CN214588742U - 水平辐射方向的天线封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水平辐射方向的天线封装结构。包括重新布线层、天线阵列层、焊球凸块及芯片；天线阵列层位于重新布线层的第一表面，与金属线层电连接；天线阵列层包括呈阵列排布的多个天线，天线沿水平方向辐射；天线包括多个沿第一方向延伸的第一金属片和多个沿第二方向延伸的第二金属片，多个第一金属片平行间隔设置，多个第二金属片平行间隔设置；塑封材料层位于重新布线层的第一表面。本实用新型将天线设计为沿水平方向辐射的结构，天线高度无需做很高，由此可以降低包覆天线层的塑封层的高度，有助于提高天线频率和进一步缩小器件尺寸，同时因天线沿水平方向的拓展空间很大，可以根据器件需求灵活设计天线结构，有助于提高器件性能。

Description

水平辐射方向的天线封装结构

技术领域

本实用新型涉及半导体封装技术领域，特别是涉及一种水平辐射方向的天线封装结构。

背景技术

随着5G通讯和人工智能时代的到来，应用于此类相关领域的芯片所要传输和高速交互处理的数据量越来越大，且移动互联网以及物联网方面的需求越来越强劲，电子终端产品的小型化和多功能化成为产业发展的大趋势。如何将不同种类的高密度芯片集成封装在一起，以构成一个功能强大且体积功耗较小的系统，已成为半导体芯片先进封装领域的一大挑战。

扇出型封装(Fan-out)技术因可整合多个芯片，且效能比以载板基础的系统级封装要好，业界普遍看好扇出型封装技术在未来5G射频前端芯片整合封装中的应用。而扇出型晶圆级封装(Fan-Out Wafer Level Packaging，简称FOWLP)则融合了扇出型封装和晶圆级封装技术的优点，可以充分满足人们对电子器件的多功能、高性能、高能效、低成本和小尺寸的需求，已经成为满足移动和网络应用电子设备需求的最有前途的封装技术之一。

为进一步减少器件面积，天线已经被集成至扇出型晶圆级封装结构中，但是现有技术中通常仅采用垂直辐射方向的天线设计，因塑封(molding)厚度存在制程极限，使得天线的设计难度加大，阻碍了器件的进一步小型化。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种水平辐射方向的天线封装结构，用于解决现有技术的扇出型封装结构中仅采用垂直辐射方向的天线设计，因塑封厚度存在制程极限，使得天线的设计难度加大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种水平辐射方向的天线封装结构，所述水平辐射方向的天线封装结构包括：重新布线层，所述重新布线层具有相对的第一表面及第二表面，所述重新布线层包括介质层及位于所述介质层内及介质层表面的金属线层；天线阵列层，位于所述重新布线层的第一表面，所述天线阵列层与所述金属线层电连接；所述天线阵列层包括呈阵列排布的多个天线，所述天线沿水平方向辐射；所述天线包括多个沿第一方向延伸的第一金属片和多个沿第二方向延伸的第二金属片，所述多个第一金属片平行间隔设置，所述多个第二金属片平行间隔设置，且所述第二金属片的两端分别与所述第一金属片相连接；所述第一方向与所述第二方向不相平行；塑封材料层，位于所述重新布线层的第一表面，且将所述天线阵列层塑封；焊球凸块，位于所述重新布线层的第二表面，且与所述金属线层电连接；芯片，与所述焊球凸块电连接。

可选地，所述水平辐射方向的天线封装结构还包括凸块下金属层，所述凸块下金属层位于所述重新布线层的第二表面，且两端分别与所述金属线层和所述焊球凸块电连接。

可选地，所述水平辐射方向的天线封装结构还包括底部填充层，所述底部填充层位于所述芯片和所述焊球凸块之间。

可选地，所述第一金属片和第二金属片均为两个。

可选地，所述凸块下金属层自下而上包括铬层、铬-铜层及铜层。

可选地，所述多个天线呈多行多列排布。

可选地，所述天线的材质包括金、银和铜中的一种或多种的结合。

可选地，所述第一方向和第二方向相垂直。

如上所述，本实用新型的水平辐射方向的天线封装结构，将天线设计为沿水平方向辐射的结构，天线高度无需做很高，由此可以降低塑封天线层的塑封层的高度，有助于提高天线频率和进一步缩小器件尺寸，同时因天线沿水平方向的拓展空间很大，因而可以根据器件需求灵活设计天线结构，有助于提高器件性能。

附图说明

图1显示为本实用新型提供的水平辐射方向的天线封装结构的封装方法的一例示性制备工艺流程图。

图2～图10显示为依图1的制备工艺流程在制备过程中各步骤所呈现出的例示性结构示意图，其中，图10同时显示为本实用新型提供的水平辐射方向的天线封装结构的一例示性截面结构示意图。

元件标号说明

11 支撑基底

12 释放层

13 保护层

14 介质层

141 开口

15 金属线层

16 天线

161 第一金属片

162 第二金属片

17 塑封材料层

18 焊球凸块

19 芯片

20 凸块下金属层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本说明书中在涉及数值范围的描述时，如无特殊说明，均包括端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型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型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

现有的扇出型晶圆级封装的天线结构通常只采用单一的垂直辐射方向的设计，为提高天线性能，通常需确保天线具有一定高度，这使得塑封天线的塑封材料层势必要做得很厚才能确保完全塑封天线，但是现有的塑封材料层存在厚度制程极限，使得天线的设计受到限制。故而本实用新型提出了改善对策。

具体地，如图1所示，本实用新型提供一种水平辐射方向的天线封装结构，其制备方法包括以下步骤：

S1：提供支撑基底11，于所述支撑基底11上形成分离层，得到的结构参考图2及图3所示；

S2：于所述分离层上形成重新布线层，所述重新布线层包括介质层14及位于所述介质层14内以及介质层14表面的金属线层15，得到的结构如图4所示；

S3：于所述重新布线层上形成天线阵列层，所述天线阵列层与所述金属线层15电连接(金属线层作为天线馈线)；所述天线阵列层包括呈阵列排布的多个天线16，所述天线16沿水平方向辐射；所述天线16包括多个沿第一方向延伸的第一金属片161和多个沿第二方向延伸的第二金属片162，所述多个第一金属片161平行间隔设置，所述多个第二金属片162平行间隔设置，且所述第二金属片162的两端分别与所述第一金属片161相连接；所述第一方向与所述第二方向不相平行，得到的结构参考图5及图7所示；

S4：形成塑封材料层17，所述塑封材料层17将所述天线阵列层塑封，得到的结构参考图6所示；

S5：去除所述支撑基底11和所述分离层，得到的结构如图8所示；

S6：于所述重新布线层背离所述天线阵列层的表面形成焊球凸块18，所述焊球凸块18与所述金属线层15电连接，得到的结构如图9所示；

S7：将芯片19贴置于所述焊球凸块18上，得到的结构如图10所示。

本实用新型将天线设计为沿水平方向辐射(即沿封装体的侧面辐射)的结构，天线高度无需做很高，由此可以降低塑封天线层的塑封层的高度，有助于提高天线频率和进一步缩小器件尺寸，同时因天线沿水平方向的拓展空间很大，因而可以根据器件需求灵活设计天线结构，有助于提高器件性能。

所述支撑基底11顾名思义就是起到支撑作用，避免器件制备过程中发生弯曲变形等不良。作为示例，所述支撑衬底包括但不限于玻璃基底、硅基底、蓝宝石基底、陶瓷基底、金属基底等具有一定硬度且不容易发生弯曲变形的材料。本实施例中优选玻璃基底等透明基底，这有助于后续在剥离所述分离层可自支撑基底11的背面进行UV光照射以使所述支撑基底11自所述分离层处剥离。在制备所述分离层前，可以先对支撑基底11进行清洗及干燥。

在一示例中，所述分离层包括释放层12和保护层13，所述释放层12形成于所述支撑基底11的表面，所述保护层13形成于所述释放层12背离所述支撑基底11的表面，用于保护所述释放层12。当然，在其他示例中，所述分离层也可以仅设置所述释放层12。在进一步的示例中，所述释放层12包括但不限于碳材料层、树脂材料层和有机材料层中的一种或多种的结合，所述保护层13包括但不限于聚酰亚胺层。比如所述支撑基底11为玻璃基底等透明基底，所述释放层12为UV树脂层，在后续剥离时可自支撑基底11背面照射所述释放层12以使其脱落，由此实现剥离。所述释放层12也可以为LTHC光热转换层，后续步骤可以基于激光等方法对所述LTHC光热转换层进行加热，以使所述支撑基底11自所述LTHC光热转换层处分离，降低剥离的工艺难度，防止器件损伤。所述释放层12和保护层13的形成方法可以根据其材料而定，比如可以选自旋涂法、喷涂法、直接贴附等方法。

作为示例，所述介质层14的材质包括但不限于环氧树脂、硅胶、PI、PBO、BCB、氧化硅、磷硅玻璃，含氟玻璃中的一种或多种的结合，还可以为其他高K介质材料；所述金属线层15的材质包括但不限于金、银、铜、铝等金属中的一种或多种的结合。形成所述介质层14的方法包括但不限于气相沉积法，形成所述金属线层15的方法包括但不限于溅射法、电镀法、化学镀等方法中的一种或多种的结合。在一示例中，形成所述金属布线层的过程包括：先于所述分离层上形成所述介质层14，然后采用光刻刻蚀工艺于所述介质层14中形成对应所述金属线层15的开口，之后于所述开口内及介质层14表面形成金属材料层以形成所述金属线层15。所述介质层14和所述金属线层15均可以为单层或多层结构，但需确保不同层的金属线层15相互电连接。

在一示例中，在形成所述重新布线层之后，还包括于所述重新布线层表面形成凸块下金属层20(under bump metallurgy，简称UBM)的步骤，所述凸块下金属层20与所述金属线层15电连接，所述天线阵列层形成于所述凸块下金属层20的表面，且与所述凸块下金属层20电连接。所述凸块下金属层20可以为单层或多层结构，形成所述凸块下金属层20的方法包括但不限于溅射法和电镀法中的一种或两种的结合。比如，在一示例中，所述凸块下金属层20自下而上包括铬层、铬-铜(50％～50％)层及铜层，且所述凸块下金属层20表面还可以设置一层很薄的金层，以预防铜层的氧化。所述凸块下金属层20的底部还可以设置扩散层，比如设置铅锡合金层，根据不同的应用要求还可以选用低共熔化合物或其他成分，以使凸块下金属层20和金属线层15实现更好地电接触。

作为示例，形成所述天线阵列层可以包括步骤：

采用包括但不限于溅射法或电镀法等方法于所述重新布线层上形成天线金属层，所述天线金属材料层的材质包括但不限于金、银、铜等单一金属或金属合金；

于所述天线金属层上涂布光刻胶层，并对光刻胶层进行曝光显影以在所述天线金属层中定义出天线16的位置和形貌；

对所述天线金属层进行刻蚀以形成所述天线阵列层。

在一示例中，如图7所示，所述第一金属片161和第二金属片162均为两个，所述第一方向和第二方向相垂直。所述第一金属片161和第二金属片162均沿水平方向延伸(沿水平方向延伸的长度大于沿纵向延伸的高度)，也即两者表面积相对较大的表面(本实施例中，该面为矩形面)与水平面垂直(而与水平面平行的面的宽度很小，比如小于5000nm)，第一金属片161作为阵子具有导向和放大电磁波的作用，第二金属片162则起到辐射电磁波的作用，其在工作时沿水平方向向外辐射电磁波，而位于金属片之间的塑封材料则起到传播介质的作用，以将第二金属片162表面辐射出的电磁波沿水平方向(比如图7中箭头所示的方向)传播出去。由于天线沿水平方向辐射，因而天线高度无需做得很高，相应的塑封材料层的厚度也可以降低，有助于天线频率的提高和器件尺寸的进一步缩小。同时，天线的延伸长度仅受器件基底长度限制，比如若器件基底为300mm的硅晶圆，则天线沿水平方向的延伸长度可以大大拓展，有助于进一步提高天线性能。当然，在其他示例中，所述天线还可以采用其他结构，对此不做严格限制。

作为示例，形成所述塑封材料层17的方法包括但不限于压缩成型、传递模塑成型、液封成型、真空层压及旋涂中的一种或多种的结合，所述塑封材料层17的材料可包括聚酰亚胺、硅胶以及环氧树脂中的一种或多种的结合。其中，在形成所述塑封材料层17后，还可包括研磨或抛光的方法对所述塑封材料层17进行平坦化处理，以便于后续工艺的进行。

在形成塑封材料层17后，根据所述支撑基底11和所述分离层的材质的不同，采用包括但不限于研磨法、激光照射法、加热法等方法中的一种或多种去除所述支撑基底11和所述分离层。如果形成有前述保护层，则在该步骤中可同步去除所述保护层。

在一示例中，去除所述支撑基底11和所述分离层之后，还包括于所述介质层14内形成开口141的步骤，所述开口141暴露出所述金属线层15，所述焊球凸块18形成于所述开口141内。比如采用激光刻蚀法形成所述开口141，然后采用植球法(ball mount)于所述开口141内形成所述焊球凸块18，这有助于进一步确保焊球凸块18和金属线层15的良好电接触。所述焊球凸块18的材质包括但不限于锡、金、铜或锡、金、铜合金。

作为示例，可采用包括但不限于瞬间高温之机械压迫式熔接(die bond)方法将所述芯片19焊接于所述焊球凸块18上。所述芯片19包括但不限于各类主动和被动元件，如功率器件、电阻、电容等，所述芯片19可以为单个或多个。

在一示例中，在形成所述芯片19前或后，还可以于所述焊球凸块18和所述芯片19之间形成底部填充层，以对所述芯片19和焊球凸块18形成良好的保护。比如在贴置所述芯片19后，采用包括但不限于毛细填充法在所述芯片19和焊球凸块18之间形成密封环氧层。或在贴置芯片19前，先在焊球凸块18表面和焊球凸块18之间形成底部填充层，之后采用激光刻蚀于底部填充层形成暴露焊球凸块18的开口，然后经由这些开口将芯片19焊接至焊球凸块18表面。

本实用新型提供的水平辐射方向的天线封装结构可以采用前述任一方案中所述的方法制备，故前述对所述天线封装结构的介绍可全文引用至此，出于简洁的目的尽量不赘述。当然，该天线封装结构也可以基于其他的方法制备而成，此处不做一一展开。

具体地，如图10所示，所述水平辐射方向的天线封装结构包括：重新布线层，所述重新布线层具有相对的第一表面及第二表面，所述重新布线层包括介质层14及位于所述介质层14内及介质层14表面的金属线层15；天线阵列层，位于所述重新布线层的第一表面，所述天线阵列层与所述金属线层15电连接；所述天线阵列层包括呈阵列排布的多个天线16，比如呈多行多列排布(比如为2X2阵列排布)或直线状(也即单行多列排布或多行单列排布)排列，这有助于提高天线性能；所述天线16沿水平方向辐射；所述天线16包括多个沿第一方向延伸的第一金属片161和多个沿第二方向延伸的第二金属片162，所述多个第一金属片161平行间隔设置，所述多个第二金属片162平行间隔设置，且所述第二金属片162的两端分别与所述第一金属片161相连接；所述第一方向与所述第二方向不相平行；塑封材料层17，位于所述重新布线层的第一表面，且将所述天线阵列层塑封(可以为完全包覆，也可以部分)；焊球凸块18，位于所述重新布线层的第二表面，且与所述金属线层15电连接；芯片19，与所述焊球凸块18电连接。

作为示例，所述介质层14包括但不限于环氧树脂层、硅胶层、PI层(聚酰亚胺层)、PBO层(聚苯撑苯并噁唑层)、BCB层(苯并环丁烯层)、氧化硅层、磷硅玻璃层，含氟玻璃层中的任意一种或多种的结合；所述金属线层15包括但不限于金层、银层、铜层、铝层等金属层中的一种或多种的结合。

作为示例，所述天线16的材质包括但不限于金、银、铜等单一金属或金属合金。

在一示例中，所述水平辐射方向的天线封装结构还包括凸块下金属层20，所述凸块下金属层20位于所述重新布线层的第二表面，且两端分别与所述金属线层15和所述焊球凸块18电连接。在一示例中，凸块下金属层20自下而上包括铬层、铬-铜(50％～50％)层及铜层。

在一示例中，所述水平辐射方向天线16结构还包括底部填充层，所述底部填充层位于所述芯片19和所述焊球凸块18之间。

作为示例，所述第一金属片161和第二金属片162均为两个。且作为示例，所述第一方向和第二方向相垂直。所述第一金属片161和第二金属片162垂直于水平面的表面为矩形面，且该表面的面积均远大于各自平行于水平面的表面的面积。或者也可以描述为，第一金属片161和第二金属片162均包括相互垂直的第一表面和第二表面，第一表面为与水平面相平行的表面而第二表面为与水平面相垂直的表面，第二表面的面积大于第一表面的面积。即第一金属片161和第二金属片162均为薄型板，两者的长度均大于其高度和宽度。

通过将天线设置为沿水平方向辐射，使天线的设计不受塑封制程厚度的限制，可以提高天线设计的灵活性。

综上所述，本实用新型提供一种水平辐射方向的天线封装结构，包括：重新布线层，所述重新布线层具有相对的第一表面及第二表面，所述重新布线层包括介质层及位于所述介质层内及介质层表面的金属线层；天线阵列层，位于所述重新布线层的第一表面，所述天线阵列层与所述金属线层电连接；所述天线阵列层包括呈阵列排布的多个天线，所述天线沿水平方向辐射；所述天线包括多个沿第一方向延伸的第一金属片和多个沿第二方向延伸的第二金属片，所述多个第一金属片平行间隔设置，所述多个第二金属片平行间隔设置，且所述第二金属片的两端分别与所述第一金属片相连接；所述第一方向与所述第二方向不相平行；塑封材料层，位于所述重新布线层的第一表面，且将所述天线阵列层塑封；焊球凸块，位于所述重新布线层的第二表面，且与所述金属线层电连接；芯片，与所述焊球凸块电连接。本实用新型将天线设计为沿水平方向辐射的结构，天线高度无需做很高，由此可以降低塑封天线层的塑封层的高度，有助于提高天线频率和进一步缩小器件尺寸，同时因天线沿水平方向的拓展空间很大，因而可以根据器件需求灵活设计天线结构，有助于提高器件性能。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于，所述水平辐射方向的天线封装结构包括：

重新布线层，所述重新布线层具有相对的第一表面及第二表面，所述重新布线层包括介质层及位于所述介质层内及介质层表面的金属线层；

天线阵列层，位于所述重新布线层的第一表面，所述天线阵列层与所述金属线层电连接；所述天线阵列层包括呈阵列排布的多个天线，所述天线沿水平方向辐射；所述天线包括多个沿第一方向延伸的第一金属片和多个沿第二方向延伸的第二金属片，所述多个第一金属片平行间隔设置，所述多个第二金属片平行间隔设置，且所述第二金属片的两端分别与所述第一金属片相连接；所述第一方向与所述第二方向不相平行；

塑封材料层，位于所述重新布线层的第一表面，且将所述天线阵列层塑封；

焊球凸块，位于所述重新布线层的第二表面，且与所述金属线层电连接；

芯片，与所述焊球凸块电连接。

2.根据权利要求1所述的水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于：所述水平辐射方向的天线封装结构还包括凸块下金属层，所述凸块下金属层位于所述重新布线层的第二表面，且两端分别与所述金属线层和所述焊球凸块电连接。

3.根据权利要求2所述的水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于：所述凸块下金属层自下而上包括铬层、铬-铜层及铜层。

4.根据权利要求1所述的水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于，所述水平辐射方向天线结构还包括底部填充层，所述底部填充层位于所述芯片和所述焊球凸块之间。

5.根据权利要求1所述的水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于：所述第一金属片和第二金属片均为两个。

6.根据权利要求1所述的水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于：所述多个天线呈多行多列排布。

7.根据权利要求1所述的水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于：所述天线的材质包括金、银和铜中的一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的水平辐射方向的天线封装结构，其特征在于：所述第一方向和第二方向相垂直。

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