CN102646669B - 利用调谐电感器的电容式临近通信 - Google Patents

利用调谐电感器的电容式临近通信 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用调谐电感器的电容式临近通信，包括芯片堆叠封装，该封装包括：至少一对堆叠管芯，该对管芯具有重叠的相对面；以及在该对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连件。该CPC互连件包括在重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板以及在重叠的相对面的第二面处的第二电容器极板，第二电容器极板与第一电容器极板间隔开并且对齐。CPC互连件进一步包括与第一电容器极板和第二电容器极板串联连接的电感元件，其中电容器极板形成了电容器的一部分，并且该电容器和电感元件一起形成了具有谐振频率的LC电路。

Description

利用调谐电感器的电容式临近通信
技术领域
本公开涉及微电子器件，并且更具体地，涉及用于微电子器件的封装。
背景技术
微电子器件(例如集成电路芯片)广泛地用于消费者和商业应用。由于微电子器件的集成密度不断增加，越来越难提供将微电子器件连接到下一级封装的数量充足的高性能互连件。这种互连件可以用于传递信号和/或功率。相应地，在微电子器件的进一步整合中，互连密度和/或性能也是限制因素。
已知设置交流(AC)耦合互连用于微电子器件。这些AC耦合互连的特征在于没有直流(DC)连接。这种技术被称为“临近通信(proximitycommunication，或近程通信)”。该技术利用间隔开的感应式或电容式元件之间的感应式或电容式互连代替芯片之间的有线通信以提供互连。与传统领域的球形接合相比，临近通信技术提供的密度(关于连接数量/插脚数量)比球形接合更大，并且增加了电子系统中芯片之间的通信速度。
具体参看电容式临近通信互连，增加临近通信连接的电容可以改进传输信道。现有技术中提出了各种方法增加这种连接的电容。一种方法涉及薄化芯片衬底。不过，这种方法很难控制并且比较昂贵。而且，粗糙的衬底表面会导致站点与站点之间的电容改变。
第二种增加互连的电容的方法是增加每个通信站点的面积。当然，这种方法需要更多的面积并且很昂贵。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供一种一种多芯片组件，包括：芯片堆叠封装件，其包括至少一对堆叠管芯，所述管芯具有重叠的相对面；以及在所述一对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连件，所述CPC互连件包括在所述重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板，以及在所述重叠的相对面的第二面处的第二电容器极板，所述第二电容器极板与所述第一电容器极板间隔开且对齐，所述CPC互连件进一步包括电感元件，所述电感元件与所述第一电容器极板和所述第二电容器极板串联连接，其中所述电容器极板形成电容器的一部分，并且所述电容器与所述电感元件一起形成具有谐振频率的LC电路。
优选地，所述电感元件包括：第一电感器，所述第一电感器在所述第一管芯处并且与所述第一电容器极板串联连接；以及第二电感器，所述第二电感器在所述第二管芯处并且与所述第二电容器极板串联连接。
优选地，所述第一电感器和所述第二电感器相互隔开，以便所述电感器不会通过感应式临近通信相互通信。
优选地，所述电感器相互横向偏移，以便不会重叠。
优选地，每个电感器都包括金属线，所述金属线围绕所述电容器极板形成，并且与所述电容器极板连接。
优选地，每个电感器设计为具有相同的电感值。
优选地，所述谐振频率为1.0千兆赫或更大。
优选地，所述管芯可以通过所述CPC互连件传送RF信号。
优选地，所述管芯形成无线的发射器、接收器或收发器的一部分。
根据本发明的另一方面，提供一种一种无线器件，包括：振荡器、混频器、放大器以及天线集成电路元件，其中设置在芯片堆叠封装件中的一对堆叠管芯中实施所述集成电路元件中的至少两个，所述管芯具有重叠的相对面，所述芯片堆叠封装件包括至少一个电容式临近通信(CPC)互连件，所述CPC互连件用于所述一对堆叠管芯之间的信号耦合，所述CPC互连件包括在所述重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板，以及在所述重叠的相对面的第二面处的第二电容器极板，所述第二电容器极板与所述第一电容器极板间隔开并且对齐，其中所述电容器极板形成电容器的一部分，
所述CPC互连件进一步包括与所述电容器串联连接的电感元件，其中所述电容器与所述电感元件一起形成具有谐振频率的LC电路。
优选地，所述多芯片组件包括对应于所述振荡器、混频器、放大器以及天线集成电路元件的三个或更多堆叠管芯，所述至少一个CPC互连件包括多个CPC互连件，在所述芯片堆叠封装件中，所述多个CPC互连件连接每个管芯与相邻管芯，以用于传送管芯之间的信号。
优选地，所述谐振频率为1.0千兆赫或更大。
优选地，所述管芯可以通过所述CPC互连件传送RF信号。
优选地，所述电感元件包括：第一电感器，所述第一电感器在所述第一管芯处并且与所述第一电容器极板串联连接；以及第二电感器，所述第二电感器在所述第二管芯处并且与所述第二电容器极板串联连接。
优选地，所述第一电感器和所述第二电感器相互横向偏移以便不会重叠，从而使得电感器不会通过感应式临近通信相互通信。
优选地，每个所述电感器包括金属线，所述金属线围绕所述电容器极板形成，并且与所述电容器极板连接。
优选地，所述无线器件为无线的发射器、接收器或收发器。
根据本发明的另一方面，提供一种多芯片组件，包括：芯片堆叠封装件，包括至少一对堆叠管芯，所述管芯具有重叠的相对面；以及在所述一对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连件，所述CPC互连件包括具有目标谐振频率的LC电路，所述LC电路包括：电容器，所述电容器由在所述重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板、在所述重叠的相对面的第二面处的与所述第一电容器极板间隔开且对齐的第二电容器极板、以及设置在所述极板之间的电介质形成；以及电感元件，所述电感元件与所述电容器串联设置，所述电感元件包括：第一电感器，所述第一电感器在所述第一管芯处并且与所述第一电容器极板串联连接；以及第二电感器，所述第二电感器在所述第二管芯处并且与所述第二电容器极板串联连接，其中所述电感器的总感应系数与所述电容器的电容值一起设定所述目标谐振频率。
优选地，所述谐振频率为1.0千兆赫或更大。
优选地，每个电感器均被设计为具有相同的电感值。
附图说明
附图描绘了本发明的优选实施例，以及本公开的其他相关信息，其中：
图1描绘了改进的电容式临近通信(CPC)互连件的实施例；
图2示意地描绘了包括一对多芯片组件的发射器-接收器系统，其中每个组件具有多个如图1所示与CPC互连件连接的管芯。
图2A描绘了形成图2的发射器-接收器系统的多芯片组件的两堆管芯；
图2B描绘了具有可选设置的堆叠管芯的多芯片组件；
图2C描绘了具有另一种可选设置的堆叠管芯的多芯片组件；
图3是对比两种传统CPC互连件和图1的CPC互连的有效电容和频率的的曲线图；以及
图4是对比传统CPC互连和图1的CPC互连的传输通道性能和频率的的曲线图。
具体实施方式
对于示例性实施例的描述旨在结合附图进行阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。除非另有说明，关于电连接、电接合以及类似，比如“连接的”、“互连的”以及“接合的”的术语，指的是相互直接通信或通过中间结构间接通信的结构之间的关系。相反地，例如，当把元件称作与另一元件“直接地”接合，表示不存在中间元件。
在附图中，为了清楚而放大了层和区的厚度。通篇中同样的标号表示相同的元件。应该理解的是，当把元件(例如层、区或衬底)称作在另一元件“上”时，该元件可以是直接地在该另一元件上，或者存在中间元件。相反地，当将元件称作“直接在”另一个元件“上”时，在这两个元件之间不存在中间元件。
很多因素(例如互联密度、汇总带宽(aggregatebandwidth)、信号完整性以及功率需求)极大地推进了互连方法论。非接触式互连结构的阵列比接触式结构阵列更密集、更兼容、物理上更耐用。电容式临近通信(CPC，capacitiveproximitycommunication)互连件是用于实现IC之间的高数据率互连的比较有前途的方法，但该方法还需要改进。此处描述了改进的CPC互连。
图1描绘了CPC互连件10的实施例。在示例实施例中，CPC10用于传送设置在多芯片组件中的两个管芯之间的RF信号，其中该组件含有芯片堆叠封装件。由于这种封装件，精心设计的衬底布局使得能够将多个管芯堆叠成垂直结构，该结构使得由此得到的多芯片组件的覆盖区(footprint)更小。由于微型电子设计中的区通常非常受欢迎(atapremium)，在很多应用(例如手机、个人数码助理(PAD)以及其他小型RF器件)中，芯片堆叠是比较有吸引力的选择。
再次参见图1，图1描绘了芯片堆叠封装中两个芯片之间的CPC互连。第一芯片(标记为芯片1)和第二芯片(标记为芯片2)具有相对且重叠的面，该面落在点划线16的两侧。第一芯片具有在其面上形成的第一电容器极板12a，并且第二芯片具有在其面上形成的第二电容器极板12b。电容器极板12a、12b通过电介质和/或半导体介质18相互间隔开，所述介质可以设置在第一和/或第二芯片上。电介质可以包括二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、高介电常数材料和/或其他介电材料。半导体介质包括硅和/或其他半导体材料。介电层可以填充在第一和第二电容器极板12a、12b之间的间隙中，并且能够减少或防止相对极板间的寄生短路(spuriousshorting)。电介质18可以可选地或额外地包括薄气隙(thinairgap)。在部分实施例中，传统的玻璃板上芯片(chipoverglass)可以用作具有或没有薄气隙的电介质。
Franzon等人的专利号为6,927,490的美国专利中描述了一种技术，该技术用于实现电容器极板之间的期望的间隔距离，并且用于当两个管芯之间设置有多个CPC互连时保持一致间距，将该专利结合于此作为参考。Franzon等人描述了利用埋焊接凸点限定芯片的面之间间距的技术。
再次参见图1，CPC互连件包括LC电路。LC电路是谐振电路或调谐电路，该电路由电感器(由字母L表示)、和电容器(由字母C表示)组成。当连接在一起时，在电路的谐振频率处，电流达到最大。在图1中，LC的电容器由电容器极板12a、12b以及电介质18形成，并且将其标记为C1。电容器C1的电容由以下方程决定：C＝ε(A/T)，其中“ε”是电介质18的介电常数，“A”是重叠的电容器极板面积，以及“T”是极板与极板间的距离。
LC的电感器由电感器14a、14b，具体地由L1和L2的感应系数的总和形成。如上所述，CPC互连件10可以用于传递管芯之间的RF信号。通过使电感器14a、14b和电容器C1串联，由此形成LC谐振电路，该电路可以调谐用于目标频率的CPC互连件10。LC电路的共振角频率“ω”等于(LC)-1/2并且谐振频率“f”为ω/(2π)。已知L＝L1+L2，并且假设L1＝L2，那么L1和L2的值给定了一个给定目标频率，并且电容由L＝1/(2ω2C)决定。当然，在实施例中，L1和L2的值不需要相同。实际上，在实施例中，L1或L2可以为零(也就是去除L1或L2)，其中，剩余电感器提供需要的总感应系数L。
如图1所示，电感器14a与电容器极板12a电串联，并且电感器14b与电容器极板12b电串联。在实施例中，每个电感器14a、14b都形成为金属线(螺旋或其他形状)，该金属线形成在层叠在相应的集成电路管芯的衬底上的一个或多个金属化层上。应该理解的是，电感器的形状并不重要，并且可以使用任意形状的电感器。在实施例中，螺旋电感器14a或14b可以与金属板12a或12b形成在相同的层中。在任何情况下，电感器都与电容器极板串联连接。应该理解的是，在优选设置中，使电感器14a、14b相互绝缘或相互隔离，以便它们不会成为感应式临近通信互连件。也就是说，电感器的唯一目的就是调谐LC电路以达到目标频率。例如，在实施例中，电感器14a、14b可以相互横向偏移，以便它们不会相互感应通信，例如，两个金属板12a、12b相互交迭，其中电感器14a设置在电容器极板12a的左边，以及电感器14b设置在电容器极板12b的右边。
图3绘出了CPC互连的有效电容与频率的关系曲线。更具体地，线20表示传统CPC互连(即，没有串联的耦合线圈的互连)的有效电容，其中电容器的极板面积A为1000um2，并且线22表示传统CPC互连的有效电容，其中电容器极板面积A为2000um2。如从图中得出的，为得到双倍的电容值，传统CPC互连的电容器尺寸必须加倍。主线24绘出了根据图1的CPC互连件10的有效电容，其中电感器与该电容器串联连接以形成调谐用于1.0GHzRF信号的LC电路。该CPC互连的有效电容显著地向谐振频率增加。
图4是CPC互连的传输通道(以分贝(dB)形式)与频率的的模拟图。线30表示极板面积A为1000um2的传统CPC互连，并且线32表示极板面积A为2000um2的传统CPC互连。通过使电容器的极板面积加倍，传输通道升高了6dB，即从-19dB至-13dB。线34表示根据图1的CPC互连的传输通道，其中调谐LC电路以用于1.0GHz。如图4所示，在1GHz处，通过采用调谐电感器，传输通道从-19dB升高至-0dB。这表明通道性能几乎升高了900％。
图2描绘了RF系统100，其包括第一多芯片组件102和第二多芯片组件104。每个多芯片组件包括振荡器106、混频器108、放大器110和天线112。在组件102中，放大器110被标识为功率放大器(PA)，并且在组件104中示出的放大器110是低噪音放大器(LNA)。在图2中，将第一组件102描绘为发射器并且将第二组件描绘为接收器，不过应该理解的是，还可以将该器件设置为收发器操作。第一多芯片组件102可以设置在，例如第一移动电话中，并且第二多芯片组件104可以设置在，例如第二移动电话中。每个振荡器106、混频器108、放大器110以及天线112都形成为分离的集成电路芯片管芯，这些管芯设置在芯片堆叠封装中。图2A描绘了芯片堆叠形式的发射器/接收器系统100。设置一个或多个CPC互连件10作为用于传送相邻堆叠管芯之间的RF信号(例如千兆赫范围内的信号)的装置。应该理解的是，本公开不限于任意特定的频率范围，并且此处描述的思想可以用于超过RF的频率，例如高达10,000GHz的频率。
当然，在实施例中，单个集成电路管芯可以包括多于一个的图2中描绘的元件，在这种情况下可以减少管芯的数量。图2C中示出了一个这样实施例的组件102B，其中混频器和功率放大器可以结合在管芯114中。在该实施例中，只需要两个CPC互连件10，即，需要第一CPC互连件10以在振荡器管芯106和结合的混频器/功率放大器管芯114之间通信，并且需要第二CPC互连件10以在混频器/功率放大器管芯114和天线112之间通信。
应该理解的是，取决于管芯的信号需求，可以在相邻的堆叠管芯之间设置横向间隔开的CPC互连件10的阵列以用于携带各种信号。例如，图2B示出了组件102A并且说明堆叠中管芯的顺序并不重要。假定堆叠的顺序是功率放大器110、混频器108、天线112以及振荡器106，通过添加两个额外的CPC互连件10就可以使振荡器106的期望信号流到达混频器108、到达功率放大器110、到达天线112。通过振荡器106和混频器108之间的信号会通过CPC互连件10a和10b(以及通过天线管芯112(未示出)的关联的信号通道)；通过混频器108和功率放大器110之间的信号会使用CPC互连件10c；以及从功率放大器110至天线112的信号会使用CPC互连件10d(以及通过混频器管芯108(未示出)的关联的通道)。
根据前述，描述了用于在堆叠管芯封装中芯片对芯片通信的改进的传输通道。传输通道以减少的功耗提供了更强的信号并且改进了的信号。可以得到改进的性能而不需要昂贵、精细的工艺(例如衬底薄化)，并且不会增加芯片到芯片互连的覆盖区。利用现有的制造技术可以制造改进的CPC互连。而且，该CPC互连技术不需要额外的外围电路，这表明该技术不会消耗额外的功率。
在多芯片组件的实施例中，多芯片组件包括芯片堆叠封装，该封装包括：至少一对堆叠管芯，这些管芯具有重叠的相对面；以及在该对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连。CPC互连件包括第一电容器极板，该极板在重叠的相对面的第一面处，以及第二电容器极板，该极板在重叠的相对面的第二面处，第二电容器极板与第一电容器极板间隔开且对齐。CPC互连件进一步包括与第一电容器极板和第二电容器极板串联连接的电感元件，其中电容器极板形成了电容器的一部分，并且该电容器和电感元件共同形成了具有谐振频率的LC电路。
在多芯片组件的其他实施例中，多芯片组件包括芯片堆叠封装，该封装包括：至少一对堆叠管芯，这些管芯具有重叠的相对面；以及在该对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连件。该CPC互连件包括具有目标谐振频率的LC电路。该LC电路包括电容器，其由在重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板、在重叠的相对面的第二面处的与第一电容器极板间隔开且对齐的第二电容器极板、以及设置在极板之间的电介质形成，以及与电容器串联设置的电感元件。电感元件包括：第一电感器，其在第一管芯处并且与第一电容器极板串联连接；以及第二电感器，其在第二管芯处并且与第二电容器极板串联连接，其中电感器的总感应系数和电容器的电容值一起设定了目标谐振频率。
本申请还公开了一种无线器件，其包括振荡器、混频器、放大器以及天线集成电路元件。在设置在芯片堆叠封装中的一对堆叠管芯中实施这些集成元件中的至少两个，管芯具有重叠面，芯片堆叠封装包括在该对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连件。CPC互连件包括在重叠面的第一面处的第一电容器极板以及在重叠面的第二面处的第二电容器极板，该第二电容器极板与第一电容器极板间隔开并且与其对齐。CPC互连件还包括与第一电容器极板和第二电容器极板串联连接的电感元件，其中电容器极板形成了电容器的一部分，并且电容器与电感元件一起形成了具有谐振频率的LC电路。
虽然依据示例实施例描述了本发明，但这些实施例并非用于限制本发明。相反地，应该最广泛地解释随附的权利要求，以涵盖本领域普通技术人员能够做出的本发明的其他变型和实施例，而不会背离本发明的等同目的和范围。

Claims (16)

1.一种多芯片组件，包括：
芯片堆叠封装件，其包括至少一对堆叠管芯，所述管芯具有重叠的相对面；以及
在所述一对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连件，所述CPC互连件包括在所述重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板，以及在所述重叠的相对面的第二面处的第二电容器极板，所述第二电容器极板与所述第一电容器极板间隔开且对齐，所述第一电容器极板和所述第二电容器极板通过电介质和/或半导体介质间隔开，所述电介质和/或所述半导体介质设置在所述一对堆叠管芯的两个上；
所述CPC互连件进一步包括电感元件，所述电感元件与所述第一电容器极板和所述第二电容器极板串联连接，
其中所述电容器极板形成电容器的一部分，并且所述电容器与所述电感元件一起形成具有谐振频率的LC电路；
其中所述电感元件包括：第一电感器，所述第一电感器在所述一对堆叠管芯的第一管芯处并且与所述第一电容器极板串联连接；以及第二电感器，所述第二电感器在所述一对堆叠管芯的第二管芯处并且与所述第二电容器极板串联连接；
其中每个电感器设计为具有相同的电感值。
2.根据权利要求1所述的多芯片组件，其中所述第一电感器和所述第二电感器相互隔开，以便所述电感器不会通过感应式临近通信相互通信。
3.根据权利要求2所述的多芯片组件，其中所述电感器相互横向偏移，以便不会重叠。
4.根据权利要求1所述的多芯片组件，其中每个电感器都包括金属线，所述金属线围绕所述电容器极板形成，并且与所述电容器极板连接。
5.根据权利要求1所述的多芯片组件，其中所述谐振频率为1.0千兆赫或更大。
6.根据权利要求1所述的多芯片组件，其中所述管芯可以通过所述CPC互连件传送RF信号。
7.根据权利要求1所述的多芯片组件，其中所述管芯形成无线的发射器、接收器或收发器的一部分。
8.一种无线器件，包括：
振荡器、混频器、放大器以及天线集成电路元件，
其中设置在芯片堆叠封装件中的一对堆叠管芯中实施所述集成电路元件中的至少两个，所述管芯具有重叠的相对面，所述芯片堆叠封装件包括至少一个电容式临近通信(CPC)互连件，所述CPC互连件用于所述一对堆叠管芯之间的信号耦合，
所述CPC互连件包括在所述重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板，以及在所述重叠的相对面的第二面处的第二电容器极板，所述第二电容器极板与所述第一电容器极板间隔开并且对齐，所述第一电容器极板和所述第二电容器极板通过电介质和/或半导体介质间隔开，所述电介质和/或所述半导体介质设置在所述一对堆叠管芯的两个上，其中所述电容器极板形成电容器的一部分，
所述CPC互连件进一步包括与所述电容器串联连接的电感元件，
其中所述电容器与所述电感元件一起形成具有谐振频率的LC电路；
其中所述电感元件包括：第一电感器，所述第一电感器在所述一对堆叠管芯的第一管芯处并且与所述第一电容器极板串联连接；以及第二电感器，所述第二电感器在所述一对堆叠管芯的第二管芯处并且与所述第二电容器极板串联连接；
其中每个电感器设计为具有相同的电感值。
9.根据权利要求8所述的无线器件，其中所述芯片堆叠封装件包括对应于所述振荡器、混频器、放大器以及天线集成电路元件的三个或更多堆叠管芯，所述至少一个CPC互连件包括多个CPC互连件，在所述芯片堆叠封装件中，所述多个CPC互连件连接每个管芯与相邻管芯，以用于传送管芯之间的信号。
10.根据权利要求8所述的无线器件，其中所述谐振频率为1.0千兆赫或更大。
11.根据权利要求8所述的无线器件，其中所述管芯可以通过所述CPC互连件传送RF信号。
12.根据权利要求8所述的无线器件，其中所述第一电感器和所述第二电感器相互横向偏移以便不会重叠，从而使得电感器不会通过感应式临近通信相互通信。
13.根据权利要求8所述的无线器件，其中每个所述电感器包括金属线，所述金属线围绕所述电容器极板形成，并且与所述电容器极板连接。
14.根据权利要求8所述的无线器件，其中所述无线器件为无线的发射器、接收器或收发器。
15.一种多芯片组件，包括：
芯片堆叠封装件，包括至少一对堆叠管芯，所述管芯具有重叠的相对面；以及
在所述一对堆叠管芯之间的至少一个电容式临近通信(CPC)互连件，所述CPC互连件包括具有目标谐振频率的LC电路，所述LC电路包括：
电容器，所述电容器由在所述重叠的相对面的第一面处的第一电容器极板、在所述重叠的相对面的第二面处的与所述第一电容器极板间隔开且对齐的第二电容器极板、以及设置在所述极板之间的电介质形成，所述电介质设置在所述一对堆叠管芯的两个上；以及
电感元件，所述电感元件与所述电容器串联设置，所述电感元件包括：第一电感器，所述第一电感器在所述一对堆叠管芯的第一管芯处并且与所述第一电容器极板串联连接；以及第二电感器，所述第二电感器在所述一对堆叠管芯的第二管芯处并且与所述第二电容器极板串联连接，其中所述电感器的总感应系数与所述电容器的电容值一起设定所述目标谐振频率；
其中每个电感器均被设计为具有相同的电感值。
16.根据权利要求15所述的多芯片组件，其中所述谐振频率为1.0千兆赫或更大。
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