CN112071808B - 集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构 - Google Patents
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Abstract
一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构，包括：一射频前端模块，两个介质层和一天线模块，所述射频前端模块包括：一芯板，内部包括至少一通槽；至少一有源芯片，埋置于所述芯板的通槽中；所述两个介质层，分别为一号介质层和二号介质层，所述一号介质层设置于所述芯板上表面，穿设有多个一号金属化盲孔，所述二号介质层设置于所述芯板下表面，穿设有多个二号金属化盲孔，所述一号介质层、芯板和二号介质层内还穿设有多个金属化通孔；所述天线模块包括：至少一天线单元，设置于所述一号介质层上表面；一周期性金属结构，设置于所述芯板上表面；一金属地平面，设置于所述二号介质层下表面，与所述周期性金属结构共同作为天线反射平面。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，尤其涉及了集成毫米波天线和射频前端的有机基板埋入封装结构。
背景技术
为了提高集成度，国际半导体技术发展路线组织提出超越摩尔定律，旨在将处理器、存储器、射频模块、数字模块、模拟模块、光电模块、传感模块等集成在单一封装体中实现系统级封装(System in Package,SiP)，如果将天线也集成在系统级封装中，则称为天线级封装(Antenna in Pakcage,AiP)。
其中SiP涵盖了从传统包括多个有源芯片和无源元件的2D模块到更复杂模块如PiP、PoP、2.5D和3D的集成解决方案，所用基底材料包括LTCC、有机基板、硅、PCB、玻璃和塑封胶，有机基板工艺因其成本低且可实现高密度互连，逐渐引起业界广泛关注。
天线与射频前端的集成，主要面临如下技术问题：射频前端所用毫米波芯片多基于化合物半导体工艺，其背部金属接地要求使芯片的封装形式局限于引线键合，但是随着工作频率升高，键合线的寄生效应越发明显；同时，电子产品对封装体轻薄化和小型化需求不断提高，但轻薄化的封装结构限制了天线基底厚度，从而限制了天线性能的提高；此外，将天线与射频前端集成时，有源芯片与有源芯片间、天线与有源芯片间的电磁干扰性问题尤为严重；再之，天线与射频前端集成后，封装体上方贴装金属热沉的散热方式不再适用。
因此基于以上现有技术存在的问题，亟待研发针对化合物半导体有源芯片的、轻薄化、小型化、具有良好电磁兼容性和散热性能且高性能的天线级封装结构。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出了一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构，以至少部分满足毫米波波段中，基于化合物半导体有源芯片的天线级封装的小型化、轻薄化、高电学性能和良好散热性能的要求。
(二)技术方案
在本发明的一方面，提供了一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构，包括：一射频前端模块，两个介质层和一天线模块。
所述射频前端模块包括：一芯板，内部包括至少一通槽；至少一有源芯片，埋置于所述芯板的通槽中。
所述两个介质层，分别为一号介质层和二号介质层，所述一号介质层设置于所述芯板上表面，穿设有多个一号金属化盲孔，所述二号介质层设置于所述芯板下表面，穿设有多个二号金属化盲孔，所述一号介质层、芯板和二号介质层内还穿设有多个金属化通孔。
所述天线模块包括：至少一天线单元，设置于所述一号介质层上表面；一周期性金属结构，设置于所述芯板上表面；一金属地平面，设置于所述二号介质层下表面，与所述周期性金属结构共同作为天线反射平面。
其中，所述有源芯片通过所述部分一号金属化盲孔、二号金属化盲孔和金属化通孔配置为与外围电路互连。
在进一步的方案中，所述芯板内部通槽的侧壁还镀有一金属层。
在进一步的方案中，所述的一号金属化盲孔和金属化通孔还被用作电磁屏蔽孔栅，用于屏蔽有源芯片间及有源芯片与天线间的电磁干扰。
在进一步的方案中，所述的周期性金属结构为电磁结构，与所述金属地平面共同作为天线反射平面时，在毫米波波段，具有同相反射特性。
在进一步的方案中，所述的二号介质层下表面还粘贴一金属散热片，所述的金属散热片通过部分二号金属化盲孔与有源芯片的背部金属相连接。
在进一步的方案中，所述的一号介质层和二号介质层由半固化片压合后固化而成。
在进一步的方案中，所述的二号介质层下表面还设置有多个焊球，用于连接该封装结构与外部电路。
在本发明的另一方面，还提供了一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构的制备方法，包括：
在芯板上挖至少一通槽；
在通槽侧壁镀上金属层，之后将芯板上下表面金属层进行图形化，在芯板上方加工出周期性金属结构；
将有源芯片的芯片焊盘朝上，背部金属朝下，放置于芯板通槽中，将两层半固化片分别固定在芯板的上下表面，然后将两层半固化片与芯板进行真空压合，两层半固化片压合后固化为两个介质层，分别为一号介质层和二号介质层；
在一号介质层和二号介质层中加工一号金属化盲孔和二号金属化盲孔，并加工贯穿一号介质层、芯板、二号介质层的金属化通孔；
在一号介质层上表面加工一号金属层，其中包括天线单元，金属互连线和金属电磁屏蔽环；在二号介质层下表面加工二号金属层，其中包括金属互连线、金属地平面和金属焊盘；
在封装体下表面通过导电胶贴装散热金属片并植上焊球。
(三)有益效果
有源芯片通过较短的盲孔与外围电路互连，可保证背部金属接地的同时降低寄生效应和传输损耗，可在满足轻薄化的同时不损失天线性能。
将周期性金属结构作为天线反射平面，且天线模块和射频前端模块共用同一基底，充分利用的封装体厚度，提高了天线带宽、增益和辐射效率。
结合电磁屏蔽孔栅实现天线与有源芯片及有源芯片间的电磁屏蔽。
此外本发明也提供了相对于现有技术更优的天线级封装的热管理方式。
附图说明
图1是本发明实施例一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构图。
图2是图1所示封装结构的制备步骤1的结构图。
图3是图1所示封装结构的制备步骤2的结构图。
图4是图1所示封装结构的制备步骤3的结构图。
图5是图1所示封装结构的制备步骤4的结构图。
图6是图1所示封装结构的制备步骤5的结构图。
图7是图1所示封装结构的制备步骤6的结构图。
【附图标记说明】
1芯板，11周期性金属结构，
2侧壁金属层，
3有源芯片，31芯片焊盘，32有源芯片背部金属，
4一号介质层，40一号金属层，41一号金属化盲孔，
42电磁屏蔽孔栅，43天线单元，44金属互连线，45金属电磁屏蔽环，
5二号介质层，50二号金属层，51二号金属化盲孔，52金属地平面，
53金属焊盘
6金属化通孔，7导电胶，8金属散热片，9焊球。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明中，“设置于…上”或“贴附至…上”用于包括与单一或多个组件间的直接接触关系。例如，所述二号介质层设置于所述芯板下表面，则表明二号介质层与芯板之间为直接接触，即与二号介质层与该芯板的下表面直接接触。而且，说明书与权利要求书所使用的序数例如“第一”、“第二”、“一号”或“二号”等用词，以修饰请求保护的部件，其本身并不包含及代表该部件有任何之前的序数，也不代表某一部件与另一部件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一部件得以和另一具有相同命名的部件能作出清楚区分。
基于上述现有技术的射频前端与集成天线集成工艺和产品，射频前端背部金属接地要求使芯片的封装形式局限于键合方式，但是键合线存在寄生效应，且将天线与射频前端集成时，有源芯片与有源芯片间、天线与有源芯片间的电磁干扰性问题尤为严重；集成后封装体上方贴装金属热沉的散热方式不再适用。本发明实施例公开了一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构，请参照图1，包括：一射频前端模块，两个介质层和一天线模块。
所述射频前端模块包括：一芯板1，内部包括至少一通槽，该通槽的侧壁还镀有侧壁金属层2；至少一有源芯片3，埋置于所述芯板1的通槽中。
所述两个介质层，分别为一号介质层4和二号介质层5，所述一号介质层4设置于所述芯板1上表面，所述二号介质层5设置于所述芯板1下表面，其中一号介质层4内穿设有多个一号金属化盲孔41，二号介质层5内穿设有多个二号金属化盲孔51，所述一号介质层4、芯板1和二号介质层5内还穿设有多个金属化通孔6，所述有源芯片3通过部分一号金属化盲孔41、二号金属化盲孔51和金属化通孔6与外围电路电连接。
所述天线模块包括：至少一天线单元43，设置于所述一号介质层4上表面；一周期性金属结构11，设置于所述芯板1上表面，一金属地平面52，设置于所述二号介质层5下表面，与所述周期性金属结构11共同作为天线的反射平面。
在本发明的示例实施例中，所述的一号介质层4内部分金属化盲孔41中还包括电磁屏蔽孔栅42，用于屏蔽有源芯片3与其他有源芯片3间的电磁干扰。
在本发明的示例实施例中，所述的二号介质层5下表面还粘贴一金属散热片8，所述的金属散热片8通过二号介质层5内部的二号金属化盲孔51与有源芯片背部金属32相连接。
在本发明的示例实施例中，所述的二号介质层5下表面还设置有多个焊球9，用于连接该封装结构与外部电路。
优选的，所述的一号介质层4和二号介质层5为半固化片压合后固化而成。
本发明还公开了所述封装结构的制备步骤，以下将结合附图按步骤描述本发明所提供的封装结构的详细制备方法，在下面的描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。本领域技术人员应当知晓的是，下述的具体细节不应理解为对发明的限定。
所示制备步骤，包括：
步骤1，请参照图2，芯板1，与所要埋置有源芯片3厚度相当，利用激光铣槽的方式在该芯板1上挖一通槽，尺寸比有源芯片3尺寸稍大；
步骤2，请参照图3，在通槽侧壁镀上侧壁金属层2，之后将芯板1上下表面金属层进行图形化，其中包括芯板1上方的周期性金属结构11；
步骤3，请参照图4，将有源芯片3的芯片焊盘31朝上，有源芯片背部金属32朝下，放置于芯板1通槽中，将两层半固化片分别固定在芯板1的上下表面，然后将两层半固化片与芯板1进行真空压合，两层半固化片压合后固化为一号介质层4和二号介质层5；
步骤4，请参照图5，利用激光钻孔在一号介质层4加工一号金属化盲孔41，同时在二号介质层5加工二号金属化盲孔51，利用机械钻孔的方法加工贯穿一号介质层4、芯板1和二号介质层5的金属化通孔6；
步骤5，请参照图6，在一号介质层4上表面加工一号金属层40，其中包括天线单元43、金属互连线44和金属电磁屏蔽环45等结构，在二号介质层5下表面加工二号金属层50，其中包括金属地平面52和金属焊盘53等金属结构；
步骤6，请参照图7，在二号介质5下表面涂绿油并开窗之后在封装体下表面通过导电胶7贴装金属散热片8，最后，植上焊球9。
通过上述陈述，针对现有技术中存在的问题及缺点，本发明实施例提供了一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构及其制备方法，其中有源芯片通过较短的盲孔与外围电路互连，可保证背部金属接地的同时降低寄生效应和传输损耗，可在满足轻薄化的同时不损失天线性能，同时，将周期性金属结构作为天线反射平面，且天线模块和射频前端模块共用同一基底，充分利用的封装体厚度，提高了天线带宽、增益和辐射效率，以及，还使用电磁屏蔽孔栅来实现天线与有源芯片及有源芯片间的电磁屏蔽，提供了比现有技术更优的屏蔽效果，此外，本发明也提供了相对于现有技术更优的天线级封装的热管理方式。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构，包括：
一射频前端模块，包括：
一芯板，内部包括至少一通槽；
至少一有源芯片，埋置于所述芯板的通槽中；
两个介质层，分别为一号介质层和二号介质层，所述一号介质层设置于所述芯板上表面，穿设有多个一号金属化盲孔，所述二号介质层设置于所述芯板下表面，穿设有多个二号金属化盲孔，所述一号介质层、芯板和二号介质层内还穿设有多个金属化通孔；
一天线模块，包括：
至少一天线单元，设置于所述一号介质层上表面；
一周期性金属结构，设置于所述芯板上表面；
一金属地平面，设置于所述二号介质层下表面,与所述周期性金属结构共同作为天线反射平面；
其中，所述有源芯片通过所述一号金属化盲孔、二号金属化盲孔和金属化通孔配置为与外围电路电连接。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其中所述芯板内部通槽的侧壁还镀有一金属层。
3.根据权利要求1所述的封装结构，其中所述的一号金属化盲孔和金属化通孔还被用作电磁屏蔽孔栅。
4.根据权利要求1所述的封装结构，其中所述的周期性金属结构为电磁结构，与所述金属地平面共同作为天线反射平面时，在毫米波波段，具有同相反射特性。
5.根据权利要求1所述的封装结构，其中所述的二号介质层下表面还粘贴一金属散热片，所述的金属散热片通过二号金属化盲孔与有源芯片的背部金属相连接。
6.根据权利要求1所述的封装结构，其中所述的一号介质层和二号介质层均由半固化片压合后固化而成。
7.根据权利要求1所述的封装结构，其中所述的二号介质层下表面还设置有多个焊球。
8.一种集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构的制备方法，包括：
在芯板上挖至少一通槽；
在通槽侧壁镀上金属层，之后将芯板上下表面金属层进行图形化，在芯板上方加工出周期性金属结构；
将有源芯片的芯片焊盘朝上，背部金属朝下，放置于芯板通槽中，将两层半固化片分别固定在芯板的上下表面，然后将两层半固化片与芯板进行真空压合，两层半固化片压合后固化为两个介质层，分别为一号介质层和二号介质层；
在一号介质层和二号介质层中加工一号金属化盲孔和二号金属化盲孔，并加工贯穿一号介质层、芯板、二号介质层的金属化通孔；
在一号介质层上表面加工一号金属层，其中包括天线单元，金属互连线和金属电磁屏蔽环；在二号介质层下表面加工二号金属层，其中包括金属互连线、金属地平面和金属焊盘；
在封装体下表面通过导电胶贴装散热金属片并植上焊球。
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