DE102010001407B4 - Integrierte Antennen auf Wafer-Ebene - Google Patents

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Abstract

Halbleitermodul zur Erzeugung und/oder zum Empfang elektromagnetischer Strahlung umfassend:eine erste Gehäusemoldmassenschicht (126), sowie ein IC-Bauelement (102, 202) mit einem integrierten Schaltkreis, der in die erste Gehäusemoldmassenschicht (126, 204) derart eingebettet ist, dass die erste Gehäusemoldmassenschicht (126) und das IC-Bauelement (102, 202) eine gemeinsame Oberfläche aufweisen;eine auf der Oberfläche der Gehäusemoldmassenschicht (126) aufgebrachte Zwischenschicht (117, 206) mit einer Umverdrahtungsschicht (121, 208), die an dem IC-Bauelement (102, 202) angeschlossen ist und die dazu dient, das IC-Bauelement (102, 202) extern anzuschließen;wenigstens eine integrierte Antennenstruktur (106, 108, 210), die innerhalb der Zwischenschicht (117, 206) angeordnet und an dem IC-Bauelement (102, 202) angeschlossen ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme, die im Zusammenhang mit Hochfrequenz (RF)-Kommunikationseinrichtungen stehen.
  • Bei Radarsystemen mit Wellenlängen im Millimeterbereich, wie sie beispielweise in Fahrzeugsystemen und Komfortanwendungen eingesetzt werden, werden Antennenstrukturen auf hochfrequenztauglichen Substraten oder auf hochfrequenztauglichen gedruckten Leiterplatten („HF PCBs“) angeordnet, was aufgrund der besonders hohen Kosten derartiger hochfrequenztauglicher Substrate die Gesamtkosten der Konstruktion erhöht. Antennen wie beispielsweise Mikrostrip-Antennen (z.B. sogenannte Patch-Antennen) werden oft auf solchen speziellen hochfrequenztauglichen Substraten aufgebaut. Die genannten HF PCBs beruhen konstruktiv oftmals auf Rogers®, Taconic® oder anderen PTFE-Materialien (PTFE = Poly Tetra Fluor Ethylen). Beispielsweise beschreibt die Publikation US 6770955 B1 eine geschirmt Antenne in einem Halbleitergehäuse, die beispielsweise in Bluetooth-Anwendungen zum Einsatz kommt. Die Publikationen US 20060033664 A1 , JP 2008259250 A und KR20050084978A beschreiben ebenfalls Halbleitergehäuse mit integrierten Miniaturantennen für Bluetooth-Anwendungen. In diesem Zusammenhang sind auch die Publikationen US 20070164420 A1 , US 20070170560 A1 , US 20080029886 A1 , US 20060276157 A1 und WO 2008111914 A1 zu nennen, in denen ebenfalls integrierte Antennenanordnungen beschrieben sind.
  • Des Weiteren wird auf die folgenden IEEE-Publikationen verwiesen: M. Sun; Y. P. Zhang, et al, „Integration of Yagi Antenna in LTCC Package for Differential 60-GHz Radio", in: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 56, Issue: 8, August 2008; Y.P. Zhang; M. Sun, et al. „Antenna-in-Package in LTCC for 60-GHz Radio", in: IWAT '07, pp.279-282, 21-23 März 2007; und Y.P. Zhang; M. Sun, et al. „Novel Antenna-in-Package Design in LTCC for Single-Chip RF Transceivers", in: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 56, Issue 7, Juli 2008. Weitere Publikationen zu diesem Thema sind: P.C.T. Song, P.S. Hall, H. Ghafouri-Shiraz, „Novel RF front end antenna package", in: IEE proceedings, Microwaves, antennas, and propagation, Vol. 150, No.4, pp. 290-294, 8 Aug. 2003; und L.K. Yeung, J. Wang, et al., „A compact LTCC Bluetooth system module with an integrated antenna", in: International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, Vol. 16, Issue 3, pp. 238-244, 3. Feb. 2006.
    Die Ausgangsleistung von Millimeterwellen kann mit einem monolithisch integrierten Mikrowellenhalbleiterschaltkreis (MMIC = monolithic microwave integrated circuit) erzeugt werden, der ebenfalls auf einem HF PCB angeordnet sein kann. MMIC Bauelemente verrichten typischerweise Funktionen wie z.B. das Mischen von Mikrowellen, Leistungsverstärkung, rauscharme Verstärkung, sowie das Schalten von Hochfrequenzen. Eingänge und Ausgänge von MMIC Bauelementen sind häufig auf eine charakteristische Impedanz (z.B. 50 Ohm) abgestimmt und mit einer Antenne verbunden. Diese Verbindungen zwischen MMIC Bauelementen und einer Antenne verursachen generell ein verlustbehaftetes Chip-/Leiterplatteninterface (z.B. Bonddrähte).
  • Immer wenn eine Energiequelle wie beispielsweise ein MMIC Bauelement Energie an eine Last abgibt, wird die Energie dann am effizientesten übertragen, wenn die Impedanz der Last gleich der komplex Konjugierten der Impedanz der Quelle ist oder an diese angepasst ist (Impedanzanpassung). Wenn zwei Impedanzen zueinander komplex konjugiert sind, sind ihre Widerstände gleich und ihre Reaktanzen haben dieselben Beträge, allerdings unterschiedliche Vorzeichen. Eine derartige Impedanzabstimmung zwischen Antennen und Chipausgang kann durch große Herstellungstoleranzen beim Bondprozess und bei der Verdrahtung der Leiterplatte (PCB) beeinträchtigt sein.
  • Wegen des großen Bedarfs an einem effizienten, preisgünstigeren und wirkungsvollen Radarempfang sind die Hersteller mit der Herausforderung konfrontiert, Antennenbaugruppen bereitzustellen, bei denen im selben Radarsystem der mögliche Arbeitsbereich, die Datenrate und die integrierte Leistung maximal sind. Die der hier beschriebenen Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe kann demnach darin gesehen werden, neue, verbesserte Antennenbaugruppen für Radarsysteme bereitzustellen.
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch das Halbleitermodul gemäß Patentanspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Ansprüche 16 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Die nachfolgende Erläuterung stellt eine vereinfachte Zusammenfassung dar, um ein grundsätzliches Verständnis von einem oder mehreren Aspekten der Erfindung zu ermöglichen. Diese Zusammenfassung stellt keinen umfassenden Überblick über die Erfindung dar und ist sie weder dazu gedacht, Schlüsselelemente oder kritische Elemente der Erfindung herauszustellen, noch dazu, deren Schutzbereich abzugrenzen. Vielmehr besteht der wichtigste Zweck der Zusammenfassung darin, einige Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form als Hinführung auf die später dargelegte, detaillierte Beschreibung vorzustellen.
  • Die Integration von Elektronik in einer Baugruppe einschließlich Antennen kann die Kosten verringern und die Effizienz erhöhen. Dies kann mittels einer Waferbaugruppe erfolgen, wie dies beispielsweise bei einem eingebetteten („embedded“) Gitter Array auf Waferebene der Fall ist, bei dem die Baugruppe in einem Verfahren auf Waferebene hergestellt wird. Bei dem Wafer-Herstellungsprozess kann ein „Moldwafer“ bereitgestellt werden, bei dem eine Metallisierungsschicht (d.h. eine Leiterbahnschicht) und dreidimensionale Verbindungen (z.B. Lotkugeln) verwendet werden. Das Verfahren ist präzise und deshalb für die Konfektionierung im Hochfrequenzbereich geeignet. Der konfektionierte Chipsatz und die Antenne sind auf der Konfektionierungsebene integriert und können in einem Frequenzbereich von beispielsweise 77 GHz betrieben werden.
  • Die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen legen bestimmte anschauliche Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung dar. Sie zeigen nur einige von verschiedenen Möglichkeiten auf, wie die Prinzipien der Erfindung umgesetzt werden können.
    • 1a zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleitermodul gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
    • 1b - 1d zeigen Querschnitte verschiedener Ausgestaltungen eines Halbleitermoduls, die einige Aspekte der vorliegenden Erfindung aufzeigen;
    • 2a - 2c zeigen Querschnitte verschiedener Ausgestaltungen eines Halbleitermoduls, die einige Aspekte der vorliegenden Erfindung aufzeigen;
    • 3a - 3f zeigen verschiedene Ausgestaltungen von Antennenstrukturen bei der vorliegenden Erfindung;
    • 4a zeigt ein Beispiel einer Dipol-Antennenstruktur gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
    • 4b zeigt ein Beispiel eines Halbleitermoduls entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und
    • 5 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls gemäß einem Aspekt der Erfindung veranschaulicht.
  • Nachfolgend werden eine oder mehrere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei für gleichartige Elemente durchgängig dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
  • Integrierte Waferbaugruppen können mit Antennenstrukturen, die mittels einer mit dem Chip verbundenen Einspeisestruktur, welche direkt und ohne gebondete Interfacestruktur, die sich außerhalb von Bondpad-Verbindungen des IC-Bauteils befindet, integriert werden. Beispielsweise kann wenigstens eine Antenne mit dem Chip mittels einer Interfaceschicht, welche eine Metallisierungsschicht (z.B. eine Umverdrahtungsschicht) aufweist, mit einer Gehäusevergussmasse mit dem darin eingebetteten Chip gekoppelt sein. Die Interfaceschicht integriert die Komponenten der Antenne direkt in derselben Baugruppe und kann außerdem dreidimensionale Verbindungsstrukturen (z.B. Lotkugeln) aufweisen, die dazu ausgebildet sind, den Chip extern anzuschließen. Teure hochfrequenztaugliche Substrate und verlustreiche Interfaces können dadurch bei Hochfrequenzanwendungen (z.B. beim Empfang von Radarwellen im Millimeterbereich) bei der Integration von Antennen in ein Gehäuse eliminiert werden.
  • 1a zeigt eine Draufsicht auf ein Halbleitermodul 100 mit einer integrierten Antennenstruktur die gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung, die mit einem Chip 102 und einem integrierten Schaltkreis integral gehäust ist, um eine drahtlose Übertragung zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Modul 100 darin eingebaute integrierte Antennenstrukturen 106 und 108 aufweisen, die außerdem mit dem IC-Chip 102 integriert sind. Obwohl vorliegend zwei Antennenstrukturen 106 und 108 gezeigt sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Anzahl von Antennenstrukturen beschränkt. Das Modul 100 weist deshalb wenigstens eine integrierte Antennenstruktur für das Senden/Empfangen von Datensignalen (z.B. Ausgangssignale im Millimeterlängenbereich) auf.
  • Das Halbleitermodul 100 kann eine Wafereinheit 104 aufweisen, beispielsweise eine Einheit 104 mit einer eingebetteten Ball Grid Array Einheit 104 auf Waferebene (eWLB = embedded Wafer Level Ball Grid Array), welche einen Chip 102 mit einem integrierten Schaltkreis IC aufweist. Bei dem Chip 102 mit dem integrierten Schaltkreis IC kann es sich um jeden beliebigen Schaltkreis wie beispielsweise einen beliebigen Siliziumchip handeln, der in die Einheit 104 eingebettet ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Chip 102 um einen integrierten Schaltkreis handeln, der als monolithisch integrierter Mikrowellenschaltkreis (MMIC = Monolithic Microwafe Integrated Circuit) für mikrowellentechnische Prozesse ausgebildet ist. MMIC Baugruppen führen typischerweise Funktionen wie das Mischen von Mikrowellen, Leistungsverstärkung, rauscharme Verstärker und Hochfrequenzschalten durch. MMICs weisen kleine Abmessungen (von etwa 1 mm2 bis 10 mm2) auf und können in Massenfertigung hergestellt werden, was die Verbreitung von Hochfrequenzgeräten wie beispielsweise Mobiltelefonen ermöglicht hat. MMICs besitzen grundsätzlich Vorteile, nämlich die Geschwindigkeit von Transistorbauteilen sowie ein halb isolierendes Substrat. Beide Faktoren können beim Entwurf von Hochfrequenzschaltkreisfunktionen hilfreich sein.
  • Die Wafereinheit 104 kann dreidimensionale (3D) Verbindungs-/Interfacestrukturen 110, wie beispielsweise Lotkugeln, aufweisen, die oberflächenmontierbar sein können. Die 3D-Bondverbindungsstrukturen 110 können als externe Kontakte, als mechanische Abstützung und/oder als Abstandhalter zwischen der Wafereinheit 104 und externen Kontakten (z.B. Anschlüsse auf einer Leiterplatte) dienen. Beispielsweise können die 3D-Verbindungsstrukturen 110 elektrische Verbindungen zwischen aktiven Komponenten des Chips 102 mit seinem integrierten Schaltkreis IC oder zwischen externen Komponenten bereitstellen. Die Verbindungsstrukturen können eine Vielzahl verschiedener Bondmaterialien wie beispielsweise Bondmetalle (z.B. Sn, Ag und/oder Cu) umfassen.
  • Die Wafereinheit 104 umfasst eine Gehäusemoldmasse 112, in die der IC-Chip 102 und Lotkugeln 110 integriert sein können und/oder auf wenigstens einer Seite durch die Moldmasse eingekapselt sein können. Der IC-Chip 102 umfasst auf einer Oberfläche des Chips Bondflächen oder Kontaktflächen 116, um elektrische Verbindungen vom Chip 102 zu Kontakten (z.B. über Bonddrähte 114) zu ermöglichen. Der Abstand der Kontaktflächen 116 und des Siliziums dazwischen kann etwa 0,1 mm betragen, weshalb die Verbindung zu einer Leiterplatte mit Bonddrähten 114 effizienter erfolgen kann als durch direkten Kontakt. Die Bonddrähte 114 können die Kontaktflächen 116 auf dem IC-Chip 102 mit den 3D-Interfacestrukturen 110 verbinden.
  • Die integrierte Antennenstruktur 106 und die integrierte Antennenstruktur 108 können dazu eingesetzt werden, drahtlose Kommunikationssignale daselbst zu senden und/oder zu empfangen, um eine Transceiverbaugruppe zu bilden. Obwohl die integrierten Antennenstrukturen 106 und 108 als zwei getrennte Antennenstrukturen gezeigt sind, können sie ebenso als eine Antennenstruktur ausgebildet sein, die daselbst als Transceiver zum Senden und/oder Empfangen fungiert. Außerdem können mehr als zwei Antennenstrukturen in die Einheit 104 integriert und in verschiedenen Winkeln zueinander positioniert werden, um eine optimale Wirkung und eine minimale transformatorische Kopplung zu erreichen.
  • Die integrierte(n) Antennenstruktur(en) kann/können ebenso jede beliebige Art verschiedener Planarantennen umfassen. Beispielsweise können die Antennenstrukturen 106 und/oder 108 Dipolantennen (3a), gefaltete Dipolantennen (3b), Ringantennen (3c), Rechteck-Rahmenantennen (3d), Patchantennen (3e), coplanare Patchantennen (3f), Slotantennen, Monopolantennen etc. aufweisen, und zwar zusätzlich zu einer oder mehreren verschiedenen Typen von Netzwerken zur Antennenspeisung und/oder zur Impedanzanpassung wie beispielweise symmetrische Zuleitungen (balanced differential lines), koplanare Zuleitungen etc., wie sie der Fachmann bevorzugt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die integrierte Antennenstruktur 106 und/oder 108 mit dem Chip 102 und der Gehäusemoldmasse 112 in die Einheit 104 integriert werden. Beispielsweise können die integrierte Antenne 106 und/oder 108 durch eine Zwischenschicht, die eine Umverdrahtung oder eine Metallisierungsschicht enthält, in die selbe Schicht integriert werden, wie die 3D-Verbindungsstrukturen 110 (z.B. Lotkugeln)(weiter unten erörtert). Hierdurch wird es möglich, dass die Antennen innerhalb der Einheit 104 mit dem Siliziumchip 102 kontaktiert werden können, ohne dass eine gebondete Interfacestruktur verwendet werden muss, die außerhalb der Bondflächenverbindungen 116 des IC-Bauelements angeordnet ist. Weil die Einheit 104 eine gemeinsame Oberfläche aufweist, an der die Gehäusemoldmasse 112 und der Chip 102 in einer Wafereinheit 104 kombiniert sind, kann die Verbindung zwischen den Antennenstrukturen 106, 108 und dem Siliziumchip 102 bei der Waferherstellung in einem Arbeitsablauf hergestellt werden. Dadurch können die Kosten für teure hochfrequenztaugliche Substrate, wie sie häufig bei Radarsystemen (z.B. Millimeterwellen-Radarsystemen, wie sie beispielsweise im Bereich der Fahrzeugsicherheit und bei Komfortanwendungen eingesetzt werden), vermieden werden. Außerdem leidet die Impedanzanpassung zwischen Antennen und Chipausgang nicht unter den großen Toleranzen des Bondprozesses und der Leiterplattenverdrahtung.
  • 1b veranschaulicht eine Ausgestaltung anhand eines Querschnitts durch das Halbleitermodul 100 entlang einer Linie 1b-1b. In dem veranschaulichten Beispiel gemäß 1b ist ein Substrat 116 aus einer Leiterplatte durch Lotkugeln 110 und Verbindungsleitungen 120 mit der Einheit 104 gekoppelt. Die (wie oben erläuterte) Einheit 104 kann eine Gehäusemoldmasseschicht 126 aufweisen, die die Gehäusemoldmasse 112 und den IC-Chip 102 umfasst, sowie eine Zwischenschicht 117, die eine Umverdrahtungsschicht 121 mit daran gekoppelten integrierten Strukturen und eine dielektrische Beschichtung 119 aufweist.
  • Die Gehäusevergussmasse 112 kann sehr geringe Verluste aufweisen und stellt ein sehr gutes Substrat für Anwendungen dar, die kleine Gehäuse erfordern, wie dies in Verbindung mit Chips für Hochfrequenzanwendungen (RF) - oder drahtlose Kommunikationsanwendungen (z.B. für Mikrowellenradarempfang) der Fall ist. Die Gehäusemoldmasse 112 kann ein organisches Polymer wie beispielsweise ein Epoxidmaterial umfassen, das ein anorganisches Füllmaterial (z.B. Siliziumdioxid) aufweist. Die Gehäusevergussmassenschicht 126 kann den in die Gehäusevergussmasse 112 eingebetteten IC-Chip 102 aufweisen, wobei eine im Wesentlichen ebene Oberfläche 124 daselbst und während des Waferhäusungsprozesses gebildet werden kann.
  • Die Einheit 104 umfasst weiterhin die Interfaceschicht 117 auf einer Oberfläche der Gehäusemoldmassenschicht 126, die in der dielektrischen Beschichtung 119 eine Metallschicht/-ebene oder die Umverdrahtungsschicht 121 umfasst, wobei der Inhalt des Chips 102 mit der Einheit 104 verbunden und in diese integriert ist. Die Einheit 104, welche die Umverdrahtungsschicht 121 und die Gehäusevergussmassenschicht 126 aufweist, kann eine Breite b von etwa 450 µm aufweisen.
  • Die Einheit 104 umfasst außerdem die 3D-Verbindungsstrukturen 110 (z.B. Lotkugeln), die die Einheit 104 weiter vergrößern. Die Kugeln 110 stellen die Schnittstelle des IC-Chips 102 zur Außenwelt (z.B. auf die Außenseite der Gehäusemoldmassenschicht 126) dar und können einen Durchmesser von mehr als 500 µm bis etwa 200 µm oder weniger aufweisen. Der Abstand zwischen den Kugeln, der durch einen Pitch p repräsentiert wird, kann 0,3 mm bis 1 mm, aber auch mehr oder weniger betragen. Eine typische Ausgestaltung kann Kugeldurchmesser von 300 µm und einen Pitch von 0,5 mm aufweisen. Dies ist ein Abstand p, in dem die Kugeln 110 mit einer Leiterplatte 116 verbunden und kompakt in die Einheit 104 integriert werden können. Die 3D-Bondverbindungsstrukturen 110 können als externe Kontakte, als mechanische Unterstützung und/oder als Abstandhalter zwischen der Einheit 104 und den externen Kontakten 120 (z.B. Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte) bereitstellen.
  • Zwischen der Einheit 104 und der gedruckten Leiterplatte 116 kann sich ein Abstandsbereich 128 mit Luft befinden. Gemäß einer Ausgestaltung kann der Abstandsbereich 128 nur mit Luft gefüllt sein, und/oder mit einem Füllstoff 132 (wie in 1c gezeigt), wie z.B. einer Unterfüllung, die eine Epoxidmasse (nicht gezeigt) enthält. Die gedruckte Leiterplatte (PCB) 116 kann eine Grundplatte aufweisen und/oder einen Reflektor 122, der auf der PCB und innerhalb des Abstandsbereichs 128 angeordnet ist. Der Reflektor 122 kann gegenüberliegend der integrierten Antennenstruktur 106 und/oder 108 und davon beabstandet angeordnet sein, um eine gerichtete Abstrahlung 118 in einer Richtung der Einheit 104 und/oder der PCB 116 bereitzustellen. Ohne Grundplatte/Reflektor 122 könnte die Abstrahlung von Energie von der Antennenstruktur in beide Richtungen erfolgen, d.h. zur Oberseite hin und durch die Gehäusemoldmasse sowie durch die Rückseite der Einheit. Mit dem Reflektor 122 ist eine gerichtete Abstrahlung 118 im Wesentlichen senkrecht zu der PCB oder der Einheit auf die Außenwelt gerichtet. Gemäß einer Ausgestaltung können weitere Reflektorstrukturen (nicht gezeigt) oder zusätzliche Metallschichten wie z.B. Metallschienen (nicht gezeigt) innerhalb der Zwischenschicht 117 auf einer Seite der Antennenstruktur 108 angeordnet werden, um eine gerichtete Strahlung 118 weiter in eine bestimmte Richtung zu lenken.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist die Antennenstruktur 108 mit der Gehäusemoldmassenschicht 126 und innerhalb der Zwischenschicht 117 durch die darin angeordnete Umverdrahtungsschicht 121 mit dem IC-Chip 102 integriert. Z.B. kann die Antennenstruktur 108 in derselben Umverdrahtungsschicht 121 gebildet sein wie die Bondinterfacestruktur, welche die Lotkugeln oder 3D-Verbindungsstrukturen 110 aufweist. Die integrierte Antennenstruktur 108 kann daher von der Umverdrahtungsschicht 121 über eine darin befindliche Metallisierungsschicht 130 an den IC-Chip 102 gekoppelt werden. Weil die Antennenschicht 108 direkt in die Einheit 104 integriert ist, ist kein für die Antennenstruktur 108 spezifisches Substrat erforderlich. Die Metallisierungsschicht 130 kann weiterhin metallische Verbindungen (z.B. Kupfer) für den Anschluss der 3D-Bondverbindungsstruktur 110 und/oder der integrierten Antennenstruktur 108 an die Bondflächenanschlüsse 116 des IC-Chips 102 aufweisen.
  • Durch die direkte Integration der Antennenstrukturen mit dem IC-Chip 102 in die Gehäusemoldmassenschicht 126 werden für die Integration der Antennen keine zusätzlichen hochfrequenztauglichen Substrate oder verlustbehafteten Interfaces eingebaut. Daher können die Kostenstrukturen der Konstruktion verringert werden. Zusätzlich können verlustarme Verbindungen zwischen Antennen und einem Halbleiterbauelement mittels solcher hochpräzise auf Waferebene verarbeiteter Module, wie sie oben beschrieben wurden, erreicht werden. Folglich können Anwendungen (z.B. Sicherheit im Fahrzeugbereich, Totwinkelerkennung und/oder Einparkhilfen) letztlich ohne Hochfrequenzverbindungen auf der Leiterplatte implementiert werden.
  • 1c zeigt einen Querschnitt durch eine Ausgestaltung eines Halbleitermoduls 100 entlang einer Linie 1b-1b ähnlich zu 1b. Der mit Luft gefüllte Abstandsbereich/Spalt 128 ist zwischen der Zwischenschicht 117 und Grundplatte/Reflektor 122 angeordnet. Gemäß einer Ausgestaltung wird ein zusätzliches Material, bei dem es sich um eine Füllung oder eine Unterfüllung 132 handelt, eingebracht, so dass sich wesentlich weniger oder keine Luft in dem Bereich 128 befindet. Hierdurch können die Abstrahleigenschaften der Antenne geändert werden. Beispielsweise kann die Füllung dazu verwendet werden, die thermischen Spannungen zwischen der gedruckten Leiterplatte 116 und dem IC-Chip 102 (z.B. ein Flip-Chip-Bauelement) zu verringern. Mit der Füllung 132 kann die Zuverlässigkeit in Bezug auf das Temperaturwechselverhalten verbessert werden. Bei der Füllung 132 kann es sich um ein Epoxid oder ein organisches Material handeln. Die Füllung 132 weist eine andere Dielektrizitätskonstante auf als Luft (etwa 1). Hierdurch kann der effektive elektrische Abstand zwischen der integrierten Antennenstruktur 108 und dem Reflektor 122 verbessert werden. Beispielsweise kann die effektive elektrische Entfernung etwa ein Viertel einer Wellenlänge der Antennenstrahlung betragen.
  • 1c zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausgestaltung eines Halbleitermoduls 100 entlang der Linie 1b-1b ähnlich zu 1b. 1d zeigt eine Ausgestaltung eines Moduls 100, das weiterhin eine Antennenstruktur 136 aufweist, die auf der Oberfläche 124 oder Rückseite des Moduls 100 angeordnet ist, um die Richtcharakteristik des Feldes der gerichteten Strahlung 118 der integrierten Antennenstruktur 108 modulieren zu können. Bei der Antennenstruktur 136 kann es sich um eine beliebige Metallschicht handeln, die z.B. auf der Oberfläche 124 oder Rückseite des Moduls 100 liegt und irgendeine beliebige Geometrie aufweisen, um die Abstrahlung auf der Vorderseite oder auf der gegenüberliegenden Seite des Moduls zu unterstützen. Gemäß einer Ausgestaltung kann die Antennenstruktur 136 wenigstens ein parasitäres Element wie beispielsweise eine parasitäre Antennenstruktur aufweisen, das auf der Oberfläche 124 der Gehäusemoldmasse 126 angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Antennenstruktur 136 andere Strukturen und eine andere gewünschte Geometrie, beispielsweise eine Slotantenne, aufweisen, die die Abstrahlcharakteristik der Antenne verbessern kann.
  • Die Oberfläche 124 kann im Wesentlichen eben und gegenüberliegend einer anderen Oberfläche der Gehäusemoldmassenschicht 126 an die Zwischenschicht 117 gekoppelt sein. Die Antennenstruktur kann beispielsweise gegenüberliegend der integrierten Antennenstruktur 108 und parallel zu dieser angeordnet sein. Bei anderen Ausgestaltungen kann die Antennenstruktur an anderen als der in 1d gezeigten Stelle auf der Oberfläche 124 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Antennenstruktur 136 ganz oder teilweise über den Silizium oder dem Chip 102 angeordnet sein und/oder ganz oder teilweise oberhalb der Rückseite oder der Oberfläche 124 des Moduls 100. Wenn sich die Antennenstruktur oberhalb des Siliziums oder des Chips 102 befindet, kann die Antenne genauso gut geerdet werden und dadurch elektrisch an die integrierte Antennenstruktur 108 angeschlossen werden. Bei der Antennenstruktur 136 kann es sich beispielsweise um ein Radioantennenelement handeln, das keinen verdrahteten Eingang aufweist, sondern stattdessen Radiowellen, die von einem anderen in der Nähe befindlichen aktiven Antennenelement (z.B. der integrierten Antenne 108) abgestrahlt werden, absorbiert werden. Außerdem kann das Element 136 mit dem aktiven Element Radiowellen in Phase zurückstrahlen, so dass sich diese zu dem insgesamt übertragenen Signal addieren. Dies kann die Antennenstruktur und die Strahlweite verändern. Die Antennenstruktur 136 kann außerdem dazu verwendet werden, die Abstrahlparameter einer in der Nähe gelegenen aktiven Antenne zu ändern. Z. B. kann es sich bei der Antennenstruktur 136 um eine parasitäre Mikrostreifen-Patchantenne handeln, die über der integrierten Antennenstruktur 108, bei der es sich beispielsweise gemäß einer Ausgestaltung ebenfalls um eine Patchantenne handeln kann, angeordnet ist. Diese Antennenkombination schwingt bei einer geringfügig geringeren Frequenz als das Originalelement und kann deshalb die Impedanzbandbreite der in der Zwischenschicht 117 eingebetteten integrierten Antennenstrukturen erhöhen.
  • 2a bis 2c zeigen Querschnitte durch verschiedene Ausgestaltungen von Halbleitermodulen 200, welche integrierte Antennenstrukturen gemäß beispielhaften Ausgestaltungen der Erfindung aufweisen, und die integral zusammen mit einem integrierten Schaltkreis-(IC)-Chip 202 zum Zweck der drahtlosen Übertragung gehäust sind. Beispielsweise kann das Modul 200 eine integrierte Antennenstruktur 210 aufweisen, die innerhalb einer Wafergehäuseschicht 204 angeordnet ist, die eine Zwischenschicht 206 aufweist, welche mit dem IC-Chip 202 gekoppelt ist. Unterhalb der integrierten Antennenstruktur 210 befindet sich ein(e) Grundplatte/Leiterrahmen oder Reflektorplatte 216 um die gerichtete Strahlung der Antenne zu lenken.
  • Das Modul 200 kann eine Bondverbindungsstruktur 222 aufweisen. Die Bondverbindungsstruktur 222 kann weiterhin einen externen Kontakt zur Kontaktierung von modulexternen Oberflächen aufweisen, wenigstens einen Bonddraht 220, sowie wenigstens eine dreidimensionale (3D) Verbindung 212, die in die Zwischenschicht 206 integriert ist. Beispielsweise kann die 3D-Verbindung 212 oberflächenmontierbare Lotkugeln aufweisen, die externe Kontakte und eine mechanische Tragstruktur bilden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann die 3D-Verbindungsstruktur 212 mit der integrierten Antennenstruktur 210 und dem IC-Chip 202 innerhalb der Zwischenschicht 206 integriert sein. Die Zwischenschicht 206 kann ein Dielektrikum und eine Umverdrahtungsschicht 208 aufweisen, die darin befindliche Komponenten wie beispielsweise eine integrierte Antennenstruktur 210 und 3D-Verbindungen 212 verbindet. Die Umverdrahtungsschicht 208 kann eine Metallebene (z.B. Kupfer) aufweisen, um eine Metallisierungsverbindung 214 bereitzustellen, die die Komponenten innerhalb der Zwischenschicht 206 mit dem IC-Chip 202 integriert.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Reflektorplatte oder Grundebene 216 auf einer Oberfläche der Moldgehäuseschicht 204 mit dem darin eingebetteten Chip 202 vorgesehen. Die Grundplatte 216 kann als Reflektor für die Antenne verwendet werden und ein Metall (z.B. Kupfer) enthalten, bei dem es sich um jedes Metall handeln kann, das geeignet ist, Felder in einer Richtung 218 durch die Moldmasse innerhalb der Moldgehäuseschicht 204 zu lenken. Die Reflektorplatte 216 kann gegenüberliegend einer Seite der Gehäusemoldmassenschicht 204 von der damit gekoppelten Zwischenschicht 206 und parallel zu der innerhalb der Zwischenschicht 206 eingebetteten integrierten Antennenstruktur 210 angeordnet sein.
  • Gemäß einer Ausgestaltung kann eine zweite Gehäusemoldmassenschicht 224 aufgebracht werden. Die zweite Gehäusemoldmassenschicht 224 kann Oberflächen einschließlich der Zwischenschicht 206, der Moldmassengehäuseschicht 204, der Reflektorplatte (z.B. der Grundplatte) 216 und/oder dreidimensionaler Verbindungsstrukturen 212 einkapseln. Alternativ dazu kann gemäß einer Ausgestaltung ein Fenster 226 in der zweiten Gehäusemoldmassenschicht gebildet werden, wie dies in 2b gezeigt ist. Bei dem Fenster 226 kann es sich um eine Öffnung handeln, die die Zwischenschicht 206 dort umgibt, wo die zweite Gehäusemoldmassenschicht 224 fehlt.
  • 2c zeigt eine Ausgestaltung eines Moduls 200, das weiterhin wenigstens eine parasitäre Antennenstruktur 228 aufweist, die auf einer Oberfläche 230 der zweiten Gehäusemoldmassenschicht 204 angeordnet ist, um die Feldrichtcharakteristik 218 der integrierten Antennenstruktur 210 zu modulieren. Die Oberfläche 230 ist im Wesentlichen eben und die parasitäre Antennenstruktur 228 kann gegenüberliegend der integrierten Antennenstruktur 210 und parallel zu dieser angeordnet werden.
  • Durch die Integration der Antennenstrukturen direkt auf dem IC-Chip 202 von innerhalb der Zwischenschicht 206 müssen keine zusätzlichen hochfrequenztauglichen Substrate oder verlustbehaftete Interfaces für die integrierten Antennen vorgesehen werden. Daher kann die Kostenstruktur für die Konstruktion reduziert werden. Zusätzlich können verlustarme Verbindungen zwischen Antennen und einem Halbleiterbauelement mittels solch hochpräziser, auf Waferebene verarbeiteter Module wie oben erläutert erreicht werden.
  • Somit könne Anwendungen ohne Hochfrequenzverbindungen auf der Leiterplatte implementiert werden.
  • 4a und 4b zeigen Ausgestaltungen einer Antennenstruktur mit einem Netzwerk zur Antennenspeisung, das innerhalb einer Zwischenschicht eines Wafergehäuses gebildet ist. Obwohl gefaltete Dipolantennen und deren Integration in integrierte Schaltkreisgehäuse beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeinen bestimmten Antennentyp oder eine bestimmte Betriebsfrequenz beschränkt. Vielmehr lässt sich die Erfindung mit jedem Antennentyp realisieren, der für Anwendungen und verschiedene Betriebsfrequenzen geeignet ist.
  • 4a zeigt ein schematisches Diagramm, das beispielhaft eine Antenne veranschaulicht, die eine gefaltete Dipolantenne 402 und ein Speisenetzwerk 404 umfasst, welches einen symmetrischen oder asymmetrischen Anschluss aufweist. Das Speisenetzwerk 404 kann zusätzlich eine Anpassungsstruktur für verschiedene Wellenlängen aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei der Anpassungsstruktur um eine Viertelwellenlängenanpassungsstruktur handeln.
  • 4b zeigt ein Wafergehäuse 400 mit einem Siliziumchip 406, der in eine Moldmasse 408 eingebettet ist. Mit dem Chip ist eine als Dipolantenne ausgebildete Antennenstruktur 410 integriert. Obwohl vier Antennenstrukturen 410 gezeigt sind, handelt es sich hierbei nur um eine Ausgestaltung, während grundsätzlich jede Anzahl von Antennenstrukturen integriert werden kann. Z. B. kann wenigstens eine Antennenstruktur in das Gehäuse integriert und an den Chip 406 angeschlossen werden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung weist die Antennenstruktur 410 wenigstens eine Metallschiene 412 auf, die in das Gehäuse 400 integriert ist. Die Metallschiene 412 kann dazu verwendet werden, den Effekt der Wellenausbreitung von der Antennenstruktur 410 zu begrenzen und eine gerichtete Verstärkung in der gewünschten Richtung bereitzustellen.
  • Nachdem nun einige Beispiele von Systemen hinsichtlich einiger Aspekte der Erfindung diskutiert wurden, wird nunmehr auf 5 Bezug genommen, welche ein Verfahren gemäß einigen Aspekten der Erfindung zeigt. Während dieses Verfahren nachfolgend anhand einer Reihe von Schritten oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die gezeigte Reihenfolge derartiger Schritte oder Ereignisse beschränkt. Beispielsweise können einige Schritte in verschiedenen Reihenfolgen und/oder zugleich mit anderen Schritten oder Ereignissen und damit anders als jene erfolgen, wie diejenigen, die hierin veranschaulicht und/oder beschrieben worden sind. Zusätzlich sind nicht notwendigerweise alle gezeigten Schritte erforderlich, um eine Methode in Übereinstimmung mit einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung zu implementieren. Weiterhin können ein oder mehrere hierin gezeigte Schritte in einem oder mehreren getrennten Schritten oder Phasen ausgeführt werden.
  • Das Verfahren 500 zur Herstellung eines Halbleitermoduls beginnt bei 502. Ein integrierter Schaltkreis (IC)-Chip wird bei 504 bereitgestellt und in eine Gehäusemoldmasse eingebettet. Die Moldmasse und der IC-Chip könne zusammen eine planare Oberfläche aufweisen.
  • Bei 506 wird innerhalb desselben Gehäuses eine Zwischenschicht gebildet, um darin Komponenten mit dem Chip und der Moldmasse zu integrieren. Die Zwischenschicht ist auf einer Oberfläche gebildet und mit dem IC-Chip und der Gehäusemoldmasse gekoppelt. Das Verfahren zur Bildung einer Zwischenschicht beginnt bei 508 und umfasst das Ausbilden einer Umverdrahtungsschicht. Bei dieser Schicht kann es sich um eine Metallisierungsschicht handeln, die aus einer Metallebene, beispielsweise einer darin befindlichen Kupferplatte, gebildet wird. Diese Schicht stellt die Metallisierung bereit, welche Komponenten der Zwischenschicht mit dem IC-Chip verbindet. Beispielsweise ist bei 510 wenigstens eine Antennenstruktur mit dem IC-Chip innerhalb des Gehäuses durch die Umverdrahtungsschicht des Gehäuses integriert. Zusätzlich ist eine dreidimensionale (3D)-Verbindungsstruktur (z.B. Lotkugeln) ebenso gebildet und durch die Umverdrahtungsschicht mit dem IC-Chip integriert.
  • Diese Prozessschritte müssen, wie oben erläutert, nicht unbedingt in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden, d.h. das Flussdiagramm ist nur dazu gedacht, ein Beispiel für den Verfahrensverlauf 500 bereitzustellen. z.B. kann eine dielektrische Schicht bei 508 anstelle bei 512 hergestellt werden, und eine Antennenstruktur kann vor oder zur gleichen Zeit wie die 3D-Verbindungsstruktur erzeugt werden. Es ist keine bestimmte Reihenfolge erforderlich und jede beliebige Kombination kann durch den Fachmann realisiert werden.
  • Zusätzlich kann eine zweite Moldmassenschicht gebildet werden, die die Zwischenschicht mit der darin eingebetteten, integrierten Antennenstruktur, der Gehäusemoldmasse, der Bondverbindungsstruktur und einer hergestellten Grundplatte umgibt. Eine parasitäre Antenne kann auf der Oberfläche über der integrierten Antennenstruktur und parallel zu dieser angeordnet werden.
  • Mit besonderem Blick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Bauelemente, Schaltkreise, Systeme etc.) ausgeführt werden, sind die zur Beschreibung solcher Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), sofern nicht anders erwähnt ist, dazu gedacht, sich auf jede Komponente oder Struktur zu beziehen, die die spezifizierte Funktion und die beschriebene Komponente (d.h. im Beispiel ein funktionelles Äquivalent) ausführt, auch wenn es strukturell nicht äquivalent ist zu der gezeigten Struktur, die die Funktion in der hierin gezeigten beispielhaften Implementierung der Erfindung ausführt. Außerdem kann, auch wenn ein bestimmtes Merkmal der Erfindung nur in Bezug auf eine von verschiedenen möglichen Implementierungen offenbart wurde, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen von anderen Implementierungen je nach Wunsch und Vorteil für eine gegebene oder bestimmte Anwendung kombiniert werden.

Claims (22)

  1. Halbleitermodul zur Erzeugung und/oder zum Empfang elektromagnetischer Strahlung umfassend: eine erste Gehäusemoldmassenschicht (126), sowie ein IC-Bauelement (102, 202) mit einem integrierten Schaltkreis, der in die erste Gehäusemoldmassenschicht (126, 204) derart eingebettet ist, dass die erste Gehäusemoldmassenschicht (126) und das IC-Bauelement (102, 202) eine gemeinsame Oberfläche aufweisen; eine auf der Oberfläche der Gehäusemoldmassenschicht (126) aufgebrachte Zwischenschicht (117, 206) mit einer Umverdrahtungsschicht (121, 208), die an dem IC-Bauelement (102, 202) angeschlossen ist und die dazu dient, das IC-Bauelement (102, 202) extern anzuschließen; wenigstens eine integrierte Antennenstruktur (106, 108, 210), die innerhalb der Zwischenschicht (117, 206) angeordnet und an dem IC-Bauelement (102, 202) angeschlossen ist.
  2. Halbleitermodul gemäß Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht (117, 206) eine Anschlussstruktur mit dreidimensionalen Verbindungsstrukturen (110, 212) aufweist, mit der das IC-Bauelement (102, 202) außerhalb der ersten Gehäusemoldmassenschicht (126, 204) anschließbar ist, sowie eine dielektrische Beschichtung (119), wobei die integrierte Antennenstruktur (106, 108, 210) zusammen mit dem IC-Bauelement (102, 202) in der Zwischenschicht (117, 206) angeordnet ist und Bondflächenanschlüsse des IC-Bauelements (102, 202) mittels einer Zuleitungsstruktur kontaktiert.
  3. Halbleitermodul gemäß Anspruch 2, bei dem die dreidimensionalen Verbindungsstrukturen (110, 212) als Lotkugeln zur Oberflächenmontage ausgebildet sind, welche als externe Kontakte und als mechanische Trägerstruktur dienen.
  4. Halbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Schaltkreisplatine (116); einem zwischen der Schaltkreisplatine (116) und der Zwischenschicht (117) befindlichen Abstandsbereich (128); einer Reflektorplatte (122), die auf der oberen Oberfläche der Schaltkreisplatine (116) und innerhalb des Abstandsbereichs (128) angeordnet ist.
  5. Halbleitermodul gemäß Anspruch 4, bei dem die Reflektorplatte (122) gegenüberliegend der Antennenstruktur (106, 108) angeordnet ist.
  6. Halbleitermodul gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem der Abstandsbereich (128) mit einem Füllmaterial (132) gefüllt ist, der ein Epoxid umfasst.
  7. Halbleitermodul gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Metallisierungsschicht (136), die auf einer Oberfläche (124) der ersten Gehäusemoldmassenschicht (126) angeordnet ist und die dazu dient, die Richtcharakteristik der integrierten Antennenstruktur (106, 108) zu modulieren.
  8. Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer zweiten Gehäusemoldmassenschicht (224).
  9. Halbleitermodul gemäß Anspruch 8, bei dem die zweite Gehäusemoldmassenschicht (224) die Einheit mit dem in die erste Gehäusemoldmassenschicht (126, 204) eingebetteten IC-Bauelement (102, 202) und der Zwischenschicht (206) zumindest seitlich umschließt.
  10. Halbleitermodul gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem ein Abschnitt der zweiten Gehäusemoldmassenschicht (224) auf derselben Seite der ersten Gehäusemoldmassenschicht (204) angeordnet ist wie die Antennenstruktur (210).
  11. Halbleitermodul gemäß Anspruch 10 mit einer Metallschicht (228), die auf der der Antennenstruktur (210) abgewandten Seite des Abschnitts der zweiten Gehäusemoldmassenschicht (224) angeordnet ist und die dazu dient, die Richtcharakteristik der integrierten Antennenstruktur (210) zu modulieren.
  12. Halbleitermodul gemäß Anspruch 11, bei der ein Abschnitt der zweiten Gehäusemoldmassenschicht (224) zwischen der Antennenstruktur (210) und der Metallschicht (228) angeordnet ist.
  13. Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12 mit einer Reflektorplatte (216), die auf der der Antennenstruktur (210) abgewandten Seite der ersten Gehäusemoldmassenschicht (204) angeordnet ist.
  14. Halbleitermodul gemäß Anspruch 13, bei dem die zweite Gehäusemoldmassenschicht (224) die Reflektorplatte (216) seitlich umschließt.
  15. Halbleitermodul gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem die zweite Gehäusemoldmassenschicht (224) auf der dem IC-Bauelement (202) abgewandten Seite der Zwischenschicht (216) eine Öffnung (226) aufweist, in deren Bereich die Anschlussstruktur frei liegt.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls mit folgenden Schritten. Bereitstellen eines IC-Bauelements (102, 202), das einen integrierten Schaltkreis umfasst und das in eine erste Gehäusemoldmassenschicht (126, 204) eingebettet ist, die eine Oberfläche aufweist; und anschließendes Herstellen einer Zwischenschicht (117, 206) auf der Oberfläche, indem eine Umverdrahtungsschicht (121, 208) auf die Oberfläche aufgebracht wird; wenigstens eine integrierte Antennenstruktur (106, 108, 210) gebildet wird, die durch die Umverdrahtungsschicht (121, 208) an das IC-Bauelement (102, 202) angeschlossen wird; und wenigstens eine dreidimensionale Anschlussstruktur gebildet wird, die durch die Umverdrahtungsschicht (121, 208) ebenfalls an das IC-Bauelement (102, 202) angeschlossen wird; und eine dielektrische Beschichtung (119) auf die Oberfläche aufgebracht wird.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem zumindest die Antennenstruktur (206, 208, 210) in die dielektrische Beschichtung (119) eingebettet wird.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem eine zweite Gehäusemoldmassenschicht (224) hergestellt wird, die die Zwischenschicht (206), die integrierte Antennenstruktur (210), die erste Gehäusemoldmassenschicht (126), das IC-Bauelement (202), die Anschlussstruktur und eine Reflektorplatte (216) zumindest seitlich umschließt.
  19. Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das in die Zwischenschicht (117) eingebettete IC-Bauelement (102) durch die Umverdrahtungsschicht (121, 208) und durch die Anschlussstruktur an eine Schaltkreisplatine (116) angeschlossen wird, die auf der ersten Gehäusemoldmassenschicht (126) abgewandten Seite der Antennenstruktur (106, 108) angeordnet ist.
  20. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem eine Reflektorplatte (122) auf der der Zwischenschicht (117) und der ersten Gehäusemoldmassenschicht (126) zugewandten Seite der Schaltkreisplatine (116) angeordnet ist.
  21. Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem zwischen der Zwischenschicht (117) und der Schaltkreisplatine (116) ein mit Luft gefüllter Abstandsbereich (128) hergestellt wird.
  22. Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem zwischen der Zwischenschicht (117) und der Schaltkreisplatine (116) ein mit einem Füllmaterial gefüllter Abstandsbereich (128) hergestellt wird, wobei das Füllmaterial eine Dielektrizitätskonstante größer als 1 aufweist.
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