CN111816982A - 基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线 - Google Patents

基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其包括射频芯片，设置在基板层中；天线辐射单元，位于第一RDL层中，并呈栅格阵列排布，其中馈电点设置在天线辐射单元的栅格长边与短边的交点上；接地板，设置在所述基板层上面的第二RDL层中；所述第二RDL层位于第一RDL层的下方；馈电网络，包括设置在第三RDL层中的RDL馈线，所述第三RDL层位于基板层的下方；所述射频芯片的背部金属板与接地板相连，前端的射频信号垫与位于其底部的RDL馈线相连。采用本发明的技术方案，能够较好的部署在无线终端设备上而又不占用过多空间，同时能够有效的降低天线与芯片的连接时的能量损耗和减少发热。

Description

基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线。
背景技术
毫米波具有频率高、波长短、频谱宽、窄波束的特点，可以提供高速的传输速率和良好的方向性，加上其对应的天线物理尺寸很小，易于构建大规模的天线阵列并集成在无线终端设备上，很好的契合了未来通信的发展需求。天线作为通信系统最前端的器件，实现高增益、方向性强的电磁信号辐射是整个通信系统工作的前提，而小尺寸的天线设计有助于降低功耗和便于在无线终端设备上集成。多端口的天线馈电方式有利于提高馈电效率，降低损耗并能够实现更丰富的天线辐射模式，使得在单一的天线口径下实现多方向性的电磁信号辐射。
目前，带有DPA（Doherty auxiliary power amplifie）的多端口环形片上天线实现了62GHz-68GHz间6GHz的14.2dBm平均输出功率，伴随着平均20.2%的PAE和-26,7dB的EVM（error vector magnitud）；多端口功率组合贴片天线能够实现稳定的反射系数，并能够通过对天线的端口馈入不同相位的激励来控制实现天线的6种辐射模式；采用多个球形介质馈电的谐振腔天线可以通过改变各个输入端口的信号相位来控制天线的极化和波束指向。但是，片上天线存在占用芯片面积大、成本高、不利于散热和设备的小型化的问题。而球形介质馈电导致天线辐射单元与芯片之间的连接电路过于复杂，不利于连接电路的设计。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，实现紧凑的天线尺寸、多功能辐射和低损耗的天线与芯片连接。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其包括
射频芯片，设置在基板层中；
天线辐射单元，位于第一RDL层中，并呈栅格阵列排布，其中馈电点设置在天线辐射单元的栅格长边与短边的交点上；
接地板，设置在所述基板层上面的第二RDL层中；所述第二RDL层位于第一RDL层的下方；
馈电网络，包括设置在第三RDL层中的RDL馈线，所述第三RDL层位于基板层的下方；
所述射频芯片的背部金属板与接地板相连以实现散热，前端的射频信号垫与位于其底部的RDL馈线相连。
扇出型晶圆级封装是毫米波应用领域最具潜力的封装技术之一，具有更小的电气距离，更好的电气性能和更高的集成灵活性，很适合用于毫米波波段的无源器件的封装。本发明的技术方案基于扇出型晶圆级封装，改进的天线结构紧凑，具有多功能辐射性能，天线与芯片连接损耗低。
作为本发明的进一步改进，所述天线辐射单元位于模塑料层上，所述模塑料层位于第二RDL层的上方；所述射频芯片镶嵌在基板层中。
作为本发明的进一步改进，所述天线辐射单元的尺寸大于射频芯片的尺寸。
作为本发明的进一步改进，所述射频信号垫位于第三RDL层的上方。
作为本发明的进一步改进，所述射频芯片有四个射频输出端口，所述馈电点为四个，四个馈电点采用同幅的0°、180°、0°、180°进行馈电。即设置两对差分馈电方式对端口进行馈电。
作为本发明的进一步改进，所述射频芯片有六个射频输出端口，所述馈电点为六个，六个馈电点采用同幅的0°、180°、0°、180°、0°、180°进行馈电。即设置三对差分馈电方式对端口进行馈电。
作为本发明的进一步改进，所述天线辐射单元的栅格阵列包括8个方环；方环中短边s、长边l、短边线宽ws、长边线宽ls分别为1.4~1.6mm、2.8~3.2mm、1.2~1.35mm、0.05~0.1mm；端口设置的间距x向间距dx、y向间距dy分别为4.05~4.65mm、2.8~3.2mm，
进一步的，方环中短边s、长边l、短边线宽ws、长边线宽ls分别为1.6mm、3.2mm、1.2mm、0.08mm；射频芯片的端口设置的间距x向间距dx、y向间距dy分别为4.65mm、3.2mm ，TMV和缝隙的直径分别为0.15mm和0.45mm；射频芯片四个端口P1、P2、P3、P4的馈电幅度相同，相位设置为0°、180°、0°、180°。
作为本发明的进一步改进，所述基板层的厚度为0.2~0.3mm。进一步的，所述基板层的厚度为0.25mm。进一步的，所述基板层为模塑料层。
作为本发明的进一步改进，焊球阵列设置在第三RDL层的下方。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，通过扇出型晶圆级封装实现了紧凑的天线尺寸，具有多功能辐射的性能，能够较好的部署在无线终端设备上而又不占用过多空间，同时能够有效的降低天线与芯片的连接时的能量损耗和减少发热。进一步的，本发明的技术方案通过多端口馈电的形式和微带栅格阵列天线结合，实现了50GHz-69Ghz的19GHz的宽频带；在60GHz下的最大实际增益为13.57dBi，此时的主瓣宽边可以实现较低的交叉极化水平。
附图说明
图1是本发明的多端口功率组合栅格阵列天线的封装后的剖面图。
图2是本发明的多端口功率组合栅格阵列天线的栅格阵列天线结构示意图。
图3是本发明的多端口功率组合栅格阵列天线的端口反射系数图。
图4是本发明的多端口功率组合栅格阵列天线的最大实际增益分析图。
图5是本发明的多端口功率组合栅格阵列天线的E面方向图分析图。
图6是本发明的多端口功率组合栅格阵列天线的H面方向图分析图。
附图标记包括：
1-射频芯片，2-天线辐射单元，3-接地板，4-馈电网络，5-RDL馈线，6-基板层，7-模塑料层。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其包括：
射频芯片1，设置在基板层6中；
天线辐射单元2，位于第一RDL层中，并呈栅格阵列排布，其中馈电点设置在天线辐射单元2的栅格长边与短边的交点上；
接地板3，设置在所述基板层6上面的第二RDL层中；所述第二RDL层位于第一RDL层的下方；
馈电网络4，包括设置在第三RDL层中的RDL馈线5，所述第三RDL层位于基板层6的下方；
所述射频芯片1的背部金属板与接地板3相连以实现散热，前端的射频信号垫与位于其底部的RDL馈线5相连。所述天线辐射单元2位于模塑料层7上，所述模塑料层7位于第二RDL层的上方；所述射频芯片1镶嵌在基板层6中。所述天线辐射单元2的尺寸大于射频芯片1的尺寸。所述射频信号垫位于第三RDL层的上方。焊球阵列设置在第三RDL层的下方。所述基板层6的材质为模塑料。
馈电点的数量由射频芯片1的输出决定，若射频输出有四个端口，如图2所示，可以在馈电点F1，F2，F5，F6采用同幅的0°，180°，0°，180°进行馈电，即设置两对差分馈电方式对端口进行馈电；若射频输出有六个端口，可以在馈电点F1，F2，F3，F4，F5，F6采用同幅的0°，180°，0°，180°，0°，180°进行馈电，即设置三对差分馈电方式对端口进行馈电。
作为介质基板的模塑料具有3.2的介电常数和0.005的损耗正切，厚度为0.25mm；中间层的RDL作为接地板3；射频芯片1嵌在下方的模塑料中，厚度为0.05mm；射频芯片1的背部金属板与接地板3相连以实现散热，前端的射频信号垫与底部的RDL馈线5相连。栅格阵列天线由8个方环组成，如图2所示，短边s、长边l、短边线宽ws、长边线宽ls分别为1.6mm、3.2mm、1.2mm、0.08mm，端口设置的间距x向间距dx、y向间距dy分别为4.65mm、3.2mm ，TMV和缝隙的直径分别为0.15mm和0.45mm；射频芯片四个端口P1、P2、P3、P4的馈电幅度相同，相位设置为0°，180°，0°，180°。
本发明的技术方案基于扇出型晶圆级封装，改进的天线结构紧凑，具有多功能辐射性能，天线与芯片连接损耗低。芯片规格为3 mm *3 mm *0.1mm，封装尺寸为9 mm *9 mm*0.35mm，能够较好的部署在无线终端设备上而又不占用过多空间，同时能够有效的降低能量损耗和减少发热。如图3~图6所示，本实施例通过多端口馈电的形式和微带栅格阵列天线结合，实现了50GHz-69Ghz的19GHz的宽频带；在60GHz下的最大实际增益为13.57dBi，此时的主瓣宽边可以实现较低的交叉极化水平。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：其包括
射频芯片，设置在基板层中；
天线辐射单元，位于第一RDL层中，并呈栅格阵列排布，其中馈电点设置在天线辐射单元的栅格长边与短边的交点上；
接地板，设置在所述基板层上面的第二RDL层中；所述第二RDL层位于第一RDL层的下方；
馈电网络，包括设置在第三RDL层中的RDL馈线，所述第三RDL层位于基板层的下方；
所述射频芯片的背部金属板与接地板相连，前端的射频信号垫与位于其底部的RDL馈线相连。
2.根据权利要求1所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述天线辐射单元位于模塑料层上，所述模塑料层位于第二RDL层的上方；所述射频芯片镶嵌在基板层中。
3.根据权利要求2所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述天线辐射单元的尺寸大于射频芯片的尺寸。
4.根据权利要求3所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述射频信号垫位于第三RDL层的上方。
5.根据权利要求3所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述射频芯片有四个射频输出端口，所述馈电点为四个，四个馈电点采用同幅的0°、180°、0°、180°进行馈电，即设置两对差分馈电方式对端口进行馈电。
6.根据权利要求3所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述射频芯片有六个射频输出端口，所述馈电点为六个，六个馈电点采用同幅的0°、180°、0°、180°、0°、180°进行馈电，即设置三对差分馈电方式对端口进行馈电。
7.根据权利要求6所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述天线辐射单元的栅格阵列包括8个方环；方环中短边s、长边l、短边线宽ws、长边线宽ls分别为1.4~1.6mm、2.8~3.2mm、1.2~1.35mm、0.05~0.1mm；射频芯片的端口设置的间距x向间距dx、y向间距dy分别为4.05~4.65mm、2.8~3.2mm，TMV和缝隙的直径分别为0.15mm和0.45mm；所述射频芯片的四个端口P1、P2、P3、P4的馈电幅度相同，相位设置为0°、180°、0°、180°。
8.根据权利要求1~7任意一项所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述基板层的厚度为0.2~0.3mm。
9.根据权利要求1~7任意一项所述的基于扇出型晶圆级封装的多端口功率组合栅格阵列天线，其特征在于：所述基板层为模塑料层。
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