I/O基帶信號線。
17.根據權利要求16的裝置，其中所述電互連結構包括: 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電過孔和金屬線路，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結構中的接觸。
18.根據權利要求16的裝置，其中所述電互連結構包括: 從所述活性表面到所述非活性表面穿過所述RFIC晶片的所述半導體襯底形成的導電過孔；以及 位於所述RFIC晶片的半導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.根據權利要求16的裝置，其中所述天線結構被接合到所述電路板，其中所述電路板具有開口，所述開口形成用於通過所述天線輻射器發射或捕獲電磁輻射的窗口。
20.根據權利要求16的裝置，其中所述天線結構被接合到所述電路板，其中所述電路板具有開口以形成用於插入所述RFIC晶片的窗口。
21.根據權利要求16的裝置，其中所述RFIC晶片的所述半導體襯底的所述非活性表面被接合到所述電路板。
22.根據權利要求16的裝置，其中所述低損耗半導體材料為高電阻率矽、矽石或石英。
全文摘要
本發明涉及晶片封裝和裝置。提供了晶片尺寸結構和方法以集成封裝天線結構與半導體RFIC(射頻集成電路)芯，從而形成用於毫米波(mm波)和太赫茲(THz)應用的緊湊型集成無線電/無線通信系統。例如，晶片封裝包括RFIC晶片、天線結構和界面層。所述RFIC晶片包括具有活性表面和非活性表面的半導體襯底以及在所述半導體襯底的所述活性表面上形成的BEOL(後段製程)結構。所述天線結構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體材料形成。所述界面層將所述天線結構連接到所述RFIC晶片的所述BEOL結構。
文檔編號H01L23/66GK103247581SQ20131004912
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月7日 優先權日2012年2月14日
發明者劉兌現, J-O·普盧沙爾, S·K·雷諾茲 申請人:國際商業機器公司