CN103367863A - 一种集成宽频带天线及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成宽频带天线及其制作方法,通过在Si衬底上制作接地平面,在接地平面上制作具有流动性的有机介电材料并固化作为天线的基板,在该基板上制作天线图形,并在天线图形对应的区域刻蚀所述Si衬底形成介质空腔。本发明的集成宽频带天线克服了硅基集成天线介质基板较薄的缺点,与传统硅基集成天线相比,显著增加了天线的带宽并提高了天线的性能。本发明的制作工艺流程与埋置型芯片封装兼容,所制作出来的天线可以和芯片一起封装,与传统的外接天线方法相比,减小了信号线的传输距离,从而减小了损耗。同时,天线与芯片集成在一起,提高了可靠性,减小了体积,符合现代集成电路封装的趋势。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线及其制作方法,特别是涉及一种集成宽频带天线及其制作方法。
背景技术
在无线通讯领域,天线是不可缺少且非常重要的一部分。微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种新型天线。和常用的微波天线相比,它有如下一些优点:体积小,重量轻,低剖面,能与载体共形,制造简单,成本低;电器上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图,最大辐射方向在平面的法线方向,易于和微带线路集成,易于实现线极化或圆极化。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵,以获得更高的增益和更大的带宽。因此微带天线得到愈来愈广泛的重视。传统的射频贴片天线一般做在PCB(印刷电路板)上,通过同轴电缆与发射电路连接。此种方法虽然具有上述诸多优点,但是基板材料的介电常数,厚度,以及天线的尺寸一致性较差,特别是在比较高的频带,这些误差会对天线参数造成很大影响,往往在制作出来后,需要进一步的调试才能使用,使生产效率降低,增加了成本。另外,传统的贴片天线和集成电路是分开的,连在一起时会受到连接器的限制,产生一些问题:如阻抗匹配,寄生电感,寄生电容等。
由于以上缺点,做在硅片上的天线应运而生,它和集成电路一起,这种天线制作工艺精确,一致性好,得到了广泛的应用。但是,这种天线有一种缺点,即基板较薄,一般只有几十μm甚至不到1μm,使带宽大大降低。提高基板厚度在硅上实现比较困难,文献报道中常用的办法是在硅上刻蚀槽,在槽中填充固体介电材料使与周围高度一致,然后用胶体的介质层把天线图形做在其上,这种方法使得天线基板材料有至少两种,天线损耗增大,而且天线图形和馈线的基板材料不同,容易产生阻抗不匹配,同时仿真和工艺制作较麻烦;另一种是在槽中填充和其他区域形同的介电材料(一般为液体),然后固化,这种方法在槽的深度较浅的时候还可以使用,但是在大深度时候,经常导致天线表面的平整性不好,对天线造成不良影响。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种集成宽频带天线及其制作方法,用于解决现有技术中硅基集成天线介质基板较薄的缺陷。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种集成宽频带天线的制作方法,至少包括以下步骤:
1)提供一Si衬底,并在所述Si衬底的上、下表面形成上SiO2层及下SiO2层,在所述下SiO2层中刻蚀出一个窗口;
2)在所述上SiO2层上制作第一种子层,在所述窗口的上垂向区域对应的第一种子层上形成光刻胶,然后在所述第一种子层上制作第一电镀层,去除所述光刻胶及被光刻胶覆盖的第一种子层,以形成在所述窗口的上垂向区域具有凹槽结构的天线接地平面,并在所述接地平面上制作焊球;
3)涂覆有机介电材料以覆盖所述接地平面及凹槽结构,并固化该机介电材料形成有机介电层;
4)在所述有机介电层上制作第二种子层,制作在所述凹槽结构的上垂向区域具有天线图形窗口以及由该天线图形窗口朝向该焊球延伸的馈线图形窗口的光刻图形,然后在所述光刻图形上制作第二电镀层,并去除所述光刻图形及其所覆盖的第二种子层,以形成天线图形及天线馈线;
5)以所述下SiO2层为掩膜自所述Si衬底的下表面刻蚀该Si衬底,以在所述凹槽结构的下垂向区域形成天线的介质空腔。
在本发明的集成宽频带天线的制作方法中,所述有机介电材料为流体介质材料,且其介电常数小于5。
在本发明的集成宽频带天线的制作方法中,所述有机介电层的厚度为10~30μm。
优选地,所述第一种子层包括通过溅射制备的TiW溅射层及Au溅射层,所述第一电镀层为通过电镀制备的Au电镀层,其中,所述TiW溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
在本发明的集成宽频带天线的制作方法中,所述步骤3)中涂覆的有机介电材料为苯并环丁烯(BCB)或PI(聚酰亚胺)。
在本发明的集成宽频带天线的制作方法中,所述步骤3)中,涂覆的有机介电材料为苯并环丁烯(BCB),并在200~280℃下保温40~120min使其固化。
在本发明的集成宽频带天线的制作方法中,所述步骤3)还包括对所述有机介电层采用机械化学抛光法进行抛光的步骤,以使所述有机介电层表面平整并露出所述焊球。
优选地,所述第二种子层包括通过溅射制备的Cr溅射层及Au溅射层,所述第二电镀层为Au电镀层,其中,所述Cr溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
本发明还提供一种集成宽频带天线,至少包括:支撑结构,所述支撑结构具有介质空腔;接地平面,结合于所述支撑结构上表面,且在所述介质空腔上垂向区域具有凹槽结构;焊球,焊接于所述接地平面且用作所述接地平面的引出端;有机介电层,覆盖于所述接地平面及凹槽结构;图形天线,包括位于所述介质空腔上垂向区域且结合于所述有机介电层的天线主体以及由所述天线主体朝向所述焊球延伸的馈线。
在本发明的集成宽频带天线中,所述有机介电层的材料为苯并环丁烯(BCB)或PI(聚酰亚胺)。
在本发明的集成宽频带天线中,所述有机介电层的介电常数小于5。
在本发明的集成宽频带天线中,所述有机介电层的厚度为10~30μm。
在本发明的集成宽频带天线中,所述接地平面包括结合于所述支撑结构的第一种子层及结合于所述第一种子层上的第一电镀层。
优选地,所述第一种子层包括TiW溅射层及Au溅射层,所述第一电镀层为Au电镀层,其中,所述TiW溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
在本发明的集成宽频带天线中,所述图形天线包括结合于所述有机介电层的第二种子层及结合于所述第二种子层上的第二电镀层。
优选地,所述第二种子层包括Cr溅射层及Au溅射层,所述第二电镀层为Au电镀层,其中,所述Cr溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
如上所述,本发明的集成宽频带天线及其制作方法,具有以下有益效果:通过在Si衬底上制作接地平面,在接地平面上制作具有流动性的有机介电材料并固化作为天线的基板,在该基板上制作天线图形,并在天线图形对应的区域刻蚀所述Si衬底形成介质空腔。本发明的集成宽频带天线克服了硅基集成天线介质基板较薄的缺点,与传统硅基集成天线相比,显著增加了天线的带宽并提高了天线的性能。本发明的制作工艺流程与埋置型芯片封装兼容,所制作出来的天线可以和芯片一起封装,与传统的外接天线方法相比,减小了信号线的传输距离,从而减小了损耗。同时,天线与芯片集成在一起,提高了可靠性,减小了体积,符合现代集成电路封装的趋势。
附图说明
图1显示为本发明集成宽频带天线的制作方法步骤1)所呈现的结构示意图。
图2~图5b显示为本发明集成宽频带天线的制作方法步骤2)所呈现的截面及平面结构示意图。
图6显示为本发明集成宽频带天线的制作方法步骤3)所呈现的截面及平面结构示意图。
图7~图9显示为本发明集成宽频带天线的制作方法步骤4)所呈现的结构示意图。
图10a~10c显示为本发明集成宽频带天线的制作方法步骤5)所呈现的截面、平面及立体结构示意图。
图11显示为本发明集成宽频带天线的制作方法有机介电材料固化工艺曲线示意图。
元件标号说明
101 Si衬底
1021 上SiO2层
1022 下SiO2层
103~104 第一种子层
105 第一电镀层
106 凹槽结构
107 焊球
108 有机介电层
109~110 第二种子层
111 第二电镀层
111~113 图形天线
115 介质空腔
201 光刻胶
202 光刻图形
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图11。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
请参阅图1~图11,如图所示,本发明提供一种集成宽频带天线的制作方法,至少包括以下步骤:
如图1所示,首先进行步骤1),提供一Si衬底101,并在所述Si衬底的上、下表面形成上SiO2层1021及下SiO2层1022,在所述下SiO2层1022中刻蚀出一个窗口;
在本实施例中,采用热氧化法对所述Si衬底101进行氧化以获得所述上SiO2层1021及下SiO2层1022,所述上SiO2层1021及下SiO2层1022的厚度均为2μm。采用BOE湿法刻蚀在所述下SiO2层1022中刻蚀出一个窗口。
如图2~图5b所示,然后进行步骤2),在所述上SiO2层1021上制作第一种子层103~104,在所述窗口的上垂向区域对应的第一种子层上形成光刻胶201,然后在所述第一种子层103~104上制作第一电镀层105,去除所述光刻胶201及被光刻胶201覆盖的第一种子层,以形成在所述窗口的上垂向区域具有凹槽结构106的天线接地平面,并在所述接地平面上制作焊球107;
在本实施例中,所述第一种子层103~104包括通过溅射制备的TiW溅射层及Au溅射层,当然,其它与所述上SiO2层1021及Au溅射层结合强度高的金属作为种子层的底层也是可以的。所述第一电镀层105为通过电镀制备的Au电镀层,其中,所述TiW溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。在本实施例中,所述凹槽结构106为矩形结构,当然,在其它实施例中,也可以为圆形、多边形或其它所需的形状。最后在所述接地平面上制作焊球107,在本实施例中,所述焊球107为2个,间隔排列于所述接地平面上。
如图6及图10所示,接着进行步骤3),涂覆有机介电材料以覆盖所述接地平面及凹槽结构106,并固化该机介电材料形成有机介电层108。其中,所述有机介电材料为流体介质材料,且其介电常数小于5。所述涂覆的有机介电材料为苯并环丁烯(BCB)或PI(聚酰亚胺)。所述有机介电层108的厚度为10~30μm。由于所述有机介电材料的介电常数较低,因而可以有效的增加天线的带宽。
在本实施例中,在硅基正面涂覆一层苯并环丁烯(BCB),厚度为10μm-30μm,涂覆后先放在水平面上静置2个小时以上,利用BCB的流动性,使所述焊球107露出,然后在可控恒温炉中固化,固化的温度曲线如图9所示,前30min温度从室温25℃线性上升到固化温度(为200℃~280℃),保持固化温度一段时间40~120min,一个优选的方案为在230℃下保温80min,当然,温度升高可适当减少固化时间,最后用30min线性降温到室温,固化完成。进行一次机械化学抛光法(CMP),以使所述有机介电层108表面平整并使覆盖在金焊球107上的BCB薄层抹掉以露出所述焊球107。
请参阅图7~图9,如图所示,接着进行步骤4),在所述有机介电层108上制作第二种子层109~110,制作在所述凹槽结构106的上垂向区域具有天线图形窗口以及由该天线图形窗口朝向该焊球107延伸的馈线图形窗口的光刻图形202,然后在所述光刻图形202上制作第二电镀层111,并去除所述光刻图形202及其所覆盖的第二种子层109~110,以形成天线图形及天线馈线;
在本实施例中,通过溅射的方法在所述有机介电层108上制作第二种子层109~110,并通过电镀的方法在所述光刻图形202上制作第二电镀层111。其中,所述第二种子层109~110包括通过溅射制备的Cr溅射层及Au溅射层,所述第二电镀层111为Au电镀层,其中,所述Cr溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。需要说明的是,所述图形天线111~113的形状可为矩形、圆形、椭圆形、多边形、回旋线状、或其它所述期望的形状。
如图10a~图10c所示,最后进行步骤5),以所述下SiO2层1022为掩膜自所述Si衬底101的下表面刻蚀该Si衬底101,以在所述凹槽结构106的下垂向区域形成天线的介质空腔115。
在本实施例中,采用KOH溶液刻蚀所述Si衬底101,并去除所述Si衬底101上表面的SiO2层1021,以在所述凹槽结构106的下垂向区域形成天线的介质空腔115,由于介质空腔115的介电常数为真空或空气的介电常数,数值大概为1,可以增加天线的介质基板,同时增加天线的带宽。其中,所述介质空腔115的截面形状为梯形,当然,其其它实施例中,所述介质空腔115的形状可为其它形状。
实施例2
请参阅图10a~图10c,本发明还提供一种集成宽频带天线,至少包括:支撑结构,所述支撑结构具有介质空腔115;接地平面,结合于所述支撑结构上表面,且在所述介质空腔115上垂向区域具有凹槽结构106;焊球107,焊接于所述接地平面且用作所述接地平面的引出端;有机介电层108,覆盖于所述接地平面及凹槽结构106;图形天线111~113,包括位于所述介质空腔115上垂向区域且结合于所述有机介电层108的天线主体以及由所述天线主体朝向所述焊球107延伸的馈线。需要说明的是,所述图形天线111~113的形状可为矩形、圆形、椭圆形、多边形、回旋线状、或其它所述期望的形状。由于介质空腔115的介电常数为真空或空气的介电常数,数值大概为1,可以增加天线的介质基板,同时增加天线的带宽。其中,所述介质空腔115的截面形状为梯形,当然,其其它实施例中,所述介质空腔115的形状可为其它形状。
在本实施例的集成宽频带天线中,所述有机介电层108的材料为苯并环丁烯(BCB)或PI(聚酰亚胺)。所述有机介电层108的介电常数小于5。所述有机介电层108的厚度为10~30μm。由于所述有机介电材料的介电常数较低,因而可以有效的增加天线的带宽。
在本实施例的集成宽频带天线中,所述接地平面包括结合于所述支撑结构的第一种子层103~104及结合于所述第一种子层103~104上的第一电镀层105。具体地,所述第一种子层103~104包括TiW溅射层及Au溅射层,所述第一电镀层105为Au电镀层,其中,所述TiW溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
在本实施例的集成宽频带天线中,所述图形天线111~113包括结合于所述有机介电层108的第二种子层109~110及结合于所述第二种子层109~110上的第二电镀层111。具体地,所述第二种子层109~110包括Cr溅射层及Au溅射层,所述第二电镀层111为Au电镀层,其中,所述Cr溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
综上所述,本发明的集成宽频带天线及其制作方法,通过在Si衬底上制作接地平面,在接地平面上制作具有流动性的有机介电材料并固化作为天线的基板,在该基板上制作天线图形,并在天线图形对应的区域刻蚀所述Si衬底形成介质空腔。本发明的集成宽频带天线克服了硅基集成天线介质基板较薄的缺点,与传统硅基集成天线相比,显著增加了天线的带宽并提高了天线的性能。本发明的制作工艺流程与埋置型芯片封装兼容,所制作出来的天线可以和芯片一起封装,与传统的外接天线方法相比,减小了信号线的传输距离,从而减小了损耗。同时,天线与芯片集成在一起,提高了可靠性,减小了体积,符合现代集成电路封装的趋势。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种集成宽频带天线的制作方法,其特征在于,至少包括以下步骤:
1)提供一Si衬底,并在所述Si衬底的上、下表面形成上SiO2层及下SiO2层,在所述下SiO2层中刻蚀出一个窗口;
2)在所述上SiO2层上制作第一种子层,在所述窗口的上垂向区域对应的第一种子层上形成光刻胶,然后在所述第一种子层上制作第一电镀层,去除所述光刻胶及被该光刻胶覆盖的第一种子层,以形成在所述窗口的上垂向区域具有凹槽结构的天线接地平面,并在所述接地平面上制作焊球;
3)涂覆有机介电材料以覆盖所述接地平面及凹槽结构,并固化该机介电材料形成有机介电层;
4)在所述有机介电层上制作第二种子层,制作在所述凹槽结构的上垂向区域具有天线图形窗口以及由该天线图形窗口朝向该焊球延伸的馈线图形窗口的光刻图形,然后在所述光刻图形上制作第二电镀层,并去除所述光刻图形及其所覆盖的第二种子层,以形成天线图形及天线馈线;
5)以所述下SiO2层为掩膜自所述Si衬底的下表面刻蚀该Si衬底,以在所述凹槽结构的下垂向区域形成天线的介质空腔。
2.根据权利要求1所述的集成宽频带天线的制作方法,其特征在于:所述有机介电材料为流体介质材料,且其介电常数小于5。
3.根据权利要求1所述的集成宽频带天线的制作方法,其特征在于:所述有机介电层的厚度为10~30μm。
4.根据权利要求1所述的集成宽频带天线的制作方法,其特征在于:所述第一种子层包括通过溅射制备的TiW溅射层及Au溅射层,所述第一电镀层为通过电镀制备的Au电镀层,其中,所述TiW溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
5.根据权利要求1所述的集成宽频带天线的制作方法,其特征在于:所述步骤3)中涂覆的有机介电材料为苯并环丁烯BCB或聚酰亚胺PI。
6.根据权利要求5所述的集成宽频带天线的制作方法,其特征在于:所述步骤3)中,涂覆的有机介电材料为苯并环丁烯,并在200~280℃下保温40~120min使其固化。
7.根据权利要求1所述的集成宽频带天线的制作方法,其特征在于:所述步骤3)还包括对所述有机介电层采用机械化学抛光法进行抛光的步骤,以使所述有机介电层表面平整并露出所述焊球。
8.根据权利要求1所述的集成宽频带天线的制作方法,其特征在于:所述第二种子层包括通过溅射制备的Cr溅射层及Au溅射层,所述第二电镀层为Au电镀层,其中,所述Cr溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
9.一种集成宽频带天线,其特征在于,至少包括:
支撑结构,所述支撑结构具有介质空腔;
接地平面,结合于所述支撑结构上表面,且在所述介质空腔上垂向区域具有凹槽结构;
焊球,焊接于所述接地平面且用作所述接地平面的引出端;
有机介电层,覆盖于所述接地平面及凹槽结构;
图形天线,包括位于所述介质空腔上垂向区域且结合于所述有机介电层的天线主体以及由所述天线主体朝向所述焊球延伸的馈线。
10.根据权利要求9所述的集成宽频带天线,其特征在于:所述有机介电层的材料为苯并环丁烯BCB或聚酰亚胺PI。
11.根据权利要求9所述的集成宽频带天线,其特征在于:所述有机介电层的介电常数小于5。
12.根据权利要求9所述的集成宽频带天线,其特征在于:所述有机介电层的厚度为10~30μm。
13.根据权利要求9所述的集成宽频带天线,其特征在于:所述接地平面包括结合于所述支撑结构的第一种子层及结合于所述第一种子层上的第一电镀层。
14.根据权利要求13所述的集成宽频带天线,其特征在于:所述第一种子层包括TiW溅射层及Au溅射层,所述第一电镀层为Au电镀层,其中,所述TiW溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
15.根据权利要求9所述的集成宽频带天线,其特征在于:所述图形天线包括结合于所述有机介电层的第二种子层及结合于所述第二种子层上的第二电镀层。
16.根据权利要求15所述的集成宽频带天线,其特征在于:所述第二种子层包括Cr溅射层及Au溅射层,所述第二电镀层为Au电镀层,其中,所述Cr溅射层的厚度为10~30nm,Au溅射层的厚度为50~150nm,Au电镀层的厚度为1000~5000nm。
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