CN114520212A - 一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构 - Google Patents

一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，该结构支持信号的高速传输，可以改善目前绑定金线连接结构带来的带宽限制。该宽频芯片封装结构采用芯片倒装结构、共面波导结构、开槽结构，以及绑定金线连接结构，可缩短信号传输的间距，较少信号传输的阻抗不连续性，提高散热特性，以及改善信号地连接。通过以上措施来提升信号带宽，满足高速信号传输需求。同时，该结构具备较低金属剖面特点，连接灵活方便，适合在硅基、印制电路板等平台上来开展芯片的高密度封装，为芯片高速封装提供了一种切实可行的技术手段。

Description

一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构
技术领域
本发明涉及芯片设计制造技术领域，特别涉及一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构。
背景技术
芯片封装是将不同的芯片按照功能进行集成，是实现器件整体功能的重要技术。通常单颗芯片的功能是达到设计指标要求的，但是经过封装处理后其很可能达不到原来的设计指标。很大一部分原因是封装技术的缺陷带来的，包括封装集成带来的电磁传输性能下降，高度集成散热困难导致芯片性能下降，不同材料芯片之间集成连接工艺误差等。现有比较成熟的芯片封装技术是通过绑定金线，将不同的芯片、电路进行连接。但是随着芯片封装朝着高密度、高速化不断发展，现有封装技术已经难以满足封装技术发展需求。表现为绑定金线通常具有0.5mm-5mm的长度，尺寸较大，对于高密度封装是不利的；同时绑定金线具有高频寄生效应，长度越长，带来的高频损耗越大，使得信号传输带宽受限。因此，亟需通过新的手段来改善传统芯片封装技术带来的散热与电磁传输带宽问题，满足高度芯片封装的设计需求。
发明内容
本发明针对高速芯片封装技术的需求以及现有技术的不足，提出了一种可支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，相比于传统绑定金线封装技术，具有频段宽、连接设计灵活、散热性能好等特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，包括基板、高速芯片、共面波导结构；所述基板的顶面设有高速芯片和共面波导结构，所述高速芯片的正面设有射频接口；所述高速芯片的背面为高速芯片的信号地；所述高速芯片的正面与基板的顶面之间通过焊盘连接，所述高速芯片的射频接口与所述基板顶面的射频走线相连接；所述共面波导结构包括输入端与输出端，所述输入端包括共面波导信号线和共面波导信号地，所述共面波导信号线的两侧分别设有共面波导信号地，所述输出端的结构与所述输入端的结构相同，所述输入端与输出端分别位于所述高速芯片的前后两端，并与高速芯片之间连接。
作为优选，所述基板上设有开槽结构，所述开槽结构位于所述基板与高速芯片之间。
作为优选，所述共面波导信号线与共面波导信号地均呈矩形结构，所述共面波导信号线与共面波导信号地的长度相同，所述共面波导信号地的宽度大于所述共面波导信号线的宽度。
作为优选，所述高速芯片与共面波导结构之间设有绑定金线，所述绑定金线的一端连接高速芯片背面的信号地，另一端连接所述共面波导信号地。
作为优选，所述绑定金线共有三段，第一段与所述基板所在平面呈90度，第二段与所述基板所在平面平行，第三段与所述基板所在平面之间呈32.7度；所述绑定金线的第一段、第二段和第三段位于同一平面内。
作为优选，所述绑定金线的数量为8根，每个共面波导信号地与高速芯片背面的信号地之间通过2根绑定金线连接。
作为优选，所述基板采用氮化铝材料。
作为优选，所述宽频芯片封装结构的工作范围为1GHz~70GHz，对应的回波损耗参数S11小于-10dB。
作为优选，所述基板顶面的焊盘的材料为金，所述高速芯片的焊盘的材料为金或钛铂金。
作为优选，所述基板顶面的焊盘的材料为金，所述高速芯片的焊盘的材料为铝，所述高速芯片的焊盘上植入有金球，所述高速芯片通过金球与基板顶面的焊盘焊接。
本发明的有益效果：
本发明一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构的基底结构，首先提出了芯片倒扣结构，与基板上共面波导结构进行连接；其次，在基板上与芯片倒扣重叠区域上进行开槽处理，进一步提高电磁信号传输阻抗连续性，以及散热特性；最后，通过绑定金线结构，进一步强化高速芯片信号地与基板共面波导信号地的连接，提高电磁传输高频特性。通过以上结构的应用，以及相应材料类型的选择，最终整体实现了具备高速宽频传输特性的新型芯片封装结构。相比于传统的绑定金线结构，电磁传输性能具有显著的提升。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是支持高速信号传输的宽频芯片封装结构整体结构图。
图2是芯片倒扣结构的高速芯片的正面与背面的结构图。
图3是基板上开槽结构的示意图。
图4是基板共面波导结构的示意图
图5是绑定金线结构的示意图。
图6是高速信号传输的宽频芯片封装结构的传输特性S11结果。
图7是高速信号传输的宽频芯片封装结构的传输特性S12结果。
图中，1-基板、2-高速芯片、3-共面波导结构、31-共面波导信号线、32-共面波导信号地、4-绑定金线、5-开槽结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参见图1，为本发明提出了一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，包含以下结构：芯片倒扣结构，基板开槽结构，共面波导结构，绑定金线连接结构，以及基板等。通过以上结构的整体作用，实现了电磁信号的宽频传输，可用于高速芯片的电路信号设计。所述一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，具有较小的整体尺寸，具体为：5.9mm×3.6mm×2mm。
进一步地，所述芯片倒扣结构，是将高速芯片2倒扣在基板1上，使得高速芯片2焊盘与基板1上焊盘通过焊料连接起来实现信号传输，避免采用传统绑定金线结构，从而大大缩短信号传输距离。
进一步地，所述开槽结构5，是将基板1里面倒扣高速芯片覆盖的区域进行开槽，进一步提高高速芯片阻抗连续性，且可以保护高速芯片表面的器件，提高散热特性。
进一步地，所述共面波导结构3可以灵活连接高速信号器件，控制共面波导特性阻抗，实现高密度高速器件封装。
进一步地，所述基板1用于给高速芯片2、共面波导结构3提供支撑，且需要采用低损耗类型材料，满足高速信号传输要求。
参见图2，为所述芯片倒扣结构，是将高速芯片2倒扣从而实现与基板1上的焊盘连接，避免了传统通过绑定金线连接的方式，从而减少绑定金线带来的电感，改善高频性能。芯片倒扣结构，采用接地共面波导进行高频射频信号的传输，该接地共面波导由共面波导以及信号地组成。高速芯片正面确定为基板接触的a面，背面b面与a面正对。a面上有高速芯片的2个共面波导射频接口，以及其他电路元器件；每个共面波导形状一样，分别包含两个信号地矩形以及中间射频传输矩形；两个信号地矩形尺寸为lc1×wc1，中间射频传输矩形尺寸为lc2×wc1，信号地矩形与中间射频传输矩形间距gc1；b面为高速芯片的信号地。高速芯片的尺寸为lc×wc×hc，材料为二氧化硅。高速芯片的b面通过金属过孔与共面波导射频结构的地连接，金属过孔的直径为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，再将该金属过孔进行实心金属填充。
进一步地，所述芯片倒扣结构的具体尺寸为：高速芯片尺寸lc=2.1mm、wc=2mm、hc=0.1mm；a面上的共面波导尺寸lc1=0.66mm、lc2=0.152mm、wc1=0.13mm、gc1=0.042mm；金属过孔直径
Figure DEST_PATH_IMAGE002
=0.075mm。
参见图3，为所述基板开槽结构是将高速芯片与基板重叠的区域进行开槽，开槽的形状与高速芯片a面类似，为长方形槽口，尺寸为ls×ws×hs，开槽大小需要根据高速芯片a面上的器件布局来确定，在提供足够支撑的前提下，尽量扩大开槽的尺寸。槽口所在基板的尺寸为lb×wb×hb。
进一步地，所述开槽结构5，可避免基板材料对高速芯片特性阻抗的影响，提高了高速芯片2与基板1射频走线的阻抗连续性，从而提高信号传输带宽；同时可使得高速芯片a面上的器件在倒扣焊接过程中免予外力挤压变形，起到保护高速芯片作用；开槽口处为空气，与未开槽时对比，空气具有更好的散热效率，对于高速芯片稳定工作特别是大功率高速芯片具有重要意义。具体的槽口尺寸为ls=1.55mm、ws=1.74mm、hs=0.15mm，基板的尺寸为lb=5.88mm、wb=3.6mm、hb=0.15mm。
参见图4，所述共面波导结构3，是基板1上的电磁能量传输结构，包含输入和输出两端。输入端共面波导结构包含矩形1、矩形2、矩形3，矩形2传输电磁信号，两侧矩形1、矩形3为信号地。输出端共面波导结构包含矩形4、矩形5、矩形6，矩形5传输电磁信号，两侧矩形4、矩形6为信号地。矩形1、矩形3、矩形4、矩形6大小一样，宽度为wt1，长度为lt1，矩形2、矩形5的宽度为wt1，长度为了lt2；共面波导两侧地结构与中间信号结构的间距为gt1。
进一步地，所述共面波导结构3，具有简单灵活的特点，可在基板1的一个表面实现各种形状和连接的结构，从而完成各种倒扣芯片的电器连接，避免了微带线等结构需要基板两个面来支撑电磁信号传输的劣势，提高设计的效率，降低基板结构复杂度。同时，可在基板的一个表面上设置其他的走线来完成高速芯片的供电、滤波等。
进一步地，所述基板1结构采用氮化铝材料，其具有低损耗特性，可以满足高速信号传输要求，且可用于给高速芯片、共面波导结构提供支撑。通过调整基板共面波导宽度lt1、lt2，以及间距gt1，以及基板的厚度，来设计满足要求的50Ω特性阻抗。所述共面波导结构尺寸为lt1=0.6mm、lt2=0.152mm、wt1=0.93mm、gt1=0.1 mm。
参见图5，为所述绑定金线连接4结构，是为了进一步提高高速芯片b面信号地与基板共面波导信号地的连接。通过该绑定金线连接结构的实施，可以提高高速信号传输的宽频芯片封装结构的传输带宽。该绑定金线连接高速芯片b面上的信号地，以及基板上的共面波导结构信号地。
进一步地，该绑定金线4采用三段四点结构，金线的直径为
Figure 291348DEST_PATH_IMAGE003
。绑定金线的第1段长度为d1，与基板共面波导所在平面呈90°；第2段长度为d2，与基板共面波导所在平面平行；第3段长度为d3，连接第2段以及基板共面波导的其中一个信号地，与基板共面波导所在平面呈32.7°；绑定金线的第1段、第2段、第3段在同一个平面内。根据基板共面波导的结构特点，采用8根完全一样的绑定金线，将高速芯片信号地b面与基板共面波导的信号地连接。绑定金线结构的具体尺寸为d1=0.1mm、d2=0.08mm、d3=0.416mm。
参见图6、图7，所述的支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，通过芯片倒扣结构，基板开槽结构，共面波导结构，绑定金线连接结构，以及基板等的整体实施，实现了宽频段工作。单独使用上述结构的1~2种，均无法达到工作频段的进一步拓宽。所述探宽频芯片封装结构，其工作频带为1GHz~70GHz，在该频段范围内对应的回波损耗参数S11小于-10dB，在1GHz~70GHz频段内，其电磁传输损耗S21均小于2dB，具备了宽频工作的显著特征，可满足高速信号传播的需求。
进一步地，所述的支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，为了便于焊盘之间地连接，其基板结构上面共面波导采用金作为材料；而芯片倒扣结构中的高速芯片焊盘材料为金或者钛铂金等材料，这类材料易与焊料实现良好的粘连，从而实现将芯片倒扣结构与基板共面波导进行连接。若高速芯片焊盘材料为铝等不易与焊料粘连的材料类型，则需要在高速芯片焊盘上面植入金球处理，再通过植入的金球与基板共面波导进行焊接。
本发明所述支持高速信号传输的宽频芯片封装结构的基底结构，首先提出了芯片倒扣结构，与基板上共面波导结构进行连接；其次，在基板上与芯片倒扣重叠区域上进行开槽处理，进一步提高电磁信号传输阻抗连续性，以及散热特性；最后，通过绑定金线结构，进一步强化高速芯片信号地与基板共面波导结构信号地的连接，提高电磁传输高频特性。通过以上结构的应用，以及相应材料类型的选择，最终整体实现了具备高速宽频传输特性的新型芯片封装结构。相比于传统的绑定金线结构，电磁传输特性具有显著的提升。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本发明支持高速信号传输的宽频芯片封装结构的结构类型、物理尺寸、电磁参数等不仅仅局限于实施例中的具体描述。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：包括基板（1）、高速芯片（2）、共面波导结构（3）；所述基板（1）的顶面设有高速芯片（2）和共面波导结构（3），所述高速芯片（2）的正面设有射频接口；所述高速芯片（2）的背面为高速芯片的信号地；所述高速芯片（2）的正面与基板（1）的顶面之间通过焊盘连接，所述高速芯片（2）的射频接口与所述基板（1）顶面的射频走线相连接；所述共面波导结构（3）包括输入端与输出端，所述输入端包括共面波导信号线（31）和共面波导信号地（32），所述共面波导信号线（31）的两侧分别设有共面波导信号地（32），所述输出端的结构与所述输入端的结构相同，所述输入端与输出端分别位于所述高速芯片（2）的前后两端，并与高速芯片（2）之间连接。
2.如权利要求1所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述基板（1）上设有开槽结构（5），所述开槽结构（5）位于所述基板（1）与高速芯片（2）之间。
3.如权利要求1所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述共面波导信号线（31）与共面波导信号地（32）均呈矩形结构，所述共面波导信号线（31）与共面波导信号地（32）的长度相同，所述共面波导信号地（32）的宽度大于所述共面波导信号线（31）的宽度。
4.如权利要求1所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述高速芯片（2）与共面波导结构（3）之间设有绑定金线（4），所述绑定金线（4）的一端连接高速芯片（2）背面的信号地，另一端连接所述共面波导信号地（32）。
5.如权利要求4所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述绑定金线（4）共有三段，第一段与所述基板（1）所在平面呈90度，第二段与所述基板（1）所在平面平行，第三段与所述基板（1）所在平面之间呈32.7度；所述绑定金线（4）的第一段、第二段和第三段位于同一平面内。
6.如权利要求4所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述绑定金线（4）的数量为8根，每个共面波导信号地（32）与高速芯片（2）背面的信号地之间通过2根绑定金线（4）连接。
7.如权利要求1所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述基板（1）采用氮化铝材料。
8.如权利要求1所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述宽频芯片封装结构的工作范围为1GHz~70GHz，对应的回波损耗参数S11小于-10dB。
9.如权利要求1所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述基板（1）顶面的焊盘的材料为金，所述高速芯片的焊盘的材料为金或钛铂金。
10.如权利要求1所述的一种支持高速信号传输的宽频芯片封装结构，其特征在于：所述基板（1）顶面的焊盘的材料为金，所述高速芯片的焊盘的材料为铝，所述高速芯片的焊盘上植入有金球，所述高速芯片通过金球与基板（1）顶面的焊盘焊接。
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