CN101728369B

CN101728369B - 表面可安装的集成电路封装方法

Info

Publication number: CN101728369B
Application number: CN200810173249.7A
Authority: CN
Inventors: C·H·多恩; M·E·阿里
Original assignee: Sibeam Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: CN101728369A

Abstract

本发明公开了一种集成电路封装。该集成电路封装包括具有顶层、中间层和底层的衬底，嵌在衬底的顶层的毫米波天线阵列，以及安装在衬底的底层上的单片微波集成电路。在一个实施方式中，在衬底的底层提供了用于在印刷电路板上的表面安装的二级互连装置。

Description

表面可安装的集成电路封装方法

技术领域

本发明的实施方式涉及集成电路封装，尤其涉及毫米波集成电路封装。

背景技术

执行射束形成和操纵的毫米波系统一般包括多个天线元件、集成电路和互连装置。这种系统是为用户应用提供高数据速率短程无线连接的可行机制的基础。为了实现性能和成本目标，有一种普遍的挑战是建立一个适合批量制造和装配过程的集成平台封装。

随着集成水平的提高，期望这样的集成封装能容纳多种功能。这些功能包括提供低损耗无谐振毫米波信号路径、嵌入多层天线单元和它们的馈送网络、集成本地振荡器(LO)、中频(IF)分配和无源电路，以及合并控制和偏置层等等。

在一般情况下，将毫米波天线与集成电路(IC)集成，天线和IC在衬底的顶层，以确保合格的性能。当有需要被位于一个或多个IC上的不同RF端口单独驱动的多个天线元件时，这种方法会有问题。首先，布线(routing)拥塞将限制元件的数量。

此外，因为IC和天线必须具有足够空隙并位于同一表面，所述封装会很大。随着封装的尺寸增加，成本将会增加，在某些情况下，衬底甚至可能变得太大以至于无法生产。最后，IC很难排热。

发明内容

根据一个实施方式，公开了一种集成电路(IC)封装。该IC封装包括具有顶层、中间层和底层的衬底，嵌在衬底的一层(例如，顶层)的毫米波天线阵列，以及安装在衬底的另外的不同的层(例如，底层)上的单片微波集成电路(MMIC)。

根据另一个实施方式，公开了一种系统。该系统包括集成电路(IC)封装，该IC封装包括具有顶层、中间层和底层的衬底，嵌在衬底的一层(例如，顶层)上的毫米波天线阵列，以及安装在衬底的另外的不同的层(例如，底层)上的单片微波集成电路(MMIC)。印刷电路板(PCB)被安装在衬底的第二层上。

附图说明

通过参考以下描述和用于说明本发明实施方式的附图可以最好地理解本发明。在附图中：

图1示出了双面表面安装的集成毫米波封装的一个实施方式；

图2示出了衬底的一个实施方式；

图3示出了双面表面安装的集成毫米波封装的另一个实施方式；

图4示出了双面表面安装的集成毫米波封装的又一个实施方式；以及

图5仍然示出了双面表面安装的集成毫米波封装的又一个实施方式。

具体实施方式

描述了用于毫米波模块的辐射和集成电路元件的集成的表面可安装的封装方法。根据一个实施方式，天线被嵌在衬底的顶层。单片微波集成电路(MMIC)和球栅阵列(BGA)附着在衬底的底面。

一种解决或缓解上述问题的方法是使用双面(double-sided)封装，其中，天线位于封装衬底的顶层，IC位于封装衬底的底层。因此，描述了一种机制来实施双面封装，该双面封装能够使具有足够性能的毫米波功能高度集成。

在下面的描述中，提出了许多细节。然而，对于本领域技术人员明显的是，本发明的实施方式在没有这些细节的情况下可以实施。在其他情况下，众所周知的结构、装置和技术没有详细示出，以避免妨碍对发明的理解变得晦涩。因此，描述被视为说明性的，而非限制性的。

说明书中的“一个实施方式”或“任何实施方式”的引用是指描述的与该实施方式有关的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。短语“在一个实施方式中”在本说明书不同地方的出现不一定都指的是同一实施方式。

图1示出了双面表面安装的集成毫米波集成系统100的一个实施方式。系统100包括安装在印刷电路板(PCB)105上的多层衬底160。衬底160包括绝缘层以及位于两个绝缘层的接触面的金属层。在此所述的任何提及的“层”本身是指“金属层”。在一个实施方式中，虽然其它衬底类型，例如基于层压板或建立的有机物也可以使用，衬底160适合通过高温共烧陶瓷(HTCC)或低温共烧陶瓷(LTCC)氧化铝进行大规模生产。此外，在一个实施方式中，衬底160不包括空腔或诸如侧壁金属化等的特定特征。

在一个实施方式中，天线阵列170内嵌在衬底的顶部。在一个实施方式中，天线阵列170具有在多个层上的金属图案。在一个实施方式中，天线阵列170可使用顶部的两层。天线阵列170馈送和它们的分配通过使用衬底160的多个内部层来实现。在衬底160的底部，一个或多个MMIC145以倒装芯片的方式安装在衬底160上。在可替换实施方式中，可以使用其它安装和配置，例如，用线焊(wire bond)作为互连装置(interconnnect)在芯片和衬底之间进行面朝上(face-up)地安装(芯片的底面接合在衬底上)，其中这种情况下，芯片面朝上地位于空腔中以缩短线焊的长度，这对于毫米波的操作很关键。如果封装衬底中的空腔不理想，芯片可以层叠(lap)地很薄。然而，芯片太薄会产生处理和组装问题。

传输线165和接地平面168包括在衬底160内。传输线165在天线阵列170中的天线和一个或多个MMIC145之间传输毫米波信号。

根据一个实施方式，天线阵列170元件中的每一个在MMIC145的一个上具有相应的毫米波端口。倒装芯片凸点147把相应的天线阵列170元件连接到MMIC145，具有未填满区域149。因此，从MMIC145开始的毫米波信号传播到衬底160的中间层，在中间层被分配到各自的天线馈送点165，最后连接到天线阵列170元件中的天线。

其它模拟信号(例如，LO和IF信号，偏置和控制信号)使用衬底160的底层中的一些经由模拟信号路线162而被发送。球栅阵列BGA的球150附着到衬底160的底部以使得封装安装在PCB105表面上。在一个实施方式中，BGA球150的尺寸被选择以保证倒装芯片安装的MMIC晶粒(die)145的结合高度小于BGA球150的高度。

在另一实施方式中，在表面安装操作期间，当BGA球150回流(reflow)时，晶粒145作为硬阻挡件，并防止BGA球150完全压扁(collapse)。在一个实施方式中，热容垫置于晶粒下面以确保与PCB105低热阻接触。在又一实施方式中，可软焊垫130被置于PCB105之上、晶粒145之下，并且晶粒145的背面被金属化以具有金属组件140。因此，晶粒145的背面可以在表面安装期间被焊接以确保晶粒145与PCB105良好的热连接。

根据一个实施方式，系统100包括多层衬底160的配置，用于在顶面上集成天线阵列170和在底面上集成MMIC145；用于表面安装装配的衬底160的底面的配置；以及用于在PCB105上封装安装的配置。

多层衬底配置

图2示出了衬底160的一个实施方式的横截面视图。所述层基于它们内嵌的主要功能被接地平面168分为三组：顶层210、中间层220和底层230。在一个实施方式中，顶层210被分配用于平面天线元件。多个层通常需要实施诸如衬片堆积(patch stacking)的技术以增强天线的性能。注意，在可替换实施方式中，单个层可以被用于平面天线元件。绝缘层的厚度可根据天线设计的考虑来确定。顶部的接地平面168将天线层210与封装其他部分绝缘，因此，不受电磁干扰。

中间层220用于分配毫米波信号给天线。在一个实施方式中，天线元件不共用馈送线，毫米波馈送线的数量与天线阵列中元件的数量是相同的。在一个实施方式中，为了以紧凑的方式有效地分配大量的馈送线，一个或多个层被使用。接地平面168提供与其它层上的电路的屏蔽。根据一个实施方式，除了信号线以外的金属化在这些层上保持到最小以形成均匀的电磁环境。在一个实施方式中，信号轨迹的外面区域是取决于诸如轨迹宽度和衬底层厚度等因素的设计参数。在其它实施方式中，其它因素可以影响该设计参数。为了改进单一的TEM模式传播，具有接地通路围栏的带线可用于信号线，其中围栏是指以一定的距离在规定路线时的信号轨迹的两边放置通路。轨迹到接地通路的距离以及通路之间的间隔是设计参数。

底层230用于DC、控制和低频模拟信号。在一个实施方式中，高度集成的MMIC145需要大量的DC和控制线，还有LO和IF信号线。为了适应这一点，以及补偿堆挤有晶粒145和BGA150的最底层230，可以使用两个或更多层。在一个实施方式中，封装趋于表面安装的应用，因此，该层了解在事先不知道的封装之下的PCB的电气特性。因此，由于缺乏明确的电磁边界，因此毫米波信号布线应该在底层是最小的。

如上所述，毫米波信号的分配一直保持在被接地平面168屏蔽的中间层220。此外，多个层被添加到顶部和底部来容纳其它功能。这导致了衬底160在毫米波波长的尺度上相对变厚。因此，毫米波信号必须在它们从一层到另一层时垂直穿越相当的距离。在一个实施方式中，简单通路转移、或甚至传统的准同轴通路转移不足以抑制在长的垂直互连中存在的共振、高阶模式和反射。

因此，在一个实施方式中，补偿的垂直互连方法被实现以解决所述垂直互连的问题。在该垂直互连方法中，毫米波信号向下传送到补偿的垂直互连装置215上的倒装芯片垫208，该互连装置215是衬底的内部金属层。

在另一实施方式中，补偿结构集成在层转移结构中。在这样的实施方式中，补偿结构的放置、尺寸和形状通过建模过程来确定。在另一实施方式中，建模过程包括优化方法，该优化方法采用三维(3D)电磁工具(例如，Ansoft公司的高频结构模拟器(HFSS))和电路模拟器(例如，安捷伦科技公司的高级设计系统(ADS))。

根据一个实施方式，补偿的垂直互连装置置于或非常接近底部的MMIC的每个毫米波端口。在其它实施方式中，相似的垂直互连装置在天线馈送网络中使用以用于馈送方法，其中，毫米波信号必须从中间发送到顶层。

衬底底面配置

根据一个实施方式，衬底160的底面配置为MMIC145和封装的二级互连面。一个或多个MMIC145使用标准倒装芯片组装技术倒装芯片地安装在衬底160上。如上所述，可以使用其它安装技术。由于其低的电气寄生效应，倒装芯片互连装置可以在毫米波频率提供足够的性能。在另一实施方式中，晶粒145被安装有空腔(cavity)，以为高频操作获得缩短的线焊长度。在配置中的倒装芯片安装的另一个优点是晶粒145的背面被暴露并且可用于有效的热移除。

作为二级互连装置，使用BGA型界面，其中球150可围绕衬底160的周围以一排或多排放置。在一个实施方式中，所有毫米波处理，例如频率转换、倍增和相移在MMIC145中被执行，使毫米波信号完全包含在封装内，通过天线的辐射除外。在这种情况下，只有低频IF、LO和参考信号从封装的外部源被提供。

在这种情况下，二级互连装置在低频有足够的性能，因此，放宽了其规格。由此，其它类型的互连装置可以被实施。图3示出了系统100的一个实施方式，其中用引线300而不是BGA球150将衬底160连接到PCB105。

封装安装配置

在一个实施方式中，倒装芯片安装的晶粒145和BGA球150在封装的表面安装面上，所述封装准备附着于PCB105。有几种方式能使封装附着于PCB105。如图1所示，晶粒145的金属化背面140在表面安装操作期间与在PCB105上的焊接安装垫130紧密配合。在晶粒和安装垫之间的空隙的大小被考虑。为了在BGA的良好的焊接连接，焊接球150需要在回流期间充分地压扁。因为晶粒145作为对于PCB105的硬阻挡件，太小的空隙阻止了焊接球150形成良好的连接。

在另一实施方式中，在表面安装期间封装附着到PCB105，而晶粒145不与PCB105配合。图4示出了系统100的这样一个实施方式。如图4所示，防止BGA焊接球150压扁到晶粒145可以接触PCB105的级别是很重要的是。在一个实施方式中，这可以通过使用实心的BGA球或几个较小的非回流球来实现，所述非回流球的尺寸必须使得所述晶粒和所述PCB之间有空隙。

在所附的第三个方法中，PCB105包括大于晶粒145的尺寸的贯穿的切口。图5示出了系统100的这样一个实施方式。如图5所示，切口505正好位于晶粒下面。在表面安装期间，当BGA球150压扁时，晶粒145会滑入到切口。因为在晶粒145和PCB105之间不需要有空隙，这种结构允许使用较小的BGA球150。晶粒145的背面通过切口505被暴露，例如通过使用散热片可以建立热连接。

在另一实施方式中，晶粒145的背面没有被金属化以用作热连接。在这样一个实施方式中，可以使用热粘合剂将薄金属板510粘在该背面，并且之后金属板510可以附着到PCB105以建立低阻抗接触面。

上述系统描述了一种方法，该方法用于在厚的多层衬底的基础上制作高度集成的毫米波封装，其中天线集成在衬底的顶层，用于表面安装的MMIC和BGA附着到底层。所述方法克服了制造这样的非常规的封装的障碍，并且能够使用批量生产过程来实施。

应当理解，在本发明的示例性实施方式的上述描述中，为了简化本发明以帮助一个或多个不同创造性方面的理解，本发明的不同特征有时被一起组合在单个实施方式、图或描述中。然而，本发明的方法不应理解为反映一个意图，所请求保护的发明比清楚地陈述在每个权利要求中的特征要求更多的特征。而是，如下述权利要求所反映的，创造性方面少于单个上述公开的实施方式的所有特征。因此，详细描述之后的权利要求在此清楚地结合到该详细描述中，每个权利要求本身作为本发明的独立实施方式。

上述描述指向特定实施方式。对于那些本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以对所述实施方式进行修改，以达到所有或一些优点。因此，所附权利要求的目标是覆盖在本发明的实质和范围内所做的所有这样的变化和修改。

Claims

1.一种集成电路（IC）封装，包括：

衬底，该衬底具有第一组一个或多个层、第二组一个或多个层和第三组一个或多个层，所述第二组一个或多个层在所述第一组一个或多个层和所述第三组一个或多个层之间，所述衬底包括：嵌在所述衬底的第一组层上的毫米波天线阵列，包括：

嵌在所述第一组层中的第一层上的第一天线；

嵌在所述第一组层中的第二层上的第二天线；

安装在所述衬底的第三组层中的一个层上的单片微波集成电路（MMIC）；以及

安装在所述第三组层上的球栅阵列（BGA）球以将所述衬底安装至印刷电路板。

2.根据权利要求1所述的封装，其中，所述MMIC包括对应于所述阵列中的天线的一个或多个端口。

3.根据权利要求2所述的封装，该封装还包括嵌在所述衬底的第二组层中的一个或多个层中的天线馈送点。

4.根据权利要求3所述的封装，该封装还包括将信号从所述MMIC传送到所述馈送点的互连装置。

5.根据权利要求4所述的封装，其中，所述互连装置包括补偿结构以减少从所述第三组层中的层穿过到所述第二组层的转移的寄生效应。

6.根据权利要求4所述的封装，该封装还包括嵌在所述第三组层中的模拟信号线。

7.根据权利要求6所述的封装，该封装还包括安装在所述第三组层上的引线以将所述衬底安装到印刷电路板（PCB）上。

8.根据权利要求6所述的封装，该封装还包括安装在所述MMIC的晶粒下面的垫。

9.根据权利要求8所述的封装，其中，所述MMIC的晶粒的背面被金属化。

10.一种毫米波系统，该系统包括：

集成电路封装，该封装包括：

衬底，该衬底具有第一组一个或多个层、第二组一个或多个层和第三组一个或多个层，所述第二组一个或多个层在所述第一组一个或多个层和所述第三组一个或多个层之间，所述衬底包括：

嵌在所述衬底的第一组层上的毫米波天线阵列；

安装在所述衬底的第三组层中的一个层上的单片微波集成电路（MMIC）；

安装在所述衬底的所述第三组层上的印刷电路板（PCB）；以及

安装在所述第三组层上的球栅阵列（BGA）球以将所述衬底安装至所述PCB。

11.根据权利要求10所述的毫米波系统，其中，所述MMIC包括对应于所述阵列中的天线的一个或多个端口。

12.根据权利要求11所述的毫米波系统，其中，该封装还包括嵌在所述衬底的第二组层中的一个或多个层中的天线馈送点。

13.根据权利要求12所述的毫米波系统，该系统还包括将信号从所述MMIC传送到所述馈送点的互连装置。

14.根据权利要求10所述的毫米波系统，该系统还包括安装在所述第三组层中的至少一层上的引线以将所述衬底安装到所述PCB上。

15.一种集成电路（IC）封装，该封装包括：

衬底，该衬底具有第一组一个或多个层、第二组一个或多个层和第三组一个或多个层，所述第二组一个或多个层在所述第一组一个或多个层和所述第三组一个或多个层之间；

嵌在所述衬底的第一组层上的毫米波天线阵列；

安装在所述第三组层中的一个层上的球栅阵列（BGA）球以将所述衬底安装至印刷电路板（PCB）。

16.根据权利要求15所述的封装，其中所述衬底还包括嵌在所述第一组一个或多个层和第二组一个或多个层之间的第一接地平面，和嵌在所述第二组一个或多个层和第三组一个或多个层之间的第二接地平面。

17.根据权利要求15所述的封装，其中所述第一和第二接地平面将设置在所述第一、第二、和第三组层中的电路和其他层相屏蔽。

18.根据权利要求15所述的封装，还包括嵌在所述衬底的第二组层中的一个或多个层中的天线馈送点。

19.一种集成电路（IC）装置，包括：

IC封装，该IC封装包括：

在所述衬底第一侧上嵌在所述第一组层上的毫米波天线阵列；

在所述衬底第二侧上安装在所述衬底的第三组层中的一个层上的单片微波集成电路（MMIC），该衬底第二侧和所述衬底第一侧相对；以及

安装在所述IC封装的所述衬底的第三组层上的印刷电路板（PCB），从而所述MMIC位于所述衬底和所述PCB之间。

20.根据权利要求19所述的装置，还包括安装在所述第三组层上的球栅阵列（BGA）球以将所述衬底安装至印刷电路板。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所有在所述BGA球和所述PCB之间的连接发生在所述衬底第二侧上。

22.根据权利要求19所述的装置，其中所述衬底还包括嵌在所述第一组一个或多个层和第二组一个或多个层之间的第一接地平面，和嵌在所述第二组一个或多个层和第三组一个或多个层之间的第二接地平面。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述第一和第二接地平面将设置在所述第一、第二、和第三组层中的电路和其他层相屏蔽。

24.根据权利要求19所述的装置，还包括嵌在所述衬底的所述第二组层中的一个或多个层中的天线馈送点。

25.根据权利要求24所述的装置，还包括将信号从所述MMIC传送到所述馈送点的互连装置。

26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述互连装置包括补偿结构以减少从所述第三组层中的层穿过到所述第二组层的转移的寄生效应。

27.根据权利要求25所述的装置，还包括嵌在所述第三组层中的模拟信号线。