CN114041243A - 薄型天线设备 - Google Patents

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Viasat Inc
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Abstract

本发明公开了一种天线设备，该天线设备包括具有多个天线元件的第一子组件和附着到该第一子组件的第二子组件。该第二子组件可包括封装在模塑材料内的波束形成网络的多个部件。一个或多个互连层可设置在该模塑材料上以将该波束形成网络的该多个部件电耦接到该多个天线元件。本发明还公开了制造该天线设备的方法。

Description

薄型天线设备
技术领域
本公开整体涉及天线阵列。
背景技术
天线阵列当前以微波和毫米波频率被部署在各种应用中，诸如被部署在飞行器、卫星、车辆和用于一般陆基通信的基站中。此类天线阵列通常包括微带辐射元件，该微带辐射元件用相移波束形成电路驱动，以生成用于波束导向的相控阵列。在许多情况下，希望整个天线系统(包括天线阵列和波束形成电路)占据薄型的最小空间，同时仍然满足必要的性能度量。
发明内容
在本发明所公开的技术的一个方面，一种天线设备包括具有多个天线元件的第一子组件以及附着到第一子组件的第二子组件。该第二子组件包括封装在模塑材料内的波束形成网络的多个部件以及在模塑材料上的一个或多个互连层。该一个或多个互连层将波束形成网络的该多个部件电耦接到该多个天线元件。
该部件可包括具有动态受控的相移器的集成电路(IC)芯片，使得天线设备可作为相控阵列操作。
在另一方面，一种形成天线设备的方法包括：形成包括多个天线元件的第一子组件；以及将波束形成网络的多个波束形成部件封装在模塑材料内以形成嵌入式部件结构。然后可在嵌入式部件结构上形成一个或多个互连层，从而形成第二子组件。然后可将第一子组件附着并电连接到第二子组件，使得该多个波束形成部件电耦接到该多个天线元件。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，所公开的技术的以上和其它方面和特征将变得更加明显，在附图中，相同的附图标号指示相同的元件或特征，其中：
图1是根据实施方案的示例天线设备的透视图。
图2A是天线设备的示例天线元件的透视图。
图2B是示出天线元件和天线设备的IC芯片之间的示例布置和连接技术的剖视图。
图3A示意性地示出被配置为用于传输和接收操作的相控阵列天线的天线设备100的示例。
图3B示意性地示出图3A的T/R电路的示例。
图4是沿着图1的IV-IV’线截取的天线设备的一部分的剖视图。
图5是天线设备的示例嵌入式部件子组件的平面图。
图6是描绘用于制造天线设备的示例方法的流程图。
图7是形成嵌入式部件子组件的示例方法的流程图。
图8A、图8B、图8C、图8D、图8E、图8F和图8G是示出形成图7的嵌入式部件子组件的方法中的相应步骤的剖视图。
图9是天线设备的另一个示例嵌入式部件子组件的平面图。
图10是形成嵌入式部件子组件的另一种示例方法的流程图。
图11A、图11B、图11C、图11D和图11E是示出形成图10的嵌入式部件子组件的方法中的相应步骤的剖视图。
具体实施方式
为了进行示意性的说明，参考附图提供以下描述以帮助全面理解本文所公开的技术的某些示例性实施方案。该描述包括各种具体细节以帮助本领域的普通技术人员理解该技术，但这些细节应被视为仅是示例性的。当包括公知功能和结构的描述可能使技术人员对本技术的理解模糊时，为了清楚和简洁，可省略公知功能和结构的描述。
图1是根据实施方案的示例天线设备100的透视图。天线设备100可包括天线子组件110，该天线子组件附着到嵌入式部件子组件150以形成具有薄型的堆叠结构。天线子组件110包括多个天线元件120，该多个天线元件在空间上布置在基板117的顶部主表面上以形成天线阵列122。天线元件120的数量、其类型、大小、形状、元件间间距及其被驱动的方式可通过设计来改变以实现目标性能度量。此类性能度量的示例包括在必要的频带上的波束宽度、指向方向、偏振、旁瓣、功率损耗、波束形状等。在典型的情况下，天线阵列122包括至少16个天线元件120。天线元件120可以是如图1所示的微带贴片天线元件，但可用其它辐射器类型取代，诸如印刷的偶极或开槽元件。接地层119可形成在基板117的底部主表面上。取决于应用，天线元件120可连接到波束形成部件，以用于传输和/或接收RF信号。下文的描述将假设天线设备100具有并发传输和接收能力，但是其它实施方案可被配置用于仅接收或传输。在一个示例中，天线元件120被设计用于在通常被定义为在30GHz到300GHz范围内的频带的毫米(mm)波频带上操作。在其它示例中，天线元件120被设计成在30GHz以下操作。
暂时参考图2A，在透视图中示出天线设备100内的天线元件120的一个示例。(稍后论述的图2B以剖视图示出天线元件120。)天线元件120可被印刷在基板117的顶部表面上，或者可设置在顶部表面下方的基板117内。可被金属化印刷在基板117的底部表面上的接地层119将信号能量反射到天线元件120/反射来自该天线元件的信号能量。基板117可以是低损耗角正切材料，诸如石英或熔融的二氧化硅。这能够特别有利于用于最小化损耗的高频率操作。每个天线元件120可由相应的微带探头馈电件114驱动，该微带探头馈电件竖直延伸穿过基板117，并且在p点处直接连接到天线元件的下表面。微带探头馈电件114可形成为穿过基板117的基板穿过通孔(TSV)(下文称为“通孔”)。因此，为相应多个天线元件120馈电的多个探头馈电件114可被认为是延伸穿过电介质117的通孔阵列。可将p点选择为处于天线元件120的主体内的一定位置，以实现期望的偏振(例如，当距中心偏置一定距离时为圆形)。可在贴片元件中形成狭缝121以用于阻抗匹配。需注意，在替代性设计中，探头馈电件可被取代为插入式馈电件和/或与天线元件120的非接触耦接式连接件。
仍然参考图1，嵌入式部件子组件150包括封装在模塑材料152内的波束形成网络部件，从而一起形成嵌入式结构154，该嵌入式结构有时可被称为重构晶片。子组件150可还包括一个或多个互连层155(在本文中可互换地称为“再分布层(RDL)”)，该一个或多个互连层形成在模塑材料152上(例如，使用电介质和导电材料的多步沉积工艺)，以将波束形成网络部件电耦接到天线元件120。此类波束形成网络部件的示例包括：集成电路(IC)芯片160；可形成组合器/分配器网络的传输线区段180；以及至少一个RF馈通传输线170。IC芯片160可以是单片微波IC(MMIC)芯片。在一个示例中，IC芯片160各自是磷化铟(InP)。在另一个示例中，IC芯片可以是另一种半导体材料，诸如砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等。任何IC芯片160都可为若干天线元件120馈电。(在本文中，为天线元件“馈电”是指向天线元件传输信号和/或从天线元件接收信号。)
在下文中，传输线区段180可以可互换地称为组合器/分配器网络180。在传输方向上，组合器/分配器网络180用作分配器，该分配器将通过传输线170施加的RF传输信号分成多个分开的传输信号，每个分开的传输信号被施加到IC芯片160中的一个IC芯片。在接收方向上，组合器/分配器网络180用作组合器，该组合器将多个接收信号进行组合，该多个接收信号各自由一组天线元件120接收并被路由通过IC芯片160(并且通常被该IC芯片修改)。因此，IC芯片160可共同包括电耦接到天线阵列122的“RF前端”。为了传输信号，RF前端可包括功率放大器，该功率放大器用于以分布式方式放大通过传输线170施加的RF信号。在接收方向上，RF前端可包括低噪声放大器、混合器、滤波器、开关等。如果天线阵列122作为相控阵列被馈电，则IC芯片160可包括在传输和/或接收路径中有效的相移器，以用于将天线元件120相对于彼此定相，从而动态地导向天线波束。在示例中，单个同轴馈通传输线(“coax馈通件”)170可在传输侧上路由输入RF信号以及/或者在接收侧上路由来自所有天线元件120的组合的接收信号。在其它情况下，提供两个或更多个coax馈通件170，并且传输/接收信号的附加的分开/组合是在天线设备100的另一层处进行的，例如通过将去往/来自多个coax馈通件170的信号分开/组合。coax馈通件170是天线设备100的输入/输出端口的示例。可用其它类型的馈通件取代，诸如CPW馈通件。
图3A示意性地示出被配置为用于传输和接收操作的相控阵列天线的天线设备100的示例。该示例中的天线设备100包括N个IC芯片1601至160N和(N×k)个天线元件(1201-1至1201-k),…,(120N-1至120N-k)，其中每个芯片160连接到k个天线元件120，并且变量N和k各自为二或更大。(然而需注意，在某些其它实施方案中，可以只有一个天线元件120连接到每个IC芯片160。)在图1的示例中，可以看到，一个IC芯片160位于四个天线元件120下面(并且连接到该四个天线元件)，并且因此k＝4。每个IC芯片160i(i＝从1到N的任何数)包括k个传输/接收(T/R)电路165i-1至165i-k。任何T/R电路165i-j(j＝从1到k的任何数)的一端连接到相应的天线元件120i-j，并且T/R电路165i-j的另一端连接到组合器/分配器网络180的相应馈电点。在传输方向上，来自馈通件170的传输RF信号(例如，从调制解调器提供)被组合器/分配器180分成(N×k)个信号，其中每个分开的信号被馈电到单独的T/R电路165并且被该T/R电路165修改(例如，放大、相移和/或滤波)。每个T/R电路165的经修改的信号被输出到待被辐射的相应天线元件120。在接收方向上，由每个天线元件120接收到的接收信号被馈电通过每个对应的T/R电路165并被修改(例如，放大、滤波和/或相移)。每个经修改的接收信号被输出到组合器/分配器180的输入点，该组合器/分配器将所有经修改的接收信号进行组合并向馈通件170提供组合的接收信号。
图3B示出了T/R电路165i-j的一个示例，其可用于图12A的天线设备100中的任何T/R电路165。T/R电路165i-j可包括：一对T/R开关70、72；传输路径相移器82；传输放大器80；接收放大器60和接收路径相移器62。控制信号CNTRL可应用于T/R电路165i-j以控制T/R开关70、72的切换状态，并且还可动态地控制相移器62、82的相移。在传输间隔期间，T/R开关70和72被切换到第一开关位置，以将从组合器/分配器网络180入射的传输信号路由通过相移器82和放大器80到天线120i-j。在接收间隔期间，T/R开关70和72被切换到第二开关位置，以将来自天线120i-j的RF接收信号路由通过放大器60和相移器62到组合器/分配器网络180。相同的频带或不同的频带可用于传输和接收操作。
图3B的T/R电路165i-j是但仅是T/R电路的一个示例，其在共享的天线元件120(共享用于处理传输信号和接收信号)和共享的组合器/分配器网络180之间路由传输和接收信号。可用本领域技术人员已知的其它配置取代。例如，替代性T/R电路可省略T/R开关70、72，并且用合适的隔离机构对传输和接收操作分别利用不同的频带，以防止传输信号功率损坏接收放大器60。还可通过实现偏振分集方案来省略T/R开关70、72(例如，在传输上左手圆形，在接收上右手圆形，或反之亦然)。
返回图2B，示出了剖视图，该图示出天线设备100的任何天线元件120和IC芯片160之间的示例布置和连接技术。IC芯片160嵌入嵌入式结构154内，并且可具有信号线接触件162s和在嵌入式结构154的顶部表面S1处或附近的一对接地接触件162g，用于路由RF信号。在互连层155内形成的导电通孔Vs、Vg各自具有连接到接触件162s、162g的相应端和具有相应接触焊盘Ps、Pg的相对端。在组装阶段中，可通过将接地层119的下表面附着到互连层155的顶部表面S2而将天线子组件110附接到子组件150。此类附接可在子组件110、150上的相应焊盘之间用电粘结材料(例如，焊料)实现，并且任选地在子组件110、150的其它表面区域上使用粘合剂来补充。在该组装阶段期间，可通过在附着过程期间熔化然后冷却焊料球(或凸块/柱)147s而将焊盘Ps焊接到微带探头馈电件114。同样，可通过相应的一对焊料球147g将一对焊盘Vg焊接到接地层119，从而在馈电件114/接地层119与IC芯片160的信号点/接地点之间形成接地-信号-接地(GSG)连接。焊料球147s、147g可初始已附着到天线馈电件114/接地层119，如图2B所示，或者另选地附着到焊盘Ps、Pg。
在示出的实施方案中，在IC芯片160位于天线元件120正下方的情况下，通孔Vs、Vg形成IC芯片160和天线元件120接接触件之间的期望的短连接。在IC芯片160不位于天线元件120正下方的其它实施方案中，可对互连层155内的共面波导(CPW)传输线的点进行GSG连接。此类CPW传输线可具有延伸到焊盘Ps的内部迹线和分别延伸到一对焊盘Pg的一对接地迹线(内部迹线的每侧上有一条)。
图4是沿着图1的IV-IV’路径截取的天线设备100的一部分的剖视图。在该示例横截面中，嵌入式部件子组件150包括IC芯片160、传输线区段180、同轴线(“coax”)馈通件170和DC通孔190。可以上文针对图2B所述的方式将IC芯片160连接到子组件110的一个或多个天线元件120。在上述附着阶段之后，可在子组件110、150之间形成绝缘附着层130。如果施加粘合剂以补充使用GSG焊料连接件的子组件110、150的机电附接，则存在附着层130；否则，可省略附着层130。在示出的示例中，该一个或多个RDL层155包括下部RDL层155a和上部RDL层155b，其中上部RDL层155b将导电迹线(诸如198、168和188)与附着层130/接地层119隔开。在替代性设计中，省略了上部RDL层155b，使得仅附着层130将接地层119与在RDL层155a顶上的导电迹线隔开。
IC芯片160、传输线区段180和coax馈通件170各自是嵌入模塑材料(“封装物”)152内的波束形成网络部件的示例，并且可各自具有与封装物152的上表面s1基本上共面的上表面。可通过从表面s1延伸到RDL层155a的上表面s4的相应通孔V1来形成这些元件之间的RDL层连接。任何通孔(诸如V1、Vg或190)可具有延伸穿过周围的介电材料的筒体(例如，通孔190的筒体191)以及相对端上的一对焊盘，例如P1、P3、Pg、Ps。例如，IC芯片160可具有连接到通孔V1的接触件162f，该通孔继而连接到导电迹线198、另一个通孔V1和DC通孔190。DC通孔190可延伸到封装物152的下表面s3，在该表面处其相对端具有下部焊盘P3。沿表面s4图案化的导电迹线198、168、188可通过连接到通孔焊盘来互连波束形成部件。在施加电介质层以形成RDL层155a之前，可形成在封装物152的顶上表面s1上形成的任何通孔焊盘。在施加RDL层155a电介质之后，可形成通孔的相对焊盘，并且然后可钻出穿过顶部焊盘并延伸穿过下部焊盘的通孔孔穴。然后可用导体填充通孔孔穴(例如电镀)以完成通孔形成。
还可通过RDL层155在各个部件之间进行共面波导(CPW)连接以形成用于路由RF信号的互连件。例如，传输线区段180可包括导电迹线，诸如沿低损耗介电材料185(诸如石英或熔融的二氧化硅)的顶部表面延伸的内部CPW迹线182。介电材料185理想地是具有比封装物152的损耗角正切小的损耗角正切的材料。稍后作为图5的迹线184a、184b论述的未在图4中示出的外部CPW迹线可平行于在其相对侧上的内部迹线182延伸。(在图4的剖视图中，一条CPW外部迹线可位于内部迹线182的前面，而另一条外部迹线位于内部迹线182的后面。)内部迹线182的一端可通过由一对通孔V1之间的RDL迹线168形成的互连件连接到IC芯片160的信号接触件162t。同样，一对外部RDL迹线(未示出)可将传输线区段180的外部CPW迹线连接到IC芯片160的在信号接触件162t的相对侧上的一对接地接触件(图4中未示出，但在图5中示例为接触件162g)。
同轴线170由电介质176构成，诸如将内部导体172和外部柱形导体174隔开的玻璃。同轴线170可从表面s1竖直延伸到封装物152的下表面s3。内部导体172可通过包括一对通孔V1之间的RDL迹线188的互连件连接到内部CPW迹线182的另一端。外部导体174可在两个点处连接到内部迹线182的相对侧上的外部迹线。例如，在图4的剖视图中，可在内部CPWRDL迹线188后面形成通孔V2。该通孔V2可将外部导体174的点电连接到位于内部CPW RDL迹线188后面的RDL外部CPW迹线中的一条RDL外部CPW迹线。coax馈通件170和DC通孔190可各自连接到表面s3处的表面安装连接器(未示出)。可根据需要将一个或多个附加IC芯片安装到表面s3并且通过附加通孔连接到IC芯片160。此类附加IC芯片的一个示例是向IC芯片160提供电压的稳压器芯片。另一个示例是微处理器芯片，其向波束形成电路系统(诸如IC芯片160内的相移器和/或T/R开关)提供控制信号。
图5是天线设备100的示例嵌入式部件子组件150的平面图。子组件150可包括以平面栅格布置进行布局的IC芯片160。传输线区段180设置在IC芯片160中的一些IC芯片之间的空间(“街道”)中。虽然传输线区段180被描绘为单个区段，但其可由通过RDL层155中的互连件彼此互连的多个区段构成。间隙“g”可将传输线区段180的边缘与IC芯片160的相邻侧隔开。在一些情况下，分配最小间隙g大小以考虑热膨胀。通常期望具有小间隙g，但是间隙大小可主要由制造限制条件决定。多个通孔190可邻近每个IC芯片160的一个或多个边缘设置。每个通孔190可通过RDL互连件198连接到相邻IC芯片160的相应接触件162f，以将DC偏置信号或控制信号路由到该IC芯片160/路由来自该IC芯片的DC偏置信号或控制信号。例如，DC偏置信号可偏置IC芯片160的传输方向功率放大器和/或接收方向低噪声放大器(LNA)。控制信号可动态地控制IC芯片160内的相移器的相位。
IC芯片160可具有矩形轮廓。IC芯片160中的至少一些IC芯片可位于若干天线元件120的部分的正下方，使得通过通孔实现到探头馈电件114的短连接。例如，IC芯片160的信号接触件162f可位于互连层155中的相应通孔的正下方，该通孔继而位于探头馈电件114的正下方。每个天线元件120的大多数部分(例如，包括探头馈电点的部分)可覆盖IC芯片160的相应部分。天线元件120中的一些天线元件可具有覆盖IC芯片160的拐角的大多数部分，其中少数部分位于IC芯片160的周边之外。
具有内部导体172和外部导体174的coax馈通件170可通过传输线区段180将输入RF信号路由到一些或全部IC芯片160。如图4所述，内部导体172可通过RDL互连件188连接到内部CPW迹线182的近侧端部。另外，第一CPW外部迹线184a和第二CPW外部迹线184b可在RDL层155中通过相应的焊盘P1和RDL互连件189a、189b在独立的点处连接到外部导体174。可通过将内部CPW迹线182分流成如图5所示的多个路径以分开RF传输信号的信号能量并且通过提供附加CPW外部迹线(诸如迹线184c、184d和184e)来形成分配器网络(在传输上)。每个IC芯片160内的功率放大器可在路由到天线元件120之前放大分流RF信号的部分。通过合适的传输/接收(T/R)切换，相同的CPW导电迹线可用作接收路径中的组合器网络，以组合由天线元件120接收到并且由IC芯片160内的低噪声放大器(LNA)放大的RF接收信号。可使用RDL互连件将CPW外部迹线各自连接到相邻IC芯片160内的接地接触件162g。同样，内部CPW迹线182的远侧端部可各自通过RDL互连件168连接到IC芯片160中的相应一个IC芯片中的信号接触件162t(参见图4)。
图6是描绘用于制造天线设备100的示例方法600的流程图。最初，天线元件子组件110和嵌入式部件子组件150可单独形成(框S610)。例如，可通过首先将低损耗电介质117(例如，石英或熔融的二氧化硅)的块预切割成天线设备100的期望轮廓来形成天线元件子组件110。然后，可将电介质117的下部主表面图案化为除了包围每个探头馈电件114的位置的圆形区域之外具有接地层119。然后可在该圆形区域内的下表面上形成用于探头馈电件114的焊盘，并且钻出穿过该焊盘的通孔孔穴。然后可电镀该通孔孔穴以形成体现为通孔的探头馈电件114。需注意，可在形成探头馈电件114之前或之后形成接地层119。然后可通过在与探头馈电件114位置一致的区域处进行图案金属化而在电介质117的上部主表面上形成天线元件120，从而完成天线元件子组件110。在替代性顺序中，在用于形成探头馈电件114和/或接地层119的过程之前形成天线元件120。可以下文结合图7所描述的方式形成嵌入式部件子组件150。可将GSG焊料球附接到子组件110或150的GSG接触件。
接着，可将天线部件子组件110直接附着(S620)到嵌入式部件子组件150，同时并发地熔化并冷却GSG焊料球以在该两个子组件之间形成GSG互连件，如图2B所论述。(如上所述，在一些实施方案中，GSG焊料连接件可用作整个机械连接件，而无需补充粘合剂。)然后可将剩余的部件附接(S630)到嵌入式部件子组件150。这些部件可包括上述表面安装同轴连接器和DC连接器，以及安装到封装物152的下表面s3的IC。
图7是形成嵌入式部件子组件150的示例方法700的流程图，并且图8A-图8G是示出与方法700中的相应步骤相对应的结构的剖视图。在初始步骤S710中，将粘合剂箔810(参见图8A)层压到载体板820上，从而形成载体组件830。然后可使用拾取和放置工具将波束形成部件放置(S720)到该箔上(参见图8B)。该波束形成部件可包括例如：IC芯片160；传输线区段180(例如，具有或不具有已经形成的CPW导电迹线182、184的石英区段)；一个或多个RF馈通件，例如，coax馈通件170；以及具有与IC芯片160不同的功能/材料/尺寸的其它IC芯片(未示出)。一些波束形成部件(例如，IC芯片160中的任何IC芯片)可在放置在粘合剂箔810上之前具有附接到该波束形成部件上的散热突片(例如，图11B的散热突片1102，稍后论述)。
然后可使用压模机将处于未固化状态的(液体或柔软的)模塑材料152施加(S730)在波束形成部件周围的粘合剂箔的表面上，并且施加在至少一些波束形成部件的表面之上。模塑材料152的示例包括环氧树脂模塑料、液晶聚合物(LCP)和其它塑料，诸如聚酰亚胺。此处，可以至少为相对于箔表面的最高部件(例如，coax馈通件170)的高度的厚度施加模塑材料152。然后可将模塑材料152固化并且任选地修整/平面化该模塑材料以形成具有嵌入式部件结构154的过渡结构，如图8C所描绘的。这样，可将嵌入式部件结构154形成为具有基本上平面状的相对主表面s1、s3的晶片状结构，并且可将其还处理为晶片。
在以下步骤中(S740)中，可使用去粘结工具通过与嵌入式结构154去粘结而从过渡结构移除载体820和箔810，并且可翻转嵌入式结构154，如图8D中所见。(需注意，在图8D中，如果散热突片附接到IC芯片160，则该突片的厚度可能已被预设或稍后修整，使得该突片的下表面与模塑材料152的表面s3共面。)然后可在结构154的相对表面s1和s3上在有待形成通孔或有待形成与其它部件连接的电接触件的位置处形成焊盘(S750)。如图8E中所见，通过图案金属化在顶部表面s1上形成用于形成穿过互连层155的后续通孔的部分的焊盘P1、Ps和Pg。在该处理阶段期间，如果传输线区段180被嵌入而没有CPW导电迹线182、184，则可在形成焊盘P1、Ps、Pg时通过图案金属化并发地形成该CPW导电迹线。用于形成穿过模塑材料152的通孔(例如190)的部分和/或用于连接到其它部件的焊盘P3也可形成在下表面s3上。可钻出穿过焊盘和模塑材料152的通孔孔穴并且用导电材料填充(S760)(例如通过电镀)以形成完整的通孔(例如190)。需注意，作为在嵌入过程之前以单个部件的形式提供coax馈通件170的替代方案，可使用多个独立的嵌入式部件在该处理阶段形成该coax馈通件。
然后可在嵌入式部件结构154之上形成具有通孔和互连件的一个或多个RDL层155(S770)。例如，在具有第一RDL层155a和第二RDL层155b的设计中，可首先在嵌入式结构154的顶上表面s3形成第一RDL层155a，如图8F所示。后续步骤可形成穿过层RDL层155a的通孔V1，以及形成在RDL层155a的表面s4上的导电迹线(诸如198、168和188)，以完成波束形成部件之间的互连。之后，可在第一RDL层155b的顶部表面s4上形成第二RDL层155b。然后可形成延伸穿过第一RDL层155a和第二RDL层155b两者的通孔Vg和Vs。在替代性顺序中，可在通孔V1形成时(即在形成第二RDL层155b之前)首先形成每个通孔Vs和Vg的下部部分。然后可在施加第二RDL层155b之后形成通孔Vs和Vg的上部部分。
图9示出根据另一个实施方案的另一个示例天线设备100'的局部布局。天线设备100'可包括附着到嵌入式部件子组件150'的天线子组件110'。天线子组件110'可具有与天线子组件110基本上相同的构造，但是具有延伸的介电部分117，ADC/DAC/处理器910附接或嵌入该延伸的介电部分。另选地，ADC/DAC/处理器910附接到或嵌入子组件150'的延伸部分，并且介电部分117可不延伸。子组件150'可包括嵌入式IC芯片160'和嵌入式IC芯片960，它们通过具有与上述类似或相同的构造的至少一个互连层155彼此互连。IC芯片960可具有与IC芯片160'不同的功能和/或可由不同的半导体材料构成。在示例中，IC芯片160'包括InP晶体管(例如，功率放大器、低噪声放大器等)，而IC芯片960包括硅基或SiGe基晶体管(例如，波束形成元件，诸如相移器等)。IC芯片160'可包括RF功率放大器，并且可以先前针对IC芯片160描述的方式通过该至少一个互连层155中的通孔直接连接到天线子组件110'的天线元件120。IC芯片960可通过延伸的信号路径连接到天线元件120。
在一个示例中，IC芯片960包括接收器前端电路系统，例如低噪声放大器(LNA)、带通滤波器、相移器等，其通过IC芯片160’内和/或该一个或多个互连层155内的导电迹线连接到天线元件120。在这种情况下，给定IC芯片960内的接收器电路系统可修改(例如，放大、相移和/或滤波)从一个或多个天线元件120路由的一个或多个接收信号，并且将经修改的接收信号输出到设置在IC芯片160'之间和IC芯片960之间的组合器/分配器网络180'。IC芯片960还可包括或可另选地包括矢量发生器。也可将IC芯片970(例如调制解调器)嵌入嵌入式部件子组件150'内，并且可将该IC芯片耦接在ADC/DAC/处理器910与IC芯片960和160'之间。
图10是制造嵌入式部件子组件150或150'的方法1000的流程图，其中散热突片与至少一些波束形成部件集成。图11A-图11E是示出与方法1000中的相应步骤相对应的结构的剖视图。在方法1000中，可将粘合剂箔810层压(S1010，图11A)到载体820上以形成载体组件830。可将散热突片附接(S1020)到所选波束形成部件的表面，例如，在图11B中散热突片1102附接到IC芯片160'。可基于对由附接的波束形成部件生成的热量、其期望的工作温度范围以及散热突片的热耗散特性的估计来选择散热突片的厚度和轮廓。
然后可将波束形成部件(包括附接有散热突片1102的那些)放置到箔810表面上(S1030，图11B)。然后可在波束形成部件周围施加模塑材料152(S1040，图11C)并使其固化。可根据需要修整模塑材料152以暴露散热突片1102的表面，例如，因此暴露的突片1102表面与模塑材料152的主表面s3共面。如果其它波束形成部件(诸如coax馈通件170)高于具有附接的散热突片的波束形成部件(其中从箔表面810测量高度)，则可将散热突片预先设计成具有一定厚度，使得表面s3与散热突片的暴露的表面和最高波束形成部件(例如170)的暴露的表面两者共面，如图11C中所见。另选地，在稍后的表面s3平面化过程中修整散热突片和/或coax馈通件170。这样，所得嵌入式部件结构154可以是具有均基本上平坦的相对主表面的晶片状。
随后，可将载体和箔与嵌入式部件和模塑材料去粘结(S1050)，得到具有相对表面s1和s3的晶片状嵌入式部件结构154(图11D)。每个波束形成部件的一个主表面可与表面s1共面。然后可在表面s1上并且还在表面s3上(如果要形成穿过模塑材料152的通孔)形成通孔的焊盘(S1060)。可钻出穿过焊盘的通孔孔穴(S1070)并且用导电材料填充，以形成在模塑材料中的用于DC偏置和低频率控制信号的通孔。然后可在嵌入式部件结构154之上形成具有通孔和互连件的一个或多个互连层155(S1080)，如图11E所示。需注意，尽管在图11A-图11E中未示出，但是可以与上文针对子组件150所描述的方式相同的方式在嵌入式部件子组件150’中形成通孔190，并且将该通孔连接到IC芯片160’、960和/或970。在图11E的示例中，IC芯片160'通过包括一对通孔V1之间的信号迹线998的互连件电连接到IC芯片960。如在图8A-图8G的前述示例中，单个互连层或者三个或更多个互连层可在替代性设计示例中取代一对RDL层155a、155b。
如上所述的天线设备的实施方案可形成为具有薄型，并且因此在受约束的空间应用中可以是特别有利的。此外，该构造适于包括低损耗元件，例如低损耗传输线和天线基板，其在毫米波频率下可以是特别有益的。
虽然已经参考本文所述的技术的示例性实施方案特别示出和描述了本文所述的技术，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离由以下权利要求书及其等同物限定的受权利要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。

Claims (29)

1.一种天线设备，包括：
第一子组件，所述第一子组件包括多个天线元件；以及
第二子组件，所述第二子组件附着到所述第一子组件，所述第二子组件包括封装在模塑材料内的波束形成网络的多个部件，并且还包括位于所述模塑材料上的一个或多个互连层以将所述波束形成网络的所述多个部件电耦接到所述多个天线元件。
2.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述波束形成网络的所述多个部件的表面与所述模塑材料的表面共面。
3.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述多个天线元件在所述第一子组件的第一表面上，并且所述第一子组件还包括通孔阵列，所述通孔阵列直接连接到所述多个天线元件并且延伸到所述第一子组件的第二表面，其中所述第二子组件附着到所述第一子组件的所述第二表面。
4.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述多个部件包括多个放大器，所述多个放大器通过所述一个或多个互连层内的多个通孔耦接到所述多个天线元件。
5.根据权利要求4所述的天线设备，其中所述多个放大器中的放大器耦接到所述多个天线元件中的对应的天线元件并且位于所述多个天线元件中的所述对应的天线元件下面。
6.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述第二子组件还包括一个或多个通孔，所述一个或多个通孔耦接到所述一个或多个互连层并且穿过所述模塑材料延伸到所述第二子组件的表面。
7.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述部件中的至少一个部件是传输线，所述传输线耦接到所述一个或多个互连层并且穿过所述模塑材料延伸到所述第二子组件的表面。
8.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述第一子组件具有顶部表面和底部表面，所述多个天线元件设置在所述顶部表面处，并且所述第一子组件还包括设置在所述底部表面处的接地层。
9.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述天线元件中的每个天线元件是贴片天线元件，所述贴片天线元件具有主体，所述主体通过与所述主体的主表面正交的探头馈电件从位于所述主体正下方的点被馈电。
10.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述第一子组件和所述第二子组件通过至少多个接地-信号-接地(GSG)焊料连接件彼此附着，每个所述GSG焊料连接件将所述天线元件中的一个天线元件电连接到所述一个或多个互连层上的信号接触件和接地接触件。
11.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述多个部件包括输入/输出端口、组合器/分配器网络以及多个集成电路(IC)芯片，每个所述IC芯片电耦接到所述天线元件中的至少一个天线元件，其中：
所述输入/输出端口在传输方向上将传输射频(RF)信号路由到所述组合器/分配器网络，以及/或者在接收方向上路由来自所述组合器/分配器网络的组合的接收RF信号；
所述组合器/分配器网络被配置成：将所述RF传输信号分成多个分开的传输RF信号，以及/或者将多个经修改的RF接收信号组合成所述组合的RF接收信号，每个所述经修改的RF接收信号从所述IC芯片中的一个IC芯片被接收到；并且
所述IC芯片中的每个IC芯片被配置成：修改所述分开的RF传输信号中的相应一个分开的RF传输信号以提供经修改的RF传输信号，并且将所述经修改的RF传输信号输出到与所述IC芯片耦接的所述至少一个天线元件；以及/或者修改从与所述IC芯片耦接的所述至少一个天线元件提供的RF接收信号，以向所述组合器/分配器网络提供所述经修改的RF接收信号中的一个经修改的RF接收信号。
12.根据权利要求11所述的天线设备，其中所述IC芯片中的每个IC芯片包括(i)传输放大器和/或传输相移器或(ii)接收放大器和/或接收相移器中的至少一者，以修改提供给所述IC芯片的所述分开的RF传输信号和/或所述RF接收信号。
13.根据权利要求11所述的天线设备，其中：
所述输入/输出端口是同轴传输线，所述同轴传输线从所述第二子组件的第一主表面延伸到所述第二子组件的相反的第二主表面；并且
所述组合器/分配器网络由设置在所述输入/输出端口和所述多个IC芯片之间的电介质所支撑的共面波导构成。
14.根据权利要求13所述的天线设备，其中所述电介质具有的损耗角正切小于所述模塑材料的损耗角正切。
15.根据权利要求13所述的天线设备，其中：
所述电介质是石英，并且所述模塑材料是液晶聚合物；并且
所述第一子组件包括支撑所述多个天线元件的石英基板。
16.根据权利要求1所述的天线设备，其中：
所述部件包括多个集成电路(IC)芯片，所述多个IC芯片以二维阵列的行和列布置，每个IC芯片在行方向上和在列方向上彼此间隔开，并且每个IC芯片位于至少两个探头馈电件正下方并电连接到所述至少两个探头馈电件，所述至少两个探头馈电件将至少两个对应的天线元件连接到相应的IC芯片。
17.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述部件包括多个集成电路(IC)芯片，并且所述第二子组件包括多个散热突片，每个所述散热突片附接到所述IC芯片中的一个IC芯片的主表面。
18.根据权利要求17所述的天线设备，其中所述散热突片中的每个散热突片的第一主表面附接到所述IC芯片中的相应IC芯片，并且所述散热突片的相反的第二主表面暴露在所述模塑材料之外。
19.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述波束形成网络和所述天线元件被配置成传输和/或接收毫米波频率的信号。
20.根据权利要求1所述的天线设备，其中所述多个天线元件包括至少十六个天线元件。
21.一种形成天线设备的方法，包括：
形成包括多个天线元件的第一子组件；
将波束形成网络的多个波束形成部件封装在模塑材料内以形成嵌入式部件结构；
在所述嵌入式部件结构上形成一个或多个互连层，从而形成第二子组件；以及
将所述第一子组件附着并电连接到所述第二子组件，使得所述多个波束形成部件电耦接到所述多个天线元件。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述将所述第一子组件附着并电连接到所述第二子组件包括：在所述第一子组件和所述第二子组件中的每一者上的相应信号焊盘之间和相应接地焊盘之间加热并冷却多个接地-信号-接地(GSG)焊料连接件。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述形成一个或多个互连层包括：形成完全穿过所述一个或多个互连层的多个通孔，以用于当所述第一子组件和所述第二子组件彼此附着并电连接时将所述波束形成部件中的至少一些波束形成部件直接电连接到所述天线元件中的相应天线元件。
24.根据权利要求21所述的方法，其中所述封装多个波束形成部件包括：
提供载体，所述载体具有附着到所述载体的粘合剂箔；
将所述多个波束形成部件放置在所述粘合剂箔的表面上；
当所述波束形成部件被放置在所述粘合剂箔表面上时，将处于未固化状态的所述模塑材料施加在所述波束形成部件周围；
固化所述模塑材料以形成过渡结构；以及
从所述过渡结构移除所述载体和所述粘合剂箔以形成所述嵌入式部件结构。
25.根据权利要求24所述的方法，所述多个波束形成部件包括：多个集成电路(IC)芯片；组合器/分配器网络，所述组合器/分配器网络形成在至少一个传输线区段内；以及同轴馈通传输线，在施加所述模塑材料之前所述多个IC芯片、所述组合器/分配器网络、所述同轴馈通传输线各自被放置在所述粘合剂箔的所述表面上。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：在所述模塑材料固化之后形成穿过所述模塑材料的多个通孔，以用于随后通过所述一个或多个互连层连接到所述IC芯片中的至少一个IC芯片。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括：
在封装所述波束形成部件之前，将散热突片附接到所述波束形成部件中的至少一些波束形成部件的相应主表面。
28.一种天线设备，所述天线设备通过以下方式形成：
形成包括多个天线元件的第一子组件；
将波束形成网络的多个波束形成部件封装在模塑材料内以形成嵌入式部件结构；
在所述嵌入式部件结构上形成一个或多个互连层，从而形成第二子组件；以及
将所述第一子组件附着并电连接到所述第二子组件，使得所述多个波束形成部件电耦接到所述多个天线元件。
29.根据权利要求28所述的天线设备，其中所述多个波束形成部件包括输入/输出端口、组合器/分配器网络以及多个集成电路(IC)芯片，每个所述IC芯片电耦接到所述天线元件中的至少一个天线元件，其中：
所述输入/输出端口在传输方向上将传输射频(RF)信号路由到所述组合器/分配器网络，以及/或者在接收方向上路由来自所述组合器/分配器网络的组合的接收RF信号；
所述组合器/分配器网络被配置成：将所述RF传输信号分成多个分开的传输RF信号，以及/或者将多个经修改的RF接收信号组合成所述组合的RF接收信号，每个所述经修改的RF接收信号从所述IC芯片中的一个IC芯片被接收到；并且
所述IC芯片中的每个IC芯片被配置成：修改所述分开的RF传输信号中的相应一个分开的RF传输信号以提供经修改的RF传输信号，并且将所述经修改的RF传输信号输出到与所述IC芯片耦接的所述至少一个天线元件；以及/或者修改从与所述IC芯片耦接的所述至少一个天线元件提供的RF接收信号，以向所述组合器/分配器网络提供所述经修改的RF接收信号中的一个经修改的RF接收信号，
其中所述IC芯片中的每个IC芯片包括(i)传输放大器和/或传输相移器或(ii)接收放大器和/或接收相移器中的至少一者，以修改提供给所述IC芯片的所述分开的RF传输信号和/或所述RF接收信号。
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