CN103119714B - 利用亚毫米波和介电波导的芯片到芯片通信 - Google Patents

利用亚毫米波和介电波导的芯片到芯片通信 Download PDF

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Abstract

一种系统300-1利用介电波导316在IC302-1和304-1之间提供“无线”互联系统。IC302-1和304-1中的每一个分别包括发射器306-1或306-2和接收器308-1或308-2，发射器306-1或306-2和接收器308-1或308-2均分别耦合到定向天线314-1或314-2。通常，天线314-1和314-2生成在亚毫米范围内的射频信号（即波长<1mm），以经由介电波导建立射频链路。类似的系统被公开用于单向通信。

Description

利用亚毫米波和介电波导的芯片到芯片通信
技术领域
本发明一般涉及互联系统，并且更具体地涉及利用介电波导通过亚毫米波进行的芯片到芯片通信。
背景技术
图1示出一种常规互联系统100的示例。在该系统100中，集成电路（IC）102和104通过通信信道106相互通信。通常，该通信信道106是底板的一部分并且通常是迹线（或者几个金属迹线）。关于这种布局的一个问题是，存在针对能够达到的数据数率或数据传输的物理限制。因此，已经开发或正在开发几种不同类型的通信链路：光学链路和无线链路。这些发展中的技术中的每一种均采用传输媒介，即用于光学链路的光纤和用于无线链路的金属波导。但是，这两种技术中的每一种均具有与未对准（misalignment）有关的问题。
图2示出IC202和光纤204之间的接口（interface）的示例。为了提供通信链路，IC202通常包括在管芯上（on-die）的发光二极管（LED）或光电二极管210，其具有光轴206。一般来说，LED210（在发射器侧）是激光二极管，其具有特殊的波长或频率，并且光纤204被确定尺寸以适应从LED210发射的光的波长。通常，光纤204是单模光纤以改善带宽，其具有与从LED210发射的光的波长有关的直径。例如，对于近红外光（即波长在大约0.7μm与大约0.3μm之间），单模光纤一般将具有在大约8μm与大约10μm之间的直径。因此，光纤204的光轴208与LED（或光电二极管）210的光轴206之间的（甚至几微米的）未对准可能导致差的互联或者没有互联。因此，精密机械加工或其它更特殊的微光学结构通常是必需的。金属波导也可能存在相同的要求；即精密机械加工对于正确的对准通常是必需的。用于亚毫米波的金属波导也是有严重损耗的，该损耗相当多地限制了波导能够工作的距离。
存在对改进的互联系统的需求。
美国专利US5,754,948、US7,768,457、US7,379,713、US7,330,702和6,967,347以及美国专利公开US2009/0009408描述了常规系统的其他示例。
发明内容
因此，本发明的示例性实施例提供一种装置，其包括：壳体，其具有形成于其中的容器，其中该容器适于接收至少一部分介电波导；以及固定在该壳体内的集成电路（IC），其中该IC包括：定向天线，其适于提供与该介电波导的通信链路；以及耦合到定向天线的转向电路，其中该转向电路被调适为如果该容器与定向天线未对准，则调整该定向天线以使该IC与该介电波导耦合。
根据本发明的示例性实施例，该定向天线进一步包括具有多个辐射体的相控阵列。
根据本发明的示例性实施例，每个辐射体进一步包括贴片天线。
根据本发明的示例性实施例，该定向天线进一步包括：辐射体；以及基本围绕该辐射体的多个定向元件；其中该转向电路耦合到每个定向元件。
根据本发明的示例性实施例，该辐射体进一步包括贴片天线。
根据本发明的示例性实施例，该装置进一步包括：引线框架；以及固定到该IC和该引线框架的多个键合线，其中每个键合线固定在该壳体内。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种装置。该装置包括：塑料壳体，其中具有容器，其中该容器适于接收至少一部分介电波导；密封在该塑料壳体内的IC，其中该IC包括：定向天线，其适于提供与该介电波导的通信链路；以及耦合到定向天线的转向电路，其中该转向电路被调适为如果该容器与定向天线未对准，则调整该定向天线以使该IC与该介电波导耦合；引线框架，其至少部分密封在该塑料壳体内；以及固定到该IC和该引线框架的多个键合线，其中每个键合线密封在该塑料壳体内。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种装置。该装置包括：塑料壳体，其中具有容器，其中该容器适于接收至少一部分介电波导；密封在该塑料壳体内的IC，其中该IC包括：通信电路；定向天线，其耦合到该通信电路并适于提供与该介电波导的通信链路；以及耦合到定向天线的转向电路，其中该转向电路被调适为如果该容器与定向天线未对准，则调整该定向天线以使该IC与该介电波导耦合；引线框架，其至少部分被密封在该塑料壳体内；以及固定到该IC和该引线框架的多个键合线，其中每个键合线被密封在该塑料壳体内。
根据本发明的示例性实施例，该通信电路进一步包括发射器。
根据本发明的示例性实施例，该通信电路进一步包括接收器。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种装置。该装置包括：第一封装集成电路（IC），其包括：第一壳体，其具有形成于其中的第一容器；以及第一IC，其固定在第一壳体内并包括邻近第一容器定位的第一天线；第二封装IC，其包括：第二壳体，其具有形成于其中的第二容器；以及第二IC，其固定在第二壳体内并包括邻近第二容器定位的第二天线；以及介电波导，其在第一容器内固定到第一壳体并在第二容器内固定到第二壳体，其中该介电波导适于在第一和第二天线之间提供亚毫米波射频（RF）链路。
根据本发明的示例性实施例，该第一天线和第一容器被该第一壳体的一部分隔开，并且其中该第二天线和第二容器被该第二壳体的一部分隔开。
根据本发明的示例性实施例，该介电波导的长度在大约1mm与大约10000mm之间。
根据本发明的示例性实施例，该第一天线和第二天线中的每一个均是定向天线；并且其中该第一和第二IC中的每一个分别进一步包括第一和第二转向电路，该第一和第二转向电路中的每一个均被调适为如果各自第一和第二容器与各自第一和第二定向天线未对准，则调整各自第一和第二定向天线以使其与该介电波导耦合。
根据本发明的示例性实施例，该第一和第二天线中的每一个均进一步包括具有多个辐射体的相控阵列。
根据本发明的示例性实施例，每个辐射体均进一步包括贴片天线。
根据本发明的示例性实施例，第一和第二定向天线中的每一个均进一步包括：辐射体；以及基本包围该辐射体的多个定向元件，其中该转向电路耦合到每个定向元件。
根据本发明的示例性实施例，该辐射体进一步包括贴片天线。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种装置。该装置包括：第一封装IC，其包括：具有形成在其中的第一容器的第一塑料壳体；第一IC，其被密封在第一壳体内并包括邻近第一容器定位的第一天线；至少部分密封在该第一塑料壳体内的第一引线框架；以及固定到该第一IC和该第一引线框架的第一组键合线，其中来自该第一组的每个键合线密封在该第一塑料壳体内；第二封装IC，其包括：具有形成在其中的第二容器的第二塑料壳体；第二IC，其密封在第二壳体内并包括邻近第二容器定位的第二天线；至少部分密封在该第二塑料壳体内的第二引线框架；以及固定到该第二IC和该第二引线框架的第二组键合线，其中来自该第二组的每个键合线密封在该第二塑料壳体内；以及介电波导，其在第一容器内固定到第一壳体并且在第二容器内固定到第二壳体，其中该介电波导适于在第一和第二天线之间提供亚毫米波RF链路。
附图说明
参考附图描述示例性实施例，其中：
图1是常规互联系统的框图；
图2是图示说明IC与光纤之间的接口的框图；
图3至图5是根据本发明的示例性实施例的互联系统示例的框图；
图6是图示说明针对图3至图5的示例的介电波导与定向天线未对准的示例的框图；以及
图7和图8是图3至图5的IC的示例的框图。
具体实施方式
图3示出根据本发明的示例性实施例的系统300-1。系统300-1利用介电波导316在IC302-1和304-1之间提供“无线”互联系统。IC302-1和304-1中的每一个分别包括发射器306-1或306-2和接收器308-1或308-2，发射器306-1或306-2和接收器308-1或308-2均分别耦合到定向天线314-1或314-2。通常，天线314-1和314-2生成在亚毫米范围内的射频（RF）信号（即波长<1mm），从而通过介电波导建立射频链路。通过图4中的系统300-2可以看出用于单向通信的类似系统（而不是用系统300-1所示的双向收发器）。
图5示出系统300-1或300-2的物理布局的示例。如图所示，IC302-1/302-2和304-1/304-2（以后称为IC302和304）中的每一个均是具有硅衬底504（其上形成电路）的封装IC，亦即，例如引线键合（通过键合线506）到例如引线框架502。硅衬底504（也被称为IC或“芯片”）和键合线506被密封在塑料或其它介电壳体中或者封装材料508中。通常，衬底504包括通信电路（即发射器306-1或接收器308-1）、定向天线（即314-1）和其他功能电路。然后介电波导316能够被固定到壳体508的凹口316中以实现芯片到芯片的通信。可以使用的封装的其它可替代示例是陶瓷封装、“倒装芯片”封装、晶片级芯片尺度封装（WCSP）等等。
在图6中更详细地示出描绘衬底504与介电波导316之间的接口示例的区域510。如图所示，定向天线314-1或314-2（以后称314）与介电波导316是未对准的。金属波导或光纤的这种未对准可能（并且很可能）严重衰减信号。然而，在此由于天线314是定向天线，由天线314形成的波束能够被调整以便与介电波导316耦合，消除对精密机械加工的任何需要，该精密机械加工对于光纤或金属波导可能是必需的。如图所示，凹口514被形成在壳体508的顶表面中，但是它也可以形成在壳体508的侧壁中。另外，波导316可以由能够靠近地耦合在一起的多个部分或片段组成，其通常将使不同电路板或器件间的芯片到芯片通信能够变得更简单。
为了实现这一目标，在衬底504上建立高频振荡器。先进CMOS工艺技术已经把晶体管作为常规工艺的一部分，其在极高频率下具有比单位增益更高的功率增益。例如，高性能65nm CMOS工艺能够具有大于300GHZ的最大频率，而45nm、32nm和28nm工艺技术具有逐步加快的晶体管，并且在下个十年内最大频率可能超过1THZ。因此，当前CMOS工艺技术允许振荡器在大约100-300GHZ的频率范围内振荡。结果，高频数字信号（即>10GBPS）能够被编码成这种高频载波（即在大约100-300GHZ之间），因为部分带宽是相对小的（即该信号频率是载波的一小部分）。另外，由于在100GHZ-1THZ范围内的信号的波长一般非常小，因此该天线（即314）能够非常小（即大约10-400μm）。
图7示出定向天线314的示例。在该示例中，定向天线314通常包括贴片天线702，该贴片天线702具有沿着贴片天线702外围的定向元件704-1至704-4。这些定向元件704-1至704-4通常是接地的或者允许被转向电路706浮接的金属偏转仪，转向电路控制由贴片天线702发射的波束的方向。可替代地，Yagi-Uda键合线天线、折叠偶极子天线、单极天线和带有单级馈电的其它辐射结构可被用于代替贴片天线。
图8示出定向天线314的另一示例。在此，贴片天线802-1至802-4形成相控阵列天线。该相控阵列天线能够被转向电路804控制以便控制波束的方向。这种片上相控阵列系统的示例在2010年9月9日提交的题为“TerahertzPhased Array System（太赫兹相控阵列系统）”的美国专利申请12/878,484中被描述，并且被2010年8月30日提交的题为“Downconversion Mixer（下变频混频器）”的美国专利申请12/871,626和2010年9月22日提交的题为“LowImpedance Transmission Line（低阻抗传输线）”的美国专利申请12/888,208所考虑，所有这些都通过引用合并于此。
本发明所属领域的技术人员将认识到，在要求保护的本发明范围内，可以对所描述的示例性实施例做出修改并且可以实现其它实施例。

Claims (16)

1.一种利用介电波导通过亚毫米波进行的芯片到芯片通信的装置，其包括：
第一封装集成电路即IC，其包括：
衬底；
第一壳体，其具有形成于其中的第一容器；以及
第一IC，其固定在所述第一壳体内并包括邻近所述第一容器定位的第一定向天线，
第二封装IC，其包括：
第二壳体，其具有形成于其中的第二容器；以及
第二IC，其固定在所述第二壳体内并包括邻近所述第二容器定位的第二定向天线；
介电波导，其在所述第一容器内固定到所述第一壳体并且在所述第二容器内固定到所述第二壳体，其中所述介电波导适于在所述第一定向天线和所述第二定向天线之间提供亚毫米波射频即RF链路，以及
耦合到所述第一定向天线或所述第二定向天线的波束转向电路，其中所述波束转向电路被调适为调整所述第一定向天线或所述第二定向天线以使所述第一IC与所述第二IC分别与所述介电波导耦合，
其中所述亚毫米波RF链路是由在所述衬底上建立的高频振荡器产生的，其中所述振荡器是由互补金属氧化物半导体即CMOS工艺技术构造的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一定向天线和所述第一容器被所述第一壳体的一部分隔开；并且其中所述第二定向天线和所述第二容器被所述第二壳体的一部分隔开。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述定向介电波导的长度在1mm与10000mm之间。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一和第二IC中的每一个分别进一步包括第一和第二波束转向电路，所述第一和第二波束转向电路中的每一个均被调适为如果各自第一和第二容器与各自第一和第二定向天线未对准，则调整各自第一和第二定向天线以使其与所述定向介电波导耦合。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一定向天线和所述第二定向天线中的每一个进一步包括具有多个辐射体的相控阵列。
6.根据权利要求5所述的装置，其中每个所述辐射体进一步包括贴片天线。
7.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一和第二定向天线中的每一个进一步包括：
辐射体；以及
包围所述辐射体的多个定向元件，其中所述波束转向电路耦合到每个定向元件。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述辐射体进一步包括贴片天线。
9.一种利用介电波导通过亚毫米波进行的芯片到芯片通信的装置，其包括：
第一封装IC，其包括：
衬底；
第一塑料壳体，其具有形成于其中的第一容器；
第一IC，其密封在第一壳体内并包括邻近所述第一容器定位的第一定向天线；
第一引线框架，其至少部分密封在所述第一塑料壳体内；以及
固定到所述第一IC和所述第一引线框架的第一组键合线，其中来自所述第一组的每个键合线密封在所述第一塑料壳体内；以及
第二封装IC，其包括：
第二塑料壳体，其具有形成于其中的第二容器；
第二IC，其密封在第二壳体内并包括邻近所述第二容器定位的第二定向天线；
第二引线框架，其至少部分密封在所述第二塑料壳体内；以及
固定到所述第二IC和所述第二引线框架的第二组键合线，其中来自所述第二组的每个键合线被密封在所述第二塑料壳体内；
介电波导，其在所述第一容器内固定到所述第一壳体并且在所述第二容器内固定到所述第二壳体，以及
耦合到所述第一定向天线或所述第二定向天线的波束转向电路，其中所述波束转向电路被调适为调整所述第一定向天线或所述第二定向天线以使所述第一IC与所述第二IC分别与所述介电波导耦合，
其中所述介电波导适于在所述第一定向天线和所述第二定向天线之间提供亚毫米波RF链路，其中所述亚毫米波RF链路是由在所述衬底上建立的高频振荡器产生的，其中所述振荡器是由互补金属氧化物半导体即CMOS工艺技术构造的。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一定向天线和所述第一容器被所述第一壳体的一部分隔开；并且其中所述第二定向天线和所述第二容器被所述第二壳体的一部分隔开。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述定向介电波导的长度在1mm与10000mm之间。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一和第二IC中的每一个分别进一步包括第一和第二波束转向电路，所述第一和第二波束转向电路中的每一个均被调适为如果各自第一和第二容器与各自第一和第二定向天线未对准，则调整各自第一和第二定向天线以使其与所述介电波导耦合。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一和第二定向天线中的每一个均进一步包括具有多个辐射体的相控阵列。
14.根据权利要求13所述的装置，其中每个所述辐射体均进一步包括贴片天线。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一和第二定向天线中的每一个均进一步包括：
辐射体；以及
包围所述辐射体的多个定向元件，其中所述波束转向电路耦合到每个定向元件。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述辐射体进一步包括贴片天线。
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