CN109712947A - 一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，在多层基板面的表层可设计加工出所需天线结构，在多层基板的背层一部分形成凹嵌空间，使多层基板作为封装母框体，将裸芯片以点胶形式封装在凹嵌空间内；该单体化结构也可以在凹嵌空间内层基板上直接表贴封装好的芯片和无源器件，无源器件与整体多层基板的布线形成馈电偏置或匹配电路；在基板背面槽外框设定各种电极，因此可以简单焊接在其他母板表面。在单体多层基板片状集成封装结构下，实现无线接收、无线发射或无线收发功能。
Description
技术领域
本发明涉及芯片天线设计技术领域，具体涉及一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线的单体化结构，尤其是一种基于多层凹嵌式基板芯片CIB(chip in board)封装和天线的单体化集成结构。
背景技术
至今各种涉及电子信息系统的设备及终端，根据应用，大多需要小型化、集成化。至今为止芯片通常安装在母基板上，天线通常与母基板分离，独立设计安装在母基板外(拉杆天线为代表)或母基板上(微带天线、表贴介质天线为代表)。但是至今为止的芯片封装、不论是普通芯片封装还是系统级封装SiP(System in Package)，在结构上很难将芯片和天线形成一个一体化的结构。传统的芯片与天线分离式结构方式，除了常常带来安装、链接和调试检测的不便外，还可能使得信号性能受外部信号干扰，出现信号传输质量下降，对设备的批量化工业生产的合格率带来不良影响。
例如，中国发明专利公开号CN101057327A揭示了一种用于ID芯片等的天线，其天线不平坦性已被平整化；还揭示了一种具有这种带平面的天线的IC芯片。这有利于制造带天线的集成电路。通过使导电膜11、树脂膜13、集成电路12和树脂膜14叠在一起而形成的层叠体被卷了起来，使得树脂膜14在外面。然后，通过加热使树脂膜13、14软化，便使层叠体形成卷形。通过沿着使卷曲的导电膜31看起来处于横截面中的那个方向对该卷曲的层叠体进行切割，便形成了由卷曲的导电膜11构成的带天线的IC芯片。
此外，移动终端的空间狭小，射频单元中的芯片与天线需要尽可能紧密连接，以减少信号传输损耗。由于射频电路特点和封装树脂对信号传输的影响，现有的引线框架式的芯片树脂结构封装很难实现一体化设计。
发明内容
因此，本发明针对上述需求，创新性地设计一种满足终端小型化和薄型化需要、将芯片与天线小型化立体集成结构。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
具体的，根据本发明的一个方面，本发明公开了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，包括：
多层基板、多层基板信号线、多层基板接地线、层间连线孔、底层电极、接地电极、芯片电极引线、芯片焊接层材料、基板表面天线和天线馈线连接孔；其中，
所述多层基板的下表面具有凹嵌空间，所述凹嵌空间内放置裸芯片，所述裸芯片通过芯片焊接层材料焊接在多层基板的内层基板衬底上，并且所述裸芯片通过所述底层电极、接地电极与其他母板链接；所述裸芯片通过芯片电极引线分别连接多层基板信号线、多层基板接地线，所述多层基板信号线、多层基板接地线分别通过对应的层间连线孔连接底层电极和接地电极；
所述基板表面天线位于所述多层基板的上表面，通过天线馈线连接孔连接所述多层基板信号线。
优选的，所述凹嵌空间进一步填充有封装树脂，以覆盖所述裸芯片。
优选的，所述封装树脂不超过所述多层基板的下表面水平线。
优选的，所述裸芯片替换为封装芯片，所述芯片电极引线替换为芯片管脚，所述封装芯片通过芯片管脚焊接固定到所述多层基板信号线。
优选的，在所述内层基板衬底上还设置有功能电路器件。
优选的，在所述多层基板的上表面还设置有功能电路器件。
优选的，所述基板表面天线包括以下中的至少一种：微带型天线、陶瓷天线、表贴无源器件形成的天线以及微带型天线与无源器件混合的天线。
优选的，所述无源器件包括以下中的至少一种：表贴电容、电感、电阻、滤波器。
根据本发明的另一个方面，本发明还公开了一种所述基于凹嵌式多层基板的芯片天线一体化封装结构的制备方法，包括：
(1)加工多层基板，以获取带有凹嵌空间的基板单元，该基板单元包含多层基板信号线、多层基板接地线、层间连线孔、底层电极、接地电极；
(2)将芯片通过芯片焊接层材料加热焊接在所述多层基板的内层基板衬底上，将芯片通过芯片电极引线与所述多层基板信号线连接。
(3)将所述基板表面天线焊接固定在所述多层基板的上表面，并通过天线馈线连接孔连接所述多层基板信号线。
优选的，所述方法进一步包括：通过点胶或喷涂在所述多层基板的凹嵌空间内填入封装树脂，并加热固化。
本发明的优点在于：本发明利用廉价的电路基板，设计出了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，这种结构芯片倒装在多层基板的凹嵌内部，天线设计在基板表层，不论在凹嵌内部还是在基板表面，都可以进行芯片和天线匹配电路和辅助电路和器件布设。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1-1一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构示意图；
图1-2一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构的上表面俯视示意图；
图1-3一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构的上底面仰视示意图；
图2一种基于多层凹嵌式基板的已封装芯片的芯片天线单体化结构示意图；
图3一种基于多层凹嵌式基板含匹配和馈电功能的电路器件的芯片天线单体化结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
不论现在的MCM集成模块、系统级芯片封装(SiP)和堆叠式芯片封装，都没有充分考虑以超小型基板为基础的基板的上表面布局天线、基板下面的开口凹嵌空间内封装芯片、基板下表面电极焊装在母版上的超小型化集成封装与天线一体化的结构。
本发明基于上述思想，芯片和天线的单体化集成结构在多层基板面的表层可设计加工出所需天线结构，在多层基板的背层一部分形成凹嵌空间，使多层基板作为封装母框体，将裸芯片以点胶形式封装在凹嵌空间内；该单体化结构也可以在凹嵌空间内层基板上直接表贴封装好的芯片和无源器件，无源器件与整体多层基板的布线形成馈电偏置或匹配电路；在基板背面槽外框设定各种电极，因此可以简单焊接在其他母板表面。在单体多层基板片状集成封装结构下，实现无线接收、无线发射或无线收发功能。
该系统结构发明思路为如何设计一种低成本的小型化载体结构，既可以实现芯片电路灵活可配置功能，又可以产生芯片天线一体化基板结构。
如图1-1所示，图1-1是一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构示意图，本发明的意图是在多层基板1-1底面加工出一个凹嵌空间2-3。把裸芯片2-1借助芯片焊接层材料3-1焊接在多层基板的内层基板衬底上。根据设计布线要求,通过芯片电极引线2-2和层间连线孔1-4，分别接入到信号线1-2、多层基板接地线1-3、底层电极1-5和接地电极1-6上。完成芯片装配及部件贴装后，在基板的凹嵌空间内填充封装树脂4-1，并加热使树脂固化。天线1-7设计在基板上表面，天线1-7是通过天线的馈线连接孔1-8传输射频信号。
此外，要强调的是，该多层基板的凹嵌空间内的封装树脂4-1不得超过凹嵌空间界面2-4。
安装图如图1-2和1-3所示，表示了芯片天线一体化基板结构的实际在设备中的上面图和底面图。天线在上表面，基板的底层电极1-5、接地电极1-6与其他母板焊接，当然，底层的电极1-5和接地电极1-6可以根据芯片和系统要求，在基板底面自由设计。
实施例1
在本发明的系统实际设计中，芯片采购封装好的芯片，如一种基于多层凹嵌式基板的已封装芯片的芯片天线单体化结构示意图的图2所示，器件可以是封装芯片2-11，芯片管脚2-22焊接固定到基板内部凹嵌部金属连接线，不用额外填装树脂4-1。
本实施例利用廉价的电路基板，设计出了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构。这种结构芯片倒装在多层基板的凹嵌内部，天线设计在基板表层，不论在凹嵌内部还是在基板表面，都可以进行芯片和天线匹配电路和辅助电路和器件布设，这是本发明的基本特点和优点。
实施例2
在射频系统设计时，很难做到芯片与外部射频接口的完全匹配，如一种基于多层凹嵌式基板含匹配和馈电功能的电路器件的芯片天线单体化结构示意图的图3所示，在凹嵌区域2-3内可以设置具有匹配和馈电功能的电路器件5-2。同样，在基板表面的空间处，也可以设置具有匹配和馈电功能的电路器件5-3。
天线1-7不限于图1-1中所示的微带型天线，只要是可以在基板表面贴装的天线，都属于本发明的保护范畴。例如也可以是表贴的陶瓷天线、表贴无源器件(表贴电容、电感、电阻、滤波器等)形成的天线，以及微带线与无源器件混合的表贴天线。
但凡利用本发明权利要求范围内的包括利用典型案例之外的其他案例，都属于本发明的保护范围。
本实施例利用廉价的电路基板，设计出了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构。这种结构芯片倒装在多层基板的凹嵌内部，天线设计在基板表层，不论在凹嵌内部还是在基板表面，都可以进行芯片和天线匹配电路和辅助电路和器件布设，这是本发明的基本特点和优点。
实施例3
无线功能的设备，是离不开射频芯片和天线的。芯片需要树脂保护的同时，天线需要尽可能直接敞开向空中发射或接收信号。而本发明将无线设备，芯片安装在母版上，天线则安装在另一处，通过电路馈线将二者连接。目前的敞开式分离链接的安装结构，易受其他信号的辐射干扰。为此需要尽可能使芯片与天线的连接紧凑。
具体的实现步骤如下：
(1)首先利用多层基板设计加工出带有凹嵌空间结构的基板单元1-1，该基板包含信号线1-2、多层基板接地线1-3、层间连线孔1-4、底层电极1-5、接地电极1-6。
(2)将芯片通过焊接层材料3-1、加热焊接在基板内部的电极Pad上，通过芯片绑定线2-2与基板凹嵌内部金属连接线连接。
(3)将所述基板表面天线焊接固定在所述多层基板的上表面，并通过天线馈线连接孔连接所述多层基板信号线。
(4)在多层基板凹嵌空间2-3内填入封装树脂4-1加热固化。
本发明可以对应各种表贴芯片结构，不需要传统的引线框架型封装设备开模，而是把芯片放入普通基板内，基板衬底及引线设计灵活。封装凹嵌式基板内的芯片，可以是裸芯片、也可以是树脂封装好的芯片。
本发明可以进行灵活的少量试料测试(Pilot)。射频芯片的性能随着批次不同而性能略有不同，这也是传统射频芯片的成品率较低的重要原因，随着射频频率的芯片应用越来越高，各批次性能不一致的矛盾越来越凸显，通常可以通过外围电路器件匹配调节来实现。
本发明结构中的匹配电路和辅助外围表贴器件5-2和5-3，都可以根据性能需求，灵活进行参数配置。例如5-3若是匹配电容，可以将1pf的贴片电容值改为1.5pf电容值，达到最佳系统性能。而现有的母版射频芯片调换非常不适合批量生产调试。即使现在的系统级封装(SiP)和堆叠式封装也不能把能够满足特性的天线做在封装树脂表面，而本发明可以通过利用基板很好解决这个问题。芯片又可以封装在基板内部，形成只有几毫米到几厘米尺寸的3维单一的单体化结构。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，其特征在于，包括：
多层基板、多层基板信号线、多层基板接地线、层间连线孔、底层电极、接地电极、芯片电极引线、芯片焊接层材料、基板表面天线和天线馈线连接孔；其中，
所述多层基板的下表面具有凹嵌空间，所述凹嵌空间内放置裸芯片，所述裸芯片通过芯片焊接层材料焊接在多层基板的内层基板衬底上；所述裸芯片通过所述底层电极、接地电极与其他母板链接；所述裸芯片通过芯片电极引线分别连接多层基板信号线、多层基板接地线，所述多层基板信号线、多层基板接地线分别通过对应的层间连线孔连接底层电极和接地电极；
所述基板表面天线位于所述多层基板的上表面，通过天线馈线连接孔连接所述多层基板信号线。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，其特征在于：
所述凹嵌空间进一步填充有封装树脂，以覆盖所述裸芯片。
3.根据权利要求2所述的一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，其特征在于：
所述封装树脂不超过所述多层基板的下表面水平线。
4.根据权利要求1所述的一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，其特征在于：
所述裸芯片替换为封装芯片，所述芯片电极引线替换为芯片管脚，所述封装芯片通过芯片管脚焊接固定到所述多层基板信号线。
5.根据权利要求1所述的一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，其特征在于：在所述内层基板衬底上还设置有功能电路器件。
6.根据权利要求1所述的一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，其特征在于：在所述多层基板的上表面还设置有功能电路器件。
7.根据权利要求1所述的基于凹嵌式多层基板的芯片天线一体化封装结构，其特征在于：
所述基板表面天线包括以下中的至少一种：微带型天线、陶瓷天线、表贴无源器件形成的天线以及微带型天线与无源器件混合的天线。
8.根据权利要求7所述的基于凹嵌式多层基板的芯片天线一体化封装结构，其特征在于：
所述无源器件包括以下中的至少一种：表贴电容、电感、电阻、滤波器。
9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的基于凹嵌式多层基板的芯片天线一体化封装结构的制备方法，其特征在于，包括：
(1)加工多层基板，以获取带有凹嵌空间的基板单元，该基板单元包含多层基板信号线、多层基板接地线、层间连线孔、底层电极、接地电极；
(2)将芯片通过芯片焊接层材料加热焊接在所述多层基板的内层基板衬底上，将芯片通过芯片电极引线与所述多层基板信号线连接；
(3)将所述基板表面天线焊接固定在所述多层基板的上表面，并通过天线馈线连接孔连接所述多层基板信号线。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
所述方法进一步包括：通过点胶或喷涂在所述多层基板的凹嵌空间内填入封装树脂，并加热固化。
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