CN111128911A - 基于3d异构集成技术的毫米波mmic散热封装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,包括封装基板、封装基板下表面传输线、设置于封装基板内部的TSV过孔、封装基板上表面传输线、金凸点、毫米波GaAs MMIC、设置于GaAs MMIC表面的金属PAD、设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形、封装基板上表面腔体、高导热率粘接材料、散热金属块、塑料包封材料以及BGA焊球。本发明的毫米波MMIC散热封装具有体积小,重量轻、成本低、毫米波电特性好以及散热性能优等特点,可广泛的应用于毫米波射频前端系统中。
Description
技术领域
本发明属于毫米波射频前端芯片封装技术领域,具体涉及一种基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装。
背景技术
随着无线通信、汽车电子和其他消费电子产品的快速发展,人们对信号传输速率的要求也越来越高,6GHz以下的窄带宽已很难满足未来消费者对移动通信带宽的迫切需求。毫米波频段由于能够提供更大的通信带宽和更加丰富的频谱资源,已经成为未来互联时代的关键技术。毫米波通信系统中最重要的组成部分是毫米波前端收发组件,它主要完成毫米波信号的接收和发射的功能,随着技术的发展该功能可以通过一个高集成度的GaAsⅢ-Ⅴ族化合物芯片来完成,但由于集成的晶体管数目较多,毫米波射频前端芯片往往在芯片的背面集中一定的热量;因此,针对毫米波前端收发芯片,其封装除了提供必要的结构支撑和外观保护外,还需要兼顾毫米波信号的低损耗引出和良好的散热媒介。
在传统的低成本塑料封装中,主要采用引线键合(Wire Bonding)和凸点倒扣(Bumping Flip-chip)两种形式将芯片与封装基板进行互联;对于引线键合(WireBonding)互联形式,由于互联引线在毫米波频段等效为一较大的电感串联于射频前端芯片的输入输出端,导致毫米波射频前端芯片的输入输出端的阻抗不匹配,严重影响射频芯片的电性能。对于凸点倒扣(Bumping Flip-chip)互联形式而言,一方面射频芯片的正面朝下,芯片表面电路与直面封装基板间的间距较小,使得芯片表面微波电路的电磁场边界条件发生改变,毫米波射频前端芯片的微波性将产生较大影响;另一方面由于射频芯片的背面朝上,塑料材料包封后无法与外部形成良好的热传导路径。因此,传统的塑料封装无法兼顾毫米波射频前端芯片在毫米波微波性能和热传导两个方面的需求,这大大限制了未来毫米波射频前端芯片的工程化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,以满足毫米波射频前端芯片对其封装在结构支撑、外观保护外、毫米波信号低损耗引出以及良好的散热通道等方面的多重需求。
实现本发明目的的技术方案为:一种基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,包括封装基板、封装基板下表面传输线、设置于封装基板内部的TSV过孔、封装基板上表面传输线、金凸点、毫米波GaAs MMIC、设置于GaAs MMIC表面的金属PAD、设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形、封装基板上表面腔体、高导热率粘接材料、散热金属块、塑料包封材料以及BGA焊球;
封装基板下表面传输线与封装基板上表面传输线通过设置于封装基板内部的TSV过孔进行导通互联;
GaAs MMIC正面朝下倒扣于封装基板上表面,并通过金凸点将封装基板上表面传输线与设置于GaAs MMIC表面的金属PAD互联;设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形所在区域与封装基板上表面腔体进行对应;
散热金属块通过高导热率粘接材料粘接于GaAs MMIC的背面;
所述BGA焊球位于封装基板下表面传输线上。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:(1)本发明所采用的封装基板为深宽比为200:30的TSV转接板,即封装基板的材料为硅,封装基板的厚度为200um,设置于封装基板内部的TSV过孔的直径为30um,由于硅基封装基板是基于半导体工艺加工,能够提供较高的布线精度,以便低损耗毫米波信号引出结构的设计;此外,所述的硅基板上表面腔体的深度约为100um,可以通过半导体工艺中刻蚀的方式加工,并能较好的与GaAs MMIC表面的毫米波电路图形所在区域进行对应;(2)本发明采用金凸点倒扣(Au Bumping Flip-chip)的互联形式,通过金凸点(Au Bumping)将设置于GaAs MMIC表面的金属PAD与封装硅基板上表面传输线进行互联,有效地缩短了芯片与基板的互联尺寸,有利于保证射频信号的完整性;此外,本发明只需借助热压超声工艺对设置于GaAs MMIC表面的PAD植入相应金凸点,再倒扣于封装基板表面,工艺步骤简单,无需考虑后道封装工艺对芯片微波性能的影响,成品率较高;(3)本发明通过半导体工艺中刻蚀的方式在GaAs MMIC表面的毫米波电路图形所对应的硅基板上表面区域,刻蚀深度约为100um的腔体,从而间接的增大GaAs MMIC表面的毫米波电路与硅基封装基板的距离,以保证毫米波封装的电性能;(4)本发明中,毫米波GaAs MMIC的背面通过高热导率导电胶粘接高导热金属块,该导热金属块的大小与GaAs MMIC相当以保证散热面积,厚度约为0.1mm以避免支撑应力风险;此外,塑料包封材料仅包封住该导热金属块的四周,该导热金属块的上表面需要大面积暴露于空气中,以便与空气形成良好的热对流,从而保证GaAs MMIC的散热。
附图说明
图1为本发明基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装结构示意图。
图2为本发明实施例1的增益与频率关系图。
具体实施方式
如图1所示,一种基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,包括封装基板1、封装基板下表面传输线2、设置于封装基板内部的TSV过孔3、封装基板上表面传输线4、金凸点5、毫米波GaAs MMIC6、设置于GaAs MMIC表面的金属PAD7、设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形8、封装基板上表面腔体9、高导热率粘接材料10、散热金属块11、塑料包封材料12以及BGA焊球13;
封装基板下表面传输线2与封装基板上表面传输线4通过设置于封装基板内部的TSV过孔3进行导通互联;
GaAs MMIC6正面朝下倒扣于封装基板1上表面,并通过金凸点5将封装基板上表面传输线4与设置于GaAs MMIC表面的金属PAD7互联;设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形8所在区域与封装基板上表面腔体9进行对应;
散热金属块11通过高导热率粘接材料10粘接于GaAs MMIC的背面;
所述BGA焊球13位于封装基板下表面传输线2上。
采用塑料包封材料12对封装进行整体包封,散热金属块11不完全被塑料包封材料12包封,部分上表面暴露于空气中。
GaAs MMIC6为毫米波射频前端收发芯片。
散热金属块11的材料为钼铜或铜钼铜,厚度为0.2mm。
封装基板1为深宽比为200:30的TSV转接板,封装基板1的材料为硅。
封装基板上表面腔体9的深度范围为80-100um。
高导热率粘接材料10为金锡焊料粘接材料。
本发明所公开的塑料封装具有结构简单、体积小,重量轻、频率特性好以及散热性能优等特点,其可广泛的应用于未来毫米波射频前端系统中。
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例
如图1所示,一种基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,包括封装基板1、封装基板下表面传输线2、设置于封装基板内部的TSV过孔3、封装基板上表面传输线4、金凸点5、毫米波GaAs MMIC6、设置于GaAs MMIC表面的金属PAD7、设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形8、封装基板上表面腔体9、高导热率粘接材料10、散热金属块11、塑料包封材料12以及BGA焊球13;
封装基板下表面传输线2与封装基板上表面传输线4通过设置于封装基板内部的TSV过孔3进行导通互联;
GaAs MMIC6正面朝下倒扣(Flip-chip)于封装基板1上表面,并通过Au Bumping将封装基板上表面传输线4与设置于GaAs MMIC表面的金属PAD7互联;此外,设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形8所在区域需与封装基板上表面腔体9进行对应。
散热金属块11通过高导热率粘接材料10粘接于GaAs MMIC的背面。
所述BGA焊球13位于封装基板1的下表面,设置在封装基板下表面传输线2上。
采用塑料包封材料12对封装进行整体包封,但散热金属块11不能完全被塑料包封材料12包封,其上表面需要大面积暴露于空气中,裸露面积大于二分之一的散热金属块11的面积。
GaAs MMIC6为毫米波射频前端收发芯片。
该封装能够适用于频段在Ka波段以下且功率在2W以下毫米波射频前端收发MMIC的封装。
封装基板为深宽比为200:30的硅基TSV转接板,基于半导体工艺加工对封装基板上表面传输线、封装基板下表面传输线、设置于封装基板内部的TSV过孔以及封装基板上表面腔体进行加工。
本发明采用热压超声工艺将金凸点键合于设置于GaAs MMIC表面的PAD上,再通过具有热压超声功能的倒扣工艺将GaAs MMIC倒扣于封装基板表面,实现设置于GaAs MMIC表面的PAD与封装基板上表面传输线的互联。
本发明中,GaAs MMIC的背面通过高热导率导电胶粘接高导热金属块,该导热金属块的大小与GaAs MMIC相当以保证散热面积,厚度为0.1mm以避免支撑应力风险。
本发明采用塑料包封材料进行封装包封,但包封材料仅包封住导热金属块的四周,导热金属块的上表面需要大面积暴露于空气中,以便与空气形成良好的热对流,保证GaAs MMIC的正常工作。
如图2所示,本实施例的增益与频率关系图,覆盖了5G毫米波频段即24-28GHz,封装后的电性能与封装前裸芯片的电性能吻合度较好,能够实现较好的毫米波电性能。
Claims (7)
1.一种基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,其特征在于,包括封装基板(1)、封装基板下表面传输线(2)、设置于封装基板内部的TSV过孔(3)、封装基板上表面传输线(4)、金凸点(5)、毫米波GaAs MMIC(6)、设置于GaAs MMIC表面的金属PAD(7)、设置于GaAsMMIC表面的毫米波电路图形(8)、封装基板上表面腔体(9)、高导热率粘接材料(10)、散热金属块(11)、塑料包封材料(12)以及BGA焊球(13);
封装基板下表面传输线(2)与封装基板上表面传输线(4)通过设置于封装基板内部的TSV过孔(3)进行导通互联;
GaAs MMIC(6)正面朝下倒扣于封装基板(1)上表面,并通过金凸点(5)将封装基板上表面传输线(4)与设置于GaAs MMIC表面的金属PAD(7)互联;设置于GaAs MMIC表面的毫米波电路图形(8)所在区域与封装基板上表面腔体(9)进行对应;
散热金属块(11)通过高导热率粘接材料(10)粘接于GaAs MMIC的背面;
所述BGA焊球(13)位于封装基板下表面传输线(2)上。
2.根据权利要求1所述的基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,其特征在于,采用塑料包封材料(12)对封装进行整体包封,散热金属块(11)不完全被塑料包封材料(12)包封,部分上表面暴露于空气中。
3.根据权利要求1所述的基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,其特征在于,所述散热金属块(11)的材料为钼铜或铜钼铜。
4.根据权利要求3所述的基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,其特征在于,所述散热金属块(11)厚度为0.2mm。
5.根据权利要求1所述的基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,其特征在于,所述封装基板(1)为深宽比为200:30的TSV转接板。
6.根据权利要求1所述的基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,其特征在于,所述封装基板上表面腔体(9)的深度范围为80-100um。
7.根据权利要求1所述的基于3D异构集成技术的毫米波MMIC散热封装,其特征在于,所述高导热率粘接材料(10)为金锡焊料粘接材料。
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