CN111276787B - 三维集成毫米波AiP相控阵阵元 - Google Patents

三维集成毫米波AiP相控阵阵元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维集成毫米波AiP相控阵阵元，从顶层至底层依次为：毫米波微带贴片天线阵列层、天线馈电网络层、毫米波信号发射和接收电路层、毫米波信号三维垂直传输层、毫米波电路屏蔽层、功分网络和数字信号层以及底部BGA信号输入层。本发明采用硅半导体集成封装工艺和玻璃布线工艺，将毫米波微带贴片天线、馈电网络、微波芯片、数字芯片以及IPD等无源器件封装成微型化的三维集成毫米波AiP相控阵阵元，利用高密度集成的BGA、TSV和Bump和实现毫米波信号的输入与层间垂直传输。

Description

三维集成毫米波AiP相控阵阵元
技术领域
本发明涉及毫米波雷达通信技术，具体涉及一种三维集成毫米波AiP相控阵阵元。
背景技术
随着毫米波通信设备对有源相控阵雷达微型化、低剖面、轻质化的需求日益剧增，毫米波雷达由于其抗干扰能力强，可穿透塑料、陶瓷，成像分辨率高、数据传输带宽大等特点，在民用领域开始了大批量使用。毫米波AiP(Antenna in Package，封装天线)阵元是基于封装材料与工艺，将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术。AiP技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的潮流，为系统级无线芯片提供了良好的天线与封装解决方案。
目前业内主流的毫米波AiP相控阵阵元设计还是采用分立元器件+天线技术或者MMIC芯片+天线技术的方案。其中微波芯片、数字芯片与PCB基板采用传统的金丝键合方式，这使得在毫米波频段插入损耗高和驻波系数恶化明显。分立天线与毫米波前端通过同轴电缆、SMA、SMP等传统类型连接器实现电气互连，具有体积大和重量大等缺点，功耗也较高，限制了毫米波雷达在移动终端、物联网、车联网等微型化要求高的设备中使用。
由上可知，现有技术存在以下问题：毫米波AiP相控阵阵元体积大、能效低、毫米波损耗严重以及封装架构落后，不能满足微型化和低成本的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维集成毫米波AiP相控阵阵元，减小下一代有源相控阵雷达的体积、重量和成本，提高毫米波雷达系统集成度和性能。
实现本发明目的的技术方案为：一种三维集成毫米波AiP相控阵阵元，从顶层至底层依次为：毫米波微带贴片天线阵列层、天线馈电网络层、毫米波信号发射和接收电路层、毫米波信号三维垂直传输层、毫米波电路屏蔽层、功分网络和数字信号电路层、底部BGA信号输入层；
毫米波微带贴片天线阵列层采用玻璃作为辐射衬底，天线阵列底部的玻璃为空气腔结构；
天线馈电网络层中馈线模式为接地共面波导传输线，输入端与毫米波信号发射和接收电路层的输出口连接，输出端与微带贴片天线连接；
毫米波信号三维垂直传输层内部设置有TSV、Bump和BGA的三维垂直传输结构，一端与相邻的上硅电路板互连，另一端与相邻的下硅电路板互连，实现毫米波信号的垂直传输；
毫米波信号发射和接收电路层设有信号发射支路、接收支路和公共支路，MMIC芯片的输入输出接口为Bump形式，不同MMIC芯片的Bump端口通过硅基电路板表面的接地共面波导互连；
毫米波电路屏蔽层采用硅空气腔结构，内部设置有信号TSV和共地TSV；
功分网络和数字信号电路层包括毫米波信号的一分N功分网络、波控电路、给毫米波信号发射和接收电路层供电的电源调制电路以及无源电路；
底部BGA信号输入层内部设置有BGA阵列端口，整个AiP相控阵阵元的毫米波信号、数字信号以及电源接口从BGA端口馈入；利用TSV实现与功分网络和数字信号电路层的电气互连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用硅基半导体封装工艺+玻璃基微纳加工工艺，高阻硅为MMIC芯片与数字芯片层叠转接板，玻璃为高增益天线辐射衬底；(2)本发明中的微带贴片天线采用空间耦合馈电方式，可工作在Ka波段；(3)本发明中的MMIC芯片的输入/输出端口形式为Bump；(4)本发明的三维垂直传输结构为TSV+BGA+Bump，具有频带宽、损耗低、密度高的特点；(5)本发明的通道间屏蔽为金属化的硅腔体，兼顾信号传输TSV和共地TSV；(6)本发明的输入接口形式为BGA，间距细，直径小，坍塌高度可控；(7)本发明将毫米波微带贴片天线阵列、MMIC、数字芯片、无源器件以及电源管理芯片三维集成封装在AiP模块中，具有体积小、质量轻、集成度较高等特点。
附图说明
图1为本发明的三维集成毫米波AiP相控阵阵元剖面图。
图2为本发明的2×2毫米波微带贴片天线矩形方阵图。
图3为本发明的毫米波信号发射和接收电路层芯片表贴图。
图4为本发明的底部BGA信号输入层结构图。
具体实施方式
本发明采用硅基半导体封装工艺+玻璃基微纳加工工艺，将毫米波微带贴片天线阵列、微波芯片和毫米波芯片三维集成封装。如图1～图4所示，功能电路从上往下依次为：毫米波微带贴片天线阵列层1、天线馈电网络层2、毫米波信号发射和接收电路层4、毫米波信号三维垂直传输层3、毫米波电路屏蔽层5、功分网络和数字信号层6以及底部BGA信号输入层7。毫米波信号及低频信号均从底部BGA信号输入层7馈入。
毫米波微带贴片天线阵列层1采用低损耗、低介电常数的玻璃作为辐射衬底，天线阵列底部的玻璃为空气腔结构，阵元数目为N×N，制作工艺为基于玻璃的多层布线工艺、激光刻蚀腔体工艺和圆片级键合工艺。
天线馈电网络层2中馈线模式为接地共面波导传输线，输入端与毫米波信号发射和接收电路层4的输出口连接，输出端与微带贴片天线连接。
毫米波信号三维垂直传输层3内部设置有TSV、Bump和BGA的三维垂直传输结构，一端与相邻的上硅电路板互连，另一端与相邻的下硅电路板互连，实现毫米波信号的垂直传输。
毫米波信号发射和接收电路层4含有信号发射支路、接收支路和公共支路，MMIC芯片的输入输出接口为Bump形式，不同MMIC芯片的Bump端口通过硅基电路板表面的接地共面波导互连。
毫米波电路屏蔽层5采用硅空气腔结构，内部设置有信号TSV和高密度共地TSV。
功分网络和数字信号电路层6包括毫米波信号的一分N功分网络、波控电路、给毫米波信号发射和接收电路层4供电的电源调制电路以及无源电路等。
底部BGA信号输入层7内部设置有细间距的BGA阵列端口，整个AiP阵元的毫米波信号、数字信号以及电源接口从BGA端口馈入。利用TSV实现与功分网络和数字信号电路层6的电气互连。
进一步的，设计方法采用硅基半导体封装工艺+玻璃基微纳加工工艺。
进一步的，毫米波微带贴片天线阵列层1、毫米波信号发射和接收电路层4和功分网络和数字信号电路层6相互之间利用TSV+Bump+BGA实现三维垂直传输。
进一步的，毫米波信号发射和接收电路层4与Bump互连的接地共面波导阻抗为50欧姆。
进一步的，硅基半导体封装工艺，包括TSV工艺、多层布线工艺和深腔刻蚀工艺。硅基TSV深宽比≥10：1，内部用金属铜填实，TSV直径≥20um。硅基电路板正面为三层金属布线+三层介质层工艺，背面为一层金属布线+两层介质层工艺+铜Bump工艺。
进一步的，玻璃基微纳加工工艺，包括TGV工艺、圆片级键合工艺和深腔刻蚀工艺。玻璃基TGV≥20：1，内部用金属填实。
进一步的，三维垂直传输结构TSV、Bump和BGA，频率特性覆盖0-40GHz，回波损耗≤-20dB，插入损耗≤0.5dB/cm。
进一步的，毫米波信号发射和接收电路层4具有毫米波信号的放大、移相、衰减等功能。
进一步的，毫米波电路屏蔽层5中的硅空气腔结构高度≥400um，内外表面全部溅射金属层，上下互连端口为类同轴结构图形。
进一步的，功分网络和数字信号电路层6的无源电路集成在硅基电路板中，涵盖电感、电容和电阻。
进一步的，底部BGA信号输入层7采用BGA，直径≤200um，间距≤1000um。
本发明采用硅基半导体封装工艺和玻璃基微纳加工工艺相结合的三维集成设计方案，可以极大的减小毫米波AiP相控阵阵元的重量和体积，提高性能与能效。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
结合图1，本发明的一种三维集成毫米波AiP相控阵阵元，采用硅基半导体封装工艺和玻璃基微纳加工工艺相结合，将毫米波天线与多层功能电路在Z轴方向上垂直互连。从上往下依次为：毫米波微带贴片天线阵列层1、天线馈电网络层2、毫米波信号发射和接收电路层4、毫米波信号三维垂直传输层3、毫米波电路屏蔽层5、功分网络和数字信号层6以及底部BGA信号输入层7。
如图2所示，毫米波微带贴片天线阵元数目为N×N，N≥2，采用低损耗、低介电常数的玻璃作为辐射衬底，玻璃微纳加工工艺包括金属化工艺、激光刻蚀腔体工艺和圆片级键合工艺。其中天线阵列正下方的玻璃为空气腔结构，实现高增益和超宽带。所述空气腔结构为提高天线阵列增益和带宽的关键性结构。
天线馈线模式为接地共面波导传输线，输入端与毫米波信号发射和接收电路层4的输出口连接，近天线输出端采用耦合馈电方式。
毫米波信号三维垂直传输通过TSV、Bump和BGA实现，一端与相邻的上硅电路板互连，另一端与相邻的下硅电路板互连，毫米波信号的垂直传输。所述TSV为信号传输的关键行部分。
如图3所示，毫米波信号发射和接收电路含有信号发射支路、接收支路和公共支路，MMIC芯片的输入输出接口为Bump形式，不同MMIC芯片的Bump端口通过硅基电路板表面的接地共面波导互连。
毫米波电路通道间屏蔽方式采用硅空气腔结构，内部设置有信号TSV和高密度共地TSV。
功分网络和数字信号电路包括毫米波信号的一分N功分网络N≥2、波控电路、给毫米波信号发射和接收电路层4供电的电源调制电路以及无源电路等。
如图4所示，底部BGA信号输入端为细间距的BGA阵列端口，整个AiP阵元的毫米波信号、数字信号以及电源接口从BGA端口馈入。利用TSV实现与功分网络和数字信号电路层6的电气互连。
实施例2
如图1所示，一种新型三维集成毫米波AiP相控阵元，其设计架构包括高增益毫米波微带天线阵列、天线馈电网络、毫米波信号发射和接收电路、三维垂直传输电路、不同通道间屏蔽设计、功分网络和数字芯片电路以及细间距BGA端口设计。
如图2所示，毫米波微带贴片天线阵列由2×2＝4的玻璃基辐射单元组阵而成，组阵方式为矩形方阵，采用空间耦合的馈电模式。通过激光在玻璃衬底上刻蚀空气腔体，实现2×2矩形天线方阵的高增益、高效率和高带宽。带腔体的玻璃与图形金属化的玻璃通过圆片级键合的方式键合在一起。天线与馈源采用BGA结构互连，有效地减小传统连接器带来的损耗大问题。
如图3所示，基于BUMP输入输出接口的MMIC芯片和数字芯片采用表贴的方式安装在高阻硅电路板上，整个相控阵阵元中的各类芯片均采用无金丝引线的互连方式，实现毫米波信号的低插损和数字信号的低延迟。高阻硅电路板内部的TSV深宽比≥10：1，金属铜Cu填实，正面三层布线+三层介质层，背面一层布线+两层介质层+Bump。另外高阻硅电路板表面的毫米波传输线结构为接地共面波导，具有辐射损耗低等特点。四个通道间电磁屏蔽方式采用金属化的高阻硅腔体隔离，腔体内部具有高密度的共地TSV。
2×2毫米波AiP阵元底部采用BGA的表贴封装形式，集成了毫米波信号输入接口、数字逻辑信号输入接口、电源调制输入接口。将多层硅基电路板和玻璃基贴片天线高精度堆叠后(堆叠对准偏差±10um)，经过低温回流的方式实现一体化的微型化三维集成毫米波AiP相控阵阵元。

Claims (7)

1.一种三维集成毫米波AiP相控阵阵元，其特征在于，从顶层至底层依次为：毫米波微带贴片天线阵列层(1)、天线馈电网络层(2)、毫米波信号三维垂直传输层(3)、毫米波信号发射和接收电路层(4)、功分网络和数字信号电路层(6)、底部BGA信号输入层(7)，毫米波电路屏蔽层(5)与毫米波信号发射和接收电路层(4)位于同一层；
毫米波微带贴片天线阵列层(1)采用玻璃作为辐射衬底，天线阵列底部的玻璃为空气腔结构；
天线馈电网络层(2)中馈线模式为接地共面波导传输线，输入端与毫米波信号发射和接收电路层(4)的输出口连接，输出端与微带贴片天线连接；
毫米波信号三维垂直传输层(3)内部设置有TSV、Bump和BGA的三维垂直传输结构，一端与相邻的上硅电路板互连，另一端与相邻的下硅电路板互连，实现毫米波信号的垂直传输；
毫米波信号发射和接收电路层(4)设有信号发射支路、接收支路和公共支路，MMIC芯片的输入输出接口为Bump形式，不同MMIC芯片的Bump端口通过硅基电路板表面的接地共面波导互连；
毫米波电路屏蔽层(5)采用硅空气腔结构，内部设置有信号TSV和共地TSV；
功分网络和数字信号电路层(6)包括毫米波信号的一分N功分网络、波控电路、给毫米波信号发射和接收电路层(4)供电的电源调制电路以及无源电路；
底部BGA信号输入层(7)内部设置有BGA阵列端口，整个AiP相控阵阵元的毫米波信号、数字信号以及电源接口从BGA端口馈入；利用TSV实现与功分网络和数字信号电路层(6)的电气互连。
2.根据权利要求1所述的三维集成毫米波AiP相控阵阵元，其特征在于，毫米波微带贴片天线阵列层(1)、毫米波信号发射和接收电路层(4)和功分网络和数字信号电路层(6)相互之间利用TSV+Bump+BGA实现三维垂直传输。
3.根据权利要求1所述的三维集成毫米波AiP相控阵阵元，其特征在于，毫米波信号发射和接收电路层(4)与Bump互连的接地共面波导阻抗为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的三维集成毫米波AiP相控阵阵元，其特征在于，毫米波电路屏蔽层(5)中的硅空气腔结构高度≥400um。
5.根据权利要求1所述的三维集成毫米波AiP相控阵阵元，其特征在于，所述功分网络和数字信号电路层(6)的无源电路集成在硅基电路板中，包括电感、电容和电阻。
6.根据权利要求5所述的三维集成毫米波AiP相控阵阵元，其特征在于，硅基TSV深宽比≥10：1，内部用金属铜填实，TSV直径≥20um。
7.根据权利要求1所述的三维集成毫米波AiP相控阵阵元，其特征在于，所述底部BGA信号输入层(7)采用BGA，直径≤200um，间距≤1000um。
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