CN112993506B - 太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构 - Google Patents
太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，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pad上方的Pi介质层打孔制作孔状互联结构，使测试pad与微带线连接，而无需传统的金丝键合跳线结构，微带线与互联匹配微带枝节连接，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微带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
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单片及系统级电路的技术。
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。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，该封装结构无需金丝键合线连接。
本发明采用的技术方案为：一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，包括：上腔体、下腔体、上腔体封盖在下腔体上形成的屏蔽腔、微带探针互联封装一体化结构，所述微带探针互联封装一体化结构安装在屏蔽腔内；所述屏蔽腔包括矩形波导腔、微带电路屏蔽腔和单片电路屏蔽腔。
所述微带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：微带探针、探针阻抗匹配微带枝节、连接和承载孔状互联结构的微带线、互联阻抗匹配微带枝节；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线相连，连接和承载孔状互联结构的微带线与互联阻抗匹配微带枝节相连，微带探针与探针阻抗匹配微带枝节连接，所述探针阻抗匹配微带枝节连接还与互联阻抗匹配微带枝节相连。
在塑封层覆盖有Pi介质层的对侧制作金属层，安装时采用导电胶将金属层与下腔体烧结粘合。
所述微带探针距波导短路面距离为四分之一波长。
塑封层和太赫兹芯片的厚度一致。
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介质层上制作微带电路。
当太赫兹频段为100～300GHz时，矩形波导腔的前端采用减高波导。
当微带探针互联封装一体化结构中包括至少两片太赫兹芯片时，还包括微带，所述微带作为阻抗匹配，并将不同太赫兹芯片的孔状互联结构连接起来。
本发明的有益效果：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；本发明的单片及系统级电路封装结构不需要金丝连接芯片与外围平面传输线，消除了跳金丝结构在太赫兹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；本发明的封装结构还包括以下优点：
(1)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；
(2)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；
(3)本发明的一体化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；
(4)本发明的一体化封装结构的微带电路与常用单片电路采用一样的传输模式，无需模式转换和过渡结构，受设计误差、装配误差的影响小；
(5)本发明的一体化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；
其中，图1(a)为传统金丝键合技术封装结构截面图，图1(b)为传统金丝键合技术封装成品图；
图2为本发明实施例提供的太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路互联一体化封装的上腔体、下腔体的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的微带探针互联封装一体化结构示意图；
图4为本发明实施例提供的微带探针互联封装一体化结构中的内嵌芯片的塑封层结构示意图；
图5为本发明实施例提供的微带探针互联封装一体化结构横截面示意图；
图6为本发明实施例提供微带探针互联封装一体化结构装入下腔体后的示意图；
图7为本发明实施例提供的太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路互联一体化封装的上腔体和下腔体装配示意图；
图8为本发明实施例提供的应用于太赫兹不同频段的仿真结果；
其中，图8(a)为70～110GHz频段的仿真结果，图8(b)为140～180GHz频段的仿真结果，图8(c)为190～270GHz频段的仿真结果，图8(d)为270～380GHz频段的仿真结果；
图9为本发明实施例提供的封装结构应用于多芯片电路(系统级电路)示意图；
图10为本发明实施例提供的多节匹配变换器上的局部反射示意图；
图11为本发明实施例提供的多节渐变结构。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图2和图3所示，本实施例中的太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路互联一体化封装，包括下腔体1、上腔体2、上下腔体之间形成的屏蔽腔3以及微带探针互联封装一体化结构4，上腔体2装配在下腔体1上形成矩形波导腔31、微带电路屏蔽腔32和单片电路屏蔽腔33。
如图3、图4和图5所示，本实施例中的微带探针互联封装一体化结构4，包括微带探针441、探针阻抗匹配微带枝节442、与芯片pad互联的孔状结构445、连接和承载孔状互联结构的微带线444、互联阻抗匹配微带枝节443、Pi介质层44、塑封层41、背面金属化层43、SiC基单片电路42、单片电路测试pad421和地pad422。
塑封层41中内嵌SiC基单片电路42，塑封层41和单片电路42的厚度一致，在本实施例中均为50um，塑封层41背面(除去悬置于波导腔部分)和单片电路42背面制作金属层43，金属层43的作用，一是安装时可用导电胶与下腔体1(即下腔体1中微带电路屏蔽腔32和单片电路屏蔽腔33的对应位置)烧结粘合，二是与塑封层41一起支撑和封装单片电路42。
本领域技术人员应知单片电路42及其对应的塑封层部分、金属层部分置于单片电路屏蔽腔33中。
内嵌芯片的塑封层41上方覆盖一层7um厚的Pi介质层44，一是起到单片电路42封装的作用，二是Pi介质层44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44表面可以制作高精度的微带探针441和阻抗匹配电路442和443。
单片电路42的测试pad421上方对应Pi介质层44的位置钻孔，并制作孔状互联结构445，使测试pad421与微带线444连接，而无需传统的金丝键合跳线结构，微带线444与互联匹配微带枝节443连接，用于修正孔状互联结构445引入的阻抗失配，由于孔状互联结构445和互联匹配微带枝节443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。
本领域的技术人应知微带线444也在单片电路屏蔽腔33中，互联匹配微带枝节443及其对应的塑封层、金属层一部分在单片电路屏蔽腔33中，另一部分在微带电路屏蔽腔32中，所述微带电路屏蔽腔32中还包括阻抗匹配电路442及其对应的塑封层、金属层。
如图6所示，微带探针互联封装一体化结构4安装在下腔体1中的单片电路屏蔽腔33和微带电路屏蔽腔32内，探针441及下方对应的塑封层和Pi介质悬置于波导腔31中，探针阻抗匹配微带枝节442用于波导和微带间的特性阻抗匹配，整体构成波导-微带探针过渡结构。值得说明地是，探针阻抗匹配442和互联阻抗匹配443均采用的双枝节串联微带阻抗匹配网络，相比于单枝节微带阻抗匹配网络，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。另外，如图6所示，考虑实际的加工和装配需求，微带电路屏蔽腔32侧壁与一体化封装结构4的边缘留有30um的缝隙，单片电路屏蔽腔32侧壁与一体化封装结构4的边缘留有0.3mm的缝隙。如图7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。
由于微带探针互联封装一体化结构4上的金属图案一端为探针441，另一端为单片电路pad的孔状互联结构，在两端阻抗差距比较大的情况下，阻抗匹配微带442和443可以调整为多节渐变结构用以优化阻抗匹配。
由小反射理论，如图10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：
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442和443调整为如图11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(即太赫兹芯片)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2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。微带电路屏蔽腔32采用了台阶状结构，用以减小屏蔽腔的尺寸，抑制波导模式和高次模的传播，提升微带电路的性能。
将本发明太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路互联一体化封装，应用于太赫兹的不同频段，并在三维电磁仿真软件HFSS中建模仿真，其中单片电路采用图4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，波导腔31、微带电路腔32、微带探针互联封装一体化结构4及表面的微带，需要根据具体的使用频段设计不同的尺寸，一般频率越高要求尺寸设计越小，在具体应用中(波导腔31、微带电路腔32、微带探针互联封装一体化结构4及表面的微带)尺寸根据需要进行设计。如图8所示，分别在四个频段：图8(a)所示的70～110GHz、图8(b)所示的140～180GHz、图8(c)所示的190～270GHz和图8(d)所示的270～380GHz，对本发明的封装结构进行仿真验证，其中图8(a)中在82.5～108GHz频段的S11小于-25dB，S21大于-0.7dB，图8(b)中在143～177GHz频段的S11小于-20dB，S21大于-0.8dB，图8(c)中在205～258GHz频段的S11小于-17dB，S21大于-1.0dB，图8(d)中在286.5～360GHz频段的S11小于-18dB，S21大于-2.5dB。由仿真结果可知，本发明采用的孔状互联结构445及互联阻抗匹配微带枝节443，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，提升了封装性能。
值得进一步说明地是，如图9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21、上腔体29和系统级电路的微带探针互联封装一体化结构21。其中微带探针互联封装一体化结构21中封装了3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介质层上的微带，级间再由互联匹配微带枝节23连接，用互联匹配微带枝节23直接做两个单片电路之间的阻抗匹配。上腔体29装配在下腔体21上形成矩形波导腔24、微带电路屏蔽腔25、第一级单片电路屏蔽腔26、第二级单片电路屏蔽腔27、第三级单片电路屏蔽腔28。本实施例的一体化封装结构21中的3个单片电路，并不特指某个功能的单片电路，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 (8)
1.一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，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、微带探针互联封装一体化结构，所述微带探针互联封装一体化结构安装在屏蔽腔内；所述屏蔽腔包括矩形波导腔、微带电路屏蔽腔和单片电路屏蔽腔；
所述微带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：微带探针、探针阻抗匹配微带枝节、连接和承载孔状互联结构的微带线、互联阻抗匹配微带枝节；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线相连，连接和承载孔状互联结构的微带线与互联阻抗匹配微带枝节相连，微带探针与探针阻抗匹配微带枝节连接，所述探针阻抗匹配微带枝节还与互联阻抗匹配微带枝节相连；
探针阻抗匹配微带枝节与互联阻抗匹配微带枝节均采用双枝节串联微带阻抗匹配网络；
当内嵌于塑封层中的太赫兹芯片数量大于或等于2时，还包括：两个太赫兹芯片之间由互联匹配微带枝节连接。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，其特征在于，在塑封层覆盖有Pi介质层的对侧制作金属层，安装时采用导电胶将金属层与下腔体烧结粘合。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，其特征在于，所述微带探针距波导短路面距离为四分之一波长。
4.根据权利要求3所述的一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，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所述的一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，其特征在于，采用金属原子溅射技术，在Pi介质层上制作微带电路。
6.根据权利要求5所述的一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，其特征在于，当太赫兹频段为100～300GHz时，矩形波导腔的前端采用减高波导。
7.根据权利要求6所述的一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，其特征在于，当微带探针互联封装一体化结构中包括至少两片太赫兹芯片时，两片太赫兹芯片之间共用互联阻抗匹配微带枝节，这里的互联阻抗匹配微带枝节作为阻抗匹配。
8.根据权利要求7所述的一种太赫兹无跳丝微带探针单片及系统级电路一体化封装结构，其特征在于，塑封层和太赫兹芯片的厚度一致。
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