DE112016007571T5 - Mikroelektronische bauelemente entworfen mit flexiblengehäusesubstraten mit verteilten gestapelten antennen fürhochfrequenz-kommunikationssysteme - Google Patents

Mikroelektronische bauelemente entworfen mit flexiblengehäusesubstraten mit verteilten gestapelten antennen fürhochfrequenz-kommunikationssysteme Download PDF

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Telesphor Kamgaing
Sasha N. OSTER
Georgios C. Dogiamis
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Abstract

Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen ein mikroelektronisches Bauelement, das ein erstes Substrat umfasst, das organisches dielektrisches Material, leitfähige Schichten und einen ersten Abschnitt einer verteilten Antenneneinheit aufweist. Das erste Substrat unterstützt zumindest eine Radiofrequenz- (RF) Komponente. Ein zweites Substrat ist mit dem ersten Substrat gekoppelt. Das zweite Substrat ist mit einem Gehäuse des mikroelektronischen Bauelements integriert und umfasst einen zweiten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit zum Senden und Empfangen von Kommunikationen bei einer Frequenz von ungefähr 4 GHz oder höher.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf die Herstellung von Halbleiterbauelementen. Insbesondere beziehen sich die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf mikroelektronische Bauelemente, die mit flexiblen Millimeterwellen-Gehäusesubstraten mit verteilten Stapelantennen für Hochfrequenz-Kommunikationssysteme entworfen sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Künftige drahtlose Produkte zielen auf Betriebsfrequenzen ab, die viel höher als der derzeit verwendete niedrige GHz-Bereich sind. So wird beispielsweise erwartet, dass 5G-Kommunikationen (mobile Netzwerke der 5. Generation oder drahtlose Systeme der 5. Generation) bei einer Frequenz von größer als oder gleich 15 GHz arbeiten. Ferner arbeiten die aktuellen WiGig- (Wireless Gigabit Alliance) Produkte bei etwa 60 GHz (z.B. 57-66 GHz weltweit). Andere Anwendungen, einschließlich Automobilradar und medizinische Bildgebung, nutzen drahtlose Kommunikationstechnologien in den Millimeterwellenfrequenzen (z.B. 24 GHz - 300 GHz).
  • WiGig-Systeme und die nächste Generation von Mobil- und Drahtlos-Kommunikationsstandards (5G) erfordern phasengesteuerte Array-Antennen, um sowohl Freiraumdämpfung (free space path loss) als auch niedrige Transistorausgangsleistung zu kompensieren. Eine mögliche Implementierung der Antennen ist die gestapelte Patch-Antenne, bei der ein parasitäres Patch in Verbindung mit einem Hauptpatch verwendet wird, um die Bandbreite zu erhöhen, während eine hohe Verstärkung im Vergleich zu anderen Antennen erhalten wird. Die Kointegration von Radiofrequenzchip und Antenne auf dem gleichen Substrat führt zu Verlusten innerhalb des Bauelementgehäuses.
  • Figurenliste
    • 1 stellt ein mikroelektronisches Bauelement mit einer gestapelten Patch-Antenne dar.
    • 2 stellt ein mikroelektronisches Bauelement mit einem flexiblen Substrat und einer verteilten Antenneneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 3 stellt eine Draufsicht eines mikroelektronischen Bauelements 300 mit einem flexiblen Substrat und einer verteilten gestapelten Patch-Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 4 stellt ein mikroelektronisches Bauelement mit einem flexiblen Substrat und einer verteilten Antenneneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
    • 5 stellt eine Rechenvorrichtung 900 gemäß einem Ausführungsbeispiel dar.
  • DETAIILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Hierin sind mikroelektronische Bauelemente beschrieben, die mit flexiblen Gehäusesubstraten (z.B. flexiblen Millimeterwellen-Gehäusesubstraten) mit verteilten Antenneneinheiten für Hochfrequenz-Kommunikationssysteme entworfen sind. In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Aspekte der darstellenden Implementierungen unter Verwendung von Begriffen beschrieben, die gemeinhin von Fachleuten auf dem Gebiet verwendet werden, um die Substanz ihrer Arbeit anderen Fachleuten auf dem Gebiet zu übermitteln. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit nur einigen der beschriebenen Aspekte ausgeführt werden können. Zu Erklärungszwecken werden spezifische Nummern, Materialien und Konfigurationen ausgeführt, um ein tiefgreifendes Verständnis der darstellenden Implementierungen bereitzustellen. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Merkmale weggelassen oder vereinfacht, um ein unnötiges Verunklaren der darstellenden Implementierungen zu vermeiden.
  • Verschiedene Operationen sind wiederum als mehrere diskrete Operationen beschrieben, in einer Weise, die für das Verständnis der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung am hilfreichsten ist, jedoch sollte die Reihenfolge der Beschreibung nicht so ausgelegt werden, dass sie impliziert, dass diese Operationen zwingend von der Reihenfolge abhängig sind. Insbesondere müssen diese Operationen nicht in der vorliegenden Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Für drahtlose Hochfrequenz- (z.B. 5G, WiGig) Anwendungen von Millimeterwellen-Kommunikationssystemen (z.B. 1-10 mm, jede mm-Welle oder höher) verwendet das vorliegende Design eine neue Häusungsarchitektur mit einem flexiblen Substrat und einem Antennenintegrationsschema, das die Verluste innerhalb des Gehäuses reduziert, während eine hohe Verstärkung erhalten wird, die durch eine gestapelte Patch-Antenne geboten wird.
  • Das vorliegende Design teilt die Millimeterwellenantennenimplementierung zwischen einem flexiblen Gehäusesubstrat und einem sekundären Substrat, wie beispielsweise dem Gehäuse des mikroelektronischen Bauelements. Zum Koppeln des Signals zwischen den beiden Antennenteilen werden unterschiedliche Kopplungsmechanismen verwendet. Zusätzlich kann das vorliegende Design Monopol-, Dipol-, Vivaldi-Strahler und seitlich abstrahlende Antennenelemente neben anderen Typen von Antennen integrieren.
  • Die Implementierung von zumindest einer Sektion der Antenne auf dem Gehäuse des mikroelektronischen Bauelements reduziert die Verluste, die der Signaldämpfung durch ein traditionelles Gehäusematerial zugeordnet sind. Das flexible Substrat ermöglicht die Integration der aktiven Sektion des RF-Moduls auf einem ultradünnen Substrat und erleichtert somit seine Verwendung bei unterschiedlichen Anwendungen, einschließlich wenn ein Formfaktor einer Vorrichtung (z.B. Mobiltelefone, PDAs, Tablets, Wearables, Ultrabooks, etc.) eine Einschränkung darstellt. Bei einigen Ausführungsbeispielen gibt es einen Luftzwischenraum zwischen den Antennenelementen, was zu einer höheren Effizienz führt, da weniger Leistung in niedrigen elektrischen Feldern gefangen ist. Die Flexibilität des Substrats ermöglicht die Orientierung der Antenne in jede gewünschte Richtung auf eine maximale Signalstärke.
  • Bei einem Beispiel ermöglicht das vorliegende Design eine 5G-Architektur, die bei einer hohen Frequenz arbeitet (z.B. zumindest 20 GHz, zumindest 25 GHz, zumindest 28 GHz, zumindest 30 GHz, 39 GHz, 60 GHz, 73 GHz etc.) und auch ungefähr 1-50 Gigabit pro Sekunde (Gbps) Verbindungen zu Endpunkten aufweisen kann. Bei einem anderen Beispiel arbeitet das vorliegende Design bei niedrigeren Frequenzen (z.B. zumindest 4 GHz, ungefähr 4 GHz).
  • 1 stellt ein mikroelektronisches Bauelement mit einer gestapelten Patch-Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das mikroelektronische Bauelement 100 umfasst ein optionales Substrat 120 und ein Gehäusesubstrat 150 mit zumindest einer Antenneneinheit 192 mit einem Hauptpatch 193 (z.B. Hauptpatch mit einer ersten Resonanzfrequenz) und einem parasitären Patch 194 (z.B. parasitäres Patch mit einer zweiten Resonanzfrequenz). Alternativ kann die zumindest eine Antenneneinheit 192 oder eine zusätzliche Antenneneinheit neben anderen Typen von Antennen Monopol-, Dipol- und seitlich abstrahlende Antennenelemente integrieren. Das Zwischenschichtdielektrikumsmaterial zwischen dem Haupt- und dem parasitären Patch ist organisches dielektrisches Material 102 des Gehäusesubstrats 150. Das Hauptpatch oder untere Antennenelement 193 kann direkt mit dem Radiofrequenzdie 180 verbunden sein. Das Gehäusesubstrat 150 umfasst zumindest eine Antenneneinheit 192, leitfähige Schichten (z.B. 193-195), dielektrisches Material 102 (z.B. organisches Material, Niedertemperatur-Einbrand-Keramikmaterialien, Flüssigkristallpolymere, etc.) und unterschiedliche Ebenen von leitfähigen Verbindungen 197-198. Die Komponenten 122-123 des Substrats 120 und IPD (integriertes passives Bauelement; Integrated Passive Device) 140 können mit Komponenten des Substrats 150 oder anderen Komponenten, die nicht in 1 gezeigt sind, unter Verwendung von Verbindungen 163-164 und Zwischenverbindungen zweiter Ebene (z.B. Lötkugeln, Kupfersäulen, Goldhöcker, Lötpaste, Flüssigmetall, kapazitive oder elektromagnetische Koppler) 160-161 kommunizieren. Das IPD 140 kann irgendeine Art von passiven Elementen umfassen, einschließlich Induktivitäten, Transformatoren, Kondensatoren und Widerständen. Bei einem Beispiel können Kondensatoren auf dem IPD-Die zur Leistungslieferung verwendet werden. Bei einem anderen Beispiel können Widerstände auf dem gleichen oder einem unterschiedlichen IPD für die Entzerrung digitaler Signale verwendet werden. Bei einem anderen Beispiel ist das Substrat 120 eine gedruckte Schaltungsplatine. Das Hauptpatch und das parasitäre Patch können während der Substratherstellung als Teil der Aufbau- oder Kernschichten des Substrats 150 erzeugt werden.
  • Bei diesem Beispiel stellt 1 eine Querschnittansicht einer Millimeterwellen-Drahtlosvorrichtung 100 dar. Ein relativ dickes Gehäusesubstrat 150 wird verwendet, um ein planares phasengesteuertes Array zu implementieren. Eine gestapelte Patch-Antenne erhöht die Gehäusedicke wesentlich und es werden große Zwischenverbindungen zweiter Ebene (SLIs; Second Level Interconnects) 160-161 (z.B. BGAs) verwendet, es sei denn, das Substrat 120 (z.B. Hauptplatine) weist einen Hohlraum auf oder der Die 180 ist extrem dünn. Das Bauelement 100 weist eine Dicke 182 von weniger als 1 Millimeter auf. 2 stellt ein mikroelektronisches Bauelement mit einem flexiblen Substrat und einer verteilten Antenneneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das mikroelektronische Bauelement 200 umfasst ein flexibles Gehäusesubstrat 250 mit einem ersten Abschnitt der zumindest einen verteilten Antenneneinheit 292 mit Antennenelementen 295-296 (z.B. Hauptpatches 295-296, wie in 2 dargestellt). Ein zweiter Abschnitt der zumindest einen verteilten gestapelten Antenneneinheit 292 umfasst Antennenelemente 293-294 (z.B. parasitäre Patches 293-294, wie in 2 dargestellt), die auf einem unterschiedlichen Substrat 270 (z.B. einem Bauelementgehäuse) positioniert sind. Die Antennenelemente (z.B. Hauptpatches und parasitäre Patches) sind kapazitiv gekoppelt. Alternativ kann die zumindest eine verteilte Antenneneinheit 292 oder eine zusätzliche Antenneneinheit neben anderen Typen von Antennen Monopol-, Dipol- und seitlich abstrahlende Antennenelemente integrieren. Die Substrate 250 und 270 sind durch Stützsäulen 240-241 (z.B. dielektrische Stützsäulen, nicht-dielektrische Stützsäulen) getrennt, die basierend auf einer drahtlosen Anwendung eine unterschiedliche Höhe oder Dicke aufweisen können. Bei einigen Ausführungsbeispielen können nicht-dielektrische Säulen 240-241 verwendet werden. Solche Säulen können aus Metall oder aus Materialverbunden hergestellt sein. Die Säulen können entworfen sein, um als Reflektoren zu agieren, um die gesamte Antennenrichtcharakteristik und -effizienz zu verbessern.
  • Bei einem Beispiel, für eine Frequenz von ungefähr 30 GHZ, können die Säulen 240-241 eine Höhe oder Dicke von 200 bis 300 Mikrometern aufweisen. Bei einem anderen Beispiel, für eine Frequenz von ungefähr 90 GHZ, können die Säulen 240-241 eine Höhe oder Dicke von ungefähr 80 bis 100 Mikrometern aufweisen. Die Stützsäulen 240-241 (z.B. Lötkugeln, Keramik- oder Kunststoffpfosten) können verwendet werden, um die Trennung zwischen den Substraten 250 und 270 beizubehalten. Die Höhe der Säulen kann geändert werden, um die Betriebsfrequenz der Antenne anzupassen (z.B. können die Frequenzbänder abhängig von einem Zielland, in dem eine Vorrichtung verwendet wird, geändert werden). Der Zwischenraum zwischen dem Haupt- und dem parasitären Patch kann auch mit verlustarmem dielektrischem Material gefüllt werden. Es können auch unterschiedliche Stützsäulen (z.B. Abstandhalter-Material) zwischen den Substraten 250 und 270 verwendet werden. Die Abstandhalter können an einem der beiden Substrate angebracht oder nur zwischen die Substrate eingesetzt werden. Eine gewünschte Performance kann erreicht werden, wenn das Abstandshalter-Material nicht mit den Antennenelementen überlappt.
  • Das Hauptpatch oder untere Antennenelemente 295-296 können direkt mit dem Radiofrequenzdie 280 verbunden sein. Das flexible Gehäusesubstrat 250 kann in mehreren Regionen gebogen, gefaltet oder verdreht werden, um unterschiedliche Sektionen 250a-250c oder irgendeine gewünschte Positionierung dieser Sektionen zu erzeugen. Das Gehäusesubstrat 250 umfasst zumindest ein Element einer verteilten Antenneneinheit 292, leitfähige Schichten (z.B. Übertragungsleitungen 298), dielektrisches Material 202 (z.B. organisches Material, Niedertemperatur-Einbrand-Keramikmaterialien, Flüssigkristallpolymere, etc.) und unterschiedliche Ebenen von leitfähigen Verbindungen. Bei einem Beispiel hat das Gehäusesubstrat 250 eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern für ultradünne mikroelektronische Bauelemente. Die Sektion 250c umfasst ein ultradünnes mehrschichtiges organisches Gehäusesubstrat, auf dem zumindest ein Halbleiter-Die 280 entweder unter Verwendung von Drahtbonden oder Flip-Chip-Anordnung angebracht ist. Der Halbleiter-Die 280 enthält zumindest eine Radiofrequenzschaltung, wie beispielsweise einen Sendeempfänger, der im GHz-Frequenzbereich arbeitet. Der mikroelektronische Die 280 ist mit Formmaterial 230 überformt, um mechanische Stabilität bereitzustellen. Das Formmaterial 230 und die Sektion 250c können eine Dicke 232 von 100 bis 200 Mikrometern aufweisen. Die Sektion 250a des Gehäusesubstrats 250 enthält eine oder mehrere verteilte Antenneneinheiten 292. Die Antennen können individuell oder in einer phasengesteuerten Array-Konfiguration angeordnet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Antenneneinheit eine gestapelte Patch-Mikrostreifen-Patchantenne. Die Hauptpatches 295-296 sind auf dem Gehäusesubstrat 250 implementiert und sind unter Verwendung von verlustarmen, gesteuerten Impedanzleitungen 298 (z.B. geerdete koplanare Wellenleiter (GCPWs; grounded coplanar waveguides), CPWs, Mikrostreifen- oder Streifenleitung-Übertragungsleitungen) direkt mit dem Die 280 verbunden. Die Patches 293-294 sind auf einem sekundären verlustarmen Substrat 270 implementiert. Bei einer typischen Plattform wäre das zweite Substrat 270 Teil des Bauelementgehäuses, um Verluste innerhalb der Plattform zu reduzieren. Das Substrat 270 kann auf die Stützsäulen geklebt oder aufgeschraubt werden. Das Bauelement 200 kann mit einem optionalen Substrat (z.B. Substrat 120, Hauptplatine, gedruckte Schaltungsplatine) mit einer Zwischenverbindung zweiter Ebene (SLI) 260 gekoppelt sein.
  • 3 stellt eine Draufsicht eines mikroelektronischen Bauelements 300 mit einem flexiblen Substrat und einer verteilten gestapelten Patch-Antenne gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das mikroelektronische Bauelement 300 umfasst ähnliche Komponenten im Vergleich zu den Komponenten des Bauelements 200. Das Bauelement 300 stellt eine relative Position eines Abstandhalter-Materials 340 (z.B. dielektrische Säulen 240-241, nicht-dielektrische Säulen 240-241) mit Antennenelementen 393-396 von zumindest einer Antenneneinheit dar. Das Abstandhalter-Material 340 trennt Substrate (z.B. Substrate 250 und 270) und überlappt nicht mit den Antennenelementen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Abstandhalter-Material aus Metall oder aus Materialverbunden hergestellt sein. Das Abstandhalter-Material kann entworfen sein, um als Reflektoren zu agieren, um die gesamte Antennenrichtcharakteristik und -effizienz zu verbessern. 4 stellt ein mikroelektronisches Bauelement mit einem flexiblen Substrat und einer verteilten Antenneneinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Das mikroelektronische Bauelement 400 umfasst ein flexibles Gehäusesubstrat 450 mit einem ersten Abschnitt der zumindest einen verteilten Antenneneinheit 492 mit Antennenelementen 495-496. Ein zweiter Abschnitt der zumindest einen verteilten Antenneneinheit 292 umfasst Antennenelemente 493-494, die auf einem unterschiedlichen Substrat 470 (z.B. einem Bauelementgehäuse) positioniert sind. Das Koppeln zwischen den Antennenelementen (z.B. Patch-Antennenelemente, wie in 4 dargestellt) erfolgt mit direktem Kontakt zwischen den Antennenelementen 493 und 495 und direktem Kontakt zwischen den Antennenelementen 494 und 496. Bei einem Beispiel sind die Antennenelemente 495 und 496 auf dem Gehäusesubstrat 450 deutlich kleiner als die Antennenelemente 493 und 494 von dem Substrat 470.
  • Bei einem anderen Beispiel kann die zumindest eine verteilte Antenneneinheit 492 oder eine zusätzliche Antenneneinheit neben anderen Typen von Antennen Monopol-, Dipol-, Hauptstrahlrichtungs- (boresight), Längsstrahler- (end fire) und seitlich abstrahlende Antennenelemente integrieren. Bei einem anderen Beispiel kann eine Schlitzresonanzantenne verwendet werden.
  • Das Hauptpatch oder untere Antennenelemente 495-496 kann direkt mit dem Radiofrequenzdie 480 verbunden sein. Das flexible Gehäusesubstrat 450 kann in mehreren Regionen gebogen, gefaltet oder verdreht werden, um unterschiedliche Sektionen 450a-450c oder irgendeine gewünschte Positionierung dieser Sektionen zu erzeugen. Das Gehäusesubstrat 450 umfasst zumindest eine verteilte gestapelte Antenneneinheit 492, leitfähige Schichten (z.B. Übertragungsleitungen 498), dielektrisches Material 402 (z.B. organisches Material, Niedertemperatur-Einbrand-Keramikmaterialien, Flüssigkristallpolymere, etc.) und unterschiedliche Ebenen von leitfähigen Verbindungen. Bei einem Beispiel hat das Gehäusesubstrat 450 eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern für ultradünne mikroelektronische Bauelemente. Die Sektion 450c umfasst ultradünnes mehrschichtiges organisches Gehäusesubstrat, auf dem zumindest ein Halbleiter-Die 480 entweder unter Verwendung von Drahtbonden oder Flip-Chip-Anordnung angebracht ist. Der Halbleiter-Die 480 enthält zumindest eine Radiofrequenzschaltung, wie beispielsweise einen Sendeempfänger, der im GHz-Frequenzbereich arbeitet. Der mikroelektronische Die 480 ist mit Formmaterial 430 überformt, um mechanische Stabilität bereitzustellen. Das Formmaterial 430 und die Sektion 450c können eine Dicke 432 von 100 bis 200 Mikrometern aufweisen. Die Sektion 450a des Gehäusesubstrats 450 enthält eine oder mehrere verteilte Antenneneinheiten 492. Die Antennen können individuell oder in einer phasengesteuerten Array-Konfiguration angeordnet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Antenneneinheit eine gestapelte Patch-Mikrostreifen-Patchantenne. Die Hauptpatches 495-496 sind auf dem Gehäusesubstrat 450 implementiert und können unter Verwendung von verlustarmen, gesteuerten Impedanzleitungen 498 (z.B. geerdete koplanare Wellenleiter (GCPWs), CPWs, Mikrostreifen- oder Streifenleitung-Übertragungsleitungen) direkt mit dem Die 480 verbunden sein. Die Antennenelemente 493-494 sind auf einem sekundären verlustarmen Substrat 470 implementiert. Bei einer typischen Plattform wäre das zweite Substrat 470 Teil des Bauelementgehäuses, um Verluste innerhalb der Plattform zu reduzieren. Das Bauelement 400 kann mit einem optionalen Substrat (z.B. Substrat 420, Hauptplatine, gedruckte Schaltungsplatine) mit einer Zwischenverbindung zweiter Ebene (SLI) 460 gekoppelt sein.
  • Die Gehäusesubstrate, Antennenelemente und das Formmaterial können im Vergleich zu den hierin offenbarten und dargestellten Abmessungen unterschiedliche Dicken-, Längen- und Breiten-Abmessungen aufweisen. Das Formmaterial kann ein verlustarmes, nicht leitfähiges dielektrisches Material sein.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann jedes der Bauelemente oder Komponenten miteinander gekoppelt sein.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass in einem System auf einem Chip-Ausführungsbeispiel, der Die einen Prozessor, Speicher, Kommunikationsschaltungsanordnung und Ähnliches umfassen kann. Obgleich ein einzelner Die dargestellt ist, können auch keine, ein oder mehrere Dies in derselben Region des Wafers umfasst sein.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann das mikroelektronische Bauelement ein kristallines Substrat sein, dass unter Verwendung von einem Bulk-Silizium oder einer Silizium-auf-Isolator-Unterstruktur gebildet ist. Bei anderen Implementierungen kann das Mikroelektronik-Bauelement unter Verwendung von wechselnden Materialien gebildet sein, die mit Silizium kombiniert sein können oder nicht, die Germanium, Indiumantimonid, Bleitellurid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Galliumarsenid, Indiumgalliumarsenid, Galliumantimonid oder andere Kombinationen von Gruppe III-V oder Gruppe IV Materialien umfassen, aber nicht auf diese beschränkt sind. Obwohl einige Beispiele von Materialien, aus denen das Substrat gebildet sein kann, hier beschrieben sind, fällt jegliches Material, das als Grundlage dienen kann, auf der ein Halbleiterbauelement gebaut werden kann, in den Schutzbereich der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
  • 5 stellt eine Rechenvorrichtung 900 gemäß einem Ausführungsbeispiel dar. Die Rechenvorrichtung 900 häust eine Platine 902. Die Platine (z.B. Hauptplatine, gedruckte Schaltungsplatine, etc.) kann eine Anzahl von Komponenten umfassen, einschließlich aber nicht beschränkt auf zumindest einen Prozessor 904 und zumindest ein Kommunikations-Modul oder -Chip 906. Der zumindest eine Prozessor 904 ist physisch und elektrisch mit der Platine 902 gekoppelt. Bei einigen Implementierungen kann das zumindest eine Kommunikations-Modul oder der zumindest eine -Chip 906 auch physisch und elektrisch mit der Platine 902 gekoppelt sein. Bei weiteren Implementierungen ist das Kommunikations-Modul oder der -Chip 906 Teil des Prozessors 904. Bei einem Beispiel umfasst das Kommunikations-Modul oder der -Chip 906 (z.B. mikroelektronisches Bauelement 100, 200, 300, 400, etc.) eine verteilte Antenneneinheit 920 (z.B. verteilte Antenneneinheit 192, 292, 492, etc.).
  • Abhängig von ihren Anwendungen kann die Rechenvorrichtung 900 andere Komponenten umfassen, die physisch und elektrisch mit der Platine 902 gekoppelt sein können oder nicht. Diese anderen Komponenten umfassen, sind aber nicht beschränkt auf einen flüchtigen Speicher (z.B. DRAM 910, 911), einen nichtflüchtigen Speicher (z.B. ROM 912), einen Flash-Speicher, einen Graphikprozessor 916, einen digitalen Signalprozessor, einen Krypto-Prozessor, einen Chipsatz 914, eine Antenneneinheit 920, eine Anzeige, eine Touchscreen-Anzeige 930, eine Touchscreen-Steuerung 922, eine Batterie 932, einen Audio-Codec, einen Video-Codec, einen Leistungsverstärker 915, ein GPS-Bauelement (global positioning system; globales Positionierungssystem) 926, einen Kompass 924, ein Gyroskop, einen Lautsprecher, eine Kamera 950, und eine Massenspeichervorrichtung (wie beispielsweise Festplattenlaufwerk, CD (compact disk), DVD (digital versatile disk) usw.).
    Das Kommunikations-Modul oder der -Chip 906 ermöglicht drahtlose Kommunikationen für die Übertragung von Daten zu und von der Rechenvorrichtung 900. Der Ausdruck „drahtlos“ und seine Ableitungen können verwendet werden, um Schaltungen, Bauelemente, Systeme, Verfahren, Techniken, Kommunikationskanäle etc. zu beschreiben, die Daten durch die Verwendung modulierter, elektromagnetischer Strahlung durch ein nicht festes Medium kommunizieren können. Der Ausdruck impliziert nicht, dass die zugeordneten Bauelemente nicht irgendwelche Drähte enthalten, obwohl sie dies bei einigen Ausführungsbeispielen möglicherweise nicht tun. Das Kommunikations-Modul oder der -Chip 906 kann jegliche Anzahl von drahtlosen Standards oder Protokollen implementieren, einschließlich aber nicht beschränkt auf Wi-Fi (IEEE 802.11 Familie), WiMAX (IEEE 802.16 Familie), WiGig, IEEE 802.20, Long Term Evolution (LTE), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, und Ableitungen davon, sowie jegliche anderen drahtlosen Protokolle, die bezeichnet werden als 3G, 4G, 5G, und darüber hinaus. Die Rechenvorrichtung 900 kann eine Mehrzahl von Kommunikationsmodulen oder -Chips 906 umfassen. Zum Beispiel kann ein erstes Kommunikations-Modul oder -Chip 906 zweckgebunden sein für drahtlose Kommunikationen mit kürzerem Bereich, wie beispielsweise Wi-Fi, WiGig und Bluetooth, und ein zweites Kommunikations-Modul oder -Chip 906 kann zweckgebunden sein für drahtlose Kommunikationen mit längerem Bereich, wie beispielsweise GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO, 5G und andere.
  • Der zumindest eine Prozessor 904 der Rechenvorrichtung 900 umfasst einen integrierten Schaltungs-Die, der innerhalb des zumindest einen Prozessors 904 gehäust ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst das Prozessorgehäuse eine oder mehrere Bauelemente, wie beispielsweise mikroelektronische Bauelemente (z.B. mikroelektronisches Bauelement 100, 200, 300, 400 usw.) gemäß den Implementierungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung. Der Ausdruck „Prozessor“ kann sich auf irgendeine Vorrichtung oder Abschnitt einer Vorrichtung beziehen, die elektronische Daten aus Registern und/oder Speicher verarbeitet, um diese elektronischen Daten in andere elektronische Daten zu transformieren, die in Registern und/oder Speicher gespeichert werden können.
  • Das Kommunikations-Modul oder der -Chip 906 umfasst auch einen integrierten Schaltungs-Die, der innerhalb des Kommunikations-Moduls oder -Chips 906 gehäust ist. Gemäß einer anderen Implementierung der Ausführungsbeispiele der Erfindung umfasst das Kommunikations-Modul- oder Kommunikations-Chip-Gehäuse ein oder mehrere mikroelektronische Bauelemente (z.B. mikroelektronisches Bauelement 100, 200, 300, 400, etc.).
  • Die folgenden Beispiele beziehen sich auf weitere Ausführungsbeispiele. Beispiel 1 ist ein mikroelektronisches Bauelement, das ein erstes Substrat umfasst, das organisches dielektrisches Material, leitfähige Schichten und einen ersten Abschnitt einer verteilten Antenneneinheit aufweist. Das erste Substrat unterstützt zumindest eine Radiofrequenz-(RF) Komponente. Ein zweites Substrat ist mit dem ersten Substrat gekoppelt. Das zweite Substrat ist mit einem Gehäuse des mikroelektronischen Bauelements integriert und umfasst einen zweiten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit zum Senden und Empfangen von Kommunikationen bei einer Frequenz von ungefähr 4 GHz oder höher.
  • Bei Beispiel 2 kann der Gegenstand von Beispiel 1 optional ein Abstandhalter-Material zum Bilden von Stützsäulen umfassen, um eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat bereitzustellen.
  • Bei Beispiel 3 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1-2 optional den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfassen, der erste Antennenelemente umfasst, die mit zweiten Antennenelementen des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kapazitiv gekoppelt sind.
  • Bei Beispiel 4 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1-3 optional das erste Substrat umfassen, das eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern zum Bilden des mikroelektronischen Bauelements aufweist.
  • Bei Beispiel 5 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1-4 optional die verteilte Antenneneinheit umfassen, die zumindest eine von einer gestapelten Patch-Antenne, einer Monopolantenne, einer Dipolantenne, einer Hauptstrahlrichtungsantenne, einer Längsstrahlerantenne, einem Vivaldi-Strahler und einer Schlitzresonanzantenne umfasst.
  • Bei Beispiel 6 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1-5 optional den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfassen, der erste Antennenelemente umfasst, die zweite Antennenelemente des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kontaktieren, wobei die zweiten Antennenelemente innerhalb des zweiten Substrats gebildet sind.
  • Bei Beispiel 7 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 1-6 optional die verteilte Antenneneinheit umfassen, die mit der zumindest einen RF-Komponente verbunden ist, die zumindest einen Sendeempfänger-Die umfasst, um ein phasengesteuertes Array-Antennenmodul einer 5G-Gehäusearchitektur für 5G-Kommunikationen zu bilden.
  • Beispiel 8 ist ein mikroelektronisches Bauelement, das ein erstes flexibles Substrat umfasst, das organisches dielektrisches Material, leitfähige Schichten und einen ersten Abschnitt einer verteilten Antenneneinheit aufweist. Das erste flexible Substrat umfasst erste und zweite Sektionen, wobei die erste Sektion zumindest eine Radiofrequenz- (RF) Komponente unterstützen soll, die mit Formmaterial überformt ist. Ein zweites Substrat ist mit dem ersten Substrat gekoppelt. Das zweite Substrat umfasst einen zweiten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit zum Senden und Empfangen von Kommunikationen bei einer Frequenz von ungefähr 4 GHz oder höher.
  • Bei Beispiel 9 kann der Gegenstand von Beispiel 8 optional Abstandhalter-Material zum Bilden von Stützsäulen umfassen, um eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat bereitzustellen.
  • Bei Beispiel 10 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 8-9 optional den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfassen, der erste Antennenelemente umfasst, die mit zweiten Antennenelementen des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kapazitiv gekoppelt sind.
  • Bei Beispiel 11 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 8-10 optional das erste Substrat umfassen, das eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern zum Bilden des mikroelektronischen Bauelements aufweist.
  • Bei Beispiel 12 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 8-11 optional die verteilte Antenneneinheit umfassen, die zumindest eine von einer gestapelten Patch-Antenne, einer Monopolantenne, einer Dipolantenne, einer Hauptstrahlrichtungsantenne, einer Längsstrahlerantenne, einem Vivaldi-Strahler und einer Schlitzresonanzantenne umfasst.
  • Bei Beispiel 13 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 8-12 optional den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfassen, der erste Antennenelemente umfasst, die zweite Antennenelemente des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kontaktieren, wobei die zweiten Antennenelemente innerhalb des zweiten Substrats gebildet sind, das mit einem Gehäuse des mikroelektronischen Bauelements integriert ist.
  • Bei Beispiel 14 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 8-13 optional das flexible Substrat umfassen, das gebogen wird, um die ersten und zweiten Sektionen zu bilden, wobei die zweite Sektion den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfasst.
  • Beispiel 15 ist eine Rechenvorrichtung, umfassend zumindest einen Prozessor, um Daten zu verarbeiten, und ein Kommunikations-Modul oder -Chip, gekoppelt mit dem zumindest einen Prozessor. Das Kommunikations-Modul oder der -Chip umfasst ein erstes Substrat, das organisches dielektrisches Material, leitfähige Schichten und einen ersten Abschnitt einer verteilten Antenneneinheit aufweist. Das erste Substrat unterstützt zumindest eine Radiofrequenz- (RF) Komponente, und
    ein Gehäuse, das an einem zweiten Substrat angebracht ist, das mit dem ersten Substrat gekoppelt ist. Das zweite Substrat umfasst einen zweiten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit zum Senden und Empfangen von Kommunikationen bei einer Frequenz von ungefähr 4 GHz oder höher.
  • Bei Beispiel 16 kann der Gegenstand von Beispiel 15 optional Abstandhalter-Material zum Bilden von Stützsäulen umfassen, um eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat bereitzustellen.
  • Bei Beispiel 17 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 15-16 optional den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfassen, der erste Antennenelemente umfasst, die mit zweiten Antennenelementen des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kapazitiv gekoppelt sind.
  • Bei Beispiel 18 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 15-17 optional das erste Substrat umfassen, das eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern zum Bilden des mikroelektronischen Bauelements aufweist.
  • Bei Beispiel 19 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 15-18 optional die verteilte Antenneneinheit umfassen, die zumindest eine von einer gestapelten Patch-Antenne, einer Monopolantenne, einer Dipolantenne, einer Hauptstrahlrichtungsantenne, einer Längsstrahlerantenne, einem Vivaldi-Strahler und einer Schlitzresonanzantenne umfasst.
  • Bei Beispiel 20 kann der Gegenstand von einem der Beispiele 15-19 optional den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfassen, der erste Antennenelemente umfasst, die zweite Antennenelemente des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kontaktieren, wobei die zweiten Antennenelemente innerhalb des zweiten Substrats gebildet sind.

Claims (20)

  1. Ein mikroelektronisches Bauelement umfassend: ein erstes Substrat, das organisches dielektrisches Material, leitfähige Schichten und einen ersten Abschnitt einer verteilten Antenneneinheit aufweist, wobei das erste Substrat zumindest eine Radiofrequenz- (RF) Komponente unterstützt; und ein zweites Substrat, das mit dem ersten Substrat gekoppelt ist, wobei das zweite Substrat mit einem Gehäuse des mikroelektronischen Bauelements integriert ist und einen zweiten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit zum Senden und Empfangen von Kommunikationen bei einer Frequenz von ungefähr 4 GHz oder höher umfasst.
  2. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, ferner umfassend ein Abstandhalter-Material zum Bilden von Stützsäulen, um eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat bereitzustellen.
  3. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 2, wobei der erste Abschnitt der verteilten Antenneneinheit erste Antennenelemente umfasst, die mit zweiten Antennenelementen des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kapazitiv gekoppelt sind.
  4. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei das erste Substrat eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern zum Bilden des mikroelektronischen Bauelements aufweist.
  5. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei die verteilte Antenneneinheit zumindest eine von einer gestapelten Patch-Antenne, einer Monopolantenne, einer Dipolantenne, einer Hauptstrahlrichtungsantenne, einer Längsstrahlerantenne, einem Vivaldi-Strahler und einer Schlitzresonanzantenne umfasst.
  6. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt der verteilten Antenneneinheit erste Antennenelemente umfasst, die zweite Antennenelemente des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kontaktieren, wobei die zweiten Antennenelemente innerhalb des zweiten Substrats gebildet sind.
  7. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 1, wobei die verteilte Antenneneinheit mit der zumindest einen RF-Komponente verbunden ist, die zumindest einen Sendeempfänger-Die umfasst, um ein phasengesteuertes Array-Antennenmodul einer 5G-Gehäusearchitektur für 5G-Kommunikationen zu bilden.
  8. Ein mikroelektronisches Bauelement umfassend: ein erstes flexibles Substrat, das organisches dielektrisches Material, leitfähige Schichten und einen ersten Abschnitt einer verteilten Antenneneinheit aufweist, wobei das erste flexible Substrat erste und zweite Sektionen umfasst, wobei die erste Sektion zumindest eine Radiofrequenz- (RF) Komponente unterstützen soll, die mit Formmaterial überformt ist, und ein zweites Substrat, das mit dem ersten Substrat gekoppelt ist, wobei das zweite Substrat einen zweiten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit zum Senden und Empfangen von Kommunikationen bei einer Frequenz von ungefähr 4 GHz oder höher umfasst.
  9. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 8, ferner umfassend Abstandhalter-Material zum Bilden von Stützsäulen, um eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat bereitzustellen.
  10. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 9, wobei der erste Abschnitt der verteilten Antenneneinheit erste Antennenelemente umfasst, die mit zweiten Antennenelementen des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kapazitiv gekoppelt sind.
  11. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 8, wobei das erste Substrat eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern zum Bilden des mikroelektronischen Bauelements aufweist.
  12. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 8, wobei die verteilte Antenneneinheit zumindest eine von einer gestapelten Patch-Antenne, einer Monopolantenne, einer Dipolantenne, einer Hauptstrahlrichtungsantenne, einer Längsstrahlerantenne, einem Vivaldi-Strahler und einer Schlitzresonanzantenne umfasst.
  13. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 8, wobei der erste Abschnitt der verteilten Antenneneinheit erste Antennenelemente umfasst, die zweite Antennenelemente des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kontaktieren, wobei die zweiten Antennenelemente innerhalb des zweiten Substrats gebildet sind, das mit einem Gehäuse des mikroelektronischen Bauelements integriert ist.
  14. Das mikroelektronische Bauelement gemäß Anspruch 8, wobei das flexible Substrat gebogen wird, um die ersten und zweiten Sektionen zu bilden, wobei die zweite Sektion den ersten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit umfasst.
  15. Eine Rechenvorrichtung umfassend: zumindest einen Prozessor, um Daten zu verarbeiten; und ein Kommunikations-Modul oder -Chip, gekoppelt mit dem zumindest einen Prozessor, das Kommunikations-Modul oder der -Chip umfassend, ein erstes Substrat, das organisches dielektrisches Material, leitfähige Schichten und einen ersten Abschnitt einer verteilten Antenneneinheit aufweist, wobei das erste Substrat zumindest eine Radiofrequenz- (RF) Komponente unterstützt; und ein Gehäuse, das an einem zweiten Substrat angebracht ist, das mit dem ersten Substrat gekoppelt ist, wobei das zweite Substrat einen zweiten Abschnitt der verteilten Antenneneinheit zum Senden und Empfangen von Kommunikationen bei einer Frequenz von ungefähr 4 GHz oder höher umfasst.
  16. Die Rechenvorrichtung gemäß Anspruch 15, ferner umfassend Abstandhalter-Material zum Bilden von Stützsäulen, um eine Trennung zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat bereitzustellen.
  17. Die Rechenvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der erste Abschnitt der verteilten Antenneneinheit erste Antennenelemente umfasst, die mit zweiten Antennenelementen des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kapazitiv gekoppelt sind.
  18. Die Rechenvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei das erste Substrat eine Dicke von 50 bis 100 Mikrometern zum Bilden des mikroelektronischen Bauelements aufweist.
  19. Die Rechenvorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die verteilte Antenneneinheit zumindest eine von einer gestapelten Patch-Antenne, einer Monopolantenne, einer Dipolantenne, einer Hauptstrahlrichtungsantenne, einer Längsstrahlerantenne, einem Vivaldi-Strahler und einer Schlitzresonanzantenne umfasst.
  20. Die Rechenvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der erste Abschnitt der verteilten Antenneneinheit erste Antennenelemente umfasst, die zweite Antennenelemente des zweiten Abschnitts der verteilten Antenneneinheit kontaktieren, wobei die zweiten Antennenelemente innerhalb des zweiten Substrats gebildet sind.
DE112016007571.5T 2016-12-30 2016-12-30 Mikroelektronische bauelemente entworfen mit flexiblengehäusesubstraten mit verteilten gestapelten antennen fürhochfrequenz-kommunikationssysteme Pending DE112016007571T5 (de)

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