CN114334919A - 一种基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构 - Google Patents

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唐杨
岳海昆
陈亚培
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Abstract

本发明公开了一种基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，该波导过渡结构包括晶圆级封装基板和PCB载板，所述晶圆级封装基板的主体为注模材料衬底，其下表面覆盖有封装背金层；晶圆级封装基板的上表面主要包括屏蔽围框、折叠偶极子阵列及共面波导传输线及芯片的供电、控制信号走线；注模材料衬底嵌有射频芯片；注模材料衬底上设有注模通孔；该波导过渡结构还包括与屏蔽围框和芯片供电、控制信号走线相连接的BGA焊球，其另一侧与PCB板上的焊盘接触；所述封装背金层、注模通孔及屏蔽围框围成一天线背腔，天线背腔与由共面波导馈电的折叠偶极子阵列、BGA焊球组成晶圆级封装基板波导过渡部，所述晶圆级封装基板波导过渡部一端与射频芯片的射频输入输出端口相连，另一端与标准波导对接。

Description

一种基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构
技术领域
本发明属于封装技术领域，具体涉及一种基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构。
背景技术
射频前端电路和模块正在朝着小型化和集成化的方向发展。作为一种先进封装工艺，晶圆级封装工艺可以实现多芯片的高度集成和封装，同时可有效降低芯片间的互连损耗，是一种理想的毫米波封装工艺。然而在一些场合，需要整个系统以波导的方式输出射频信号，这就需要设计专门的波导过渡结构，以便将封装内射频芯片的高频信号转换成波导传输模式。
传统的波导过渡结构一般在金属腔体中通过石英探针实现，然而由于封装工艺的差别，这种结构并不适用于晶圆级封装技术。为了引出晶圆级封装内部的高频信号，更一般的方法是将射频信号通过BGA焊球从晶圆级封装内部引出至PCB板上，再在PCB板上设计波导过渡结构。但随着频率的上升，射频信号经过BGA焊球和PCB传输线的损耗会急剧增加，造成射频功率的损失。而在一些由晶圆级封装到波导的直接过渡结构中，由于需要将高阻硅加工成特殊的椎体，并和晶圆封装、PCB板、金属波导准确的对位和安装，在增加加工成本的同时，其装配难度也急剧增加，同时其插入损耗也较大(3.4dB)。因此急需一种易加工实现、损耗较小且适合批量生产的晶圆级封装至波导的过渡结构，用于解决晶圆级封装内部高频信号的输入输出问题。
发明内容
为解决以上问题，本发明旨在提供一种晶圆级封装至波导的过渡结构，实现毫米波信号由晶圆级封装直接传输至波导中，减少高频信号的传输路径和损耗，同时结构简单，便于实际加工生产。具体方案如下：
一种基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，该波导过渡结构包括晶圆级封装基板和PCB载板，二者之间通过焊接连接；所述晶圆级封装基板的主体为注模材料衬底，其下表面覆盖有封装背金层；晶圆级封装基板的上表面主要包括屏蔽围框、折叠偶极子阵列及共面波导传输线及芯片的供电、控制信号走线；注模材料衬底嵌有射频芯片，射频芯片通过制作于注模材料衬底表面的金属线路实现电信号的输入输出；注模材料衬底上设有注模通孔，注模通孔的侧壁镀有金属；该波导过渡结构还包括与屏蔽围框和芯片供电、控制信号走线相连接的BGA焊球，其另一侧与PCB板上的焊盘接触，并通过回流焊工艺实现电连接及固定；所述封装背金层、注模通孔及屏蔽围框围成一天线背腔，天线背腔与由共面波导馈电的折叠偶极子阵列、BGA焊球组成品圆级封装基板波导过渡部，所述晶圆级封装基板波导过渡部一端与射频芯片的射频输入输出端口相连，另一端与标准波导对接，从而将射频芯片输出的射频信号传输至标准波导中，或者将由标准波导进入的射频信号输入射频芯片内。
进一步，PCB载板上开有窗口，窗口的四个侧面由金属覆盖，从而形成等效矩形波导。
进一步，窗口的形状、尺寸与标准波导的波导口一致。
进一步，共面波导传输线的阻抗为50Ω。
进一步，所述晶圆级封装基板通过晶圆级封装工艺加工制得。
进一步，PCB载板表面有与晶圆级封装基板上的BGA焊球相对应的焊盘，焊盘用于经PCB布线将晶圆级封装基板内部的信号引出至PCB载板上，同时将晶圆级封装基板固定于PCB载板上。
进一步，所述注模材料衬底层厚0.5mm。
进一步，所述注模材料衬底的材料为环氧树脂。
附图说明
图1基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构爆炸图；
图2为本发明晶圆级封装结构三维结构图；
图3为图2所示晶圆级封装结构俯视图；
图4为图3所示晶圆级封装沿A-A′的剖面图；
图5PCB载板版图；
图6过渡结构仿真结果；
图中，1.晶圆级封装基板 2.PCB载板 3.标准波导 10.封装背金层 11.注模材料衬底 12.射频芯片 13.晶圆级封装基板波导过渡部 14.射频输入输出端口 15.屏蔽围框16.折叠偶极子阵列 17.BGA焊球 18.注模通孔 19.共面波导传输线 21.焊盘 22.窗口23.PCB布线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细解释。
一种基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，该波导过渡结构包括晶圆级封装基板1和PCB载板2，二者之间通过焊接连接。
晶圆级封装基板1的三维视图、俯视图以及剖视图分别如图2，图3，图4所示。所述晶圆级封装基板1的主体为注模材料衬底11，其下表面覆盖有封装背金层10；在其上表面通过光刻技术，印刷有特殊的金属图形。晶圆级封装基板1的上表面主要包括屏蔽围框15、折叠偶极子阵列16及共面波导传输线19及芯片的供电、控制信号走线。如图4所示，注模材料衬底11嵌有射频芯片12，射频芯片12通过制作于注模材料衬底11表面的金属线路实现电信号的输入输出；注模材料衬底11上设有注模通孔18，注模通孔18的侧壁镀有金属，用以实现屏蔽围框15和封装背金层10的电连接；该波导过渡结构还包括与屏蔽围框15和芯片供电、控制信号走线相连接的BGA焊球17，BGA焊球17通过植球工艺实现电连接，其另一侧与PCB板上的焊盘21接触，并通过回流焊工艺实现电连接及固定；BGA焊球17原本为球形小球，但在回流焊过程中，由于受到来自封装基板和PCB板的挤压，其最终形态为如图2所示的椭球形。所述封装背金层10、注模通孔18及屏蔽围框15围成一天线背腔，天线背腔与由共面波导馈电的折叠偶极子阵列16、BGA焊球17组成一晶圆级封装基板波导过渡部13(图2中虚线框内的部分)；晶圆级封装基板波导过渡部13一端与射频芯片的射频输入输出端口14相连，另一端与标准波导3对接，从而将射频芯片12输出的射频信号传输至标准波导3中，或者将由标准波导3进入的射频信号输入射频芯片12内。
本发明芯片射频信号通过晶圆级封装的RDL技术传输至共面波导CPW传输线中。为保证与芯片射频端口的匹配。
进一步，PCB载板2上开有窗口22，窗口的四个侧面由金属覆盖，从而形成等效矩形波导，由晶圆级封装基板内的折叠偶极子阵列辐射出来的电磁波可以通过这个窗口以很小的损耗传输至标准波导中。
进一步，窗口22的形状、尺寸与标准波导3的波导口一致。所述标准波导3可为WR-10矩形波导。
进一步，共面波导传输线19的阻抗为50Ω。本发明经由共面波导传输后，再通过图2中所标注的折叠偶极子阵列16将射频能量辐射至标准波导中。图2所示的天线背腔保证了偶极子阵列的单向辐射，图2所示的BGA焊球进一步减小了射频微波信号传输过渡过程中的辐射泄露，使得能量尽可能的传输至波导中。图2和图3所示。
进一步，所述晶圆级封装基板1通过晶圆级封装工艺加工制得。
进一步，图5为与晶圆级封装相对应的PCB载板2版图，PCB载板2表面有与晶圆级封装基板1上的BGA焊球相对应的焊盘21，通过将晶圆级封装基板1上的BGA焊球17与PCB载板2上的焊盘21用回流焊工艺进行焊接，以实现晶圆级封装基板与PCB载板之间的电气连接，焊盘21用于经PCB布线23将晶圆级封装基板内部的信号引出至PCB载板上，同时将晶圆级封装基板固定于PCB载板上。
进一步，所述BGA焊球17为直径0.25mm小球。
进一步，所述注模材料衬底11层厚0.5mm。
进一步，所述注模材料衬底11材料为环氧树脂。
实施例1
本实施例中，标准波导3为标准WR-10矩形波导，该波导通过法兰盘以及PCB载板2上的螺纹孔实现与PCB载板的结构固定。PCB载板窗口的形状、尺寸与标准WR-10矩形波导的波导口一致，其大小为2.54mm×1.27mm。窗口的四个侧面金属覆盖，由于PCB载板的窗口设计，使PCB板材材料对过渡结构的性能影响较小，减小了对PCB载板加工的要求。表1为本实施例波导过渡结构主要参数的实际仿真数值。
表1本发明基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构主要参数
参数 参数定义 数值(mm) 参数 参数定义 数值(mm)
Pbga BGA焊球间距 0.5 Wf 屏蔽围框宽度 0.3
Dvia 注模通孔直径 0.15 Pvia 注模通孔间距 0.25
Dbga BGA焊球直径 0.25 Wopen PCB开窗宽度 2.54
Wdip 天线折叠宽度 0.11 Lopen PCB开窗长度 1.27
Ldip 天线折叠长度 0.54 Dpad PCB焊盘尺寸 0.2
Lda 天线单元间距 0.89
图6为本实施例的仿真结果，从仿真结果来看，该结构在125GHz～140GHz范围内，插入损耗小于2dB，在133GHz处的插入损耗仅为1.4dB，较好的实现了D波段射频信号的过渡传输。

Claims (8)

1.一种基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，该波导过渡结构包括晶圆级封装基板(1)和PCB载板(2)，所述晶圆级封装基板(1)的主体为注模材料衬底(11)，其下表面覆盖有封装背金层(10)；晶圆级封装基板(1)的上表面主要包括屏蔽围框(15)、折叠偶极子阵列(16)及共面波导传输线(19)及芯片的供电、控制信号走线；注模材料衬底(11)嵌有射频芯片(12)；注模材料衬底(11)上设有注模通孔(18)；该波导过渡结构还包括与屏蔽围框(15)和芯片供电、控制信号走线相连接的BGA焊球(17)；所述封装背金层(10)、注模通孔(18)及屏蔽围框(15)围成一天线背腔，天线背腔与由共面波导馈电的折叠偶极子阵列(16)、BGA焊球(17)组成晶圆级封装基板波导过渡部(13)，所述晶圆级封装基板波导过渡部(13)一端与射频芯片的射频输入输出端口(14)相连，另一端与标准波导(3)对接。
2.根据权利要求1所述的基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，PCB载板(2)上开有窗口(22)，窗口的四个侧面由金属覆盖，从而形成等效矩形波导。
3.根据权利要求2所述的基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，窗口(22)的形状、尺寸与标准波导(3)的波导口一致。
4.根据权利要求1所述的基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，共面波导传输线(19)的阻抗为50Ω。
5.根据权利要求1所述的基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，所述晶圆级封装基板(1)通过晶圆级封装工艺加工制得。
6.根据权利要求1所述的基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，PCB载板(2)表面有与晶圆级封装基板(1)上的BGA焊球相对应的焊盘(21)，焊盘(21)用于经PCB布线(23)将晶圆级封装基板内部的信号引出至PCB载板上，同时将晶圆级封装基板固定于PCB载板上。
7.根据权利要求1所述的基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，注模材料衬底(11)层厚0.5mm。
8.根据权利要求1所述的基于晶圆级封装工艺的波导过渡结构，其特征在于，所述注模材料衬底(11)材料为环氧树脂。
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