CN114709579B - 一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，包括：金属上腔体封装盖、金属下腔体载片盒、置于金属下腔体载片盒上的太赫兹功能芯片，其中金属下腔体载片盒上设置波导矩形通道，与所述金属上腔体封装盖组装形成含有金属矩形波导封闭金属封装盒；所述太赫兹功能芯片安装在金属矩形波导的中心，功能芯片的传输端口置入矩形波导，将电磁场信号耦合到太赫兹功能芯片中。本发明加工简单，工艺成熟，显著降低了太赫兹集成系统的信号传输损耗，组成一体化封装的每个模块非常灵活，可以根据需要灵活调节尺寸参数，适用于多场景下的太赫兹信号片上探测与处理。

Description

一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装

技术领域

本发明涉及太赫兹芯片封装技术，具体涉及一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装。

背景技术

太赫兹波广义上是指频率在0.1THz～10THz的电磁波，恰好位于电子学和光子学的过渡区，因此具有很多独特的性质。太赫兹波与微波相比，信息容量更大，电子设备可以做的更加小巧；与光波相比，穿透性更强，能量更低，可用于生物无损检测等。太赫兹技术在电子、生物、医疗、天文空间等各个领域有着广阔的应用前景，而这些应用落地需要大规模的太赫兹片上集成系统来辅助实现。太赫兹片上集成功能芯片的封装技术自然成为了构建太赫兹集成系统过程中亟待解决的技术难题。

由于太赫兹波在空气中的损耗较大，所以其传输结构是片上集成系统中不可或缺的部分，对不同传输结构的损耗和色散特性的研究，一直是太赫兹领域的研究热点。各国科研人员都在努力寻找低损耗、低色散、高功率容量的太赫兹传输结构，根据太赫兹频段在波谱中夹在毫米波频段和光学频段之间这一特性，人们试图将在这些频段成熟的传输材料进行改进应用到太赫兹频段，因此以波导为基础的太赫兹器件就成了太赫兹传输的重要基础，也是太赫兹波能否广泛应用的关键。于是出现了诸如太赫兹金属波导、带有金属涂层的介质波导、全介质波导、双线传输结构、光子晶体等。用硅基集成电路实现太赫兹收发功能芯片，可以有效地降低系统成本、提高集成度、缩小设备体积、实现便携化。硅基集成电路工艺已经是6GHz黄金频段内移动通信、无线接入等商业通信产品的首要加工工艺，随着硅集成电路工艺的持续发展，采用硅工艺实现太赫兹通信集成电路及系统的设计和应用，已是不可阻挡的发展趋势。太赫兹集成电路的研究与发展离不开片上集成封装技术的不断更新和进步，研发低成本、高集成、低损耗和小型化的集成封装设备是发展太赫兹集成系统的重要基础。为了与平面结构的半导体功能芯片电路相兼容，采用平面传输线结构来传输太赫兹波渐渐成为了太赫兹集成技术中的一种新方式。平面传输线的损耗主要由导体损耗，介质损耗和辐射损耗三部分构成。减少导体损耗需要高电导率的金属作为传输线，在太赫兹波段减少介质损耗的常用方法是采用硅片或者石英作为功能芯片和传输线基板。传统的功能芯片电路封装技术是通过微带—波导过渡探针将信号从微带传输到金属波导，实现波导信号到功能芯片的传输转换。但是在太赫兹波段，微带线的阻抗匹配要求非常苛刻，信号很容易在微带线上因为匹配问题造成高反射；同时由于微带线本身存在辐射损耗，信号到达功能芯片时就已经严重衰减。

硅工艺多金属-质层的特点将使得各个器件、结构和电路模块在太赫兹频段产生非常复杂的寄生、耦合效应。受此影响，硅基太赫兹频段集成电路的设计很大程度上需要将版图结构的寄生量初始即作为电路设计的重要组成部分，并带入到功能设计和性能优化设计中。目前对于传统过渡电路的解决方法非常有限，对此本发明提出一种新型片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，采用金属波导和功能芯片的直接耦合来减少传输损耗，实现小型化和低成本的封装技术。

发明内容

本发明的目的在于提出一种太赫兹功能芯片的波导封装，该封装结构是兼顾低成本、小型化和低传输损耗的新型封装方式。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，包括：金属上腔体封装盖、金属下腔体载片盒、置于金属下腔体载片盒上的太赫兹功能芯片，其中金属下腔体载片盒上设置波导矩形通道，与所述金属上腔体封装盖组装形成含有金属矩形波导封闭金属封装盒；所述太赫兹功能芯片安装在金属矩形波导的中心，功能芯片的传输端口置入矩形波导，将电磁场信号耦合到太赫兹功能芯片中。

进一步的，所述金属封装盒的主体部分由铜制成，其内外表面由金涂层覆盖，金涂层的厚度略大于太赫兹波信号的趋肤深度。

进一步的，所述太赫兹功能芯片制备在高阻硅或石英基片上。

进一步的，所述太赫兹功能芯片包括且不局限于探测器、滤波器、调制器、隔离器、耦合器、混频器、倍频器、源等太赫兹功能器件，也包括多个以上功能器件的任意组合。

进一步的，所述金属矩形波导的型号与传输频率、太赫兹功能芯片的传输端口尺寸相关。

进一步的，所述金属下腔体载片盒内部承载区域的尺寸与太赫兹功能芯片的尺寸相关。

进一步的，还包括法兰接头，通过螺栓与外部连接波导的法兰相连。

更进一步的，所述法兰接头采用非完全对称的结构，金属矩形波导的开口位置根据太赫兹功能芯片和金属矩形波导平面的关系决定，当金属矩形波导的电磁波垂直耦合到太赫兹功能芯片端口时，太赫兹功能芯片平面平行于矩形波导的短边，金属矩形波导的开口位于金属矩形波导短边所在的平面，当金属矩形波导中电磁波水平耦合到太赫兹功能芯片端口时，太赫兹功能芯片平面平行于矩形波导的长边，金属矩形波导的开口位于金属矩形波导长边所在的平面，金属矩形波导的开口所在平面也是法兰的切口面。

进一步的，所述太赫兹功能芯片采用平面传输结构，金属下腔体载片盒根据太赫兹功能芯片的规格尺寸设计内部承载区域的下沉深度，使得太赫兹功能芯片的传输端口正好处于金属矩形波导上下左右的中心位置。

进一步的，还包括信号处理模块，用于集成PCB板处理转换后的低频交流信号，扩展片上集成系统的功能性。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)相比于跳金丝的封装结构，本发明的一体化封装加工简单，工艺成熟，在低成本和小型化方便优势显著。2)波导-功能芯片-波导的传输结构没有引入悬置微带线的过渡转换结构，显著降低了太赫兹集成系统的信号传输损耗。3)组成一体化封装的每个模块非常灵活，可以根据需要灵活调节尺寸参数，适用于多场景下的太赫兹信号片上探测与处理。

附图说明

图1是本发明的金属下腔体载片盒(装载太赫兹功能芯片)三维结构示意图。

图2是本发明的金属封装盒的法兰截面示意图。

图3是本发明实例的金属封装盒组合时AutoCAD平面图。

图4本发明实例的金属下腔体载片盒AutoCAD平面示意图。

图5本发明实例的金属上腔体封装盖AutoCAD平面示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，包括：金属上腔体封装盖、金属下腔体载片盒、置于金属下腔体载片盒上的太赫兹功能芯片。金属下腔体载片盒上设置波导矩形通道，金属上腔体封装盖和金属下腔体载片盒可以组装形成一个含有金属矩形波导的封闭金属封装盒，金属封装盒的两端是金属矩形波导端口，分别用来输入和输出信号，如图2所示。所述太赫兹功能芯片就安装在金属封装盒的内部，同时位于两个金属矩形波导端口的中心，如图1所示。

本发明中，金属上腔体封装盖构成了金属矩形波导的上金属壁部分，如图2所示，实现信号在矩形波导的低损耗传递；同时构成了金属封装盒的封装盖，阻止信号在太赫兹功能芯片传输过程中的辐射泄露，并且屏蔽外边信号的耦合影响。当金属封装盒组合在一起时用螺丝拧紧加固，信号从金属封装盒的一个金属矩形波导端口进入传输，经过太赫兹功能芯片的处理再从金属封装盒的另一个矩形波导端口输出，如图3和图4所示。金属封装盒拆分打开时，变成金属上腔体封装盖和金属下腔体载片盒两个部分，如图4和图5所示，方便太赫兹功能芯片的更换和安装。

金属封装盒的主体部分由铜制成，其内外表面由金涂层覆盖，金涂层的厚度略大于太赫兹波信号的趋肤深度，利用金的电导率大这一优势减少信号传输过程中的能量衰减，同时以铜作为金属的主体结构大大降低了封装器件的成本。

太赫兹功能芯片由高阻硅或石英基片制成，相较于掺杂硅基片等其他材质减少了太赫兹波传输过程中的介质损耗。金属封装盒内部的太赫兹功能芯片为了实现与其他功能模块相组合而选择采用平面传输结构，同时太赫兹功能芯片传输端口位于金属矩形波导的正中心，使得金属矩形波导中心部位的强电磁场信号可以有效耦合到太赫兹功能芯片。

金属封装盒两端的金属矩形波导部分要根据传输频率选择相对应的波导型号，同时要与太赫兹功能芯片两个端口的尺寸相适应。另外金属封装盒的两端采用法兰结构，可以通过螺栓使金属矩形波导与外部连接波导的两法兰紧紧相连，从而降低信号衰减。

金属下腔体载片盒需要承载太赫兹功能芯片，根据太赫兹功能芯片的规格尺寸设计金属下腔体载片盒内部承载区域的下沉深度，使得太赫兹功能芯片的传输端口正好处于金属矩形波导上下左右的中心位置，金属下腔体载片盒的法兰切口要与金属矩形波导上表面齐平，如图2所示。

金属下腔体载片盒除了承载太赫兹功能芯片和构成金属矩形波导之外，还可以增加信号处理模块，如图1所示，集成PCB板处理转换后的低频交流信号，可以有效丰富和扩展片上集成系统的功能性。

本发明的核心构成是金属波导-太赫兹功能芯片-金属波导的信号传输结构。金属封装盒的矩形波导型号及金属下腔体载片盒内部承载区域的尺寸可以调整。

为了验证发明方案的有效性，进行如下实验设计。

实施例一

本实施例中信号频段设计为400GHz。所述金属矩形波导依据信号频段选择WR2.2矩形波导(330GHz-500GHz)传输信号，矩形波导由下金属腔的矩形通道与上金属腔的金属封盖壁构成，如图1和图2所示。该实施例中期望矩形波导中的TE波能够垂直耦合到太赫兹功能芯片端口，所以功能芯片平面要平行于矩形波导的短边，与图2示意图中功能芯片平面平行长边正好相反。根据太赫兹功能芯片的厚度h＝200μm，还有WR2.2矩形波导(570/285μm)的尺寸，从而选择金属下腔的功能芯片载体下沉深度为385(570/2+h/2)μm，如图1所示中间部分为下沉区域，使得功能芯片中心水平面恰好与波导的中心平齐。由WR2.2矩形波导(570/285μm)的短边限制，功能芯片接入端口的宽度选择220微米(宽度留有余量方便插入连接)。

所述法兰结构采用非完全对称结构，考虑到矩形波导长边中心的强电磁场泄露问题，金属波导的开口选择放在矩形波导短边所在的平面，该平面正好也是法兰的切口面。此外，金属下腔体的功能芯片载体两侧有放置PCB板的信号处理模块，如图1所示扩展结构，可以同时测量太赫兹信号幅度和传输的S参数，丰富了集成系统的扩展功能。

本实施例的创新性在于将整个功能芯片电路置于金属封装盒的内部(此前很少有这么考虑)，因此可以采用金属矩形波导与太赫兹功能芯片端口直接耦合的方法，省去了传统上使用的悬置微带匹配电路，通常微带线是采用高低阻抗传输线的的结构，会因为加工误差而引起失配，导致大量信号被反射。本实施例从理论上清晰地展示了波导封装结构的优越性。

实施例二

本实施例中，信号频段设计为320GHz。所述金属矩形波导依据信号频段选择WR2.8矩形波导(260GHz-400GHz)传输信号，矩形波导由下金属腔的矩形通道与上金属腔的金属封盖壁构成，如图4金属波导封装的端口结构示意图。该实施例中期望矩形波导中的TE波能够平行耦合到太赫兹功能芯片端口，所以功能芯片平面要平行于矩形波导的长边，与图2示意图中功能芯片平面与矩形长边平行相一致。根据太赫兹功能芯片的厚度h＝100μm和WR2.8矩形波导(710/356μm)的尺寸，从而选择金属下腔的功能芯片载体下沉深度为228(356/2+h/2)μm。根据WR2.8矩形波导(710/356μm)的长边限制，功能芯片接入端口的宽度可以选择650微米，在功能芯片端口能插入的基础上尽量增大耦合接触面，从而使更多能量耦合到太赫兹功能芯片。

所述法兰结构采用非完全对称结构，金属波导的开口选择放在矩形波导长边所在的平面，该平面正好也是法兰的切口面。此外，金属下腔体的功能芯片载体两侧有放置PCB板的信号处理模块，如图1所示扩展结构，可以同时测量太赫兹信号幅度和传输的S参数，丰富了集成系统的扩展功能。

本发明的技术原理：通过金属腔体两侧的法兰结构连接输入和输出信号端口，减弱信号在波导间的传输泄露。太赫兹信号从矩形波导传输至太赫兹功能芯片，太赫兹功能芯片对信号进行加工处理，一部分作为直流信号从PCB测量模块输出，另一部分依然作为太赫兹信号从波导端口输出，可以同时测量一体化封装结构的S参数和输入太赫兹信号的幅度信息。合固时金属腔的完全屏蔽结构可以很好的减少外界信号噪声的耦合影响，同时微带转接线的删除可以避免太赫兹信号在过渡结构产生的寄生效应，金属波导是低损耗传输线的优先选择。

本发明实施例的上下腔体组合结构，其金属矩形波导传输信号，金属封装盒屏蔽外界信号耦合干扰，兼顾传输、稳定和灵活扩展。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，包括：金属上腔体封装盖、金属下腔体载片盒、置于金属下腔体载片盒上的集成太赫兹功能芯片，其中金属下腔体载片盒上设置矩形波导通道，与所述金属上腔体封装盖组装形成含有金属矩形波导封闭金属封装盒；所述太赫兹功能芯片安装在金属矩形波导的中心，功能芯片的传输端口置入金属矩形波导，将电磁场信号耦合到太赫兹功能芯片中；

还包括法兰接头，通过螺栓与外部连接波导的法兰相连；所述法兰接头采用非完全对称的结构，金属矩形波导的开口位置根据太赫兹功能芯片和金属矩形波导平面的关系决定，当金属矩形波导的电磁波垂直耦合到太赫兹功能芯片端口时，太赫兹功能芯片平面平行于金属矩形波导的短边，金属矩形波导的开口位于金属矩形波导短边所在的平面；当金属矩形波导中电磁波水平耦合到太赫兹功能芯片端口时，太赫兹功能芯片平面平行于金属矩形波导的长边，金属矩形波导的开口位于金属矩形波导长边所在的平面，金属矩形波导的开口所在平面也是法兰的切口面。

2.根据权利要求1所述的片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，所述金属封装盒的主体部分由铜制成，其内外表面由金涂层覆盖，金涂层的厚度略大于太赫兹波信号的趋肤深度。

3.根据权利要求1所述的片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，所述太赫兹功能芯片包括探测器、滤波器、调制器、隔离器、耦合器、混频器、倍频器、源中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，所述太赫兹功能芯片制备在高阻硅或石英基片上。

5.根据权利要求1所述的片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，所述金属矩形波导的型号与传输频率、太赫兹功能芯片的传输端口尺寸相关。

6.根据权利要求1所述的片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，所述金属下腔体载片盒内部承载区域的尺寸与太赫兹功能芯片的尺寸相关。

7.根据权利要求1所述的片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，所述太赫兹功能芯片采用平面传输结构，金属下腔体载片盒根据太赫兹功能芯片的规格尺寸设计内部承载区域的下沉深度，使得太赫兹功能芯片的传输端口正好处于金属矩形波导上下左右的中心位置。

8.根据权利要求1所述的片上集成太赫兹功能芯片的波导封装，其特征在于，还包括信号处理模块，用于集成PCB板处理转换后的低频交流信号，扩展片上集成系统的功能性。

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