CN113629042A - 一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，包括：倒装芯片1‑1、连接垫板1‑2、高频电路1‑3、天线基板2‑1、天线面结构2‑2、天线馈电孔2‑3、TSV通孔1‑6；其中，倒装芯片1‑1位于天线基板2‑1的下方，天线馈电孔2‑3贯穿天线基板2‑1，TSV通孔1‑6贯穿倒装芯片1‑1；连接垫板1‑2与高频电路1‑3均位于所述倒装芯片1‑1的下表面并且电连接，天线面结构2‑2位于所述天线基板2‑1的上表面，并且天线面结构2‑2通过天线馈电孔2‑3和TSV通孔1‑6连接所述连接垫板1‑2。本发明在减小高频器件与天线间极小的路径损耗的同时，满足了小尺寸结构和高性能的要求。

Description

一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构
技术领域
本发明涉及无线芯片的新型设计和布局，涉及倒装芯片与TSV通孔的结构设计，并将倒装芯片的另一面与天线基板有机结合，形成集成化结构。尤其将倒装芯片、TSV通孔和基板天线三者有机结合的涉及芯片设计制造、封装和无线天线技术的交叉领域。
背景技术
至今各种涉及电子信息系统的设备及终端，根据应用，大多需要小型化、集成化。至今为止芯片通常安装在母基板上，独立设计安装在母基板外(拉杆天线为代表)或母基板上(微带天线、表贴介质天线为代表)。但是至今为止的芯片封装、不论是普通芯片封装还是系统级封装SiP(System in Package)，在结构上很难将芯片和天线形成单片结构。传统的芯片与天线分离式结构方式，常常带来安装、连接和调试检测的不便外，还可能使得信号性能受外部信号干扰，出现信号传输质量下降，对设备的批量化工业生产的合格率带来不良影响。
此外，移动终端的空间狭小，射频单元中的芯片与天线需要尽可能紧密连接，以减少信号传输损耗。由于高频电路特点和封装树脂对信号传输的影响，现有的引线框架式的芯片树脂结构封装很难实现一体化设计。
例如，中国发明专利公开号CN101057327A揭示了一种用于ID芯片等的天线，其天线不平坦性已被平整化；还揭示了一种具有这种带平面的天线的IC芯片。这有利于制造带天线的集成电路。通过使导电膜11、树脂膜13、集成电路 12和树脂膜14叠在一起而形成的层叠体被卷了起来，使得树脂膜14在外面。然后，通过加热使树脂膜13、14软化，便使层叠体形成卷形。通过沿着使卷曲的导电膜31看起来处于横截面中的那个方向对该卷曲的层叠体进行切割，便形成了由卷曲的导电膜11构成的带天线的IC芯片。
再例如，中国实用新型专利公开号ZL201920060815.7揭示了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，该实用新型的意图是芯片和天线的单体化集成结构在多层基板面的表层可设计加工出所需天线结构，在多层基板的背层一部分形成凹嵌空间，使多层基板作为封装母框体，将裸芯片以点胶形式封装在凹嵌空间内；设计一种低成本的小型化载体结构，既可以实现芯片电路灵活可配置功能，又可以产生芯片天线一体化基板结构。在多层基板1-1底面加工出一个凹嵌空间2-3。把裸芯片2-1借助芯片焊接层材料3-1焊接在多层基板的内层基板衬底上。根据设计布线要求,通过芯片电极引线2-2和层间连线孔 1-4，分别接入到信号线1-2、多层基板接地线1-3、底层电极1-5和接地电极 1-6上。完成芯片装配及部件贴装后，在基板的凹嵌空间内填充封装树脂4-1，并加热使树脂固化。天线1-7设计在基板上表面，天线1-7是通过天线的馈线连接孔1-8传输射频信号。
上述第一例，中国发明专利公开号CN101057327A是针对ID(身份)芯片，实现了与薄膜天线一体化制作工艺；该发明专利只适合面积极小的RFID类的一体化封装情况，无法适合绝大多数规模面积较大通用型RF芯片或SoC(数模混合芯片)，也无法解决芯片散热等问题。
上述第二例，中国实用新型专利公开号ZL201920060815.7揭示了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构；该专利的通用性强，不但适合面积极小的RFID类的一体化封装情况，也适合绝大多数规模面积较大通用型RF芯片或SoC(数模混合芯片)，但该类芯片与天线的一体化结构，最大的缺点是一体化结构的外型尺寸的高度相对较高，散热相对要差一些。
如何设计出一种针对倒装芯片，通过TSV在芯片的背面贴上含有天线的基板，实现了天线功能和尺寸的最佳自由设计，又可以将芯片与天线之间的高频信号传输路径减小到尽可能短的距离，且满足尺寸和散热较好的集成化结构器件，是小型化、薄型化系统终端的技术背景的要求。
发明内容
因此，本发明针对上述需求，创新性地设计一种满足终端小型化和薄型化需要、将倒装芯片与天线基板小型化立体集成结构。本发明的目标是通过以下技术方案实现的。
具体的，根据本发明的思路，本发明公开了一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，包括：
倒装芯片、连接垫板、高频电路、天线基板、天线面结构、天线馈电孔、TSV通孔；其中，倒装芯片位于天线基板的下方，天线馈电孔贯穿天线基板， TSV通孔贯穿倒装芯片；连接垫板与高频电路均位于所述倒装芯片的下表面并且电连接，天线面结构位于所述天线基板的上表面，并且天线面结构通过天线馈电孔和TSV通孔连接所述连接垫板。
进一步地，所述天线基板的下表面上具有背面电极，所述背面电极通过与倒装芯片的上表面的垫板植入的焊球焊接后，在倒装芯片和天线基板之间填胶、固化后形成稳定的芯片保护结构。
进一步地，所述天线面结构通过掩膜或金属溅射工艺加工成几何结构。
进一步地，所述几何结构为螺旋回形结构。
进一步地，所述倒装芯片包括装配和电极连接功能的倒装垫板，所述倒装垫板上具有焊球，用于与外接母板焊装。
进一步地，所述高频电路的电源、信号线、控制线和/或接地线，与倒装芯片的多个倒装垫板选择性连接。
进一步地，通过倒装FC工艺焊，将所述焊球与外接母板的表面电极焊接后，在倒装芯片和外接母板之间填胶，固化后形成稳定的芯片保护结构。
进一步地，所述天线面结构包括基本天线单元、和含有片上电容、电感的匹配电路。
根据本发明的思路，本发明还公开了一种无线芯片，包括上述的基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构。
根据本发明的思路，本发明还公开了一种电子设备，包括上述的无线芯片。
本发明的优点在于：实现了天线功能和尺寸的最佳自由设计，又可以将芯片与天线之间的高频信号传输路径减小到尽可能短的距离，且满足尺寸和散热较好的集成化结构器件；减小高频器件与天线间极小的路径损耗的同时，实现小型化的无线收发功能；将芯片与天线之间的高频信号传输路径减小到最小，且满足了小尺寸结构和高性能的要求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1一种基于芯片倒装工艺与基板天线的集成化结构示意图；
图2一种基于芯片倒装工艺与基板天线的集成化结构的母版装配示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明涉及一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，在含有高频电路芯片的基础上，通过采用倒装(Flip Chip，FC)与半导体芯片通孔(Through Silicon Via,TSV)工艺结合的结构设计，实现高频低损耗、小型化的芯片与天线的一体化无线收发功能。
针对倒装芯片，该芯片含有高频电路、芯片通孔(TSV)、高频通孔Pad、倒装Pad、倒装Pad焊球、天线基板、基板表面天线、基板天线馈线连接孔、天线基板接地电极、天线基板的导体焊接Pad。其中核心的特点是所述倒装芯片，具有除了芯片电路面的倒装Pad之外，还含有芯片高频电路的芯片通孔，通过芯片TSV通孔的上下Pad，形成了一个将倒装芯片一面(下面)的高频电路的信号通过TSV通孔馈通到倒装芯片的另一面(上面)Pad，也就是该芯片除了具备倒装芯片的结构外，两面设置的Pad通过TSV孔连接起来，传输射频信号是其关键点之一。
设计出的基板表面天线基板位于上述倒装芯片的上表面，天线馈线连接孔 Pad与芯片TSV通孔Pad焊接相连。
所述倒装芯片与天线基板之间除了焊球连接外，焊接后的下一道工序是填充树脂胶，以覆盖倒装芯片与天线基板焊接后的四周及内部空隙，起到保护作用，且借助树脂胶，形成了一个倒装芯片与天线基板的一体化器件集合体结构。
最后，上述的一体化结构中的倒装芯片的另一面含有倒装Pad，涂敷倒装焊球，通过倒装焊接工艺，再次将一体化单体结构器件焊接到母基板上。
射频电路阻抗与天线阻抗的匹配，必须在其之间设置匹配电路，才能把最佳性能发挥出来，为此所述微带型基板天线的基板面常常可以包含至少表贴无源器件形成的基板天线与倒装芯片的匹配电路。例如，包括基本天线单元、和含有片上电容、电感的匹配电路。
如图1所示，图1是一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构示意图，包括：倒装芯片1-1、连接垫板1-2、高频电路1-3、天线基板2-1、天线面结构2-2、天线馈电孔2-3、TSV通孔1-6；其中，倒装芯片1-1位于天线基板2-1的下方，天线馈电孔2-3贯穿天线基板2-1，TSV通孔1-6贯穿倒装芯片 1-1；连接垫板1-2与高频电路1-3均位于所述倒装芯片1-1的下表面并且电连接，天线面结构2-2位于所述天线基板2-1的上表面，并且天线面结构2-2通过天线馈电孔2-3和TSV通孔1-6连接所述连接垫板1-2。
芯片1-1与天线基板2-1的一体化连接是用倒装FC工艺焊技术来实现的，天线基板2-1的背面电极2-5通过与芯片1-1的上表面的垫板1-4植入的焊球 1-5焊接后，在芯片1-1和天线基板2-1之间填胶4-1、固化后形成稳定的芯片保护结构。此外天线基板2-1中的2-4是基板反射面，其作用是将天线发出的电磁波辐射能量的范围角度控制在芯片上方半球。
天线面结构2-2通过例如掩膜与金属溅射工艺加工等成设计所要求的几何结构。几何结构可以为螺旋回形结构，当然天线面结构2-2的几何结构也可以采用其他合理的结构形式，本实施例的举例并非用于限制。
此外，图1中倒装芯片1-1含有装配和电极连接功能的倒装垫板Pad3-4，倒装垫板Pad3-4上植上焊球3-5，便于与其他母板焊装。
底面高频电路1-3根据电性能和工作的实际需要，其电源、信号线及控制线以及接地线等，根据芯片和系统要求，可设计与倒装芯片的多个Pad3-4选择性连接。天线面结构2-2可以包括基本天线单元、和含有片上电容、电感的匹配电路。
进一步的，本发明通过倒装FC工艺焊，将焊球3-5与外接母板的表面电极焊接后，在倒装芯片1-1和外接母板之间填胶，固化后可以形成稳定的芯片保护结构。
实施例1
无线功能的设备，是离不开高频芯片和天线的。芯片需要可靠性保护的同时，天线需要尽可能直接敞开向空中发射或接收信号，目前的敞开式分离连接的安装结构，易受其他信号的辐射干扰。本发明专利涉及的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，在含有高频芯片的基础上，通过采用倒装FC与半导体TSV通孔工艺，将高频芯片的输入输出端的电极通过TSV与天线基板馈电端连接起来，并在高频芯片与天线基板的电极焊接完成后，在二者之间填胶形成稳定的保护结合一体化结构；最后将倒装芯片与基板天线一体化的器件通过倒装FC工艺焊接在其他母基板表面，减小高频器件与天线间极小的路径损耗的同时，实现小型化的无线收发功能。
在本发明实际设计出的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构器件的机理和实现的实施结构在图1中得到充分体现。
近年来硅基芯片通孔TSV技术得到了实用化进步发展，以此为基础的新的电路和结构新产品理念还没有得到充分挖掘。为此如何充分发挥芯片的高频性能的同时，使得不同器件尽可能小型化、低成本是不断追求的目标。尽可能使得天线与高频芯片结合的更加紧密紧凑，减小信号衰减损失，是本发明的实施的核心。
首先，如图2所示，在已经含有高频电路1-3的倒装芯片1-1中加工含有 TSV通孔1-6的工艺加工基础上，通过芯片TSV通孔1-6将高频电路1-3的 Pad1-2与基板2-1制成的天线馈电孔2-3连接，基板天线面结构2-2是基板独立设计制成的。芯片1-1与天线基板2-1的一体化连接是用倒装FC工艺焊技术来实现的，天线基板2-1的背面电极2-5通过与芯片1-1的另一面Pad1-4植入的焊球1-5焊接后，在芯片1-1和天线基板2-1之间填胶4-1、固化后形成稳定的芯片保护结构。此外天线基板2-1中的2-4是基板反射面，其作用是将天线发出的电磁波辐射能量的范围角度控制在芯片上方半球。
此外，图中倒装芯片1-1的电路面含有装配和电极连接功能的倒装Pad3-4，倒装Pad3-4上植上焊球3-5，便于与其他母版焊装。
本发明基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构在母版上的安装示意图如图2所示。将含有倒装芯片和天线的一体化器件中的芯片1-1再次通过倒装FC工艺焊，与母基板3-1的表面电极3-6通过焊球3-5焊接后，在芯片1-1和母版3-1之间填胶4-2、固化后形成稳定的母版上的保护结构形态。
设计出的这种针对倒装芯片，将芯片与天线之间的高频信号传输路径减小到最小，且满足了小尺寸结构和高性能的要求，这是本发明的最大特点和优点。
根据本发明的思路，本发明还公开了一种无线芯片，包括上述的基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构。
根据本发明的思路，本发明还公开了一种电子设备，包括上述的无线芯片。
需要说明的是：
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备有固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本申请也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本申请的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本申请的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本申请的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本申请实施例的虚拟机的创建装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本申请还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序 (例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本申请的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，包括：
倒装芯片、连接垫板、高频电路、天线基板、天线面结构、天线馈电孔、TSV通孔；
其中，所述倒装芯片位于天线基板的下方，所述天线馈电孔贯穿天线基板，所述TSV通孔贯穿倒装芯片；
所述连接垫板与高频电路均位于所述倒装芯片的下表面并且电连接，所述天线面结构位于所述天线基板的上表面，并且所述天线面结构通过所述天线馈电孔和TSV通孔连接所述连接垫板。
2.根据权利要求1所述的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，
所述天线基板的下表面上具有背面电极，所述背面电极通过与倒装芯片的上表面的垫板植入的焊球焊接后，在所述倒装芯片和天线基板之间填胶、固化后形成稳定的芯片保护结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，
所述天线面结构通过掩膜或金属溅射工艺加工成几何结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，
所述几何结构为螺旋回形结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，
所述倒装芯片包括具有装配和电极连接功能的倒装垫板，所述倒装垫板上具有焊球，用于与外接母板焊装。
6.根据权利要求5所述的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，
所述高频电路的电源、信号线、控制线和/或接地线，与倒装芯片的多个倒装垫板选择性连接。
7.根据权利要求5所述的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，
通过倒装FC工艺焊，将所述焊球与外接母板的表面电极焊接后，在倒装芯片和外接母板之间填胶，固化后形成稳定的芯片保护结构。
8.根据权利要求1所述的一种基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构，其特征在于，
所述天线面结构包括基本天线单元、和含有片上电容、电感的匹配电路。
9.一种无线芯片，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的基于倒装工艺芯片与基板天线的集成化结构。
10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求9所述的无线芯片。
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