CN112993505B - 太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构 - Google Patents

太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，应用于电路封装技术领域，针对现有的采用金丝键合线互联，存在的高传输损耗的问题，本发明在每个芯片测试pad上方的Pi介质层打孔制作孔状互联结构，使测试pad与共面波导微带连接，而无需传统的金丝键合跳线结构，微带与互联匹配枝节连接，用于修正孔状互联结构引入的阻抗失配，由于孔状互联结构和互联匹配枝节均采用高精度金属原子溅射技术制作，可以保证良好的一致性和重复性。

Description

太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构
技术领域
本发明属于电路封装技术领域，特别涉及一种太赫兹器件封装技术。
背景技术
太赫兹波广义上指频率在100GHz～10THz(对应波长为3mm～30um)频谱范围内的电磁波，由于太赫兹波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区，具有很多独特的性质。与微波毫米波相比，太赫兹波具有频率高、波长短的特点，因此，太赫兹波的波束定向性更强、分辨率更高、信息容量更大，同时电子设备可以制作得更小。与光波相比，太赫兹波的穿透性更强，可以应用于雨雾、硝烟弥漫的战场等环境，具备全天候工作能力；太赫兹波具有较低的光子能量，可以应用于生物活体组织的无损检测。因此，太赫兹技术在精确制导、宽带通信、物体成像、环境监测以及医疗诊断等领域应用前景广阔。
太赫兹单片电路是在单个芯片上实现具有独立功能的各类电路，如功率放大器、低噪声放大器、混频器、倍频器、检波器、振荡器等，功能复杂的单片电路甚至可以集成整个收发前端电路。单片电路封装技术是片上功能电路与各种模块化电路互联的关键技术，系统级封装技术是将具有不同功能的有源、无源单片电路、不同半导体工艺的太赫兹电路等集成封装到一个结构壳体内的关键技术，是未来电子产品小型化、低成本的重要方向。
而传统的单片及系统级电路封装技术是将芯片安装在金属腔体中，通过金丝或金带键合连接到微带线，然后由微带-波导过渡探针传输至波导腔，实现芯片-过渡结构-波导的信号传输转换；或者由微带传输至天线，实现芯片-微带-天线的信号传输辐射。如图1所示，使用导电胶将芯片安装在空腔中，然后通过金丝键合连接到高频基板的微带线上。然而，在毫米波和太赫兹频段，金丝键合线的感抗值较大，会造成严重的阻抗失配，金丝键合封装技术已经不能保证良好的传输性能，主要表现在高损耗，高反射，并且由于太赫兹芯片尺寸极小，金丝键合形式的过渡结构无法保证良好的重复性和一致性。面对传统封装技术无法完成良好的信号过渡的问题，目前的解决方法十分有限，芯片倒装是一种更先进的技术，通过使用导电焊球来替代金丝键合线，可减小芯片到微带间的过渡损耗。但它的局限性在于倒装芯片的基板上的焊盘尺寸和间距极小，加工难度较大甚至无法实现，同时会增大芯片的面积和片上传输损耗，导致更高昂的成本和芯片的射频性能下降。另外，主要采用片上天线直接向波导结构辐射的方法完成片上信号-导波信号的转换，然而这种方法完成的片上电路装配前完全无法进行片上测试，对模块的成品率构成了巨大的威胁，并且片上天线对单片工艺有更高更复杂的要求，会增加芯片的面积和成本，并不适用于所有工艺线。
探针过渡结构可以实现两种电磁波传输模式的过渡及阻抗匹配。对过渡结构的性能要求是：低传输损耗和回波损耗，同时需要覆盖一定的频带宽度、重复性和一致性高、便于加工制作。矩形波导与平面传输线转换有多种形式，常用的主要是波导-脊波导-微带过渡、波导-微带探针过渡和波导-探针-微带过渡，这些传统微波过渡结构难以和片上电路的测试焊盘(pad)直接互联，而在毫米波及太赫兹频段，采用金丝键合线互联后，又会引入高传输损耗，且无法保证良好的重复性和一致性。
为了适应太赫兹单片及系统级电路的平面封装集成需求，一些平面传输线也被提出用于传输太赫兹波。微带线、共面波导和带状线等被应用到太赫兹波的传输中，很多文献分析了其在太赫兹频段的损耗特性和色散特性。使用平面传输线传输太赫兹波面临的首要问题就是如何减小传输损耗，平面传输线的损耗主要由三部分组成：导体损耗、介质损耗和辐射损耗。其中介质损耗是由于介质在交变电场作用下，其内部分子来回碰撞，由此产生的热损耗，介质损耗随着介质损耗角正切值和频率增大而增大。目前在太赫兹频段减小介质损耗的方法十分有限，常用方法是使用石英作为平面传输线的基板，石英基片具有相对较小的介质损耗，但由于石英基片易断裂、加工工艺复杂、成本高等因素，无法大规模使用于太赫兹单片及系统级电路封装结构中。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，该封装结构兼顾保留单片电路在片测试能力的、无需金丝键合线连接。
本发明采用的技术方案为：太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，包括：上腔体、下腔体、上腔体封盖在下腔体上形成的屏蔽腔、共面波导探针互联一体化封装结构，所述共面波导探针互联一体化封装结构安装在屏蔽腔内；所述屏蔽腔包括矩形波导腔、共面波导电路屏蔽腔和单片电路屏蔽腔。
所述共面波导探针互联封装一体化结构，包括：塑封层、内嵌于塑封层中的太赫兹芯片、塑封层上覆盖的Pi介质层；
所述太赫兹芯片包括：测试pad、地pad；
在测试pad上方对应的Pi介质层位置钻孔，制作与芯片pad互联的孔状结构，所述Pi介质层上还包括制作：探针、探针阻抗匹配枝节、连接和承载孔状互联结构的微带、互联共面波导匹配枝节；所述与芯片pad互联的孔状结构与连接和承载孔状互联结构的微带相连，连接和承载孔状互联结构的微带与互联共面波导匹配枝节相连，探针与探针阻抗匹配枝节连接，所述探针阻抗匹配枝节连接还与互联共面波导匹配枝节相连。
在太赫兹芯片下方为钼铜载板，钼铜载板底部与塑封层底部齐平，安装时采用导电胶将钼铜载板与下腔体烧结粘合。
所述探针阻抗匹配枝节与互联阻抗匹配枝节均采用的双枝节串联阻抗匹配网络。
塑封层厚度为太赫兹芯片与钼铜载板的厚度之和。
孔状互联结构采用金属原子溅射技术制作。
采用金属原子溅射技术，在Pi介质层上制作互联阻抗匹配枝节。
矩形波导腔在靠近探针端采用减高波导。
共面波导电路屏蔽腔采用了台阶状结构。
本发明的有益效果：本发明具备以下优点：
(1)本发明的封装结构不需要金丝连接芯片与共面波导传输线，消除了跳金丝结构在太赫兹波频段引入的巨大不连续性，有效降低芯片封装结构在太赫兹频段的损耗，提升封装性能；
(2)本发明的封装结构一致性优于传统金丝键合跳线结构。传统金丝键合跳线结构，由于手工操作等因素，无法准确把控金丝的长度、弧度和角度，导致一致性较差。本发明的封装结构，采用金属原子溅射技术，金属图形及互联结构加工精度高达±1um，一致性优于传统金丝键合跳线结构。
(3)本发明的封装结构采用共面波导作为平面传输线，与微带线相比，具有更小的插损。结合本发明的封装结构中双层复合介质基片的特点，通过对微带线和共面波导的场分布分析，由于围绕共面波导的场大部分分布在空气和Pi介质层中，而Pi介质层的损耗角正切值远小于塑封料，因此在本发明的封装结构中，共面波导的介质损耗更低，导致传输插损也更低。
(4)本发明的封装结构相比于片上集成天线式过渡结构，省去了片上天线背部金属剥离和芯片减薄工艺，降低工艺复杂度和成本；
(5)本发明的封装结构相比于片上集成天线式过渡结构保留了片上电路的测试用pad，可以在封装前在片检测单片电路性能，有效降低复杂电路装腔后出现性能故障的风险；
(6)本发明的封装结构的形式简洁，不仅适用于单芯片电路封装，根据不同系统的性能和功能要求，也适用于多芯片电路(即系统级电路)封装，且便于进行设计制造。
附图说明
图1为现有技术中的金丝键合封装技术示意图；
图2为本发明的微带和共面波导传输线的电力线分布；
其中，图2(a)为微带传输线的电力线分布，图2(b)为共面波导传输线的电力线分布；
图3为本发明的多节匹配变换器上的局部反射系数示意图；
图4为本发明的多节渐变结构；
图5为本发明太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构的上腔体、下腔体的结构示意图；
图6为本发明的共面波导探针互联一体化封装结构示意图；
图7为本发明的共面波导探针互联一体化封装结构正视图；
图8为共面波导探针互联一体化封装结构中的内嵌芯片的塑封层结构示意图；
图9为本发明的共面波导探针互联一体化封装结构横截面示意图；
图10为共面波导探针互联一体化封装结构装入下腔体后的示意图；
图11为本发明太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构的上腔体和下腔体装配示意图；
图12为本发明的封装结构在实施例中建模仿真结果，频段为90～113GHz；
图13为本发明的封装结构应用于多芯片电路(系统级电路)示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
共面波导传输线，采用金属原子溅射技术，在Pi介质层上制作高精度金属图形，中心是信号传输线，两边对称分布金属地平面。塑封层和Pi介质层构成双层复合介质基片，其中塑封层的厚度为150～200um(因为塑封层厚度大于150um时易加工，若与太赫兹芯片厚度一致，一般为50um，会大大增加塑封层的加工难度)，在100GHz频段的损耗角正切值为0.009；Pi介质层的厚度为7um，在100GHz频段的损耗角正切值为0.001。如图2所示，图2(a)是微带线的电力线分布图，围绕微带线的场部分在空气中、大部分在微带与参考地间的介质中，由于塑封层的损耗角正切值较大，会导致较高的介质损耗，且塑封层的厚度较大，会导致微带的尺寸较大，因此微带线并不适合在本发明的封装结构中作为平面传输线。图2(b)是共面波导传输线的电力线分布图，围绕共面波导的场大部分分布在空气和Pi介质层中，而Pi介质层的损耗角正切值远小于塑封料，在本发明的封装结构中，共面波导传输线是一种插损相对更低的结构，其插损值远小于微带线，因此采用共面波导作为平面传输线。
如图5和图6所示，本实施例中的太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，包括下腔体1、上腔体2和共面波导探针互联一体化封装结构4，上腔体2装配在下腔体1上形成屏蔽腔3，所述屏蔽腔3包括：矩形波导腔31、共面波导传输线电路屏蔽腔33和单片电路屏蔽腔32，还包括在下腔体1中设置空槽34与空槽35，所述空槽34设于共面波导传输线电路屏蔽腔33在下腔体1中的对应位置，空槽35与空槽34相邻设置于单片电路屏蔽腔32在下腔体1中的对应位置的两端，空槽34、35用于减小下腔体1对共面波导场分布的影响。
如图6～9所示，本实施例中的共面波导探针互联一体化封装结构4，包括塑封层41、SiC基单片电路42、Pi介质层43、钼铜载板44，SiC基单片电路42内嵌在塑封层41中，单片电路42和塑封层41上方覆盖Pi介质层43，塑封层41中内嵌单片电路42的下方是钼铜载板44，通过导电胶将钼铜载板44背面与下腔体1之间烧结粘合在一起，使一体化封装结构4安装在腔体内，钼铜载板44给单片电路42提供良好的散热路径，且使单片电路42能与腔体良好共地。如图8所示，单片电路42包括测试pad421以及地pad422。
本领域技术人员应知SiC基单片电路42部分及其对应的Pi介质层置于单片电路屏蔽腔32中，即钼铜载板44实际与下腔体1中的单片电路屏蔽腔32位置烧结粘合在一起。
如图8和图9所示，塑封层41中内嵌SiC基单片电路42，塑封层41的厚度为170um，单片电路42的厚度为50um，两者的正面齐平，单片电路42的下方的钼铜载板44与塑封层41底部齐平，即钼铜载板44完全覆盖芯片下方，且底部与塑封层42齐平，塑封层42厚度等于单片电路42与钼铜载板44厚度之和，塑封层42和载板44起到封装和支撑单片电路42的作用，并且载板44给单片电路42提供良好的散热路径和良好的共地特性。
内嵌芯片的塑封层41上方覆盖一层7um厚的Pi介质层43，一是起到单片电路42封装的作用，二是Pi介质层43表面可以采用金属原子溅射技术制作高精度的金属图形，即Pi介质层43表面可以制作高精度的微带探针432和阻抗匹配电路433和435。塑封层41和Pi介质层43的两端为共面波导传输线-波导探针432，探针432通过塑封层41和Pi介质层43悬置于矩形波导腔31内，距波导短路面距离为四分之一波长。
单片电路42的测试pad421上方对应Pi介质层43的位置打孔，并制作孔状互联结构431，使测试pad421与微带436连接，而无需传统的金丝键合跳线结构，互联共面波导匹配枝节435用于修正孔状互联结构431引入的阻抗失配，由于孔状互联结构431和共面波导匹配枝节435均采用高精度金属原子溅射技术制作，精度为±1um，可以保证良好的一致性和重复性。
本领域的技术人员应知这里的微带436在单片电路屏蔽腔32中，共面波导传输线电路屏蔽腔33中包括探针阻抗匹配枝节433、共面波导两边地平面434、共面波导匹配枝节435及对应的Pi介质层。
如图10所示，共面波导探针互联一体化封装结构4安装在下腔体1中，探针432及下方对应的塑封层和Pi介质悬置于波导腔31中，探针阻抗匹配枝节433用于波导和共面波导间的特性阻抗匹配，整体构成波导-探针过渡结构。值得说明的是，探针阻抗匹配433和互联阻抗匹配435均采用的双枝节串联阻抗匹配网络，相比于单枝节阻抗匹配网络，阻抗变换范围更大，可以在更大的带宽内实现阻抗匹配，有效地提高本实施例中封装结构的工作带宽。由小反射理论可知，在越宽的频率范围内降低阻抗突变处的阻抗变换比值，则实现的阻抗匹配的带宽越宽。双枝节相比于单枝节，阻抗突变处前后的阻抗比值更小，因此实现的阻抗匹配的带宽也更宽。如图11所示为上腔体2和下腔体1装配在一起之后的整体封装结构示意图。
由于共面波导探针互联一体化封装结构4上的金属图案一端为探针432，另一端为单片电路pad的孔状互联结构431，在两端阻抗差距比较大的情况下，阻抗匹配枝节433和435可以调整为多节渐变结构用以优化阻抗匹配。具体原理如下：
由小反射理论，如图3所示为多节匹配变换器上的局部反射系数，该变换器由N个等长传输线组成。局部反射系数可在每个连接处定义如下：
Figure BDA0002949868430000061
Figure BDA0002949868430000062
Figure BDA0002949868430000063
式中，Z0是前级特征阻抗；ZL是负载阻抗；Z1…Zn，Zn+1是每节匹配传输线的特征阻抗；Γ0…Γn，ΓN是每个连接处的局部反射系数。
总反射系数可近似为
Γ＝Γ0+Γ1e-2jθ+Γ2e-4jθ+…+ΓNe-2jNθ (4)
由小反射理论及其式(1)～(4)可知，总反射系数近似等于每个阻抗突变处的反射系数的矢量叠加，而阻抗突变处的反射系数仅由该处前后传输线的特性阻抗决定。即，每个阻抗突变处前后的阻抗比值越接近1，则每个阻抗突变处的反射系数越小，总反射系数也越小。由此可知，阻抗匹配微带8和9调整为如图4所示的多节渐变结构，可以使每个阻抗突变处前后的阻抗比值近似为1，降低总反射系数，提升阻抗匹配性能。
本实施例中的单片电路42(太赫兹芯片)不限于SiC基芯片，也可以采用GaAs基芯片、GaN基芯片和InP基芯片等等。并且单片电路42和片上微带传输线423为示意与验证，并不包含特定功能的单片电路，实际单片电路结构、功能、端口及测试pad数量根据实际需求而定，都可以采用本实施例中的封装结构。
本实施例中的波导腔31在探针端采用减高波导，用以降低波导阻抗，减小波导与微带之间特性阻抗的差距，提升探针过渡结构的带宽和性能。共面波导电路屏蔽腔33采用了台阶状结构，用以减小屏蔽腔的尺寸，使得波导模式和高次模式是屏蔽腔的截止模，会随着传输距离而指数衰减，因此抑制波导模式和高次模的传播，提升共面波导电路的性能。
将本实施例中的太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，在三维电磁仿真软件HFSS中建模，其中单片电路采用图8所示的50um厚的SiC基芯片，输入输出测试pad间为特性阻抗为50Ω的微带线连接，并不包含特定功能的单片电路，但微带直通芯片方便用于仿真验证，且其仿真结果也完全适用于特定功能的单片电路。其余结构按照前文所述流程建模。如图12所示为本实施例的仿真结果，在91.7～111.5GHz频段的S11小于-13dB，S21大于-0.8dB。由此可知，本发明的封装结构采用共面波导，有效规避了微带线结构中塑封层在太赫兹频段的高介质损耗，实现了一种低插损的封装结构。同时，采用孔状互联结构431及互联阻抗匹配枝节435，消除了跳金丝结构在太赫兹波频段引入的巨大不连续性，有效降低芯片封装结构损耗，提升了封装性能。
值得进一步说明地是，如图13所示为本发明的封装结构应用于多芯片电路(系统级电路)示意图，包括下腔体23、上腔体31和系统级电路的共面波导探针互联一体化封装结构25。其中共面波导探针互联一体化封装结构25中封装了两个单片电路，构成系统级功能电路，每个单片电路的测试pad由孔状互联结构连接到Pi介质层上的共面波导匹配枝节(具体的测试pad由孔状互联结构先通过一段微带然后再连接到共面波导匹配枝节)，级间再由共面波导传输线24连接这两级各自的共面波导匹配枝节。上腔体31装配在下腔体23上形成矩形波导腔26、共面波导电路屏蔽腔27和29、第一级单片电路屏蔽腔28、第二级单片电路屏蔽腔30。本实施例的一体化封装结构25中的两个单片电路，并不包含特定功能的单片电路，实际单片电路数量、结构、功能、端口及测试pad数量根据实际需求而定，都可以采用本实施例中的封装结构。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，包括：上腔体、下腔体、上腔体封盖在下腔体上形成的屏蔽腔、共面波导探针互联一体化封装结构，所述共面波导探针互联一体化封装结构安装在屏蔽腔内；所述屏蔽腔包括矩形波导腔、共面波导电路屏蔽腔和单片电路屏蔽腔；
所述共面波导探针互联封装一体化结构，包括：塑封层、内嵌于塑封层中的太赫兹芯片、塑封层上覆盖的Pi介质层；
所述太赫兹芯片包括：测试pad、地pad；
在测试pad上方对应的Pi介质层位置钻孔，制作与芯片pad互联的孔状结构，所述Pi介质层上还包括制作：探针、探针阻抗匹配枝节、连接和承载孔状互联结构的微带、互联共面波导匹配枝节；所述与芯片pad互联的孔状结构与连接和承载孔状互联结构的微带相连，连接和承载孔状互联结构的微带与互联共面波导匹配枝节相连，探针与探针阻抗匹配枝节连接，所述探针阻抗匹配枝节连接还与互联共面波导匹配枝节相连；
芯片测试pad通过孔状结构与Pi介质层的微带连接。
2.根据权利要求1所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，在太赫兹芯片下方为钼铜载板，钼铜载板底部与塑封层底部齐平，安装时采用导电胶将钼铜载板与下腔体烧结粘合， 安装时采用导电胶将钼铜载板与下腔体烧结粘合。
3.根据权利要求2所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，所述探针阻抗匹配枝节与互联阻抗匹配枝节均采用的双枝节串联阻抗匹配网络。
4.根据权利要求3所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，孔状互联结构采用金属原子溅射技术制作。
5.根据权利要求4所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，采用金属原子溅射技术，在Pi介质层上制作互联阻抗匹配枝节。
6.根据权利要求5所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，矩形波导腔在靠近探针端采用减高波导。
7.根据权利要求6所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，共面波导电路屏蔽腔采用了台阶状结构。
8.根据权利要求7所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，塑封层厚度为太赫兹芯片与钼铜载板的厚度之和。
9.根据权利要求1-8任意一项权利要求所述太赫兹无跳丝共面波导单片及系统级电路低插损封装结构，其特征在于，当共面波导探针互联一体化封装结构中封装多个太赫兹芯片时，每个太赫兹芯片的测试pad由孔状互联结构连接到Pi介质层上的互联共面波导匹配枝节，然后通过共面波导传输线将相邻太赫兹芯片对应的互联共面波导匹配枝节连接起来。
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