CN103377395B - Rfid电路和方法 - Google Patents
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Abstract
一种射频识别RFID标签。根据一个或多个实施例，一种射频通信电路包括：天线，具有导体；以及半导体芯片，具有与所述导体耦合的下表面，以将射频信号承载的数据传送至衬底的上表面上的有源层中的射频通信电路。因此，经由衬底来促进通信，并且可以无需使用贯穿衬底的连接器，并且还便于将芯片放置在天线上。
Description
技术领域
本发明各个示例实施例的方面涉及射频通信，并且涉及一种用于射频识别(RFID)的装置和方法。
背景技术
诸如射频识别(RFID)之类的射频通信用在多种应用中。例如，在RFID应用中，在读取器和应答器之间进行通信，其中应答器响应于来自读取器的通信或者在通过加电来实现的TTF(标签先发言)模式下提供识别(或其他)数据。例如，应答器可以是诸如RFID标签之类的标签的一部分(或者是标签)，或者是附着到要识别的物体或对象的另一对象的一部分。
由于使用标准CMOS工艺的小IC尺寸，RFID组装工艺在天线制造期间需要高精度(管芯着陆区域(die landing area))中接触引脚的分辨率)，在组装过程中需要高放置精度。在这种情况下，将IC上至少一个天线的所有接触焊盘放置在硅(或其他基底材料)晶片的有源侧，其中在所述硅晶片的有源侧形成RFID电路。例如，RFID芯片尺寸可以长度/宽度在0.2-0.4mm范围内，各个接触焊盘以小得多的距离分开。可能难以精确放置这样的芯片，从而导致高生产成本。
这些和其他问题对RFID标签和其他相关电路的制造和实现提出了挑战。
发明内容
多种示例实施例涉及RFID电路及其实现。根据示例实施例，一种射频识别(RFID)标签包括：天线，具有第一天线部分和第二天线部分，以收发数据；以及RFID芯片，层压在第一天线部分和第二天线部分之间。RFID芯片包括半导体衬底、在半导体衬底上的有源层以及射频通信电路(例如，包括有源层的掺杂区)。半导体衬底具有面对第一天线部分并且在第一天线部分和射频通信电路之间传送由射频信号承载的数据的下表面区域。导体将射频通信电路连接至第二天线部分，以便于在第二天线部分和射频通信电路之间传送由射频信号承载的数据。
另一示例实施例涉及一种射频通信电路，包括：天线，具有平面导体；以及半导体芯片，具有在体半导体衬底上的有源半导体层。有源半导体区包括射频通信电路，半导体衬底具有平面的下表面区域，下表面区域与平面导体平行，其中所述下表面区域的大约全部与平面导体电接触。射频通信电路、平面导体和半导体衬底被配置和布置为一起在天线和射频通信电路之间经由半导体衬底传送由射频信号承载的数据。
半导体芯片被配置和布置为经由半导体衬底中的半导体材料将天线的平面导体和射频电路组件之间的所有数据通信传送到有源半导体区域中的势阱区，所述势阱区是射频电路组件的一部分。
另一示例实施例涉及一种制造装置的方法。将RFID芯片的下表面的大约全部连接到第一天线部分，并将RFID芯片电连接至第一天线部分。RFID芯片在RFID芯片的上表面处的有源层中具有射频电路，所述有源层在下层衬底上并且与RFID芯片的下表面相对。下表面和第一天线连接被连接用于通过衬底在第一天线连接和射频电路之间传送由射频信号承载的数据。将第二天线部分层压到第一天线部分并电连接到RFID芯片的上表面，使用层压材料将第二天线部分固定到上表面，并且使导体接触件延伸通过层压材料以将第二天线部分连接到上表面处的射频电路。
以上论述/概括并不旨在描述本公开的每一个实施例或每一种实现方式。以附图和详细描述也举例说明了多种实施例。
附图说明
结合附图，通过以下详细描述，可以更全面地理解各个示例实施例，附图中：
图1示出了根据本发明示例实施例的RFID标签，所述RFID标签具有经由半导体衬底耦合至天线部分的射频电路；
图2A-2F示出了根据本发明其他示例实施例的处于不同制造阶段的RFID标签；
图3示出了根据本发明另一示例实施例的RFID标签；
图4示出了根据本发明另一示例实施例的RFID标签；以及
图5示出了根据本发明另一示例实施例的在RFID电路和天线部分之间经由半导体衬底传送的RFID信号的灵敏度对频率的曲线图。
具体实施方式
本发明可以具有多种修改和备选形式，但是在附图中以示例的方式示出了本发明的特定细节并将对其进行详细描述。然而应理解，并不旨在将本发明限于所描述的具体实施例。相反，本发明覆盖了落入本发明范围之内的所有修改、等同和替换，本发明的范围包含权利要求中限定的方面。此外，贯穿本申请使用的术语“示例”仅用于说明而不用于限制。
本发明的方面可以应用于涉及无线射频通信的各种不同类型的设备、系统和布置，并且可以应用于采用射频识别(RFID)的这种设备。尽管本发明不必局限于此，然而通过使用该上下文来论述示例，可以了解本发明的各个方面。
多种示例实施例涉及一种RFID设备，所述RFID设备具有通过衬底的电路至天线连接，RFID设备的电路组件形成在所述衬底上。在一些实现方式中，RFID设备是RFID标签，其中在芯片的相对表面上的相应天线部分之间层压RFID芯片，至少一个天线部分经由芯片中的上面形成有电路的下层衬底连接至RFID设备的电路组件。
因此，衬底将天线处接收到的射频信号通过衬底传送至电路组件(例如，与天线处感应的电压相对应)。可以在不必采用延伸通过下层衬底的导体来接触天线部分的情况下完成该操作。此外，可以通过这种下层衬底的表面来实现RFID芯片与天线之间的接触，这可以减轻与延伸通过衬底的导体/通孔有关的对准问题，并且有助于解决包括上述挑战在内的挑战。此外，可以使用CMOS型器件工艺来制造RFID芯片，所述CMOS型器件工艺可以采用连接器/凸块型结构(例如，针脚(stitch)凸块、Au凸块或Cu柱、焊球)来实现与天线的正面连接以及与背面天线的贯穿衬底(through-substrate)连接。
结合一个或更多个实施例，发现可以通过上面形成有有源区的衬底来实现集成电路芯片的天线与有源区之间的连接。在该上下文中，多种实施例涉及包括天线的装置，所述天线分别耦合用于利用下层衬底将射频数据传送至集成电路芯片的有源区。
更具体地的示例实施例涉及一种射频电路，所述射频电路可以涉及RFID通信，包括具有平面导体的天线，所述平面导体连接至半导体芯片的下表面以将射频信号承载的数据经由芯片的背面衬底传送至射频电路所在的正面有源层。大部分或全部下表面区域都与平面导体直接接触、经由金属层与平面导体接触、或者与平面导体电容耦合。另一导体可以与正面有源层相连(例如，经由直连导体，如，导体凸块或其他电路)，并且与平面导体相作用以传送射频信号。将相应的天线部分层压到芯片。此外，背面的平面导体与有源层(与另一导体形成天线回路)之间的数据通信可以限于背面衬底。此外，可以进行这种通信以经由在天线处接收到的RF信号对射频电路供电，从而收发射频信号。
更具体地的示例实施例涉及一种射频识别(RFID)标签，包括：天线，具有第一天线部分和第二天线部分以收发数据；以及RFDI芯片，位于天线部分之间。芯片包括半导体衬底上的有源层，射频通信电路包括有源层的掺杂区。芯片的下表面区域(或者芯片上的导电层)与第一天线部分接触并且在第一天线部分与射频通信电路之间传送由射频信号承载的数据(例如，所有的或几乎所有的数据都是经由衬底和与第二天线部分的闭环连接来传送的)。第二天线部分经由芯片上表面处的导体连接至射频通信电路。在一些实现方式中，经由天线部分传送的射频信号还用于对芯片供电。如可应用于此以及可应用于其他示例实施例的，对下部组件和上部组件的引用仅仅是示例，相应的组件处于交替的取向(例如，上下成为左右，或者通过将器件上下颠倒来交换上下)。
根据多种示例实施例，按照不同的布置，天线部分耦合至芯片并且彼此耦合。在一些实现方式中，天线部分连接至诸如纸或塑料之类的支撑结构，层压到芯片并且相互层压，并且可以绕芯片的侧壁缠绕。在多种实施例中，天线部分被形成为具有便于在非常薄的封装中耦合(并且层压)芯片的几何形状。
其他实施例涉及制造具有射频通信电路的装置。将本文所述的RFID芯片的大约整个下表面(例如，无论上面是否有导电层)层压到第一天线部分，将第二天线部分层压到RFID芯片的上表面。执行层压，使得下表面和第一天线通过背面衬底在芯片中的第一天线和射频电路之间传送由射频信号承载的数据。
现在转向附图，图1示出了根据本发明另一示例实施例的RFID标签100的截面图，RFID标签100具有经由衬底耦合至天线的射频电路。RFID标签100包括RFID芯片102，RFID芯片102具有有源层110中的RFID电路，有源层110形成在下层衬底120上。钝化层130(例如，具有氧化硅和/或氮化硅)在有源层110上，在钝化层上方延伸的接触件140经由接触焊盘142提供与有源层110的电连接。
芯片102位于下部天线部分170和上部天线部分180之间，下部天线部分170和上部天线部分180分别形成在支撑结构172和182上。诸如绝缘胶之类的层压材料150将上部天线部分180固定(secure)到芯片102以及接触件140，从而实现上部天线部分与有源层110之间的电连接。接触件140因此延伸通过层压材料150，这是可以通过向芯片102紧固地按压上部天线部分(以及支撑结构182)来实现的。按照各种方式中的一种或多种来实现接触件140与上部天线部分180之间的连接，例如通过导电胶合、各向异性导电胶合、纯金属互连、焊接或电容耦合来实现接触件140与上部天线部分180之间的连接。在一些实例中，层压材料150起到间隔层的作用，并且接触件140穿过层压材料150。在一些情况下，间隔层减小了有源层110中的专用电路块与上部天线部分180之间的寄生耦合。可选的间隔层152被示为形成在芯片102的上部部分处，并且可以被实现为将所述上部部分上的组件(例如，未使用的接触焊盘)电绝缘。芯片102电连接至下部天线部分170(并且可以经由粘合型材料174至少暂时耦合)。
衬底120的下表面121将射频信号承载的数据从下部天线部分170传送至有源层110。通过这种方法，衬底120起到将经由下部天线部分170接收的(并且和与之相作用的天线部分180相关的)数据耦合至有源层110。此外，尽管芯片102被示为具有与下部天线部分170以及衬底120的下表面相接触的可选的金属化层160，然而在衬底的下表面与下部天线部分直接接触的各种实现方式中省略了金属化层。在另外的实现方式中，下表面121装配有凸块结构，所述凸块结构可以包括类似于接触件140的多个导体，以便用于接触。
天线部分170和180例如可以包括一种或更多种导电类型的材料，如，掺杂半导体材料、金属材料和导电油墨(conductive ink)。此外，可以使用各种方法(如，沉积、蚀刻、印刷、管芯切割或其组合)，以各种几何布置(如，环形或螺旋形)中的一种或多种，来形成天线部分。支撑结构172和182是可选的，或者可以包括各种材料(如，纸、聚乙烯或其他塑料)中的一种或多种，或者衬底的半导体类型。
将衬底120的厚度设置为便于经由射频信号从下部天线部分170和有源区(层)110传送数据。在一些实现方式中，将衬底120薄化(thin)以设置厚度，如，150微米或更小。
图2A-2F示出了根据本发明其他示例实施例的处于不同制造阶段的RFID标签200。例如可以如图1所示使用RFID芯片和/或标签来实现RFID芯片200。从图2A和2B开始，示出了顶视图(2A)和前视图(2B)，其中，将天线电路210的第一部分形成在诸如纸或聚乙烯之类的支撑结构220上。图2C和2D分别示出了顶视图和底视图，其中，如图所示将RFID芯片230放置在天线电路210上。将芯片230的下表面的大部分或全部与天线电路210直接或经由金属化层相接触地放置，以便于通过下表面传送射频数据(例如，并且通过衬底传送至RFID电路，如图1所示并且如上所述)
图2E和2F示出了将天线的第二部分212和支撑结构放置在下部天线部分210和RFID芯片230的顶部之后的天线结构。如RFID芯片230的区域中天线部分的远大于实际RFID芯片的尺寸所指示的，例如便于以低定位精度将两个天线部分相对于彼此以及相对于RFID芯片来放置。
图3示出了根据本发明另一示例实施例的在层压之后的另一RFID标签300的截面图。在该图中，将集成电路302按压到天线的上部部分中。通过层压材料352，将支撑结构382上的上部天线380层压到芯片302和下部天线结构。可以实现间隔层(如图1所示)以保护集成电路302的有源层与天线380的上部部分之间的距离，这可以使寄生效应最小化。在一些实现方式中，将集成电路302按压到天线的底部部分中，在其他实现中，将集成电路302按压到天线的顶部部分和底部部分两者中。可以在层压以加热上部衬底和下部衬底期间以不同的硬度和/或不同的温度使用衬底材料来促进这种实现方式，这还用在多种实施例中以控制集成电路302的压印(imprint)(例如，使得将图1中的凸块140按压到上部天线部分180中，而集成到下部天线部分中的集成电路302的压印不会或者极少量会被允许，以减轻/防止下部天线部分在集成电路周围被切割/破坏，所述切割/破坏会导致故障)。
图4示出了根据本发明另一示例实施例的RFID标签400的截面图。RFID标签400包括RFID芯片402和天线，所述天线具有与芯片402相连的上部部分480和下部部分470，以经由收发的射频信号来传送数据。上部天线部分480由支撑结构层482支撑(例如，支撑结构层482可以围绕RFID芯片402延伸，在该截面图中被示为具有分离的结构)。经由连接器440来实现上部天线部分480与RFID芯片402之间的连接，其中经由材料452将支撑结构层482层压到下层天线470/支撑结构472。在这种情况下，支撑结构层在组装期间、在其他工艺步骤以及现场使用期间对RFID芯片402提供了机械保护(例如，天线的底部部分的切割或破坏、芯片的机械破坏)。
如上所述，结合多种实施例，发现可以经由下层衬底实现充分的射频信号耦合，以便于经由射频信号耦合来进行数据通信。图5示出了根据该发现以及本发明的一个或多个示例实施例可以实现的经由半导体衬底在RFID电路和天线部分之间传送的RFID信号的灵敏度对频率的曲线图。将灵敏度(dB)示出在垂直轴上，将信号频率示出在水平轴上。如在此示出的，曲线510和520表示基准RFID电路，其中曲线530、540、550和560表示样本电路，所述样本电路具有经由芯片的下层衬底与RFID芯片中的RFID电路的天线部分连接。
基于以上论述和说明，本领域技术人员容易认识到，可以对本发明做出各种修改和变型，而不必严格遵循本文示出和描述的示例实施例和应用。例如，对于不必须涉及射频和RFID的设备和应用，可以经由衬底来实现其他类型的通信。此外，可以结合在此所示的衬底来使用各种不同类型的RFID电路(例如，图中所示的相应的RFID芯片的有源层中所示的RFID电路)。对于与射频通信有关的一般信息，以及对于与可以根据一个或多个示例实施例实现的RFID电路(或其功能)有关的特定信息，可以参考序列号为6，815，809的美国专利申请，其全部公开通过参考合并于此。这样的修改并不脱离本发明的真实精神和范围，本发明的真实精神和范围包括以下权利要求中阐述的精神和范围。
Claims (20)
1.一种射频识别RFID标签，包括：
天线，具有第一天线部分和第二天线部分，并且配置和布置为收发数据；
RFID芯片，层压在第一天线部分和第二天线部分之间，所述RFID芯片包括半导体衬底、在半导体衬底上的有源层以及射频电路组件，半导体衬底被配置和布置为具有面对第一天线部分并且在第一天线部分和射频电路组件之间传送由射频信号承载的数据的下表面区域；以及
导体，将射频电路组件连接至第二天线部分，所述导体相对于半导体衬底配置和布置以在第二天线部分和射频电路组件之间传送由射频信号承载的数据。
2.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，射频电路组件包括有源层的掺杂区，经由第一天线部分传送的实质上所有射频信号都从下表面区域经由半导体衬底传送至所述掺杂区。
3.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，射频电路组件被配置和布置为使用射频信号来产生用于操作射频电路组件的电力。
4.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，整个下表面与第一天线部分的表面直接接触。
5.根据权利要求1所述的RFID标签，还包括：下表面上的导体层，所述导体层与第一天线部分直接接触，并且被配置和布置为在第一天线部分和下表面之间传导射频信号。
6.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，第一天线部分与第一材料的表面相连，第二天线部分与第二材料的表面相连，第二材料的表面与第一材料的表面相对，第二材料被层压到RFID芯片以及第一材料的表面。
7.根据权利要求1所述的RFID标签，还包括：钝化层，在RFID芯片与第二天线部分之间。
8.根据权利要求1所述的RFID标签，还包括：层压材料，配置和布置为将第二天线部分连接到RFID芯片并将第二天线部分与RFID芯片的部分电绝缘。
9.根据权利要求8所述的RFID标签，其中，第二天线部分在与层压材料接触的材料上，并且围绕在下表面和射频电路组件所处的上表面之间延伸的RFID芯片的侧壁缠绕。
10.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，在射频电路组件与下表面区域之间的半导体衬底具有小于150微米的厚度。
11.根据权利要求1所述的RFID标签，其中，射频电路组件被配置和布置为响应于经由天线接收到的数据，产生射频信号形式的数据并经由衬底和天线来传输所述射频信号形式的数据。
12.一种射频通信电路，包括：
天线，具有平面导体；以及
半导体芯片，具有在半导体衬底上的有源半导体层，所述有源半导体层包括射频电路组件，半导体衬底具有下表面区域，所述下表面区域的全部与天线的平面导体电接触，射频电路组件和半导体衬底被配置和布置为一起在天线的平面导体和射频电路组件之间经由半导体衬底传送由射频信号承载的数据。
13.根据权利要求12所述的电路，天线还包括经由半导体芯片的上表面与射频电路组件相接触的另一导体，相应的导体彼此层压并且层压到半导体芯片以形成层压的射频通信电路。
14.根据权利要求12所述的电路，其中，半导体芯片被配置和布置为经由半导体衬底中的半导体材料将天线的平面导体和射频电路组件之间的所有数据通信传送到有源半导体区域中的势阱区，所述势阱区是射频电路组件的一部分。
15.根据权利要求12所述的电路，其中，射频通信电路被配置和布置为：
使用经由衬底接收到的射频信号来产生用于操作射频电路组件的电力，并且
响应于经由天线接收到的数据，产生射频信号形式的数据并经由衬底和天线的平面导体来传输所述射频信号形式的数据。
16.一种制造装置的方法，所述方法包括：
将RFID芯片的下表面的全部与第一天线部分相接触，并将RFID芯片层压到第一天线部分，RFID芯片在RFID芯片的上表面处的有源层中具有射频电路组件，所述有源层在下层衬底上并且与RFID芯片的下表面相对，其中将下表面和第一天线配置为通过衬底在第一天线和射频电路组件之间传送由射频信号承载的数据；以及
将第二天线部分层压到RFID芯片的上表面和第一天线部分，使用层压材料将第二天线部分固定到上表面，并且使导体接触件延伸通过层压材料以将第二天线部分连接到上表面处的射频电路组件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，将RFID芯片的下表面的全部与第一天线部分相接触的步骤包括：在衬底的下表面上形成导电层，并将导电层连接到第一天线部分。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：通过在支撑结构上形成导电天线来形成第一天线部分和第二天线部分，其中层压第二天线部分包括经由绝缘层压材料将第二天线部分层压到第一天线部分，所述绝缘层压材料将第二天线部分粘合到第一天线部分和RFID芯片。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：在层压第二天线部分之前在RFID芯片和第二天线部分之间形成钝化层。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：将下表面平面化，并将衬底的厚度减小到足以促进在下表面和射频电路组件之间经由射频信号传送数据的厚度。
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