CN116711157A - 带有具有多个表面接口的波束成形器ic芯片的集成天线阵列 - Google Patents

带有具有多个表面接口的波束成形器ic芯片的集成天线阵列 Download PDF

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CN116711157A CN202080107814.9A CN202080107814A CN116711157A CN 116711157 A CN116711157 A CN 116711157A CN 202080107814 A CN202080107814 A CN 202080107814A CN 116711157 A CN116711157 A CN 116711157A
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Abstract

一种天线装置(100，100')包括：具有相对的第一表面(113)和第二表面(111)的天线基板(110)和设置于所述第一表面处的至少一个天线元件(125)。至少一个射频集成电路(RFIC)芯片(150_j)具有与所述天线基板的所述第二表面附接的下表面，并且具有通过所述天线基板与所述至少一个天线元件耦合的RF触点(157)。所述RFIC芯片具有位于其上表面处的RF信号导体(151_s)和耦合在所述RF触点与所述RF信号导体之间的波束成形电路系统(130_i，153)。传输线节段(180)具有与所述天线基板的所述第二表面附接的下表面，并且具有上表面，传输线导体(181_s)设置于所述上表面处并且通过上表面互连(141)与所述RFIC芯片的所述RF信号导体电连接。

Description

带有具有多个表面接口的波束成形器IC芯片的集成天线阵列
技术领域
本公开总体上涉及与分布式波束成形器集成电路(IC)芯片集成的天线阵列。
背景技术
如今，天线阵列广泛用于在微波和毫米波频率下的各式各样应用中，诸如，在飞行器、卫星、交通工具、水运工具和基站中用于一般的地面通信。此天线阵列典型地包括微带辐射元件，该微带辐射元件被相移波束成形电路系统驱动以产生用于波束转向的相控阵列。典型地，对于包括天线阵列和波束成形电路系统的整个天线系统合意的是占用具有低剖面的最小空间。
集成天线阵列可以被定义为由在紧凑结构中与射频(RF)集成电路芯片(RFIC)(可互换地被称为“波束成形器IC(BFIC)”)集成的天线元件构造成的天线阵列。集成天线阵列可以具有夹层类型配置，其中天线元件设置于面向外部的部件层中，并且RFIC跨越天线元件层后方的近似平行部件层内的有效天线孔口分布。RFIC可以包括用于发射的RF功率放大器(PA)和/或用于接收的低噪声放大器(LNA)和/或用于波束转向的移相器。通过以这种方式分布PA/LNA，可以达到更高的发射效率和/或改进的接收噪声性能、以及相对于非分布式IC设计更高的可靠性。
发明内容
在本公开的一方面中，一种天线装置包括具有相对的第一表面和第二表面的天线基板。至少一个天线元件设置于天线基板的第一表面处。至少一个射频集成电路(RFIC)芯片具有与天线基板的第二表面附接的下表面，并且具有通过天线基板与至少一个天线元件耦合的RF触点。至少一个RFIC芯片具有位于其上表面处的RF信号导体和耦合在RF触点与RF信号导体之间的波束成形电路系统。传输线节段具有与天线基板的第二表面附接的下表面，并且具有上表面，传输线导体设置于该上表面处并且通过诸如引线接合、带状接合或边缘触点对的上表面互连与RFIC芯片的RF信号导体连接。
由此，集成天线结构内的至少一个RFIC芯片具有多个表面接口，这可以为天线装置带来性能和制造优势。
相控阵列天线实施例包括设置于天线基板的第一表面处的多个天线元件；以及多个RFIC芯片，每个RFIC芯片具有与天线基板的第二表面附接的下表面和各自与天线元件中的至少一个耦合的RF触点。每个RFIC芯片具有位于其上表面处的RF信号导体和耦合在相应RF触点与RF信号导体之间的用于波束转向的波束成形电路系统。至少一传输线节段设置于RFIC芯片之间，并且具有位于其上表面处的波束成形网络(BFN)的多个分支臂导体，每个分支臂导体通过上表面互连与RFIC芯片中的相应一个的RF信号导体连接。
附图说明
从以下结合附图作出的详细描述，所公开技术的以上和其它方面和特征将变得更显而易见，在附图中相同参考标号指示相同元件或特征。相同或相似类型的各种元件可以通过附加具有下划线/虚线的参考标签和区分相同/相似元件的第二标签(例如，_1、_2)，或直接附加具有第二标签的参考标签来区分。然而，如果给定描述仅使用第一参考标签，那么其适用于具有相同的第一参考标签的相同/相似元件中的任一个，而无关于第二标签。在附图中元件和特征可能未按比例绘制。
图1是根据实施例的示例天线装置的俯视图。
图2是图1的天线装置的前侧视图。
图3A是沿着图1的线3A-3A截取的天线装置的一部分的截面图，图示了适合于CPWRFIC芯片与CPW传输线节段之间的示例互连结构。
图3B是天线装置内的示例互连结构沿着与图3A所示平面正交的平面的截面图。
图4A是在采用微带芯片和微带传输线节段的实施例中沿着图1的线3A-3A的天线装置的一部分的截面图。
图4B是图4A的天线装置内的示例互连结构沿着与图4A所示平面正交的平面的截面图。
图5A是采用微带RFIC芯片和CPW传输线节段的天线装置的替代性实施例的俯视图。
图5B是描绘图5A的天线装置的RFIC芯片的一部分的俯视图。
图5C是沿着图5A的线5C-5C截取的示例互连结构的截面图。
图6A是描绘天线装置的替代性实施例的微带RFIC芯片的一部分的俯视图，其中RFIC芯片的有源管芯侧面向天线基板。
图6B是描绘天线装置的替代性实施例的CPW芯片的一部分的俯视图，其中RFIC芯片的有源管芯侧面向天线基板。
图7A、图7B和图7C是示例天线装置内的相应的有源电路单元(ACU)的示意图。
图8示意性地图示了包括RFIC芯片内的多个ACU的示例波束成形电路系统。
图9是描绘天线装置内的波束成形网络的示意图。
图10是制造天线装置的示例方法的流程图。
具体实施方式
提供以下参考附图的描述，以帮助全面理解本文出于说明性目的公开的技术的某些示例性实施例。所述描述包含各种具体细节以帮助本领域的一般技术人员理解技术，但这些细节仅被视为说明性的。出于简单和清晰度的目的，当包含众所周知的功能和构造的描述可能混淆本领域的普通技术人员对技术的理解时可以省略此描述。
图1是根据实施例的示例天线装置100的俯视图，并且图2是天线装置100的前侧视图。现在集体地参考图1和图2，天线装置100(下文被称为“天线100”)包括具有上表面111的天线基板110，该上表面上附接有多个射频集成电路(RFIC)芯片150_1至150_K。(注意，RFIC芯片150亦可以可互换地被称为波束成形器IC(BFIC)芯片。)形成平面阵列122的N个天线元件125_1至125_N可以设置于天线基板110的下表面113处。每个天线元件125_i通过通孔155(形成探针馈电)和位于RFIC芯片150_j的下表面处的RF触点157与RFIC芯片150_j(i，j＝任何整数)耦合。每个RF触点157继而通过包括一个或多个有源电路单元(ACU)(诸如130_1、130_2)的波束成形电路系统与位于RFIC芯片150_j的上表面处的RF信号导体151_s耦合。取决于应用，整数K和N的值可以因实施例而异。在下面的讨论中(并且如图1至图2所示)，为了便于理解，将讨论其中K＝4且N＝8的“小阵列”示例。
天线基板110可以包括电介质层190、用于反射来自天线元件125的信号能量的接地平面210以及层区域220(“再分布层(RDL)层”)，该层区域包括用于供应给RFIC芯片150的DC和/或控制信号的导电线。至少一个传输线(“TL”)节段180具有与天线基板110的上表面111附接的下表面。TL节段180具有上表面，传输线的信号导体181_s设置于该上表面处并且在K个位置处通过相应的上表面互连(“USIN”)141与RF信号导体151_s耦合。(信号导体181_s的K个位置中的每一个可以被称为合路器/分路器的分支臂。)USIN 141是直接在位于RFIC芯片150与TL节段180的上表面处的导体之间构成的互连。因此，USIN 141不包括在RFIC芯片150或TL节段180中的通孔，以将位于上表面处的导体151、181通过天线基板110内的导电元件互连。USIN 141的一些示例包括引线接合、带状接合和边缘触点对(RFIC芯片150上的边缘触点与TL节段180上的边缘触点熔合)。
TL节段180可以包括2:1RF耦合器118_1、118_2和118_3，诸如威尔金森(Wilkinson)或混合耦合器，以形成整体K:1合路器/分路器。在所图示的实施例中，TL节段180和RFIC芯片150两者的传输线介质是共面波导(CPW)。在CPW介质中，成对的接地导体181_g1和181_g2布置在信号导体181_s的相对侧上，并且成对的接地导体151_g1和151_g2布置在信号导体151_s的相对侧上。每个接地导体151_g1和151_g2通过USIN 141分别与接地导体181_g1和181_g2的相邻部分互连。替代性地，RFIC芯片150和TL节段180中的传输线介质是微带，在这种情况下，省略了接地导体151和181。在本文中，具有CPW波束成形电路系统的RFIC芯片150将被称为CPW芯片，并且具有微带波束成形电路系统的RFIC芯片150将被称为微带芯片。类似术语可以用于TL节段180。在图1所图示实施例的替代性实施例中，微带芯片150可以通过微带芯片150内的混合过渡与CPW TL节段180互连。该实施例稍后将结合图5A至图6进行描述。在任何情况下，TL节段180的电介质基板185的一种示例材料是氧化铝。在中型或大型元件阵列中，天线100可以包括多个TL节段180以促进制造、特别是在易碎的氧化铝基板的处置中。如果需要，多个TL节段180可以通过引线接合等互连。
在天线100的互连结构和布局的情况下，RFIC芯片150的上部分是芯片的有源管芯侧(“有源区域”)，其中波束成形电路系统包括驻留的放大器和/或移相器。举例来说，波束成形电路系统晶体管的掺杂区域和金属化、以及合路器/分路器153导体位于有源区域内。通过在RFIC 150与传输线节段180之间使用上表面互连141来将上表面导体互连，可以避免天线基板110内的形成RFIC 150与TL节段180之间的RF连接的额外的传输线层。因此，可以通过省略用于形成另一传输线层的工艺步骤来促进天线基板110的制造。可以由此形成有单一电介质层190的天线基板110在本文中被称为“单一RF层”基板。与此同时，层区域220的聚合物层可以形成天线基板110的顶部表面111。在图2所示实施例的替代性实施例中，RFIC150可以被翻转使得有源管芯侧面向天线基板。这可能导致由于靠近聚合物层造成的更高损耗的接口，并且在一些情况下，得到底部填充包围的连接接头157。)当有源管芯侧如图2所示面朝上时，其与天线接地平面210间隔相对远。这使得该配置不太容易由于接地平面210与有源管芯侧之间的反射而振动。
每个ACU 130包括放大器和/或移相器以调整提供给/来自天线元件125的发射信号和/或接收信号。在RFIC芯片150跨越天线100的有效孔口分布并且各自耦合到一个或多个天线元件125的情况下，天线100可以被理解为有源天线阵列。在ACU 130包括用于信号动态相移的移相器的实施例中，天线100用作相控阵列。在此相控阵列实施例中，由天线10形成的波束被转向到主要根据移相器的相移来设定的所需波束指向角度。还可以包括RFIC150内的额外的振幅调整能力以调整天线模式。在任何情况下，天线100可以被配置作为发射天线系统、接收天线系统或发射和接收天线系统两者。
连接器170可以侧面安装或顶部安装并且连接到信号导体181_s。在发射方向上，输入RF发射信号被应用于连接器170并且被耦合器118分路成K个分路发射信号，并且K个分路发射信号被分别应用于RFIC芯片150_1至150_K。(信号流的示意图如图9所示，稍后讨论。)如果RFIC 150_j包括M多个ACU 130，则RFIC 150_j可以进一步包括M:1合路器/分路器153，其将分路发射信号划分成M个进一步分路信号，每个进一步分路信号被应用于ACU 130中的一个。一旦经ACU 130调整，经调整的信号是各自被应用于天线元件125中的一个的“元件信号”。
逆信号流发生在接收方向上，其中元件信号由ACU 130从天线元件125接收，并且由接收放大器和/或移相器调整(并且典型地被滤波)。经调整的接收信号被路由通过合路器/分路器153和118以在连接器170处产生复合接收信号。在此注意到，波束成形网络(BFN)可以被视为涵盖信号连接器170与天线元件125_1至125_N之间的所有信号路径。在BFN中，单一输入发射信号被分路成N个元件信号，并且/或者从天线元件125接收的N个元件信号被合路成单一复合接收信号。
图2还图示了可以包括盖107(图1中未示出)的天线100，该盖至少保护上侧不受外部元件影响。由于USIN 141可能易碎，因此应防止灰尘、湿气等；盖107适当地附接到剩余组件以提供此保护。在其他示例中，印刷接线组件(PWA)附接到天线100的上侧以代替盖107并且提供不受外部元件影响的所需保护。亦可以在下表面处提供天线罩以保护天线元件125。
在图1和图2中，作为示例，两个天线元件125被示出为耦合到每个RFIC 150。在其他示例中，每个RFIC芯片150耦合到单一天线元件125，或者耦合到三个或更多个天线元件125。天线100还被示出为包括额外的芯片160_1和160_2，诸如串行外围接口(SPI)芯片。芯片160可以用于通过形成于天线基板110的层区域220内的信号线(诸如304_1、308_1)向RFIC 150提供DC信号和/或控制信号。DC信号可以偏置放大器和/或控制ACU 130内的开关的切换状态。控制信号可以控制ACU 130内的移相器的相移。
天线元件125可以各自是印刷在天线基板190上的微带贴片天线元件。例如偶极或单极等其它类型的天线元件可以代替。当被体现为微带贴片时，天线元件125可以具有任何合适的形状，诸如圆形(如图1所例示的)、正方形、矩形或椭圆形，并且可以以足以实现所需偏振的方式来馈电和配置，例如圆形、线性或椭圆形。天线元件125的数量、它们的类型、大小、形状、元件间间距以及它们的馈电机构可以根据应用的性能目标因实施例而异。虽然用八个天线元件125图示了天线100的示例，但是用于实现窄天线波束的典型实施例可以包括数百或数千个天线元件125。在下面描述的实施例中，每个天线元件125是用单一探针馈电进行馈电的微带贴片。探针馈电可以被实现为与RFIC 150的RF触点157电连接的通孔155，其可互换地被称为输入/输出(I/O)衬垫。I/O衬垫是允许信号进或出RFIC 150的接口。在另一示例中，每个天线元件125是使用不同的圆形极化馈电方法由两个偏移通孔155来馈电的。在其它示例中，使用电磁馈电机构代替通孔155，其中每个天线元件125是从具有近场能量的相应馈电点激发的。
在一示例中，天线100可以被配置用于毫米(mm)波频带上的操作，mm波频带通常被定义为30GHz到300GHz范围内的频带。在其它情况下，天线100在范围从约1GHz到约30GHz的微波中或在低于1GHz的亚微波范围中操作。此处，射频(RF)信号表示具有从低于1GHz直到300GHz的任何频率的信号。注意，被配置为在微波或毫米波频率下操作的RFIC经常被称为单片式微波集成电路(MMIC)，并且典型地由诸如磷酸铟(InP)或砷化镓(GaAs)的III-V族半导体材料或诸如硅锗(SiGe)的其他材料组成。
图3A是沿着图1的线3A-3A截取的天线100的一部分的截面图，并且图示了适合于具有CPW芯片150和CPW传输线节段180的实施例的示例互连结构。天线元件125_i耦合到形成于RFIC芯片150_j的有源管芯侧340内的ACU 130_i的波束成形电路系统(i，j＝任何整数)。此耦合可以通过第一通孔155、拦截垫(catch pad)369、导电接头363、RF触点157、第二通孔355以及导体342构成。(还可以包括形成GS或GSG连接组的一个或多个接地通孔、以及第二通孔355以降低噪声，如图3B所示并且在下文讨论。)第一通孔155可以形成用于天线元件125_i的探针馈电的至少一部分。第一通孔155形成于电介质190内并且将天线元件125_i电连接到形成于天线基板110的上表面111上的拦截垫369。第一通孔155穿过形成于接地平面210中的开口371以防止与接地平面短路。开口371可以在接地平面210的深度水平面处被诸如聚合物的隔离材料373环状地包围。隔离材料373可以由与层区域220的隔离层内的材料相同的材料组成。
层区域220可以按照从上表面111到接地平面210的顺序包括第一隔离层302、第一导电层304、第二隔离层306、第二导电层308以及第三隔离层310。第一导电层304和第二导电层308可以被图案化以形成诸如304_1和308_1的信号线(参见图1)，这些信号线被用来将DC和/或控制信号例如从SPI芯片160_1、160_2路由到RFIC芯片150。导电层304和308由金属或其他导电材料组成。开口可能已经形成于导电层304、308中，例如，通过在相应的层形成期间不在开口的区域中沉积导电材料。开口可以被隔离材料环状地包围，以使第一通孔155横穿开口并且不与导电层304、308短路。注意，层区域220内的层302、304等中的每一个可以比电介质190薄至少一个数量级。例如，这些层中的每一个可以具有大约2-10μm的厚度(在z方向上)，而电介质190可以是大约250μm厚。第一导电层304和第二导电层308可以各自在x-y平面中形成具有大约12μm的宽度且彼此间隔开大约12μm的间距的信号/接地线。在天线100的典型实施例中，层304和308中的每一个可能已经被蚀刻或以其它方式图案化以形成数十、数百或数千个信号线和接地线。尽管如此，在其他实施例中，可以省略层区域220，在这种情况下，偏置电压和信号经由其他器件被路由到RFIC 150。
接触垫369通过诸如焊料球、金凸块、具有焊帽的铜柱、热压接合或导电环氧树脂的导电接头363与RF触点157电连接。RF触点157继而通过第二通孔355与导体342连接，该第二通孔通过芯片材料345(例如，InP或GaAs)形成于RFIC芯片150_j内。导体342可以直接连接到波束成形电路系统的晶体管端子或其他电路元件的金属化、或者形成其一部分。导体342可以是RFIC芯片150_j的上表面341顶部的印刷金属化，在这种情况下，第二通孔355可以形成为完全延伸通过芯片材料345的通过基板通孔(Through Substrate Via，TSV)。替代性地，导体342位于顶部表面341下方，并且第二通孔355形成为在其上端连接到芯片材料345内的导体342的盲通孔。导体342对应于波束成形电路系统的电路点p，其中电路点p可以是ACU 130的输入节点。与电路点w相对应的ACU 130的输出可以连接到合路器/分路器153(如果存在)的分支臂端口(输出端口)。
合路器/分路器153的输入端口在电路点“q”处电连接到导体151_s。USIN 141将导体151_s连接到TL节段180的导体181_s。如果USIN 141是引线接合，则它可以具有圆柱形或圆形截面。如果USIN 141是带状接合，则它可以具有椭圆形或矩形截面。导体181_s可以是在TL节段180的电介质185的上表面上的印刷金属化。如果TL节段180是共面波导，则电介质185的下表面可以使用非导电或导电环氧树脂333与天线基板110的顶部表面111(聚合物层302的上表面)粘附。
在典型实施例中，RFIC芯片150_j可以具有位于其下表面处的数十个或超过一百个电触点，诸如357、367。这些触点可以通过与导电接头363的互连从形成于第一导电层304和第二导电层308中的信号线接收偏置电压和/或控制信号。举例来说，为了将形成于第一导电层304中的信号线连接到RFIC芯片150_j的电触点357，开口可能已经在第一隔离层302中构成以暴露第一导电层304的信号线，并且导电阱387可能已经形成于该开口中。第一隔离层302中的开口可能已经通过将抗蚀剂材料放置在层304上后续开口的位置中并且然后在排除抗蚀剂材料的区域中沉积隔离层302的隔离材料来构成。接触垫379可能已经形成于阱387上，并且通过加热/冷却工艺形成的导电接头363可以将接触垫379与触点357连接。替代性地，省略了接触垫379，并且导电接头363导电地粘附到阱387。
以类似的方式，为了将形成于第二导电层308中的信号线连接到RFIC芯片150_j的电触点367，开口可能已经形成于第一隔离层302、第一导电层304以及第二隔离层306中的每一者中。形成开口的工艺可能同样涉及将抗蚀剂材料一次一层地放置在后续开口的位置中，同时沉积对应的层材料。额外的隔离材料391(例如，与隔离层302、306的材料相同的材料)可能已经被沉积在第一导电层304中的开口周围的环状区域中。该材料防止与在由一系列开口产生的空腔内通过沉积等形成的后续导电阱377短路。接触垫359可能已经形成于导电阱377上。导电接头363将电触点367连接到接触垫359，或者如果接触垫359被省略，则将电触点367直接连接到导电阱377。
在一些情况下，合意的是在RFIC 150的电触点与天线接地平面210之间形成直接电连接。举例来说，电触点347通过连接接头363、接触垫399以及导电阱372与接地平面210电连接(如果接触垫399被省略，则连接接头363可以直接与导电阱372对接)。接地表面338可以存在于RFIC芯片150的下表面处并且可以导电地粘附到触点347。接地表面338可以是DC接地和/或传输线接地的(例如微带、CPW或带状线接地导体)。注意，在一些情况下，有不同类型的传输线介质存在于单一RFIC芯片150中。导电阱372可能已经以与导电阱377类似的方式形成，利用形成通过第二导电层308和第三隔离层310的额外的开口以暴露接地平面210的表面的工艺。额外的隔离材料392可能已经被沉积在包围第二导电层308中的开口的环状区域中以防止与随后形成的导电阱372短路。
底部填充材料364可以包围连接接头363中的至少一些以便为连接接头提供机械支撑，并且由此提高它们的可靠性。典型地，底部填充材料364可以是主要由无定形熔融石英组成的混合材料。
图3B是天线100内的示例互连结构沿着与图3A所示平面正交的平面的截面图。图3B的视图(y-z平面图)与第一通孔155和第二通孔355(两者在图3A中的x-z平面中进行描绘)相交，并且图示了从接地平面210到位于RFIC芯片150_j的上表面处的共面波导的接地-信号-接地(GSG)过渡。GSG过渡可以防止来自第二通孔355的辐射影响波束成形电路系统性能。
位于RFIC芯片150_j的上表面处的共面波导包括信号导体342和其相对侧上的第一接地导体344_1和第二接地导体344_2。第一接地通孔356_1具有与第一接地导体344_1连接的上端以限定第一接地点g1(在下面的示意图中讨论)。第一接地通孔356_1可以在其下端处连接到位于RFIC芯片150_j的下表面处的拦截垫327_1。拦截垫327_1与位于第一通孔155的一侧处的接地平面210的连接点之间的互连可以包括导电接头363、拦截垫369_1以及导电阱374_1。同样地，第二接地通孔356_2具有与第二接地导体344_2连接的上端以限定第二接地点g2。第二接地通孔356_2可以在其下端处连接到拦截垫327_2。拦截垫327_2与位于第一通孔155的相对侧处的接地平面210的连接点之间的互连可以包括导电接头363、拦截垫369_2以及导电阱374_2。
隔离材料373环状地包围第一通孔155与第一导电阱374_1和第二导电阱374_2之间的区域以防止第一通孔155与地短路。在这种配置的情况下，探针馈电可以被理解为是从接地平面210的水平面(在z方向上)发射的，使得接地平面210与RFIC芯片150_j的上表面之间的不需要的辐射被最小化。在此注意到，替代性配置可以仅采用单一接地通孔356来形成接地-信号(GS)过渡；或者，包围第二通孔355的三个或更多个接地通孔356(这仍然可以被视为GSG过渡)。又一替代性配置采用槽线过渡作为第二通孔355以及第一接地通孔356_1和第二接地通孔356_2的替代。
图4A是在采用微带芯片和微带传输线节段的实施例中沿着图1的线3A-3A的天线100的一部分的截面图。在该示例中，假设省略了接地导体151_g1、151_g2、181_g1和181_2并且信号导体151_s和181_s中的每一个均为微带信号导体。微带接地平面438可以存在于RFIC芯片150_j的下表面处。微带接地平面438可以是微带介质的接地平面，其中ACU 130的波束成形电路系统的信号导体(诸如151_s)和其他信号导体以及合路器/分路器153位于有源区域340内。如上文所讨论，微带接地平面438可以通过接触垫347、导电接头363、接触垫399以及导电阱373与天线接地平面210电连接。图4A的传输线节段180包括位于上表面处的微带内导体181_s和位于下表面处的接地平面433。接地平面433同样可以通过导电接头363、接触垫397以及与导电阱373类似的导电阱473与天线接地平面210连接。
图4B是沿着与图4A所示平面正交的平面的被配置有如图4A的微带的天线100内的示例互连结构的截面图。图4B的视图与第一通孔155和第二通孔355相交，并且图示了从接地平面210到由以下形成的微带介质的GSG过渡：微带接地平面438；有源管芯侧340内的波束成形电路系统的信号导体，诸如342；以及将信号导体与微带接地平面438分开的芯片材料345。微带接地平面438与位于第一通孔155的一侧处的接地平面210的连接点之间的互连可以包括拦截垫327_1、导电接头363、拦截垫369_1以及导电阱374_1。用于连接两个接地平面438、210的相同构造的互连可以在第一通孔155的相对侧上由拦截垫327_2、另一连接接头363、拦截垫369_2以及导电阱374_2构成。类似于图3B的CPW情况，图4B的GSG过渡可以防止来自第二通孔355的辐射影响波束成形电路系统性能。图4A和图4B的天线结构的其他方面和操作可以与上文针对图1至图3B所讨论那些的相同。
图5A是根据替代性实施例的天线装置100′的俯视图。图5B是描绘天线装置100′的RFIC芯片的一部分的俯视图，并且图6是沿着图5A的线6-6截取的示例互连结构的截面图。现在集体地参考图5A、图5B和图6，天线100′与上面图1所图示的天线100的不同之处在于将RFIC芯片150_1至150_K配置作为微带芯片，而不是CPW芯片。微带RFIC芯片150可以包括微带合路器/分路器553、微带ACU 130以及微带到CPW过渡(以下被称为“混合过渡”)。合路器/分路器553可以包括位于其输入端口处的微带信号导体551_s和连接到相应的ACU 130的输出分支。混合过渡可以由以下形成：位于RFIC芯片150的边缘处的信号导体551_s的输入部分；位于信号导体551_s的相对侧上的第一接地垫551_g1和第二接地垫551_g2；以及第一接地通孔655_1和第二接地通孔655_2。
第一接地通孔655_1和第二接地通孔655_2分别将接地垫551_g1和551_g2连接到微带接地表面438。图6示出了部分地通过RFIC芯片150_j的第一接地垫551_g1的截面图(为了清楚起见，省略了远端结构)，其图示了将第一接地垫551_g1电连接到微带接地表面438的接地通孔655_1。第二接地通孔655_2可以具有相同或类似的结构。此外，可以形成与上述相同或类似的在接地表面438与天线接地平面210之间的互连。该互连可以包括接触/拦截垫347和399、其间的导电接头363以及导电阱373。可以分别提供上表面互连141以：将信号导体551_s连接到信号导体181_s；将第一接地垫551_g1连接到接地导体181_g1；将第二接地垫551_g2连接到第二接地导体181_g2。天线100′的其他方面可以与上面针对天线100所描述的那些相同。
图6A是描绘天线100的替代性实施例的微带RFIC芯片150_j的一部分的俯视图，其中RFIC芯片150的有源管芯侧面向天线基板110。换句话说，与上面讨论的实施例相比，RFIC150被翻转使得有源管芯侧340的外表面被视为RFIC 150的下表面。在这种情况下，上表面互连(USIN)141仍被用于将有源管芯侧内的波束成形电路系统(尽管通过RFIC 150内的通孔)互连到TL节段180的上表面导体。微带接地平面438可以存在于RFIC芯片150_j的上表面处，并且信号导体651_s可以是在接地平面438中暴露芯片材料345的环状开口内与接地平面438隔离的“岛”的形式。通孔655_s可以形成在位于下表面处的有源区域340与位于上表面上的信号导体651_s之间。USIN 141可以是引线结合或带状接合，并且如果TL节段180是CPW，则第一USIN 141将导体651_s连接到导体181_s，并且第二和第三USIN 141将位于导体651_s的相对侧上的接地平面438的点连接到相应的接地导体181_g1和181_g2。如果TL节段180是微带，则可以省略与接地平面438连接的第二和第三USIN 141。
图6B是描绘天线100的替代性实施例的CPW RFIC芯片150_j的一部分的俯视图，其中RFIC芯片150的有源管芯侧面向天线基板110。如在图6A的实施例中一样，与先前描述的实施例相比，RFIC 150被翻转使得有源管芯侧340的外表面被视为RFIC 150的下表面。RFIC芯片150_j的上表面可以类似于图5B中所示的那样，其中接地垫551_g1和551_g2而且信号导体651_s是以垫的形式。在这种情况下，可以提供第一通孔655_s以将有源区域340内的CPW信号导体连接到信号导体651_s；并且提供第二通孔655_g1和第三通孔655_g2以分别将有源区域340内的第一和第二接地导体连接到接地垫551_g1和551_g2。如果TL节段180是CPW，则第一、第二和第三USIN 141可以以与针对图5B所讨论的相同的方式被提供用于到TL节段180的连接。如果TL节段180是微带，则可以省略接地垫551_g1、551_g2和通孔655_g1、655_g2。
图7A示出了被配置用于RFIC芯片150的接收路径(天线接收方向)的有源电路单元(ACU)130_i的示例波束成形电路系统。ACU 130_i可以包括在输入点p(如图3A至图6所示)与输出点w之间的前端接收电路系统，该前端接收电路系统可以包括串联连接的低噪声放大器(LNA)502、接收路径移相器504以及带通滤波器506。在图3A至图3B的CPW芯片情况下，第一接地点g1和第二接地点g2可以是LNA 502的共面波导接地点，并且电路点p可以是LNA502的信号导体的输入点。移相器504和滤波器506亦可以被设计为CPW部件。在带有微带芯片的实施例中，微带接地平面438(参见图4A和图6)可以是ACU 130_i的所有部件的接地平面。LNA 502和移相器504可以从RFIC芯片150内的通孔/信号线(未示出)接收偏置/控制电压，这些通孔/信号线是从诸如357、367(参见图3A、图4A和图6)的电触点延伸的。
图7B描绘了被配置用于RFIC芯片150的发射路径(天线发射方向)的有源电路单元(ACU)130_i的示例波束成形电路系统。这里，ACU 130_i内的前端电路系统可以包括串联连接的功率放大器(PA)512、发射路径移相器514以及带通滤波器516。在图3A至图3B的CPW芯片情况下，第一接地点g1和第二接地点g2可以是PA 512的共面接地点，并且电路点p可以是PA 512的信号导体的输出点。移相器514和滤波器516亦可以被设计为CPW部件。在微带芯片实施例中，微带接地平面438可以是ACU 130_i的所有部件的接地平面。PA 512和移相器514可以从RFIC芯片150内的通孔/信号线(未示出)接收偏置/控制电压，这些通孔/信号线是从诸如357、367的电触点延伸的。
图7C示出了被配置用于RFIC芯片150的接收路径和发射路径两者的有源电路单元(ACU)130_i的示例波束成形电路系统。在这种情况下，(ACU)130_i包括具有与输入点p连接的输入端口的第一发射/接收(T/R)电路系统532和具有与输出点w连接的输入端口的第二T/R电路系统534。包括LNA 502和移相器504的接收路径可以连接在T/R电路系统532、534的第一输出端口之间。包括移相器514和PA 512的发射路径可以连接在T/R电路系统532、534的第二输出端口之间。T/R电路系统532、534可以各自包括带通滤波器和/或开关以允许既发射又接收从输入端口传递到相应的输出端口的路径信号。在一些示例中，不同的频带被用于发射信号与接收信号，并且带通滤波足以提供路径之间的隔离。基于时分复用的切换可以在路径之间提供进一步的或替代性的隔离。在CPW实施例中，第一接地点gl和第二接地点g2可以是T/R电路系统532的接地点。
图8示意性地图示了包括RFIC芯片内的多个ACU的示例波束成形电路系统。RFIC150_j可以包括多个ACU 130_1至130_M，它们带有分别位于电路点p_1至p_M处的相应输入端口和分别位于电路点w_1至w_M处的输出端口。整数M可以因实施例而异，从小至二(如图1所示的示例)到可以封装在单一RFIC芯片150_j内的任何合适数量的ACU 130。电路点p_1至P_M可以通过馈电601_1至601_M与天线元件125_1至125_M耦合，其中每个馈电601包括第二通孔355、第一通孔155以及如上面关于电路点p针对图3A至图6所描述的它们之间的互连结构。举例来说，在CPW芯片实施例中，每个ACU 130_i可以具有系到第一接地点g1_i和第二接地点g2_i的第一和第二接地导体。M:1合路器540在接收路径操作中将来自位于点w_1至w_M处的ADC 130的接收信号输出合路成位于点q处的合路接收信号，并且/或者将在点q处应用的发射信号分路成在点w_1至w_M处被应用于ACU 130_1至130_M的M个分路发射信号。
图9是描绘天线100内的示例波束成形网络(BFN)700的示意图。BFN 700可以包括形成于传输线节段180内的K:1合路器/分路器780和各自具有图8的RFIC 150_j的配置的K个RFIC芯片150_1至150_K。K:1合路器/分路器780具有在电路点t处与连接器170连接的一个输入端口和在电路点q_1至q_K处与RFIC芯片150_1至150_K连接的K个输出端口。每个RFIC芯片150可以通过M个相应的RF触点157与诸如125_1至125_M的M个天线元件耦合。因此，可以有N个天线元件125_1至125_N，其中N＝M×K。如前所述，对于形成窄天线波束的典型天线100，数字N可以是数百或数千。在图1所图示的示例中，K＝4，M＝2，且N＝8。
图10是制造天线100的示例方法800的流程图。可以根据需要修改所示操作的顺序。在方法800中，天线基板110可以由晶圆形成，并且可以通过在电镀等工艺中钻孔并用导电材料填充来将第一通孔155形成于其中(S802)。然后可以分别在天线基板的下表面和上表面上印刷天线元件125和接地平面210(S804)。此后可以在接地平面上方的天线基板110上形成RDL区域220(S806)。
将RFIC芯片150单独地制造有波束成形电路系统130、153；第二通孔355；接地通孔356(在CPW实施例的情况下)；RF触点157；以及其他电触点，诸如357、367(S808)。可以将(一个或多个)传输线(TL)节段180单独地形成有BFN合路器/分路器780(S810)。可以将导电接头363最初粘附到RFIC芯片150的RF触点157和其他电触点和/或粘附到位于天线基板110的上表面处的拦截垫369/其他触点(S812)。可以将RFIC芯片150、其他IC芯片160以及(一个或多个)TL节段180放置在天线基板110上(S814)。可以执行加热/冷却循环以熔化和冷却导电接头363的焊料或其他导电材料并将RFIC芯片、其他IC芯片以及(一个或多个)TL节段导电地粘附到天线基板(S816)。然后可以将诸如引线接合或带状接合的上表面互连141在相对端上附接到RFIC芯片导体151或551以及TL节段180导体(分支臂)以将它们互连(S818)。可以将连接器170附接到TL节段180，并且可以将盖107或PWA附接到所得组件(S820)。
上述实施例已经在天线装置100的上下文中描述。本文公开的技术的其他实施方式可以被应用于非天线应用或天线系统的其他部分中的互连配置。举例来说，在其他示例配置中，天线元件125用至少一种其他类型的电路部件取代，例如，第二IC芯片，诸如调制解调器。RFIC芯片150可以使用与上述相同或类似的互连结构(例如，使用第一通孔155、第二通孔355等)与第二IC芯片耦合。在此实施例中，RFIC芯片150可以以与本文所述相同的方式从有源管芯侧互连到传输线节段180，尽管传输线节段180可以支持除波束成形网络的合路器/分路器之外的电路系统。在其他情况下，传输线节段可以用另一RF电路部件取代，诸如被配置为执行与RFIC 150的功能不同的功能的另一RFIC芯片。所得配置/电子设备以紧凑的三维堆叠结构形成，该结构具有与针对天线100所描述的那些类似的优势，例如，损耗减少、振动减少/消除和/或易于制造。
虽然本文所描述的技术已参考其实例实施例特定示出和描述，但所属领域的技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求书及其等效物界定的所要求主题的精神和范围的情况下可以在其中作出形式和细节的各种改变。

Claims (20)

1.一种天线装置(100，100')，包括：
天线基板(110)，其具有相对的第一表面(113)和第二表面(111)；
至少一个天线元件(125)，其设置于所述天线基板的第一表面(113)处；
至少一个射频集成电路(RFIC)芯片(150_j)，其具有与所述天线基板的所述第二表面附接的下表面，并且具有通过所述天线基板与所述至少一个天线元件耦合的RF触点(157)，所述RFIC芯片具有位于其上表面(341)处的RF信号导体(151_s，551_s)和耦合在所述RF触点与所述RF信号导体之间的波束成形电路系统(130_i，153)；以及
传输线节段(180)，其具有与所述天线基板的所述第二表面附接的下表面，并且具有上表面，传输线导体(181_s)设置于所述上表面处并且通过上表面互连(141)与所述RFIC芯片的所述RF信号导体电连接。
2.根据权利要求1所述的天线装置(100，100')，其中：
所述天线基板包括靠近或形成所述第二表面的至少一部分的天线接地平面(210)，所述天线接地平面电连接到所述RFIC芯片的接地触点(347)；并且
所述RFIC芯片的所述RF触点通过所述天线接地平面中的开口(371)与所述至少一个天线元件耦合。
3.根据权利要求2所述的天线装置(100，100')，其中，所述天线基板进一步包括位于所述天线接地平面与所述第二表面之间以用于向所述RFIC芯片提供DC电压和/或控制信号的再分布层(220)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线装置(100，100')，其中，所述RFIC芯片的所述上表面是所述RFIC芯片的有源管芯侧(340)。
5.根据权利要求4所述的天线装置(100，100')，其中，所述RFIC芯片包括将所述RF触点连接到所述有源管芯侧的通孔(355)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线装置(100，100')，其中，所述天线基板包括形成于其中的通孔(155)，所述通孔将所述RF触点(157)电耦合或电磁耦合到所述至少一个天线元件(125_i)。
7.根据权利要求6所述的天线装置(100，100')，其中，所述RFIC芯片的所述下表面通过多个电连接接头(363)与所述天线基板的所述第二表面附接，其中所述电连接接头中的一个将所述RF触点耦合到所述通孔。
8.根据权利要求7所述的天线装置(100，100')，其中，所述多个电连接接头(363)包括焊料凸块、铜柱、金凸块、导电环氧树脂接头或热压接合接头。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的天线装置(100，100')，还包括：底部填充材料(364)，其在将所述天线基板的所述第二表面与所述RFIC芯片的所述下表面之间的所述电连接接头包围的空间中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的天线装置(100，100')，其中，所述上表面互连(141)是引线接合、带状接合或边缘触点对。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的天线装置(100，100')，其中，所述波束成形电路系统(130_i，153)包括用于调整在所述RFIC芯片与所述至少一个天线元件之间通信的信号的发射放大器(512)、接收放大器502)以及移相器(504，514)中的至少一者。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的天线装置(100，100')，其中，所述传输线节段(180)至少包括波束成形网络(BFN)(700)的一部分，所述波束成形网络将输入发射信号分路成各自被提供给与所述天线基板附接的多个RFIC芯片(150_1，150_K)中的一个的多个分路发射信号，和/或分别从所述多个RFIC芯片接收多个接收信号并将所述接收信号合路以形成输出信号。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的天线装置(100，100')，其中，所述传输线节段(180)包括与所述天线基板的所述第二表面附接的氧化铝基板。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的天线装置(100，100')，其中：
所述传输线节段的所述传输线导体是共面传输线的信号导体(181_s)，所述共面传输线具有位于所述信号导体的相对侧上的第一接地导体和第二接地导体(181_g1，181_g2)；并且
位于所述RFIC芯片的所述上表面处的第三接地导体(151_g1，551_g1)和第四接地导体(151_g2，551_g2)通过相应的上表面互连(141)分别与所述共面传输线的所述第一接地导体和第二接地导体互连。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的天线装置(100')，其中：
所述RFIC芯片的所述波束成形电路系统被配置在微带介质中，所述微带介质包括位于所述RFIC芯片的所述下表面处的微带接地平面(438)；并且
所述RFIC芯片进一步包括将所述第三接地导体和所述第四接地导体分别连接到所述微带接地平面的第一接地通孔(655_g1)和第二接地通孔(655_g2)。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的天线装置(100)，其中，所述传输线节段是微带传输线，所述微带传输线包括：电介质基板(185)；位于所述电介质基板的上表面处的所述传输线导体；以及位于所述电介质基板的下表面处的微带接地平面(433)。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的天线装置(100，100')，其中，所述至少一个天线元件是微带贴片元件。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的天线装置，其中：
所述至少一个天线元件包括N多个天线元件(125_1至125_N)；并且
所述RFIC芯片包括N个波束成形电路(130_1至130_M)，每个波束成形电路包括放大器和移相器中的至少一者，其中，所述N个波束成形电路分别通过形成于所述天线基板内的N个通孔(155)与所述N个天线元件耦合。
19.一种相控阵列天线(100，100')，包括：
天线基板(110)，其具有相对的第一表面(113)和第二表面(111)；
多个天线元件(125_1至125_N)，其设置于所述天线基板的所述第一表面处；
多个射频集成电路(RFIC)芯片(150)，其各自具有与所述天线基板的所述第二表面附接的下表面，并且各自具有通过所述天线基板与所述天线元件中的至少一个耦合的RF触点(157)，所述RFIC芯片各自具有位于其上表面(341)处的RF信号导体(151_s，551_s)和耦合在相应的RF触点与所述RF信号导体之间的用于波束转向的波束成形电路系统(130_i，153)；以及
至少一个传输线节段(180)，其设置于所述RFIC芯片之间，并且包括与所述天线基板的所述第二表面附接的下表面，和上表面，包括多个分支臂导体(181_s)的波束成形网络(BFN)(700)的一部分设置于所述上表面处，每个分支臂导体通过上表面互连(141)与所述RFIC芯片中的相应一个的RF信号导体互连。
20.根据权利要求19所述的相控阵列天线(100，100')，其中：
所述BFN进一步包括多个放大器(502，512)和多个移相器(504，514)，其中，每个所述RFIC芯片的所述波束成形电路系统包括所述放大器中的至少一个和所述移相器中的至少一个；
所述天线基板进一步包括天线接地平面(210)和层区域(220)，所述层区域包括位于所述天线接地平面与所述第二表面之间以用于将DC电压路由到所述放大器并且将控制信号路由到所述移相器以控制相应的相位并实施波束转向的多个导电线(304，306)；以及
所述相控阵列天线进一步包括与所述天线基板的所述第二表面附接、与所述层区域耦合以用于至少提供所述控制信号的多个集成电路(IC)芯片(160)。
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