CN115954647A - 一种三维立体毫米波封装天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维立体毫米波封装天线结构，该结构包括天线结构位于最上层，在天线结构下面为第一再布线层，在第一再布线层下面的中间位置为毫米波芯片，在毫米波芯片的外侧为金属过孔，在毫米波芯片的下面为第二再布线层，封装层位于第一再布线层与第二再布线层之间，焊球(701)位于第二再布线层的下部。垂直互连缩短了天线与芯片之间的距离，可有效缩小封装结构的体积，降低高频损耗，最终实现小型化、高性能、低成本和高集成度的三维立体毫米波封装模块，便于集成在各种小型化终端，在5G移动通信终端等消费类电子产品中具有广泛的应用。

Description

一种三维立体毫米波封装天线结构

技术领域

本发明属于半导体封装领域，特别是涉及一种三维立体毫米波封装天线的结构。

背景技术

随着现代无线通信技术的飞速发展，人们对数据传输速率要求越来越高。然而，目前低频段的频谱资源已经濒临枯竭,难以满足未来人们对通信速率的要求。毫米波因其宽频带优点，可较容易地实现5G通信系统容量的提升，从而极大的提高数据传输质量和传输速率。另外，毫米波频段因其频谱资源丰富、保密性强、分辨率高及抗干扰等优势，可广泛应用于医疗器械、公共设施、汽车雷达和安检等领域。

常规毫米波系统由分立元件构成，这些分立元件集成度较低，可独立安装于印刷电路板上。但以上做法会导致系统结构复杂，设计难度加大，并增加系统成本，严重制约未来5G毫米波通信及感知系统的发展。尤其对消费类电子产品而言，实现低成本、小型化和高集成度的毫米波前端模块可有助于降低产品成本，提高产品质量，极大的提升产品在市场上的竞争力。因此，使用先进的封装技术，对实现小型化、低功耗、低成本、高性能和高集成度的毫米波系统具有重要意义。

天线是毫米波系统的核心器件之一。然而常规的天线设计已经不能满足系统小型化和高集成度的需求，迫切需要采用封装天线(AiP)技术。基于封装材料与工艺，可将天线集成到毫米波系统中。这对毫米波前端大规模商用有着极其重要的意义。

基于上述问题，为了进一步较小封装尺寸，提高系统集成度，本发明提出一种三维立体的毫米波封装天线结构，可实现封装天线及三维立体垂直封装互连，将给毫米波系统提供了更好的天线与封装解决方案。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种三维立体毫米波封装天线结构，用于减小封装结构的尺寸，缩短天线与芯片之间的互连距离，实现高性能、低成本和高集成度的毫米波封装天线。

技术方案：为达到上述目的，本发明提出一种三维立体毫米波封装天线结构，所述封装天线结构包括：

天线结构位于最上层，在天线结构下面为第一再布线层，在第一再布线层下面的中间位置为毫米波芯片，在毫米波芯片的外侧为金属过孔，在毫米波芯片的下面为第二再布线层，封装层位于第一再布线层与第二再布线层之间，焊球位于第二再布线层的下部。

所述天线结构包括从上到下依次设置的天线辐射结构金属层、天线介质层及天线参考地金属层，所述天线参考地金属层与第一再布线层中的第一金属走线层接合。

所述第一再布线层包括从上到下依次设置的第二介质层、第一金属走线层和第一介质层；第一金属走线层与所述毫米波芯片接合。

所述金属过孔穿过所述封装层，上端接第一金属走线层，下端接第二金属走线层。

所述封装层位于第一再布线层与第二再布线层之间，包覆所述毫米波芯片及金属过孔；所述封装层的材料包括硅胶、环氧树脂、玻璃、高阻硅中的一种或多种组合。

所述第二再布线层包括从上到下依次设置的第三介质层、第二金属走线层以及第四介质层，所述第三介质层与所述封装层接合。

所述焊球，位于所述第二再布线层的第四介质层开窗位置，以实现所述第二再布线层的第二金属走线层引出。

所述天线介质层的材料包括环氧树脂、硅胶、PI(聚酰亚胺)、PBO(聚苯并噁唑)、BCB(苯并环丁烯)、二氧化硅、高阻硅、玻璃中的一种或者多种组合；所述天线辐射结构金属层以及天线参考地金属层的材料包括铜、铝、镍、金、银、钛中的一种或者多种组合。

所述第一介质层、第二介质层的材料包括环氧树脂、硅胶、PI、PBO、BCB中的一种或多种组合；所述第一金属走线层的材料包括铜、铝、镍、金、银、钛中的一种或者多种组合。

所述第二再布线层的第四介质层底面有开窗，便于焊球与第二再布线层的第二金属走线层连接；所述焊球的材料包括锡焊料、银焊料及金锡合金焊料中的一种或多种组合。

有益效果：本发明的三维立体毫米波封装天线结构，具有以下优点：

本发明采用三维立体封装天线结构，采用扇出型封装方法，实现天线与芯片的三维垂直互连，有效的缩短天线与芯片之间的互连距离，减少高频损耗，提升互连性能，降低系统功耗，且有效降低封装的尺寸。

此外，通过在芯片与天线之间引入参考地层，实现天线与芯片的高性能隔离，降低两者的相互影响。同时根据应用场景，该封装天线部分可完成灵活且独立的设计，在实现优良天线性能的同时，保证封装结构的可靠性以及系统兼容性。

本发明基于先进的扇出型封装工艺，采用低成本的材料，完成毫米波芯片和天线结构的垂直整合，提高了封装的效率及性能，可实现小型化、高性能、低成本和高集成度的三维立体毫米波封装模块，在5G毫米波通信终端等消费类电子产品具有广泛的应用前景。

附图说明

图1显示为本发明的第一再布线层、封装层加工示意图。

图2显示为本发明的天线结构加工示意图。

图3显示为本发明的天线参考地金属层馈线结构示意图。

图4显示为本发明的封装天线的结构示意图。

图中有：

天线结构10、天线辐射结构金属层101、天线介质层102、天线参考地金属层103、CPW馈线结构1031、缝隙耦合结构1032；

第一再布线层20、第二介质层201、第一金属走线层202、第一介质层203、分离层204、支撑基底205；

第二再布线层30、第三介质层301、第二金属走线层302、第四介质层303；

封装层401、毫米波芯片501、金属过孔601、焊球701。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的介绍。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意图方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1：

如图1～图4所示，本实施例公开了一种三维立体毫米波封装天线的结构，所述的封装天线结构包括两层的扇出型封装结构、基于玻璃基板的毫米波天线、基于TSV工艺的封装层、毫米波芯片和倒装工艺的焊球：

具体的，如图1所示，提供一种支撑基底205，在所述支撑基底205上形成分离层204。在所述分离层204上形成第一再布线层20。所述第一再布线层20包括第一介质层I201，金属走线层I202和第二介质层I203。在所述分离层204连接的第一介质层I201表面形成金属走线层I202，并在金属走线层I202表面覆盖第二介质层I203。提供毫米波芯片501，将所述毫米波芯片501接合于所述第一再布线层20的第二介质层I203表面，使得所述毫米波芯片501与所述金属走线层I202进行电性连接。所述封装层401接合于所述第一再布线层20的第二介质层I203表面，并且封装毫米波芯片501。所述的封装层401上包含加工的过孔，并对过孔进行金属填充，形成金属过孔601。

作为示例，所述支撑基底205选用为玻璃衬底，所述玻璃衬底成本较低，容易在其表面形成分离层204，且能降低后续的剥离工艺难度。

作为示例，所述分离层204选用为热固化胶，通过旋涂工艺形成于所述支撑基底205上后，通过热固化工艺使其固化成型。热固化胶性能稳定，表面较光滑，有利于后续的再布线层的制作。并且，在后续的剥离工艺中，剥离的难度较低。

作为示例，采用化学气相沉积工艺于所述分离层204表面形成第一介质层I201和第二介质层I203。采用电镀工艺于所述第一介质层I201表面形成金属走线层I202。

作为示例，所述第一介质层I201和第二介质层I203的材料为聚酰亚胺(PI)。所述金属走线层I202的材料为铜。

作为示例，所述封装层401的主要材料为硅。采用反应离子刻蚀工艺制腔体，用于封装毫米波芯片501。采用TSV工艺实现过孔。腔体和过孔覆盖极薄的二氧化硅。

作为示例，采用电镀工艺实现金属填充，填充过孔的金属材料为铜。

如图2所示，将所述剥离层204分离所述支撑基片205及所述第一再布线层20。在所述第一再布线层20的表面形成天线结构10。所述天线结构10包括天线辐射结构金属层101，天线介质层102和天线参考地金属层103。所述天线参考地金属层103与所述第一介质层I201表面接合，并且该天线参考地金属层103上面设计有馈线与所述第一再布线层20的金属走线层I202进行电连接。在所述的天线参考地金属层103上面覆盖形成天线介质层102。在所述的天线介质层102上面形成天线辐射结构金属层101。馈电结构如图3所示。

作为示例，依据所述分离层204的属性，采用机械剥离的方法分离所述支撑基地205及所述第一再布线层20。

作为示例，所述天线介质层102选用为玻璃基板，所述玻璃基板介电常数为6.3，有助于减小天线尺寸，缩小封装体积，同时降低成本。所述天线结构10采用缝隙耦合馈电的微带贴片天线。天线参考地金属层103上集成有CPW馈线结构1031和缝隙耦合结构1032，通过CPW馈线结构1031激励缝隙耦合结构1032，从缝隙耦合结构1032激励出来的电磁能量耦合到位于天线辐射结构金属层101上面的微带贴片，从而激励贴片向空间辐射电磁波。所述天线参考地金属层103和天线辐射结构金属层101的材料为铜。

如图4所示，在所述封装层401上形成第二再布线层30，所述第二再布线层30包括所述的第一介质层II301、金属走线层II302及第二介质层II303。在所述封装层401接合的第一介质层II301表面形成金属走线层II302，并在金属走线层II302表面覆盖第二介质层II303。所述的金属走线层II302与金属过孔601进行电性连接。所述的第二介质层II303上面有开窗，焊球701安装在开窗位置，与所述金属走线层II302进行电连接。

作为示例，采用化学气相沉积工艺于所述封装层401底面形成第一介质层II301和第二介质层II303。采用电镀工艺于所述第一介质层II301表面形成金属走线层II302。

作为示例，所述第一介质层II301和第二介质层II303的材料为PI。所述金属走线层II302的材料为铜。

作为示例，所述焊球701的材料为金锡合金焊料。

上述描述仅是对本发明较佳实例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于，所述封装天线结构包括：天线结构(10)位于最上层，在天线结构(10)下面为第一再布线层(20)，在第一再布线层(20)下面的中间位置为毫米波芯片(501)，在毫米波芯片(501)的外侧为金属过孔(601)，在毫米波芯片(501)的下面为第二再布线层(30)，封装层(401)位于第一再布线层(20)与第二再布线层(30)之间，焊球(701)位于第二再布线层(30)的下部。

2.根据权利要求1所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述天线结构(10)包括从上到下依次设置的天线辐射结构金属层(101)、天线介质层(102)及天线参考地金属层(103)，所述天线参考地金属层(103)与第一再布线层(20)中的第一金属走线层(202)接合。

3.根据权利要求1所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述第一再布线层(20)包括从上到下依次设置的第二介质层(201)、第一金属走线层(202)和第一介质层(203)；第一金属走线层(202)与所述毫米波芯片(501)接合。

4.根据权利要求1所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述金属过孔(601)穿过所述封装层(401)，上端接第一金属走线层(202)，下端接第二金属走线层(302)。

5.根据权利要求1所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述封装层(401)位于第一再布线层(20)与第二再布线层(30)之间，包覆所述毫米波芯片(501)及金属过孔(601)；所述封装层(401)的材料包括硅胶、环氧树脂、玻璃、高阻硅中的一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述第二再布线层(30)包括从上到下依次设置的第三介质层(301)、第二金属走线层(302)以及第四介质层(303)，所述第三介质层(301)与所述封装层(401)接合。

7.根据权利要求1所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述焊球(701)，位于所述第二再布线层(30)的第四介质层(303)开窗位置，以实现所述第二再布线层(30)的第二金属走线层(302)引出。

8.根据权利要求2所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述天线介质层(102)的材料包括环氧树脂、硅胶、聚酰亚胺PI、聚苯并噁唑PBO、苯并环丁烯BCB、二氧化硅、高阻硅、玻璃中的一种或者多种组合；所述天线辐射结构金属层(101)以及天线参考地金属层(103)的材料包括铜、铝、镍、金、银、钛中的一种或者多种组合。

9.根据权利要求3所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述第一介质层(203)、第二介质层(201)的材料包括环氧树脂、硅胶、PI、PBO、BCB中的一种或多种组合；所述第一金属走线层(202)的材料包括铜、铝、镍、金、银、钛中的一种或者多种组合。

10.根据权利要求6所述的三维立体毫米波封装天线结构，其特征在于：所述第二再布线层(30)的第四介质层(303)底面有开窗，便于焊球(701)与第二再布线层(30)的第二金属走线层(302)连接；所述焊球(701)的材料包括锡焊料、银焊料及金锡合金焊料中的一种或多种组合。

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