CN108292648B - 设计有包括集成在封装上的管芯结构上的化合物半导体器件的高频通信器件的微电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例包括微电子器件，其包括具有基于硅的衬底的第一管芯和耦合到第一管芯的第二管芯。在一个示例中，利用化合物半导体材料形成第二管芯。微电子器件包括利用多个电连接耦合到第一管芯的衬底。衬底包括用于在大约4GHz或更高的频率下发送和接收通信的天线单元。

Description

设计有包括集成在封装上的管芯结构上的化合物半导体器件 的高频通信器件的微电子器件
技术领域
本发明的实施例总体上涉及半导体器件的制造。具体而言，本发明的实施例涉及具有集成在封装上的管芯结构上的高频通信器件的微电子器件。
背景技术
未来的无线产品是以比当前利用的较低GHz范围高得多的操作频率为目标的。例如5G(第5代移动网络或第5代无线系统)通信被预期在大于或等于15GHz的频率下操作。而且，当前WiGig(Wireless Gigabit Alliance)产品在60GHz下操作。包括汽车雷达和医学成像的其它应用利用在毫米波频率(例如30GHz–300GHz)中的无线通信技术。对于这些无线应用，所设计的RF(射频)电路需要高质量无源匹配网络以便适应预定义的频带(其中通信发生)的传输以及需要高效率功率放大器和低损耗功率组合器/开关。
附图说明
图1示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在微电子器件(例如管芯结构架构)中。
图2示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在微电子器件(例如管芯结构架构)中。
图3A示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在具有包覆成型(overmolded)部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。
图3B示出了根据另一个实施例的将不同的部件共同集成在具有带有RF屏蔽的包覆成型部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。
图4示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在具有包覆成型部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。
图5示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在具有包覆成型部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。
图6示出了根据一个实施例的计算机系统600。
具体实施方式
本文描述了设计有包括在封装上的内部管芯结构中的化合物半导体器件的高频通信器件的微电子器件。在以下描述中，将使用本领域技术人员常用的术语来描述说明性实施方式的各个方面，以将其工作的实质传达给本领域的其他技术人员。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以仅利用所述方面中的一些来实践本发明。出于解释的目的，阐述了具体的数字、材料和构造，以便提供对说明性实施方式的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实践本发明。在其它实例中，省略或简化了公知的特征，以免使得说明性实施方式难以理解。
将以最有助于理解本发明的方式依次将各种操作描述为多个分立操作，然而不应将描述的次序解释为暗示这些操作必定是顺序相关的。具体而言，这些操作不必按照所呈现的次序执行。
对于毫米(例如1-10mm、任何mm波)波通信系统的高频(例如5G、WiGig)无线应用，所设计的RF电路(例如低噪声放大器、混频器、功率放大器等)需要高质量无源匹配网络以便适应预定义的频带(其中通信发生)的传输以及需要高效率功率放大器和低损耗功率组合器/开关等。主要由于所采用的一般无损的硅衬底，可以利用大于15GHz操作的CMOS技术，但其具有降低的功率放大器效率并具有低质量无源器件。由于所产生的过多的热，这不仅导致较低的系统性能，而且导致增加的热要求。在一个示例中，高的热耗散是由于多个功率放大器必须在相控阵布置中被利用来实现期望输出功率和传输范围的事实。这在5G系统上将甚至更严格，因为蜂窝网络(例如4G、LTE、LTE-adv)的一般传输范围比连接性所需的(例如WiFi、WiGig)大几倍。
本设计包括高频部件(例如5G收发机)，并利用通信系统(例如GaAs、GaN、玻璃上无源器件等)的关键零件的非CMOS技术(例如非硅衬底)。在最佳系统分区的情况下，需要高效率和高质量因子的关键部分可以被制造在另一技术(例如化合物半导体材料、第III-V族材料)上。这些部分可能在器件级(例如在GaN/GaAs上的晶体管)上或在电路级(例如集成功率放大器、低噪声放大器等的III-V管芯)上。完全的通信系统将以内部管芯结构方式形成，如在本发明的实施例中讨论的。
当前的设计技术允许为了性能增强和热要求的放宽而共同集成制造在同一封装上的不同技术和/或衬底上的管芯和/或器件。封装可以包括用于与其它无线系统通信的天线单元。
在一个实施例中，当前的技术是具有基于非CMOS的收发机构造块(例如基于第III-V族的器件或管芯)的5G(第5代移动网络或第5代无线系统)架构，这些构造块为了性能增强和热要求放宽而共同集成在具有低频电路和集成无源器件(IPD)的同一封装上。在这个布置中，管芯被组装在主管芯(例如CMOS管芯)的顶部上，主管芯然后被组装在封装上。封装可以具有直接集成到其上的天线。5G架构在高频(例如至少20GHz、至少25GHz、至少28GHz、至少30GHz等)下操作，并且也可以具有到端点的每秒1-50吉比特(Gbps)连接。
在一个示例中，当前的设计架构包括非CMOS收发机构造块(例如第III-V族管芯)，或者集成无源器件或管芯(IPD)最初被组装在具有低频电路(例如小于30GHz的频率、小于20GHz的频率)的CMOS管芯上并接着与天线封装集成在一起。这个设计架构导致性能增强、小型化和热要求放宽。在这个架构中，可以使用各种制造方法(例如在晶圆级下组装)来组装部件。最终通信模块可以利用集成天线。
这个5G架构的设计基于使用针对某些部件(例如开关、功率放大器)的化合物半导体材料和针对更好质量的无源器件的集成无源器件或管芯(IPD)提供了高频收发机的优化的性能。当前的设计可以包括穿模互连、穿模过孔、穿衬底过孔或从第一衬底或第一管芯到第二衬底或管芯的过孔以用于使高频(例如至少25GHz)RF信号竖直地传递到第二衬底或第二管芯(例如第二衬底或管芯与第一衬底或第一管芯竖直地对准)，这导致RF信号的较短路径和因而较少的路径损耗。由于具有为天线或天线部件设计的第一衬底和为较高频部件设计的第二衬底，当前的设计还导致减少的成本。可以利用模具内电路的收发机部件的功能测试消除了将它们最初组装在封装上的需要。此外，包括有或没有封装上天线的RFIC的无线5G模块可以被设计并作为单独的模块被出售。可以使用IPD来实现功能块，例如阻抗匹配电路、谐波滤波器、耦合器、功率组合器/分配器等。通常使用晶圆制造技术(例如薄膜沉积、蚀刻、光刻处理)来制造IPD。
由于将无源器件制造在非CMOS衬底上，有效地划分5G收发机允许这个架构减小功率消耗，降低热要求，并使用改进的无源器件(例如利用IPD和更有效的功率组合器或开关)实现较高的功率放大器效率(例如使用第III-V族技术)。当前的架构提供将所有这些不同的分立部件连同天线一起集成在封装上以创建完全的5G收发机的能力。这些部件可以在器件级(例如分立的晶体管)上或在电路级(例如功率放大器、低噪声放大器)上。
图1示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在微电子器件(例如管芯结构架构)中。微电子器件100(例如管芯结构架构100)包括管芯110(例如具有基于硅的衬底的管芯、具有至少一个基带单元和被形成有基于硅的衬底的至少一个收发机单元的CMOS电路、CMOS管芯)的CMOS电路、利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)或有机材料形成的管芯132的电路或器件(例如单独的晶体管、晶体管组)、利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)或有机材料形成的管芯136的电路或器件、IPD 130和具有天线单元152的衬底150，天线单元152具有用于发送和接收高频通信(例如5G、WiGig、至少25GHz、至少28GHz、至少30GHz)的至少一个天线。衬底150可以可选地包括各种部件(例如开关、形成在化合物半导体材料中的开关、任何类型的器件或电路、滤波器、组合器等)。额外的部件(例如传统的表面安装无源器件)也可以安装到封装。此外，图1的部件(例如132、130、136)可以被包覆成型并用外部屏蔽体覆盖。模具材料可以是低损耗非导电电介质材料，并且屏蔽可以由导电材料制出。衬底150包括导电层153-155。在这个示例中，过孔126和127经由布线层112(或再分布层)将化合物半导体管芯的电路132和136、IPD 130和管芯110耦合到天线单元152，以用于这些部件之间的电连接。衬底120包括用于导电层160和161之间的隔离的一个或多个电介质层162。
在一个实施例中，管芯110被倒装在中介层衬底122的一侧上。如果管芯110和由管芯110支撑的最高部件(例如化合物半导体管芯132和136、IPD 134)的总高度大于某个高度(例如大于100微米)，则需要中介层衬底122或柱用于将衬底组装在中介层衬底122上方。如果管芯110和最高部件(例如化合物半导体管芯132和136、IPD 134)的总高度小于某个高度(例如100微米)，则可以代替中介层衬底来使用凸块。在一个示例中，中介层衬底122具有提供RF管芯(例如管芯132、136)的屏蔽的有用功能。中介层衬底的接地深过孔可以提供屏蔽，而中介层衬底的其它部件可以为微电子器件100提供电源。
与衬底120的厚度、长度和宽度尺寸相比较，衬底150可以具有不同的厚度、长度和宽度尺寸。在一个示例中，主要影响封装区域的衬底的部件与衬底120相比较被划分在分开的更低成本和更低电路密度衬底150中，衬底150可以具有高密度互连(HDI)和阻抗控制的互连。可以用低温陶瓷材料、液晶聚合物、有机材料、玻璃等形成衬底。HDI PCB技术可以包括盲过孔(blind via)和/或埋过孔(buried via)过程和可能具有比传统PCB更高的电路密度的微过孔。以这种方式，与包括天线部件的平面结构比较，没有天线部件的衬底120的区域被减小以减少成本。可以用为具有期望高频特性(例如衬底损耗、介电常数)的高频设计而设计的任何材料(例如有机材料、层压衬底、用于形成CPU的材料等)来形成衬底120。
管芯110可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)电路(例如形成有基于硅的衬底的CMOS电路)。天线单元152包括一个或多个导电层。焊球或凸块142将衬底150耦合到中介层衬底122，而焊球、凸块或柱114将中介层衬底耦合到衬底120。中介层衬底122可以用有或没有腔的金属柱或凸块代替，如果在衬底150和衬底120之间需要较小的间距(例如小于100微米)。
在一个实施例中，用化合物半导体材料在管芯132和136上形成高功率、高效率功率放大器、开关和/或组合器，管芯132和136直接组装在硅管芯110上，布线层112(或再分布层)将管芯110与管芯132和136分离。IPD 130以类似的方式组装在布线层112上，并附接到管芯110的同一侧。可以用各种制造处理技术(例如在CMOS硅管芯110上以晶圆级进行组装)执行这个过程。在一个示例中，管芯110可以具有范围从大约200×200微米到1×1毫米的尺寸。包括管芯110、130、132和136的这个多管芯或多芯片模块可以接着被倒装在高密度互连封装(例如中介层衬底122)上，高密度互连封装提供功率分布以及具有外围接地过孔的RF电路的屏蔽。
在一个实施例中，天线单元152尽可能接近功率放大器(例如管芯132或136的功率放大器)地位于微电子器件100上以最小化路径损耗。图1中的衬底150从其它衬底和微电子器件100的部件去耦和分离以由于衬底的较低成本材料而减少器件100的成本。在一个示例中，馈送到天线单元152的RF信号从管芯132和136中的至少一个穿过布线层112并接着穿过中介层衬底122的过孔传递到天线单元152。
图2示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在微电子器件(例如管芯结构架构)中。微电子器件200包括与微电子器件100相比的类似的部件，除了布线层112用焊球或凸块代替以外。器件200(例如管芯结构架构200)包括管芯210(例如具有基于硅的衬底的管芯、具有至少一个基带单元和被形成有基于硅的衬底的至少一个收发机单元的CMOS电路、CMOS管芯)的电路或器件、利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)形成的管芯232的电路或器件、利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)形成的管芯236的电路或器件、IPD 230和具有天线单元252的衬底250，天线单元252具有用于发送和接收高频通信(例如5G、WiGig、至少4GHz、至少15GHz、至少25GHz、至少28GHz、至少30GHz)的至少一个天线。衬底250包括导电层和绝缘层。在这个示例中，过孔226和227经由焊球或凸块212和管芯210的上导电层将化合物半导体管芯的电路232和236、IPD 230和管芯210耦合到天线单元252，以用于这些部件之间的电连接。在一个示例中，管芯230、232和236的焊盘(和对应的球或凸块)的间距匹配或等于管芯210的焊盘的间距。
如果CMOS管芯210和由CMOS管芯210支撑的最高部件(例如化合物半导体管芯232和236、IPD 234)的总高度大于某个高度(例如大于100微米)，则需要中介层衬底222或柱用于将衬底组装在中介层衬底222之上。如果CMOS管芯210和最高部件(例如化合物半导体管芯232和2236、IPD 234)的总高度小于某个高度(例如100微米)，则可以使用凸块来代替中介层衬底。在一个示例中，中介层衬底222具有提供RF管芯(例如管芯232、236)的屏蔽的有用功能。中介层衬底的接地深过孔可以提供屏蔽，而中介层衬底的其它部件可以为微电子器件200提供电源。
在一个实施例中，利用化合物半导体材料在管芯232和236上形成高功率、高效率功率放大器、开关和/或组合器，管芯232和236直接组装在CMOS硅管芯210上，焊球或凸块212将CMOS管芯210与管芯232和236分离。IPD 230以类似的方式被组装，并附接到管芯210的同一侧。可以用各种制造处理技术(例如在硅管芯210上以晶圆级进行组装)来执行这个过程。在一个示例中，管芯210可以具有范围从大约200×200微米到1×1毫米的尺寸。包括管芯210、230、232和236的这个多管芯或多芯片模块可以接着被倒装在高密度互连封装(例如中介层衬底222)上，高密度互连封装提供功率分布以及具有外围接地过孔的RF电路的屏蔽。
在一个实施例中，天线单元252尽可能接近功率放大器(例如管芯232或236的功率放大器)地位于微电子器件200上以最小化路径损耗。图2中的衬底250从其它衬底和微电子器件200的部件去耦和分离以由于衬底的较低成本材料而减少器件200的成本。在一个示例中，馈送到天线单元252的RF信号从管芯232和236中的至少一个通过焊球或凸块212传递到管芯210的上导电层并接着通过中介层衬底222的过孔传递到天线单元252。
图1和2示出了实施例，其中RF信号通过中介层衬底传递。为了最小化损耗，最小化被发送到衬底的RF信号的路径长度是合乎需要的。图3-5示出了实施例，其中高频RF信号可以从RF电路直接传递到衬底而不通过内插衬底以进一步最小化损耗。
图3A示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在具有包覆成型部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。器件300(例如管芯结构架构300)包括管芯310(例如具有基于硅的衬底的管芯、具有至少一个基带单元和被形成有基于硅的衬底的至少一个收发机单元的CMOS电路、CMOS管芯)的电路、具有利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)形成的管芯332的电路、具有利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)形成的管芯336的电路、IPD 330和具有天线单元352的衬底350，天线单元352具有用于发送和接收高频通信(例如5G、WiGig、至少4GHz、至少15GHz、至少25GHz、至少28GHz、至少30GHz)的至少一个天线。管芯332、330和336可以被组装在包覆成型部件331中。衬底350包括导电层353-355和绝缘层。衬底350可以包括各种部件(例如开关、形成在化合物半导体材料中的开关、任何类型的器件或电路、滤波器、组合器等)。下导电层355可以是接地平面。在这个示例中，过孔325-328将管芯310耦合到天线单元352。
面向下的管芯332、IPD 330、管芯336和穿模连接360-361经由焊球或凸块耦合到管芯310。穿模连接360-361使用焊球或凸块耦合到衬底350。以这种方式，包括RF信号的任何信号可以在这些部件之间传递而不穿过中介层衬底322，这减少了路径损耗。此外，管芯310的上导电层可以使用中介层衬底322的过孔将信号从管芯310或包覆成型部件331的部件发送到衬底350，用于这些部件之间的电互连。在一个示例中，管芯330、332和336的焊盘(和相应的球或凸块)的间距匹配或等于管芯310的焊盘的间距。
如果包覆成型部件的总高度大于某个高度(例如大于50微米、大于100微米)，则需要中介层衬底322或柱用于将衬底组装在中介层衬底322上方。如果包覆成型部件的总高度小于某个高度(例如50微米、100微米)，则可以使用凸块来代替中介层衬底。在一个示例中，中介层衬底322具有提供RF管芯(例如管芯332、336)的屏蔽的有用功能。中介层衬底的接地深过孔可以提供屏蔽，而中介层衬底的其它部件可以为微电子器件300提供电源。在另一个示例中，RF管芯的RF屏蔽可以由包括外围穿模连接的包覆成型部件提供。图3B示出了根据另一个实施例的将不同的部件共同集成在具有带有RF屏蔽的包覆成型部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。图3B包括与图3A的部件相比较的类似部件或相同部件，除了穿模连接361用位于包覆成型部件331的外围附近的穿模连接362代替以外。穿模连接360和362提供包覆成型部件331(例如管芯332和336等)的部件的RF屏蔽。
在一个实施例中，利用化合物半导体材料在管芯332和336上形成高功率、高效率功率放大器、开关和/或组合器，管芯332和336被包括在包覆成型部件331中。管芯332和336直接组装在硅管芯310上，焊球或凸块312将CMOS管芯310与管芯332和336分离。IPD 330也附接到管芯310的同一侧。在一个示例中，管芯310可以具有范围从大约200×200微米到1×1毫米的尺寸。包括管芯310、330、332和336的这个多管芯或多芯片模块可以接着被倒装在高密度互连封装(例如中介层衬底322)上，高密度互连封装提供功率分布以及具有外围接地过孔的RF电路的屏蔽。
在一个实施例中，天线单元352尽可能接近功率放大器(例如管芯332或336的功率放大器)地位于微电子器件300上以最小化路径损耗。在图3中的衬底350从其它衬底和微电子器件300的部件去耦和分离以由于衬底的较低成本材料而减少器件300的成本。在一个示例中，馈送到天线单元352的RF信号从管芯332和336中的至少一个通过焊球或凸块312传递到管芯310的上导电层并接着通过中介层衬底322的过孔传递到天线单元352。
模具内电路由于能够与在组装之前的衬底的其余部分分开地测试模具内电路(包覆成型部件)而减少了成本。当前的设计创建了可以被制造并单独被出售的独立5G模块。
在一个实施例中，管芯310被倒装在微电子器件(例如管芯结构架构)的一侧上。在一个示例中，管芯310具有大约25-75μm(例如大约50μm)的厚度。在一个示例中，化合物半导体材料(例如GaN、GaAs等)具有与允许较快操作的硅操作相比较的明显更高的电子迁移率。化合物半导体材料也具有较宽的带隙，其允许功率器件在较高温度下进行操作，并且将与硅材料比较的更低的热噪声给与在室温下的低功率器件。化合物半导体材料也具有直接带隙，其比硅的直接带隙提供更有利的光电特性。无源匹配网络所需的无源器件集成在IPD334中，或无源功率组合器或分离器可以被组装在微电子器件(例如管芯结构架构)上。可以近似地按比例绘制或可以不一定按比例绘制部件，这取决于特定的结构。在一个示例中，对于大约30GHz的频率，衬底350具有大约2.5mm乘2.5mm的尺寸。
图4示出了根据一个实施例的将不同的部件共同集成在具有包覆成型部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。器件400(例如管芯结构架构400)包括管芯410(例如具有基于硅的衬底的管芯、具有至少一个基带单元和被形成有基于硅的衬底的至少一个收发机单元的CMOS电路、CMOS管芯)的电路、利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)形成的管芯432的电路或器件、具有利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)形成的管芯436的电路或器件、IPD 430和具有天线单元452的衬底450，天线单元452具有用于发送和接收高频通信(例如5G、WiGig、至少4GHz、至少15GHz、至少25GHz、至少28GHz、至少30GHz)的至少一个天线。管芯432、430和436可以被组装在包覆成型部件431中。衬底450包括导电层453-455和绝缘层。下导电层455可以是接地平面。在这个示例中，连接(例如过孔、Cu连接等)425-428将管芯410耦合到天线单元452。
面向下的管芯432、IPD 430和穿模连接460-461经由焊球或凸块耦合到管芯410。穿模化合物半导体材料460-463使用焊球或凸块耦合到衬底450。穿模化合物半导体材料462-463将面向上的管芯436耦合到衬底450。穿模化合物半导体材料463耦合到穿衬底化合物半导体材料465，以用于管芯436的电路和衬底450之间的电互连。以这种方式，包括RF信号的任何信号可以在这些部件之间传送而不穿过中介层衬底422，这减少了路径损耗。此外，管芯410的上导电层可以使用中介层衬底422的连接(或过孔)将信号从管芯410或包覆成型部件431的电耦合部件发送到衬底450，以用于这些部件之间的电互连。在一个示例中，管芯430、432和436的焊盘(和对应的球或凸块)的间距匹配或等于管芯410的焊盘的间距。
如果包覆成型部件的总高度大于某个高度(例如大于50微米、大于100微米)，则需要中介层衬底422或柱以用于将衬底组装在中介层衬底422上方。如果包覆成型部件的总高度小于某个高度(例如50微米、100微米)，则可以使用凸块来代替中介层衬底。在一个示例中，中介层衬底422具有提供RF管芯(例如管芯432、436)的屏蔽的有用功能。中介层衬底的接地深过孔可以提供屏蔽，而中介层衬底的其它部件可以为微电子器件400提供电源。在另一个示例中，可以使用外围穿模连接(例如穿模连接460)来提供位于包覆成型部件431内的管芯的RF屏蔽。可以用位于包覆成型部件431的外围附近的穿模连接来代替穿模连接461，或可以在部件431的外围附近(例如与穿模连接460相对)添加额外的穿模连接。
在一个实施例中，利用化合物半导体材料在管芯432和436上形成高功率、高效率功率放大器、开关和/或组合器，管芯432和436被包括在包覆成型部件431中。管芯432和430直接组装在硅管芯410上，焊球或凸块412将管芯410与管芯432和430分离。在一个示例中，管芯410可以具有范围从大约200×200微米到1×1毫米的尺寸。包括管芯410、430、432和436的这个多管芯或多芯片模块可以接着被倒装在高密度互连封装(例如中介层衬底422)上，高密度互连封装提供了功率分布以及具有外围地过孔的RF电路的屏蔽。
在一个实施例中，天线单元552尽可能接近功率放大器(例如管芯432或436的功率放大器)地位于微电子器件400上以最小化路径损耗。图4中的衬底450从其它衬底和微电子器件400的部件去耦和分离以由于衬底的较低成本材料而减少器件400的成本。在一个示例中，为了较短的RF路径和因而减小的损耗，馈送到天线单元452的信号通过穿模连接或穿衬底连接(例如460、461、463、465等)传递。在另一个示例中，馈送到衬底450内的信号从管芯436、432和430中的至少一个通过焊球或凸块412传递到管芯410的上导电层并接着通过中介层衬底422的连接(或过孔)传递到衬底450。
图5示出了根据一个实施的将不同的部件共同集成在具有包覆成型部件的微电子器件(例如管芯结构架构)中。器件500(例如管芯结构架构500)包括管芯510(例如具有基于硅的衬底的管芯、具有至少一个基带单元和被形成有基于硅的衬底的至少一个收发机单元的CMOS电路、CMOS管芯)的电路或器件、具有利用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)或有机材料形成的管芯532的电路或器件、具有使用化合物半导体材料(例如第III-V族材料、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、化合物半导体管芯等)或有机材料形成的管芯536的电路或器件、IPD 530和具有天线单元552的衬底550，天线单元552具有用于发送和接收高频通信(例如5G、WiGig、至少4GHz、至少15GHz、至少25GHz、至少28GHz、至少30GHz)的至少一个天线。管芯532、530和536可以被组装在包覆成型部件531中。衬底550包括导电层553-555和绝缘层。下导电层555可以是接地平面。在这个示例中，连接525-528将管芯510耦合到天线单元552。
面向下的管芯532、IPD 530和穿模连接560-561经由焊球或凸块耦合到管芯510。穿模连接560-563使用焊球或凸块耦合到衬底550。穿模连接562-563将面向上的管芯536耦合到衬底550。穿模连接563耦合到穿衬底过孔565，以用于管芯536和衬底550的电路之间的电互连。管芯532包括穿衬底连接566，以用于管芯532的电路和衬底550之间的电互连。以这种方式，包括RF信号的任何信号可以在这些部件之间传递而不穿过中介层衬底522，并且这个较短的路径减小路径损耗。此外，管芯510的上导电层可以使用中介层衬底522的连接(或过孔)将信号从管芯510或包覆成型部件531的电耦合部件按规定路线发送到衬底550，用于在这些部件之间的电互连。在一个示例中，管芯530和532的焊盘(和相应的球或凸块)的间距匹配或等于管芯510的焊盘的间距。
如果包覆成型部件531的总高度大于某个高度(例如大于50微米、大于100微米)，则需要中介层衬底522或柱用于将衬底组装在中介层衬底522之上。如果包覆成型部件的总高度小于某个高度(例如50微米、100微米)，则可以使用凸块来代替中介层衬底。在一个示例中，中介层衬底522具有提供RF管芯(例如管芯532、536)的屏蔽的有用功能。中介层衬底的接地深过孔可以提供屏蔽，而中介层衬底的其它部件可以为微电子器件500提供电源。在另一示例中，可以通过使用外围穿模连接(例如穿模连接560)来提供位于包覆成型部件531内的管芯的RF屏蔽。可以用位于包覆成型部件531的外围附近的穿模连接来代替穿模连接561，或可以在部件531的外围附近(例如与穿模连接560相对)添加额外的穿模连接。
在一个实施例中，利用化合物半导体材料在管芯532和536上形成高功率、高效率功率放大器、开关和/或组合器，管芯532和536被包括在包覆成型部件531中。管芯532和530直接组装在硅管芯510上，焊球或凸块512将管芯510与管芯532和530分离。在一个示例中，管芯510可以具有范围从大约200×200微米到1×1毫米的尺寸。包括管芯510、530、532和536的这个多管芯或多芯片模块可以接着被倒装在高密度互连封装(例如中介层衬底522)上，高密度互连封装提供功率分布以及具有外围地过孔的RF电路的屏蔽。
在一个实施例中，天线单元552尽可能接近功率放大器(例如管芯532或536的功率放大器)位于微电子器件500上以最小化路径损耗。在图5中的衬底550从其它衬底和微电子器件500的部件去耦和分离以由于衬底的较低成本材料而减小器件500的成本。在一个示例中，馈送到天线单元552的信号从管芯532和530中的至少一个通过焊球或凸块512传递到管芯510的上导电层并接着通过中介层衬底522的过孔传递到天线单元552。
将认识到，在片上系统实施例中，管芯可以包括处理器、存储器、通信电路等。虽然示出单个管芯，但可以有被包括在晶圆的同一区中的没有一个、一个或几个管芯。
在一个实施例中，微电子器件可以是使用块状硅或绝缘体上硅子结构形成的晶体衬底。在其它实施方式中，可以使用可以或可以不与硅组合的可选的材料来形成微电子器件，材料包括但不限于锗、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓、砷化铟镓、锑化镓或第III-V族或第IV族材料的其它组合。虽然在这里描述了可以形成衬底的材料的几个示例，可以用作基座(半导体器件可以在该基座上被构建)的任何材料落在本发明的实施例的范围内。
图6示出根据本发明的一个实施方式的计算机系统600。计算设备600容纳母板602。母板602可以包括多个部件，包括但不限于至少一个处理器604和至少一个通信芯片606。至少一个处理器604物理地和电气地耦合到母板602。在一些实施方式中，至少一个通信芯片606也物理地和电气地耦合到母板602。在另外的实施方式中，通信芯片606是处理器604的部分。在一个示例中，通信芯片606(例如微电子器件100、200、300、400、500等)包括天线单元620(例如天线单元152、252、352、552等)。
根据其应用，计算设备600可以包括可以或可以不物理地和电气地耦合到母板602的一个或多个其它部件。这些其它部件可以包括但不限于易失性存储器(例如DRAM 910、911)、非易失性存储器(例如ROM 912)、闪存、图形处理器616、数字信号处理器、密码处理器、芯片组614、天线单元620、显示器、触摸屏显示器630、触摸屏控制器622、电池632、音频编码解码器、视频编码解码器、功率放大器615、全球定位系统(GPS)设备626、罗盘624、陀螺仪、扬声器、相机650和大容量存储设备(例如硬盘驱动器、光盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等)。
通信芯片606实现了无线通信，以用于将数据传送到计算设备600和从计算设备600传送数据。术语“无线”及其派生词可以用于描述可以通过使用经调制电磁辐射来经由非固体介质传递数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信通道等。该术语并不暗示相关的设备不包含任何电线，虽然在一些实施例中它们可以不包含电线。通信芯片606可以实现多种无线标准或协议中的任一个，包括但不限于Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE802.16系列)、WiGig、IEEE 802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、其派生物以及被指定为3G、4G、5G和更高代的任何其它无线协议。通信设备600可以包括多个通信芯片606。例如，第一通信芯片606可以专用于较短距离的无线通信，例如Wi-Fi、WiGig和蓝牙，并且第二通信芯片606可以专用于较长距离的无线通信，例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO、5G等。
计算设备600的至少一个处理器604包括被封装在至少一个处理器604内的集成电路管芯。在本发明的一些实施方式中，处理器的集成电路管芯包括一个或多个器件，例如根据本发明的实施例的实施方式的微电子器件(例如微电子器件100、200、300、400、500等)。术语“处理器”可以指处理例如来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据转换成可以存储在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的部分。
通信芯片606也包括封装在通信芯片606内的集成电路管芯。根据本发明的实施例的另一实施方式，通信芯片的集成电路管芯包括一个或多个微电子器件(例如微电子器件100、200、300、400、500等)。
下面的示例涉及另外的实施例。示例1是微电子器件，其包括具有基于硅的衬底的第一管芯和耦合到第一管芯的第二管芯。在不同的衬底中用化合物半导体材料形成第二管芯。微电子器件包括用多个连接(或过孔)耦合到第一管芯的衬底。衬底包括用于在大约4GHz或更高的频率下发送和接收通信的天线单元。
在示例2中，示例1的主题可以可选地包括用布线层或凸块耦合到至少一个管芯(例如第一管芯)的集成无源管芯(IPD)。IPD可以包括无源匹配网络的无源器件。
在示例3中，示例1-2中的任一项的主题可以可选地包括用第二管芯的化合物半导体材料形成的至少一个功率放大器。
在示例4中，示例1-3中的任一项的主题可以可选地包括中介层衬底以提供在第一管芯和衬底之间的间距并且电气地耦合第一管芯和衬底。
在示例5中，示例1-4中的任一项的主题可以可选地包括，中介层衬底具有用于屏蔽第二管芯和电源的RF信号的屏蔽体。
在示例6中，示例1-5中的任一项的主题可以可选地包括耦合到第一管芯的第三管芯。第三管芯包括在化合物半导体材料中形成的至少一个开关。
在示例7中，示例1-6中的任一项的主题可以可选地包括，微电子器件包括用于5G通信的5G封装架构。
在示例8中，示例1-7中的任一项的主题可以可选地包括，第一管芯被倒装在中介层衬底的表面上。
示例9是微电子器件，其包括具有基于硅的衬底的第一管芯和具有包括耦合到第一管芯的第二管芯的多个管芯的包覆成型部件。第二管芯用化合物半导体材料形成。衬底用多个连接耦合到第一管芯。衬底包括用于在大约15GHz或更高的频率下发送和接收通信的天线单元。
在示例10中，示例9的主题可以可选地包括，包覆成型部件的多个管芯还包括耦合到至少一个管芯(例如第一管芯)的集成无源管芯(IPD)。IPD可包括无源匹配网络的无源器件。
在示例11中，示例9和10中的任一项的主题可以可选地包括，包覆成型部件包括用于屏蔽第二管芯的RF信号的多个穿模连接。
在示例12中，示例9-11中的任一项的主题可以可选地包括中介层衬底以提供在第一管芯和衬底之间的间距并且电气地耦合第一管芯和衬底。
在示例13中，示例9-1中的任一项的主题可以可选地包括，中介层衬底包括用于屏蔽第二管芯和电源的RF信号的屏蔽体。
在示例14中，示例9-13中的任一项的主题可以可选地包括用穿模连接来耦合到衬底的第三管芯。
在示例15中，示例9-14中的任一项的主题可以可选地包括，微电子器件包括用于5G通信的5G封装架构。
在示例16中，示例9-15中的任一项的主题可以可选地包括，包覆成型部件包括至少一个穿模连接以耦合第一管芯和衬底。
示例17是计算设备，其包括处理数据的至少一个处理器和耦合到至少一个处理器的通信模块或芯片。通信模块或芯片包括具有基于硅的衬底的第一管芯和耦合到第一管芯的第二管芯。第二管芯用化合物半导体材料形成。衬底用多个连接耦合到第一管芯。衬底包括用于在大约15GHz或更高的频率下传输和接收通信的天线单元。
在示例18中，示例17的主题可以可选地包括，计算设备还包括用布线层或凸块耦合到至少一个管芯(例如第一管芯)的集成无源管芯(IPD)。IPD包括无源匹配网络的无源器件。
在示例19中，示例17-18中的任一项的主题可以可选地包括用第二管芯的化合物半导体材料形成的至少一个功率放大器。
在示例20中，示例17-19中的任一项的主题可以可选地包括中介层衬底以提供在第一管芯和衬底之间的间距并且电气地耦合第一管芯和衬底。
在示例21中，示例17-20中的任一项的主题可以可选地包括，中介层衬底包括用于屏蔽第二管芯和电源的RF信号的屏蔽体。
在示例22中，示例17-21中的任一项的主题可以可选地包括存储器、显示模块和输入模块、存储器、显示模块和输入模块在芯片组平台上且彼此操作地通信。

Claims (22)

1.一种微电子器件，包括：
第一管芯，其具有基于硅的衬底；
第二管芯，其通过布线层耦合到所述第一管芯，所述布线层垂直地位于所述第一管芯与所述第二管芯之间，所述第二管芯利用化合物半导体材料形成在不同的衬底中；以及
衬底，其利用多个连接耦合到所述第一管芯，所述衬底包括用于在4GHz或更高的频率下发送和接收通信的天线单元，其中，所述衬底在所述第二管芯上方，并且其中，所述天线单元完全在所述第二管芯上方。
2.根据权利要求1所述的微电子器件，还包括：
集成无源管芯(IPD)，其利用所述布线层或凸块耦合到至少一个管芯，所述IPD包括用于无源匹配网络的无源器件。
3.根据权利要求1所述的微电子器件，其中，所述第二管芯还包括利用所述第二管芯的所述化合物半导体材料形成的至少一个功率放大器。
4.根据权利要求1所述的微电子器件，还包括：
中介层衬底，其用于提供所述第一管芯和所述衬底之间的间距并且电气地耦合所述第一管芯和所述衬底。
5.根据权利要求4所述的微电子器件，其中，所述中介层衬底包括电源和用于屏蔽所述第二管芯的RF信号的屏蔽体。
6.根据权利要求1所述的微电子器件，还包括：
第三管芯，其耦合到所述第一管芯，所述第三管芯具有形成在化合物半导体材料中的至少一个开关。
7.根据权利要求1所述的微电子器件，其中，所述微电子器件包括用于5G通信的5G封装架构以及更高代的封装架构。
8.根据权利要求4所述的微电子器件，其中，所述第一管芯倒装在所述中介层衬底的表面上。
9.一种微电子器件，包括：
第一管芯，其具有基于硅的衬底；以及
包覆成型部件，其具有包括通过布线层耦合到所述第一管芯的第二管芯的多个管芯，所述布线层垂直地位于所述第一管芯与所述第二管芯之间；所述第二管芯利用化合物半导体材料形成；以及
衬底，其利用多个连接耦合到所述第一管芯，所述衬底包括用于在15GHz或更高的频率下发送和接收通信的天线单元，其中，所述衬底在所述第二管芯上方，并且其中，所述天线单元完全在所述第二管芯上方。
10.根据权利要求9所述的微电子器件，其中，所述包覆成型部件的所述多个管芯还包括：
集成无源管芯(IPD)，其耦合到至少一个管芯，所述IPD包括用于无源匹配网络的无源器件。
11.根据权利要求9所述的微电子器件，其中，所述包覆成型部件包括用于屏蔽所述第二管芯的RF信号的多个穿模连接。
12.根据权利要求9所述的微电子器件，还包括：
中介层衬底，其用于提供所述第一管芯和所述衬底之间的间距并且电气地耦合所述第一管芯和所述衬底。
13.根据权利要求12所述的微电子器件，其中，所述中介层衬底包括电源和用于屏蔽所述第二管芯的RF信号的屏蔽体。
14.根据权利要求9所述的微电子器件，还包括：
第三管芯，其利用穿模连接耦合到所述衬底。
15.根据权利要求9所述的微电子器件，其中，所述微电子器件包括用于5G通信的5G封装架构。
16.根据权利要求9所述的微电子器件，其中，所述包覆成型部件包括至少一个穿模连接以耦合所述第一管芯和所述衬底。
17.一种计算设备，包括：
至少一个处理器，其用于处理数据；以及
通信模块或芯片，其耦合到所述至少一个处理器，所述通信模块或芯片包括：
第一管芯，其具有基于硅的衬底，
第二管芯，其通过布线层耦合到所述第一管芯，所述布线层垂直地位于所述第一管芯与所述第二管芯之间，所述第二管芯利用化合物半导体材料形成，以及
衬底，其利用多个连接耦合到所述第一管芯，所述衬底包括用于在15GHz或更高的频率下发送和接收通信的天线单元，其中，所述衬底在所述第二管芯上方，并且其中，所述天线单元完全在所述第二管芯上方。
18.根据权利要求17所述的计算设备，还包括：
集成无源管芯(IPD)，其利用所述布线层或凸块耦合到至少一个管芯，所述IPD包括用于无源匹配网络的无源器件。
19.根据权利要求17所述的计算设备，其中，所述第二管芯还包括利用所述第二管芯的所述化合物半导体材料形成的至少一个功率放大器。
20.根据权利要求17所述的计算设备，还包括：
中介层衬底，其用于提供所述第一管芯和所述衬底之间的间距并且电气地耦合所述第一管芯和所述衬底。
21.根据权利要求20所述的计算设备，其中，所述中介层衬底包括电源和用于屏蔽所述第二管芯的RF信号的屏蔽体。
22.根据权利要求17所述的计算设备，还包括：存储器、显示模块和输入模块，所述存储器、所述显示模块和所述输入模块在芯片组平台上且彼此操作地通信。
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