CN116895614A - 一种三维异构集成的毫米波系统封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维异构集成的毫米波系统封装结构,由上层天线板和下层芯片载板组装构成,上层天线板为一体化结构,内部设置有封装天线及馈电网络,下层芯片载板为模块化结构,设置有异构集成的第一芯片组和第二芯片组,各芯片组包含同种或不同工艺的若干颗芯片。第二芯片组位于第一芯片组的下方,两组芯片的有源面相对,但在垂直方向上错开排布;上层天线板和下层芯片载板均设置有若干金属化过孔,通过金属化过孔实现任意层互连;第一芯片组利用金属互连,通过金属化过孔和/或焊球与第二芯片组电性连接。本发明集成天线、射频控制芯片和射频前端芯片,进行整体化生产设计,提高集成度和封装的良率,满足不同天线的封装需求。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装技术领域,特别是涉及一种三维异构集成的毫米波系统封装结构。
背景技术
随着第五代移动通信技术( 5G )的快速发展,广泛应用的6GHz以下频段的频谱已难以满足人们对更高数据速率的需求。毫米波( mmW )频段可以提供更宽的绝对频率带宽,对于超高数据速率的应用具有极大的吸引力。然而,突出的空气损耗(衰减)对毫米波无线通信提出了巨大的挑战。在这种情况下,由大规模相控阵架构赋能的波束赋形技术是克服这一挑战、保持无线电覆盖范围的关键技术。此外,在毫米波频率下,天线与毫米波集成电路( IC )之间的互连损耗也远高于传统的6GHz以下系统,进而降低了系统的噪声系数( NF )和功率附加效率( PAE )等性能。
因此,相控阵架构的天线被集成在封装中以进一步减小天线与毫米波集成电路之间的互连损耗,即封装天线技术(AiP)。将封装天线与不同的芯片集成在一个封装结构中,进一步的满足了当下射频系统的高集成度,低损耗和高可靠性的需求。
现有的射频封装结构多种多样,但都存在着以下几点不足:
封装整体没有包含完整的毫米波系统模块:要么只有主控芯片和射频前端芯片,要么只有射频前端芯片和天线,主控芯片、射频前端芯片和天线集成在一起的封装较少;大多数是二维平面封装结构,可封装的芯片数量较少;天线和芯片的封装是整体不可拆分的,这增添了测试的难度和降低了封装的良率;天线集成到封装后就不可更换,若要更换,需要重新设计;对待大规模相控阵与毫米波集成电路的封装,大多采用封装好再拼接的方式去组成大规模相控阵系统,这会不可避免的产生一定的通道间的相位差。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维异构集成的毫米波系统封装结构,集成天线、射频控制芯片和射频前端芯片,进行整体化生产设计,提高集成度和封装的良率,满足面向通信或雷达应用的多通道毫米波相控阵封装需求。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种三维异构集成的毫米波系统封装结构,包括:由上层天线板和下层芯片载板组装构成;所述上层天线板和下层芯片载板之间设置有间隙,并通过焊球连接;所述上层天线板为一体化结构,内部设置有封装天线和馈电网路,所述下层芯片载板为模块化结构,设置有第一芯片组和第二芯片组,所述第二芯片组位于所述第一芯片组的下方,所述第一芯片组包括若干第一芯片,所述第二芯片组包括若干第二芯片,所述第一芯片和第二芯片为异构芯片,所述第一芯片和第二芯片的有源面相对,但在垂直方向上错开排布;
所述下层芯片载板由上再布线层、核心层以及下再布线层从上向下依次堆叠构成;所述上层天线板设置有若干垂直贯通的金属化过孔,通过焊球/凸块连接到所述上再布线层,所述上再布线层、核心层以及下再布线层分别设置有若干金属化过孔,通过金属化过孔实现任意层互连;
所述第一芯片利用金属互连,通过金属化过孔和/或焊球与所述第二芯片电性连接;
所述上层天线板由平面电路/封装工艺制成。
进一步地,所述第一芯片组设置在所述下层芯片载板的上表面,所述第二芯片组嵌入设置在所述下层芯片载板的核心层内部,位于上再布线层和下布线层之间,所述第二芯片的下表面设置有金属化过孔,并连接焊球。
进一步地,所述第一芯片组设置在所述下层芯片载板的上表面,所述第二芯片组设置在所述下层芯片载板的下表面;所述第一芯片的下表面设置有焊球,连接到所述上再布线层,所述第二芯片的上表面设置有焊球,连接到所述下再布线层,所述第二芯片的下表面设置散热齿进行散热,所述毫米波系统封装结构的底部连接PCB板,所述PCB板设置开腔,用于容纳所述散热齿。
进一步地,所述上层天线板的下表面设置有凹槽,所述第一芯片组设置在所述凹槽内,所述第一芯片的下表面为所述第一芯片的有源面,所述第一芯片的下表面设置焊球,所述第二芯片的上表面为第二芯片的有源面,所述第二芯片的上表面设置有金属化过孔和焊球,与所述第一芯片的下表面设置的焊球连接。
进一步地,所述第一芯片设置为一个,采用硅基射频控制芯片,对应地,所述凹槽设置为一个,位于所述上层天线板的下表面的中心位置;所述第二芯片设置为若干个,采用化合物射频前端芯片。
进一步地,所述第一芯片设置为多个,包括一个硅基射频控制芯片和多个电源管理芯片,对应地,所述凹槽设置为多个,其中,一个凹槽位于所述上层天线板的下表面的中心位置,用于设置一个硅基射频控制芯片,其余凹槽用于设置电源管理芯片,并围绕所述硅基射频控制芯片设置。
进一步地,所述第一芯片组设置在所述上层天线板和下层芯片载板之间的间隙内,所述上层天线板和下层芯片载板之间的焊球的直径大于所述第一芯片的厚度,所述第一芯片的底部设置有焊球,连接所述上再布线层;所述第二芯片的上表面设置有金属化过孔与所述第一芯片底部的焊球连接。
进一步地,所述第一芯片组嵌入设置在所述下层芯片载板的内部,所述第二芯片组设置在所述下层芯片载板的下表面,所述第二芯片的上表面设置有焊球,连接到所述下再布线层,并且,所述第一芯片和所述第二芯片之间通过焊球直接电性连接;所述第二芯片的下表面设置散热齿进行散热,所述毫米波系统封装结构的底部连接PCB板,所述PCB板设置开腔,用于容纳所述散热齿。
进一步地,所述下层芯片载板的上表面设置有表面贴装部件;所述下层芯片载板采用多种材料层叠加而成。
进一步地,所述第一芯片采用硅基射频控制芯片,所述硅基射频控制芯片由CMOS、SiGe BiCMOS或SOI工艺制备;所述第二芯片采用化合物射频前端芯片,所述芯片由GaAs、GaN或InP工艺制备。
根据本发明提供的具体实施例,本发明提供的三维异构集成的毫米波系统封装结构,公开了以下技术效果:
(1),集成度高:采用三维封装的结构 ,使得芯片面积大于封装面积,整个结构包含了完整的射频系统,包括但不限于天线、射频前端和主控芯片,同时还能集成一些无源器件以达到更优的电性能;
(2),优秀的射频性能:射频通道一致性高,大规模天线的通道数量多,天线一体化设计而非多模块设计可以避免不同通道因模块拼接而产生的相位差的问题;同时采用低损耗的介质,传输过程中信号的质量可以得到保证;
(3),灵活度高:此封装结构可应用于不同规模相控阵系统中,其中天线需要根据不同规模的相控阵系统进行设计,而下层芯片载板只需要改变相应数量的模块即可匹配出适合规模的相控阵系统;
(4),产品良率高:该封装产品分为一体化设计的上层天线板和多模块的射频前端芯片组的下层芯片载板,因此可以分部分进行检测;同时一体化设计的天线工艺稳定,结构较为简单,而下层芯片载板内的前端芯片组若检测出了问题,只需要更换对应模块即可,所以整体的封装结构可以保证较高的良率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1-1为本发明三维异构集成的毫米波系统封装结构实施例一的一种结构示意图;
图1-2为本发明三维异构集成的毫米波系统封装结构实施例一的另一种结构示意图;
图2为本发明三维异构集成的毫米波系统封装结构实施例二的结构示意图;
图3为本发明三维异构集成的毫米波系统封装结构实施例三的结构示意图;
图4为本发明三维异构集成的毫米波系统封装结构实施例四的结构示意图;
图5为本发明三维异构集成的毫米波系统封装结构实施例五的结构示意图;
附图标记说明:1、上层天线板;2、核心层;3、封装天线;4、焊球;5、第一芯片;5-1、硅基毫米波芯片;5-2、电源管理芯片;6、金属化过孔;7、第二芯片;8、上再布线层;9、下再布线层;10、表面贴装器件;11、集成无源器件;12、屏蔽铜柱;13、屏蔽铜层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种三维异构集成的毫米波系统封装结构,集成天线、射频控制芯片和射频前端芯片,进行整体化生产设计,提高集成度和封装的良率,满足面向通信或雷达应用的多通道毫米波相控阵封装需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的三维异构集成的毫米波系统封装结构,包括:由上层天线板1和下层芯片载板组装构成;所述上层天线板1和下层芯片载板之间设置有间隙,并通过焊球连接;所述上层天线板1为一体化结构,内部设置有封装天线3和馈电网路,所述下层芯片载板为模块化结构,设置有第一芯片组和第二芯片组,所述第二芯片组位于所述第一芯片组的下方,所述第一芯片组包括若干第一芯片5,所述第二芯片组包括若干第二芯片7,所述第一芯片5和第二芯片7为异构芯片,所述第一芯片5和第二芯片7的有源面相对,但在垂直方向上错开排布;
所述下层芯片载板由上再布线层8、核心层2以及下再布线层9从上向下依次堆叠构成;所述上层天线板1设置有若干垂直贯通的金属化过孔,通过焊球/凸块连接到所述上再布线层8,所述上再布线层8、核心层2以及下再布线层9分别设置有若干金属化过孔,通过金属化过孔实现任意层互连;
所述第一芯片5利用金属互连,通过金属化过孔和/或焊球与所述第二芯片7电性连接。
示例地,所述第一芯片5可以采用硅基射频控制芯片,所述硅基射频控制芯片由CMOS、SiGe BiCMOS或SOI工艺制备;所述第二芯片7可以采用化合物射频前端芯片,所述芯片由GaAs、GaN或InP工艺制备。
所述上层天线板1由平面电路/封装工艺制成,包括但不限于LTCC、HDI等。
所述三维异构集成的毫米波系统封装结构特点为:分为上、下两部分,上半部分的上层天线板1包含一块无需分割的大规模封装天线;下半部分的下层芯片载板为若干块可组合的封装基板,每块封装基板含有若干块异质的第一芯片5和第二芯片7,可以是若干块控制的硅基芯片和多块射频前端芯片。
其中,上半部分的大规模封装天线可以为低温共烧陶瓷(LTCC)制作的天线,也可以是高密度互连基板(HDI)层压制作而成的天线,亦可以是以玻璃为原材料制成的天线。只要该封装天线的引脚能与下层芯片载板的焊盘兼容,则天线的种类可以是多样的。上层天线板若采用较为简单的不挖腔的制作流程,则需要配套使用大尺寸的焊球撑起一定高度以容纳芯片;上层天线板亦可挖腔以容纳芯片,同时使用更小的焊球以降低整体封装的高度。上层天线板内部也可以设置再布线层和集成无源器件(IPD),达到成滤波和去耦等功能。
下半部分的下层芯片载板的结构是以中间的核心(core)层2对称分布的,通过层压工艺将薄膜介质和金属导体制作于core层上下两面。其中的介质层厚度及其材料根据实际情况进行调节,可以采用多种材料来组成叠层结构。可将三五组芯片嵌入在中间核心层2中,硅基芯片倒扣在下层芯片载板的上表面,通过焊球或者微凸点(bump)将硅基芯片的信号引出到基板表面进行电气连接,三五族芯片底部通过金属化过孔将热量传递导焊球进行散热。下层芯片载板表面可以焊接表面贴装器件(SMD),如电容等。
三五族芯片亦可以置于下层芯片载板下方进行焊接,硅基芯片置于下层芯片载板上表面,三五族芯片底部通过散热齿进行散热,与其连接的PCB需要开腔以容纳散热齿。示例地,硅基芯片可以嵌入在下层芯片载板中,与三五族芯片直接相连,以达到电气连接的最短距离,同时降低天线制作的难度。
硅基芯片可以不止一块,可以是一块硅基毫米波芯片和多块电源管理芯片倒扣在下层芯片载板的上表面,多块硅基芯片之间可做屏蔽层以防电磁干扰。屏蔽层可以由屏蔽铜层和屏蔽铜柱构成。
在每个模块的下层芯片载板的边缘都制有滑槽,以便进行多模块的组合。下层芯片载板的下表面焊有较大尺寸的焊球,将与印刷电路板(PCB)进行电气连接。
所述三维异构集成的毫米波系统封装结构的工作原理为:
信号接收:通过上层天线板内的封装天线(AiP)接收信号,随后传输至下层芯片载板中的射频前端芯片中进行低噪声放大,然后再传输给硅基毫米波芯片进行处理;
信号发射:硅基毫米波芯片的信号传输到射频前端芯片中进行功率放大,再传输到AiP发射到自由空间中;
供电:毫米波系统封装结构最下面的焊球将下层芯片载板与印刷电路板(PCB)进行相连,通过焊球,PCB将直流电供电至各个芯片。
其中,第一芯片和第二芯片的位置设置存在多样化,从而构成多种类型的三维异构集成的毫米波系统封装结构,具体详见以下实施例。
实施例一
如图1-1所示,所述第一芯片组设置在所述下层芯片载板的上表面,所述第二芯片组嵌入设置在所述下层芯片载板的核心层2内部,位于上再布线层8和下布线层9之间,所述第二芯片7的下表面设置有金属化过孔,并连接焊球。
所述第二芯片7通过金属化过孔,可以将热量传递给焊球进行散热,还可以通过金属化过孔与焊球配合进行电气连接。
所述上层天线板1的下表面设置有凹槽,所述第一芯片组设置在所述凹槽内,所述第一芯片5的下表面为所述第一芯片5的有源面,所述第一芯片5的下表面设置焊球,所述第二芯片7的上表面为第二芯片7的有源面,所述第二芯片7的上表面设置有金属化过孔和焊球,与所述第一芯片5的下表面设置的焊球连接。
具体地,所述上层天线板1的下表面的中心位置设置有一个凹槽,一个所述第一芯片5设置在所述凹槽内,所述第一芯片5的底部设置焊球4,所述第二芯片7的上表面设置有金属化过孔,第一芯片5和第二芯片7通过金属化过孔和焊球配合连接。所述第一芯片5可以采用硅基毫米波芯片,所述第二芯片7为三五族芯片。
示例地,如图1-2所示,所述下层芯片载板的上表面还可以设置有表面贴装器件10;所述下层芯片载板采用多种材料层叠加而成。
实施例一中的三维异构集成的毫米波系统封装结构包含的上层大规模封装天线采用低温共烧陶瓷(LTCC)一体化制作,共256个天线单元;下层芯片载板采用8块封装基板模块,采用复合材料进行层叠加工。每4个天线单元由1块三五族的砷化镓(GaAs)FEM芯片控制,每8块砷化镓FEM由与1块8通道的硅基毫米波芯片互连,在下层共同组成一块下层芯片载板的模块化组合。
对于上层天线板,需要下表面位置进行挖腔,以容纳硅基毫米波芯片的放置,同时还需要有根据下层芯片载板砷化镓的FEM的信号端口进行馈电口的设计。天线层内部置有集成无源器件11,以达到对天线进行滤波的作用。
下层芯片载板共八层金属,以Core层为中心,上下对称设计,由内向外依次填充ABF、PP、液晶聚合物(LCP)材料作为不同层的介质。将砷化镓FEM嵌入到Core层中,信号从第4层经由垂直孔(via)穿过ABF介质到达第三层金属布线层;FEM金属化的背面通过金属化过孔引出到最底层的焊球处进行散热。因为ABF材料可以做得比较薄,进而可以使用比较细的via,所以对于窄间距的焊盘的信号引出是十分有效的;第二、三层中间介质为PP,拥有良好的高频性能和不错的填充效果;第一、二层中间的介质为LCP,其优秀的高频性能可以为表层的高频信号走线提供支持,从core层将信号引出至表层,总长4.82mm,其插损为-1.5dB@76GHz。
硅基毫米波芯片使用金金键合工艺,通过90um的金球与封装基板的上表面的连线进行电气连接;封装基板的下表面使用350um的锡球与PCB进行电气连接。同时砷化镓芯片背面金属化,可以在这面使用金属过孔导出到封装基板下表面的锡球处,以达到对芯片散热的目的。在砷化镓芯片供电方面,为了使直流纹波更低,在封装基板表面焊接了小型的电容表面焊接器件。
在下层芯片载板使用固定框架进行模块的拼接,该固定框架的厚度比模块基板厚度稍厚,使得模块边缘可以嵌入到固定框架中。
实施例二
如图2所示,与实施例一区别主要在于:射频前端芯片并非是嵌入在下层芯片载板的Core层,而是焊接在下层芯片载板的底部,并用较大的焊球撑起整体的结构。
具体地,所述第一芯片组设置在所述下层芯片载板的上表面,所述第二芯片组设置在所述下层芯片载板的下表面;所述第一芯片5的下表面设置有焊球,连接到所述上再布线层8,所述第二芯片7的上表面设置有焊球,连接到所述下再布线层9,所述第二芯片7的下表面设置散热齿进行散热,所述毫米波系统封装结构的底部连接PCB板,所述PCB板设置开腔,用于容纳所述散热齿。
所述上层天线板1的下表面的中心位置设置有一个凹槽,一个所述第一芯片5设置在所述凹槽内,所述第一芯片5的底部设置焊球,所述第二芯片7的上表面设置有金属化过孔与所述第一芯片5底部的焊球连接。所述第一芯片5可以采用硅基毫米波芯片,所述第二芯片7为三五族芯片。第二芯片7和第一芯片5通过金属化过孔进行电气连接。
实施例三
如图3所示,实施例三与实施例一类似,所不同的是上层天线板1不再挖腔,而是通过使用大焊球撑起一定高度以容纳芯片。
具体地,所述第二芯片7嵌入设置在所述下层芯片载板的核心层2内部,所述第二芯片7的下表面设置有金属化过孔,并连接焊球,所述第二芯片7通过金属化过孔,将热量传递给焊球进行散热或进行不同层的电气连接。
所述第一芯片5设置在所述上层天线板1和下层芯片载板之间的间隙内,所述上层天线板1和下层芯片载板之间的大焊球的直径大于所述第一芯片5的厚度,所述第一芯片5的底部设置有焊球,连接所述上再布线层8;所述第二芯片7的上表面设置有金属化过孔与所述第一芯片5底部的焊球连接。
相比实施例一,此实施例在工艺上的实现会更加简单方便。
实施例四
如图4所示,实施例四与实施例一类似,所不同的是下层芯片载板表面处的第一芯片5不单有硅基毫米波芯片,还包括负责直流供电的电源管理芯片(PMU)。PMU负责给各射频前端芯片提供直流偏置电压,通过从硅基毫米波芯片处接收到的控制指令来调节射频前端芯片的偏压,以达到控制射频前端芯片增益的目的。
因为在同一水平面上有多块不同的硅基芯片,需要在作为主控芯片的硅基毫米波芯片周围加上一些电磁屏蔽层以防电磁干扰。在主控芯片的四周添加排列紧密的屏蔽铜柱12,同时在芯片底部加上金属层,例如屏蔽铜层13,共同形成电磁屏蔽层。
具体地,所述第二芯片7嵌入设置在所述下层芯片载板的内部,所述第二芯片7的下表面设置有金属化过孔,并连接焊球,所述第二芯片7可以通过金属化过孔,将热量传递给焊球进行散热,或进行电气连接。
所述上层天线板1的下表面设置有凹槽,所述第一芯片5设置在所述凹槽内,所述第一芯片5的底部设置焊球,所述第二芯片7的上表面设置有金属化过孔与所述第一芯片7底部的焊球连接。所述第一芯片5设置为多个,包括一个硅基毫米波芯片5-1和多个电源管理芯片5-2,对应地,所述凹槽设置为多个,其中,一个凹槽位于所述上层天线板的下表面的中心位置,用于设置一个硅基毫米波芯片5-1,其余凹槽用于设置电源管理芯片5-2,并围绕所述硅基毫米波芯片5-1设置。多个所述第一芯片之间设置电磁屏蔽层。
实施例五
实施例五与实施例二类似,所不同的是硅基毫米波芯片嵌入到下层芯片载板的核心层2中,上层天线板1也因此不用挖腔,同时上层天线板1还可以采用小焊球。射频前端芯片和硅基毫米波芯片可以直接通过焊球进行电气连接,以达到最短的互连距离,从而得到更优异的高频电性能。
具体地,所述第一芯片组嵌入设置在所述下层芯片载板的核心层2内部,所述第二芯片组设置在所述下层芯片载板的下表面,所述第二芯片7的上表面设置有焊球,连接到所述下再布线层9,并且,所述第一芯片5和所述第二芯片7之间通过焊球直接电性连接;所述第二芯片7的下表面设置散热齿进行散热,所述毫米波系统封装结构的底部连接PCB板,所述PCB板设置开腔,用于容纳所述散热齿。
综上,本发明提供的三维异构集成的毫米波系统封装结构,(1)解决射频封装集成度较低的问题:集成了天线,主控芯片和前端芯片;(2)解决大规模天线相位一致性的问题:天线不拆分生产再组合,而是直接整体化生产;(3)解决针对不同天线需要不同的封装设计的问题:一次设计即可满足不同天线的封装需求;(4)解决芯片间互连损耗高的问题:高集成度的系统降低了互连长度,同时采用优秀的高频材料进一步降低了互连损耗;(5)解决多芯片封装良率较低成本高的问题:将封装分为上部分无芯片的一体化天线和下部分有芯片的多模块封装基板,当某块芯片检测出问题后,只需换掉出问题的模块即可,而无需将一整个封装都换掉。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,由上层天线板和下层芯片载板组装构成;所述上层天线板和下层芯片载板之间设置有间隙,并通过焊球连接;所述上层天线板为一体化结构,内部设置有封装天线和馈电网路,所述下层芯片载板为模块化结构,设置有第一芯片组和第二芯片组,所述第二芯片组位于所述第一芯片组的下方,所述第一芯片组包括若干第一芯片,所述第二芯片组包括若干第二芯片,所述第一芯片和第二芯片为异构芯片,所述第一芯片和第二芯片的有源面相对,但在垂直方向上错开排布;
所述下层芯片载板由上再布线层、核心层以及下再布线层从上向下依次堆叠构成;所述上层天线板设置有若干垂直贯通的金属化过孔,通过焊球/凸块连接到所述上再布线层,所述上再布线层、核心层以及下再布线层分别设置有若干金属化过孔,通过金属化过孔实现任意层互连;
所述第一芯片利用金属互连,通过金属化过孔和/或焊球与所述第二芯片电性连接;
所述上层天线板由平面电路/封装工艺制成。
2.根据权利要求1所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述第一芯片组设置在所述下层芯片载板的上表面,所述第二芯片组嵌入设置在所述下层芯片载板的核心层内部,位于上再布线层和下布线层之间,所述第二芯片的下表面设置有金属化过孔,并连接焊球。
3.根据权利要求1所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述第一芯片组设置在所述下层芯片载板的上表面,所述第二芯片组设置在所述下层芯片载板的下表面;所述第一芯片的下表面设置有焊球,连接到所述上再布线层,所述第二芯片的上表面设置有焊球,连接到所述下再布线层,所述第二芯片的下表面设置散热齿进行散热,所述毫米波系统封装结构的底部连接PCB板,所述PCB板设置开腔,用于容纳所述散热齿。
4.根据权利要求2或3所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述上层天线板的下表面设置有凹槽,所述第一芯片组设置在所述凹槽内,所述第一芯片的下表面为所述第一芯片的有源面,所述第一芯片的下表面设置焊球,所述第二芯片的上表面为第二芯片的有源面,所述第二芯片的上表面设置有金属化过孔和焊球,与所述第一芯片的下表面设置的焊球连接。
5.根据权利要求4所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述第一芯片设置为一个,采用硅基射频控制芯片,对应地,所述凹槽设置为一个,位于所述上层天线板的下表面的中心位置;所述第二芯片设置为若干个,采用化合物射频前端芯片。
6.根据权利要求4所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述第一芯片设置为多个,包括一个硅基射频控制芯片和多个电源管理芯片,对应地,所述凹槽设置为多个,其中,一个凹槽位于所述上层天线板的下表面的中心位置,用于设置一个硅基射频控制芯片,其余凹槽用于设置电源管理芯片,并围绕所述硅基射频控制芯片设置。
7.根据权利要求2所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述第一芯片组设置在所述上层天线板和下层芯片载板之间的间隙内,所述上层天线板和下层芯片载板之间的焊球直径大于所述第一芯片的厚度,所述第一芯片的底部设置有焊球,连接所述上再布线层;所述第二芯片的上表面设置有金属化过孔与所述第一芯片底部的焊球连接。
8.根据权利要求1所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述第一芯片组嵌入设置在所述下层芯片载板的核心层内部,所述第二芯片组设置在所述下层芯片载板的下表面,所述第二芯片的上表面设置有焊球,连接到所述下再布线层,并且,所述第一芯片和所述第二芯片之间通过焊球直接电性连接;所述第二芯片的下表面设置散热齿进行散热,所述毫米波系统封装结构的底部连接PCB板,所述PCB板设置开腔,用于容纳所述散热齿。
9.根据权利要求1所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述下层芯片载板的上表面设置有表面贴装部件;所述下层芯片载板采用多种材料层叠加而成。
10.根据权利要求1所述的三维异构集成的毫米波系统封装结构,其特征在于,所述第一芯片采用硅基射频控制芯片,所述硅基射频控制芯片由CMOS、SiGe BiCMOS或SOI工艺制备;所述第二芯片采用化合物射频前端芯片,所述芯片由GaAs、GaN或InP工艺制备。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117394015A (zh) * | 2023-10-27 | 2024-01-12 | 惠州市特创电子科技股份有限公司 | 三维相控阵天线封装及其制备方法 |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20100051270A (ko) * | 2008-11-07 | 2010-05-17 | 시빔, 인코퍼레이티드 | 표면 장착가능한 집적회로 패키징 수단 |
CN111987088A (zh) * | 2019-05-23 | 2020-11-24 | 中国科学院微电子研究所 | 集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构 |
CN112051551A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-12-08 | 上海无线电设备研究所 | 基于硅基三维集成的微小型雷达高频大功率有源子阵 |
CN112701115A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司 | 一种射频前端模块的三维异质集成封装结构及其制作方法 |
CN112864147A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-05-28 | 华南理工大学 | 一种可组合式的三维多芯片封装结构 |
CN113539998A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-22 | 南京国博电子股份有限公司 | 硅基三维立体集成收发前端 |
CN114743946A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-07-12 | 圭步微电子(南京)有限公司 | 一种集成毫米波雷达天线的芯片封装结构及其封装方法 |
CN115360499A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-11-18 | 北京遥测技术研究所 | 一种w频段二维aip微系统架构 |
CN115693101A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-02-03 | 中国电子科技集团公司信息科学研究院 | W波段收发一体相控阵封装天线及制作工艺 |
CN115719875A (zh) * | 2022-11-01 | 2023-02-28 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种射频天线封装结构及封装结构的制备方法 |
CN115954647A (zh) * | 2022-12-06 | 2023-04-11 | 网络通信与安全紫金山实验室 | 一种三维立体毫米波封装天线结构 |
-
2023
- 2023-07-25 CN CN202310917977.9A patent/CN116895614B/zh active Active
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20100051270A (ko) * | 2008-11-07 | 2010-05-17 | 시빔, 인코퍼레이티드 | 표면 장착가능한 집적회로 패키징 수단 |
CN111987088A (zh) * | 2019-05-23 | 2020-11-24 | 中国科学院微电子研究所 | 集成天线和射频前端的有机基板埋入封装结构 |
CN112051551A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-12-08 | 上海无线电设备研究所 | 基于硅基三维集成的微小型雷达高频大功率有源子阵 |
CN112701115A (zh) * | 2020-12-28 | 2021-04-23 | 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司 | 一种射频前端模块的三维异质集成封装结构及其制作方法 |
CN112864147A (zh) * | 2021-01-18 | 2021-05-28 | 华南理工大学 | 一种可组合式的三维多芯片封装结构 |
CN113539998A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-10-22 | 南京国博电子股份有限公司 | 硅基三维立体集成收发前端 |
CN114743946A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-07-12 | 圭步微电子(南京)有限公司 | 一种集成毫米波雷达天线的芯片封装结构及其封装方法 |
CN115360499A (zh) * | 2022-07-21 | 2022-11-18 | 北京遥测技术研究所 | 一种w频段二维aip微系统架构 |
CN115719875A (zh) * | 2022-11-01 | 2023-02-28 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | 一种射频天线封装结构及封装结构的制备方法 |
CN115954647A (zh) * | 2022-12-06 | 2023-04-11 | 网络通信与安全紫金山实验室 | 一种三维立体毫米波封装天线结构 |
CN115693101A (zh) * | 2022-12-30 | 2023-02-03 | 中国电子科技集团公司信息科学研究院 | W波段收发一体相控阵封装天线及制作工艺 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117394015A (zh) * | 2023-10-27 | 2024-01-12 | 惠州市特创电子科技股份有限公司 | 三维相控阵天线封装及其制备方法 |
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