JP2024081609A - パッケージ上のスロットボウタイアンテナ - Google Patents
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Abstract
【課題】アンテナオンパッケージ（ＡＯＰ）を有し、機能を統合した半導体パッケージ及び集積回路を提供する。【解決手段】スロットボウタイＡＯＰ構成を有する半導体パッケージ１０１は、頂部表面を有する半導体ダイ１０２と、頂部表面の上のパッシベーション層と、パッシベーション層上の第１の金属層と、第１の金属層内に形成され、半導体ダイからオフセットされスロットボウタイ構成を有するアンテナ１０５と、第１の金属層内に形成され、半導体ダイをアンテナに結合する伝送ライン１０６と、第１の金属層を第２の金属層から分離する絶縁材料と、を含む。第２の金属層は、アンテナのための接地反射器として機能し、アンテナ及び半導体ダイの下方へ延在する。【選択図】図１
Description
能動構成要素及び／又は受動構成要素を含む半導体デバイスは、半導体要素又は化合物の細長いシリンダ形状の単結晶から薄切りされた円形ウェハに製造され得る。これらのソリッドステートウェハの直径は、１２インチ又はそれ以上まで達し得る。個々の半導体ダイは、典型的に、ウェハから矩形の個別片をつくるために、ウェハを介したＸ方向及びＹ方向の鋸引き路によって円形ウェハから個片化される。
各半導体ダイは、少なくとも１つの能動構成要素及び／又は受動構成要素と、半導体ダイの構成要素への電気接続を容易にする働きをするダイパッドとを含む。半導体ダイは、電子構成要素の多くの大規模ファミリーを含み、例には、電界効果トランジスタのようなダイオード及びトランジスタなどの能動デバイス、抵抗器及びキャパシタなどの受動デバイス、並びに、百万をはるかに超える能動及び受動構成要素を含むことが可能な集積回路が含まれる。
個片化の後、一つ又は複数の半導体ダイが、金属リードフレームなどの個別の支持基板、又は、複数の金属性層及び絶縁層から積層される硬い多層基板に取り付けられる。リードフレーム及び基板の導電トレースは、典型的に、ボンディングワイヤ、又ははんだバンプなどの金属バンプを用いて、ダイパッドに接続される。
組み立てられた半導体ダイ、リードフレーム、及び／又は基板は、しばしば硬化高分子化合物を採用し、トランスファー成形などの技法によって形成される、個別のロバストなパッケージを形成するために、封止され得る。組み立て及びパッケージングプロセスは、リードフレームの対応するストリップ又はアレイ上の半導体ダイのストリップ又はアレイを含む、及び／又は、成形プレスの単一ローディングを介して、個別に、又はバッチプロセスの一部として、行われる。
半導体技術は、小型化、統合、及び速度に向かう傾向が続いている。共通パッケージ内でのアンテナ及び機能回路要素の統合は、時に、アンテナオンパッケージ（ＡＯＰ）又はアンテナインパッケージ（ＡＩＰ）と呼ばれる。無線周波数（ＲＦ）集積回路は、ボール又はピンなどのコンタクトを介してＲＦ信号をアンテナモジュールに伝送するのではなく、パッケージ自体の頂部表面上にアンテナが提供されるように、パッケージングされ得る。これは、ＡＯＰ構成と呼ばれる。ＡＯＰデバイスは、一つ又は複数の送信器アンテナ及び／又は受信器アンテナなどの、半導体又は集積回路（ＩＣ）ダイに結合されたいくつかのアンテナを含み得る。ＡＩＰデバイスは、アンテナが、ワイヤレスデバイスを提供するために、半導体、又は、ＲＦ ＩＣダイなどのＩＣダイと共にパッケージ内に統合される半導体パッケージ配置である。この構成において、アンテナはワイヤレスデバイス内に配置される別個の構成要素ではないが、代わりに、ＩＣダイと共にパッケージ内に直接統合される。この手法は、時に、ディスクリートアンテナ手法と呼ばれる。他の典型的なＡＩＰ構成要素には、ＲＦ／ミリメートル(ｍｍ)波構築ブロック、送信器及び受信器のためのアナログベースバンド信号チェーン、並びに、顧客プログラム可能マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）及びデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）が含まれる。集積アンテナを備えるパッケージは、様々な異なるワイヤレス感知及び／又は伝送規格を組み込むように拡縮され得る。しかしながら、集積アンテナを備えるパッケージの利点は、Ｗｉ－Ｆｉ、近視野通信（ＮＦＣ）、及びミリ波（ｍｍＷａｖｅ）アプリケーションなどの、相対的に小型のアンテナを必要とする適用例について、最も明らかである。
従来、ｍｍＷａｖｅアンテナは、高精度感知を果たすために、ポリテトラフルオロエチレンベースの基板などの、高周波数における効率性をサポートする先端材料を備える基板を用いる、プリント回路板（ＰＣＢ）上に設計されてきた。こうしたシステム設計は、効果的ではあるが、センサと共に働くようにアンテナを設計及び製造するためにＲＦの専門知識を必要とする。集積アンテナを備えるパッケージは、スタンドアロンアンテナの必要性を無くすことによって、システムの複雑さ及び製造コストを低減させ得る。こうした感知システムは、ロボット工学、工業用３Ｄ感知、並びに、運転支援及び自動運転システムを含む自動車用途に、利用され得る。
ｍｍＷａｖｅシステムは、一般に、２４ＧＨｚ～３００ＧＨｚの間のスペクトルにおいて動作する。様々な適用例において、ｍｍＷａｖｅシステムは、例えば、セルラーネットワークを用いるか、又は、物体の検出のためのレーダー感知技術におけるなどの、データ伝送に利用され得る。
或る配置において、半導体パッケージが、頂部表面を有する半導体ダイと、頂部表面の上のパッシベーション層と、第１のパッシベーション層上の第１の金属層と、第１の金属層内に形成され、半導体ダイからオフセットされるアンテナであって、スロットボウタイ構成を有する、アンテナと、第１の金属層に形成される伝送ラインであって、半導体ダイをアンテナに結合する、伝送ラインと、第１の金属層を第２の金属層から分離する絶縁材料であって、第２の金属層がアンテナのための接地反射器として機能するように構成されている、絶縁材料とを含む。第２の金属層は、アンテナ及び半導体ダイの下方へ延在する。
半導体パッケージは、半導体ダイの頂部表面上の導電パッドと、導電パッドを露出させるためのパッシベーション層における開口とを更に含み得、第１の金属層における伝送ラインは第１の開口を介して導電パッドと接する。
伝送ラインは、裏面導体付き共面導波路であり得る。伝送ラインは第１の金属層において３つの平行ストリップを含み得、３つの平行ストリップは接地信号接地構成を有する。
半導体パッケージは、第１の金属層に形成されるインピーダンス変換器を更に含み得、インピーダンス変換器は、アンテナフィードと伝送ラインとの間に結合される。伝送ラインは、５０Ωのインピーダンスを有し得、インピーダンス変換器は７５Ωのインピーダンスを有し得る。
アンテナは、ミリメートル波長を有する周波数帯において動作するように構成され得る。アンテナは、第１の金属層において、直接大気中放射を提供するように構成され得る。
アンテナは、２つの三角開口を有する金属平面を含み得、開口は各々、アンテナフィード近くに置かれる頂点と、頂点の反対側の基部側とを有し、基部側間の距離によってアンテナの共振周波数が決まる。
半導体パッケージは付加的な層を更に含み得る。第１の誘電体層が第１の金属層を覆い得、第３の金属層が第１の誘電体層を覆い得、第１の誘電体層における第１のバイアが、第１の金属層を第３の金属層に結合し得る。第２の誘電体層が第２の金属層を覆い得、第４の金属層が第２の誘電体層を覆い得、第２の誘電体層における第２のバイアが、第２の金属層を第４の金属層に結合し得る。
半導体パッケージは更に、第１の金属層の上の第１のはんだマスク層と、第２の金属層の下の第２のはんだマスク層とを含み得る。
別の配置において、集積回路（ＩＣ）が埋め込みダイ構造を含み、埋め込みダイ構造は、開口を含む有機パネルフレームと、開口内に置かれる半導体ダイと、有機パネルフレームの開口内に半導体ダイを埋め込む充填材料とを含む。第１の再分配層（ＲＤＬ）構造が、半導体ダイの上に置かれ、半導体ダイ上のコンタクトに電気的に接続される導電構造を有する。アンテナが、第１のＲＤＬ構造に形成され、半導体ダイからオフセットされる。アンテナは、スロットボウタイ構成を有する。第２のＲＤＬ構造が、アンテナのための接地反射器として半導体ダイの下に置かれる。
ＩＣは、第１のＲＤＬ構造内に形成される伝送ラインを更に含み得る。伝送ラインは、半導体ダイをアンテナに結合する。伝送ラインは、第１のＲＤＬ構造における導波路であり得る。導波路は、第１の金属層内に３つの平行ストリップを有し得、３つの平行ストリップは接地信号接地構成を有する。
第２のＲＤＬ構造は、アンテナ及び半導体ダイの下方へ延在し得る。アンテナは、ミリ波長を有する周波数帯において動作するように構成され得、アンテナは、第１のＲＤＬ構造において直接大気中放射を提供するように構成され得る。
ＩＣは、第１のＲＤＬ構造内に形成されるインピーダンス変換器を更に含み得、インピーダンス変換器はアンテナフィードと伝送ラインとの間に結合される。伝送ラインは５０Ωのインピーダンスを有し得、インピーダンス変換器は７５Ωのインピーダンスを有し得る。
ＩＣは更に、第１のＲＤＬ構造を覆う第１の誘電体層と、第１の誘電体層を覆う第３のＲＤＬ構造と、第１の誘電体層における第１のバイアとを含み得、第１のバイアは第１のＲＤＬ構造を第３のＲＤＬ構造に結合する。第２の誘電体層が第２のＲＤＬ構造を覆い得、第４のＲＤＬ構造が第２のＲＤＬ構造を覆い得、第２の誘電体層内の第２のバイアが、第２のＲＤＬ構造を第４のＲＤＬ構造に結合し得る。
このように本発明を一般的な用語で説明してきたが、次に、添付の図面を参照する。
本開示を、添付の図面を参照しながら説明する。図面は一定の縮尺で描画されておらず、本開示を単に例示するために提供されている。本開示のいくつかの態様を、例示のための適用例を参照しながら下記で説明する。多く特定の詳細、関係、及び方法が、本開示の理解のために示されていることを理解されたい。本開示は、いくつかの行為が、異なる順で、及び／又は、他の行為又は事象と同時に成され得るため、行為又は事象の示される順に限定されない。また、本開示に従った方法体系を実装するために、例示されるすべての行為又は事象が必要なわけではない。
異なる図面において対応する数字及び記号は概して、別途記載のない限り、対応する部分を指す。図面において、同様の参照番号は全体を通じて同様の要素を指し、様々な特徴は必ずしも一定の縮尺で描画されていない。下記の考察及び特許請求の範囲において、「含む（including）、（includes）」、「有する（having）、（has）」、「備える（with）」という用語、又はそれらの変形は、「含む（comprising）」という用語と同様に包括的であることが意図され、したがって、「～を含むがそれに限定されない」ことを意味するものと解釈されるべきである。また、「結合される」、「結合する（couple）」、及び／又は「結合する（couples）」という用語は、間接的又は直接の電気的又は機械的接続、或いはそれらの組み合わせを含むことが意図される。例えば、第１のデバイスが第２のデバイスに結合するか、又は電気的に結合される場合、その接続は、直接電気接続を介し得るか、或いは、一つ又は複数の介在デバイス及び／又は接続を介する間接的電気接続を介し得る。介在ワイヤ又は他の導体と電気的に接続された要素は、結合されていると見なされる。本開示において、「頂部」、「底部」、「前」、「後」、「の上」、「の上方」、「の下」、「下方」などの用語が用いられ得る。これらの用語は、構造又は要素の位置又は方位を限定するものと解釈されるべきではなく、構造又は要素間の空間的関係を提供するために用いられるべきである。
本明細書において「半導体ダイ」という用語が用いられている。半導体デバイスは、バイポーラトランジスタなどのディスクリート半導体デバイス、単一の半導体ダイ上に共に作製される一対のパワーＦＥＴスイッチなどの少数のディスクリートデバイスでありっもよく、或いは、半導体ダイは、Ａ／Ｄコンバータにおける複数のキャパシタなどの複数の半導体デバイスを備える集積回路であってもよい。半導体デバイスは、抵抗器、インダクタ、フィルタ、センサなどの受動デバイス、又は、トランジスタなどの能動デバイスを含み得る。半導体デバイスは、例えばマイクロプロセッサ又はメモリデバイスなどの機能回路を形成するために結合される、数百又は数千のトランジスタを備える集積回路であり得る。半導体デバイスは、本明細書では、半導体デバイス又は集積回路（ＩＣ）ダイとも呼ばれ得る。
本明細書において「半導体パッケージ」という用語が用いられている。半導体パッケージは、端子に電気的に結合される少なくとも１つの半導体ダイを有し、半導体ダイを保護及び覆うパッケージボディを有する。いくつかの配置において、複数の半導体ダイが共にパッケージングされ得る。例えば、パワー金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）半導体デバイス、及び第２の半導体デバイス（ゲートドライバダイ、又はコントローラダイなど）が、単一のパッケージングされた電子デバイスを形成するために、共にパッケージングされ得る。キャパシタ、抵抗器、及びインダクタ又はコイルなどの能動構成要素などの付加的な構成要素を、パッケージングされた電子デバイス内に含めることができる。半導体ダイには、導電リードを提供するパッケージ基板が搭載されている。導電リードの一部が、パッケージングされたデバイスのための端子を形成する。ワイヤボンディングされた集積回路パッケージでは、ボンドワイヤが、半導体ダイ上のパッドをボンディングするためのパッケージ基板の導電リードを結合する。半導体ダイは、デバイス側部表面が基板に背を向けており、裏側表面がパッケージ基板のダイパッドに向けて搭載されるパッケージ基板に搭載可能である。半導体パッケージは、成形プロセスにおいて、熱硬化性エポキシ樹脂モールド化合物によって、又は、室温で液体であり、その後硬化する、エポキシ、プラスチック、又は樹脂を用いることによって形成されるパッケージボディを有することができる。パッケージボディは、パッケージングされたデバイスのために密閉パッケージを提供し得る。パッケージボディは封止プロセスを用いてモールド内に形成され得るが、パッケージ基板のリードの一部が封止の間覆われず、これらの露出されたリード部分が、半導体パッケージのための端子を形成する。半導体パッケージは、「集積回路パッケージ」、「マイクロ電子デバイスパッケージ」、又は「半導体デバイスパッケージ」とも呼ばれ得る。
本明細書において「再分配層（ＲＤＬ）」という用語が用いられている。ＲＤＬ構造は、半導体ダイ又は他の構成要素に電気的に接続され得る導電構造である。パッケージングされた電子デバイスが、ＲＤＬ構造内に形成される、アンテナ、伝送ライン、導波路、及び／又はインピーダンス変換器などの要素を含み得る。一例において、パッケージングされた電子デバイスが、ＲＤＬ層内に形成されるスロットボウタイアンテナを含む。スロットボウタイアンテナは、同じくＲＤＬ構造内に形成される伝送ライン及びインピーダンス変換器によって、半導体ダイ回路に結合される。
本明細書において「スロットボウタイアンテナ」という用語が用いられている。スロットアンテナは、表面から切り取られた一つ又は複数の穴を備える、平坦金属プレートなどの金属表面で構成される。金属プレートがＲＦ電流によって駆動されるとき、スロットは電磁波を放射する。スロットアンテナの放射パターンは、ダイポールアンテナと同様に全方向性である。本明細書において説明するようなスロットボウタイアンテナは、概して２つの鏡像三角形を有する、ボウタイの形状で形成されるスロットを有するスロットアンテナである。いくつかの配置において、ボウタイ形状は蝶型アンテナとも呼ばれ得る。
本明細書において「接地反射器」という用語が用いられている。接地反射器は、アンテナからの電磁波を反射するデバイスである。接地反射器は、ＲＦエネルギーを向け直すためのスタンドアロンデバイスとすることができ、又は、アンテナアッセンブリの一部として集積されてもよい。本明細書において説明する接地反射器は、スロットボウタイアンテナの放射パターンを改変する働き、及び、接地面と反対の方向に利得を増加させる働きをする。
本明細書において「共面導波路」という用語が用いられている。共面導波路は、マイクロ波周波数信号を搬送するために用いることが可能な、一種の電気平面伝送ラインである。共面導波路伝送ラインは、モノリシックマイクロ波集積回路に内蔵される。共面導波路は、誘電体基板上の単一の導電トラック又はストリップ、及び、導電トラックの片側又は両側の一対の戻り導電トラック又はストリップで構成される。３つすべての導体が基板の同じ側にあり、したがって共面である。戻り導体は、ラインの長さに沿った不変の幅を有する小さな空隙によって中央導電トラックから分離される。中央導体から離れた側部上で、戻り導体は、各々が概念上半無限平面であるように無限距離まで延在可能である。いくつかの配置において、共面導波路は、接地との共面導波路としても知られ得る、裏面導体付き共面導波路である。裏面導体付き共面導波路の変形には、基板の裏面全体を覆う接地平面を有するものがある。接地平面は第３の戻り導体として働く。
図１は、一配置に従った、スロットボウタイアンテナオンパッケージ（ＡＯＰ）構成を有する半導体パッケージ１０１を図示する。他の配置において、この配置はアンテナインパッケージ（ＡＩＰ）として構成されてもよい。半導体パッケージ１０１は、両面ＲＤＬビルドアップ構造で２つの再分配層（ＲＤＬ）１０３、１０４を有する。半導体パッケージ１０１は、２つの導電体１０３、１０４の間に埋め込まれる半導体ダイ１０２を含む。頂部ＲＤＬ １０３はスロットボウタイアンテナ金属として用いられる。底部ＲＤＬ １０４は、アンテナシステムの一部として接地反射器として用いられる。代替の配置において、底部ＲＤＬ １０４は、スロットボウタイアンテナのための反射器として、ＰＣＢベースの接地で置換されてもよい。頂部ＲＤＬ １０３は、スロットボウタイアンテナ１０５及び伝送ライン構造１０６を形成するように堆積される。埋め込まれるシリコンダイ１０２は、アンテナ基板として用いられる。
半導体パッケージ１０１は、直接大気中放射パターンを備える固有のパッケージトップ放射ＡＯＰ構造を可能にするアンテナオンパッケージ集積を備える、システムインパッケージ（ＳｉＰ）埋め込みダイ技術を提供する。本明細書において開示される配置は、ＳｉＰ埋め込みダイ技術を用いる直接大気中放射及び基板強化利得を備える、１４０～２２０ＧＨｚ（ＷＲ５）周波数帯において動作する、最適化されたスロットボウタイアンテナを提示する。
図２は、半導体ダイ１０２に結合される伝送ライン構造１０６の詳細な例示である。伝送ライン構造１０６は、接地信号接地構成を有する共面導波路である。中間の導電ストリップ２０１が、２つの接地ストリップ２０２、２０３の間に配置される。伝送ライン構造１０６のインピーダンスは、フィードストリップ２０１の幅、及び、フィードストリップ２０１と接地ストリップ２０２、２０３との間の間隔に依存する。一配置において、伝送ライン構造１０６は、５０Ωの公称インピーダンスを有する。伝送ライン構造１０６のストリップ２０１～２０３は、半導体ダイ１０２のアクティブ表面上の導電パッド２０４～２０６にボンディングされ、これにより伝送ライン構造１０６を介して信号を送信及び受信することが可能となる。導電パッド２０５及び２０６は、いくつかの配置において、ストリップ２０２、２０３への一貫した接地基準電圧を保証するために、互いに結合される。図２に示される共面導波路配置は、低信号分散及び広帯域性能の利点を有する。半導体パッケージ１０１内の伝送ライン構造１０６は頂部ＲＤＬ １０３のエッチングのみを必要とし、シンプルな設計の実現が可能となる。
図３は、一配置に従った、ＳｉＰ構成において用いられるスロットボウタイアンテナ１０５を図示する。半導体パッケージ１０１のＲＤＬ １０３におけるスロットボウタイアンテナ１０５の統合は、接地ＲＤＬ ０１４からの分離を提供するために、半導体ダイ１０２を封入する基板高さを用いる。アンテナ１０５を収容するために、より大きな（すなわち、半導体ダイ１０２の専有面積より大きい）パッケージサイズが必要とされる。半導体パッケージ１０１はまた、信号Ｉ／Ｏ及び電力を配路するための付加的な空間を提供する。接地対アンテナの分離は、４分の１波長より下の出発値を用いて所望のアンテナ性能を達成するように調整される。アンテナ１０５は、より高いか又はより低い周波数帯において働くように改変可能である。一配置において、ＲＤＬ １０４における接地反射器は、アンテナＲＤＬ １０３よりも１５５μｍ下方である。ＲＤＬ １０３におけるスロットボウタイアンテナ１０５は、最大アンテナ効率のためにパッケージ頂部に近接し、直接大気中放射を提供する。
図示された構成において、接地ＲＤＬ １０４は半導体ダイの片側を越えて延在し、幅Ｗｇｎｄ及び長さＬｇｎｄを有する。一配置において、Ｗｇｎｄは２０００μｍであり、Ｌｇｎｄは１４２５μｍである。半導体ダイ１０２を含む基板が、接地ＲＤＬ １０４をアンテナＲＤＬ １０３から分離する。スロットボウタイアンテナ１０５の形状は、基板の頂部表面上にＲＤＬ １０３としてパターン化される。スロットボウタイアンテナ１０５の外側寸法は、概して、幅Ｗｏｕｔ及び長さＬｏｕｔを有する矩形である。一配置において、Ｗｏｕｔは１６２５μｍであり、Ｌｏｕｔは１０００μｍである。アンテナ１０５は、長さＬｂａｓｅの底辺及び長さＬｓｉｄｅの２つの辺を有する、２つの鏡像三角形開口又はスロット３０１、３０２を有する。スロットの底辺３０１、３０２は、アンテナフィードチャネルから距離Ｄｂａｓｅの間隔が空けられる。開口３０１、３０２は、二等辺三角形、正三角形、又は不等辺三角形の形状を有する。一配置において、１４０～２２０ＧＨｚ周波数動作レンジ（ＷＲ５）に向けられると、Ｌｂａｓｅは６００μｍであり、Ｌｓｉｄｅは６２３．８７μｍであり、Ｄｂａｓｅは５６０μｍである。
共面導波路伝送ライン構造１０６は、半導体ダイ１０２をスロットボウタイアンテナ１０５に接続する。フィードストリップ２０１は、幅Ｗｆｅｅｄを有し、接地ストリップ２０２、２０３から距離Ｄｇｎｄだけ離間される。接地ストリップ２０２、２０３の幅は、フィードストリップ２０１の幅Ｗｆｅｅｄと同じであり得るか、又は別の幅であり得る。伝送ライン構造１０６は、半導体ダイ１０２とアンテナ構造１０５の縁部３０３との間に長さＬｆｅｅｄを有する。アンテナフィード３０５におけるインピーダンス要件を補償するために、４分の１波変換器３０４が用いられる。例えば、４分の１波変換器は、７５Ωのインピーダンスを有し得る。４分の１波変換器３０４は、スロットボウタイアンテナ１０５から距離Ｄｑｔｒだけ離間された幅Ｗｑｔｒのストリップを含む。４分の１波変換器３０４は長さＬｑｔｒを有する。アンテナフィード３０５は、スロットボウタイアンテナ構造１０５への取り付けのその最も広いポイントにおいて幅Ｗａｎｔを有し、長さＬａｎｔを有する。一配置において、Ｗｆｅｅｄは４０μｍであり、Ｄｆｅｅｄは２０μｍであり、Ｗｑｔｒは２０μｍであり、Ｄｑｔｒは３０μｍであり、Ｌｑｔｒは４７５μｍである。アンテナフィード３０５は、１００μｍの寸法Ｗａｎｔ及び５０μｍのＬａｎｔを有し得る。
スロットボウタイアンテナは、広帯域幅及び高効率を生み出すことが知られている。スロットボウタイアンテナ幅に沿った線形偏波アンテナ放射は、２つのそれぞれのアパーチャ３０１、３０２を励振することによって生成される。スロットボウタイアンテナ１０５の共振周波数は、幅Ｗｓｂｔを変えることによって調節され得る。例えば、スロットボウタイ幅Ｗｓｂｔを増大させることで、スロット共振長を増加させ、より長い電流経路及びより低い共振周波数となる。アパーチャ底辺の長さＬｂａｓｅは、所望の周波数に合致する入力に調整可能である。
図４は、半導体パッケージ１０１の長さに沿った断面図である。図４は、それぞれ、アンテナ構造及び接地を形成する、ＲＤＬ層１０３と１０４の間に埋め込まれた半導体ダイ１０２を図示する。二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのパッシベーション層４０１が、半導体ダイ１０２の表面に付けられ得る。ポリイミド層４０２が、ＲＤＬ １０３の下方でパッシベーション層４０１に取り付けられ得る。導電パッド２０４は、半導体ダイ１０２とＲＤＬ １０３との間の接続を提供する。半導体ダイ１０２は、ＲＤＬ １０３と１０４の間に、エポキシ樹脂を含む味の素ビルドアップフィルム（ＡＢＦ）などの充填材料４０３に埋め込まれる。はんだマスク４０４が、酸化からの保護のために、及び、密集した構成要素間にはんだブリッジが形成されることを防ぐために、半導体パッケージ１０１の頂部及び底部表面に付けられ得る。
図５は、上記で列挙された例示の寸法を有するスロットボウタイアンテナのための、アンテナオンパッケージデバイスについての反射減衰量プロットを示すグラフ５００である。およそ５５ＧＨｚの帯域幅が、例示のパラメータを用いてＷＲ５周波数帯において観測されており、反射減衰量は、およそ１６５ＧＨｚ（５０１）～２２０ＧＨｚ（５０２）で－１０ｄＢであった。
図６は、上記で列挙された例示の寸法を有するスロットボウタイアンテナについての、利得及び効率測定値を列挙する表６００である。観測された最大実現利得は、７３．５％の最大放射効率を伴い、１８０ＧＨｚでおよそ８．８７ｄＢｉである。全体として、観測されたピーク実現利得は、５６％の最小放射効率を伴い、ＷＲ５周波数帯で６ｄＢｉより上である。
図７Ａ～図７Ｆは、スロットボウタイアンテナを有するアンテナオンパッケージデバイスについて観測される放射パターンを図示する。周波数帯域幅１６０～２００ＧＨｚにわたって良好な放射パターンが達成される。最良の放射は、１８０～２００ＧＨｚ周波数レンジにおいて観測される（図７Ｃ～図７Ｅ）。放射パターンは、図示された例において、大き過ぎるアンテナサイズに起因して、２１０ＧＨｚより上の周波数で分散される。
図７Ａにおいて、プロット７０１ａ及び７０２ａは、１６４ＧＨｚにおける放射パターンを図示する。プロット７０１ａは、ｘ－ｙ又は方位面（すなわち、φ＝０度）を表す。プロット７０２ａは、ｙ－ｚ又は仰角面（すなわち、φ＝９０度）を表す。図７Ｂにおいて、プロット７０１ｂ及び７０２ｂは、１７０ＧＨｚにおける放射パターンを図示する。プロット７０１ｂは、φ＝０度における放射パターンを表す。プロット７０２ｂは、φ＝９０度における放射パターンを表す。図７Ｃにおいて、プロット７０１ｃ及び７０２ｃは、１８０ＧＨｚにおける放射パターンを図示する。プロット７０１ｃは、φ＝０度における放射パターンを表す。プロット７０２ｃは、φ＝９０度における放射パターンを表す。
図７Ｄにおいて、プロット７０１ｄ及び７０２ｄは、１９０ＧＨｚにおける放射パターンを図示する。プロット７０１ｄは、φ＝０度における放射パターンを表す。プロット７０２ｄは、φ＝９０度における放射パターンを表す。図７Ｅにおいて、プロット７０１ｅ及び７０２ｅは、２００ＧＨｚにおける放射パターンを図示する。プロット７０１ｅは、φ＝０度における放射パターンを表す。プロット７０２ｅは、φ＝９０度における放射パターンを表す。図７Ｆにおいて、プロット７０１ｆ及び７０２ｆは、２１０ＧＨｚにおける放射パターンを図示する。プロット７０１ｆは、φ＝０度における放射パターンを表す。プロット７０２ｆは、φ＝９０度における放射パターンを表す。
図８Ａ～図８Ｎは、一配置に従った、スロットボウタイアンテナを有するアンテナオンパッケージデバイスのための半導体パッケージを作製するための工程を図示する。これらの工程は、前述のデバイス１０１を作製するために一実装において用いることができる。工程は、パネル化されたバッチプロセスにおいて複数のパッケージ化された電子デバイスを同時に作製するために用いられ得、個々のパッケージ化された電子デバイスは、プロセスの後又はプロセスの終わり近くに分離される。
図８Ａにおいて、有機パネルフレーム８０１が、（粘着性テープと呼ばれる）接着性キャリア構造８０２に取り付けられる。パネルフレーム８０１は、半導体ダイ又は他の構成要素を搭載するためのキャビティ８０３を有する。一例において、有機パネルフレーム８０１は、接着性キャリア構造８０２の接着側上に押し付けられる。図示された配置において、半導体ダイ８０５は、接着性キャリア構造８０２に取り付けられるアクティブ側８０５ａを有する。有機パネルフレーム８０１は、一つ又は複数の導電バイア又はめっきスルーホール（ＰＴＨ）８０４を有し得、これにより、有機パネルフレーム８０１の両側間にリード又は他の接続を作ることが可能になる。導電バイア又はＰＴＨ８０４は、パネルフレーム８０１を介して形成される開口（図示せず）内に銅を電気めっきするために、一つ又は複数の処理工程を用いて形成され得る。導電バイア８０４は、パネルフレーム８０１の第１の側８０１ａから第２の側８０１ｂへ延在する。
図８Ｂにおいて、一つ又は複数の半導体ダイ８０５が、有機パネルフレーム８０１のキャビティ８０３内の接着性キャリア構造８０２に取り付けられる。半導体ダイ８０５は、半導体ダイ８０５を接着性キャリア構造８０２に取り付ける機械的プロセス（例えば、ピックアンドプレースプロセス）によって配置され得る。
図８Ｃにおいて、有機パネルフレーム８０１と半導体ダイ８０５の間の空隙内に充填材料８０６が形成される。充填材料８０６は、空隙内にビルドアップ材料を形成することによってつくられる。一例において、ＡＢＦなどのビルドアップ材料はシートとして始まり、作製プロセスは、材料の一つ又は複数のシートを、キャビティ８０３内の有機パネルフレーム８０１と半導体ダイ８０５との間の空隙内にプレスすること又はその他の方式で設置することを含む。次いで、充填材料８０６は硬化される。過剰な充填材料８０６ａは、充填材料８０６の過成形などに起因して、有機パネルフレーム８０１の頂部表面８０１ａを覆い得る。
図８Ｄにおいて、過剰な充填材料８０６ａを除去するため、及び、有機パネルフレーム８０１の第１の側８０１ａを露出させるために、プラズマエッチングが用いられる。
図８Ｅにおいて、この構造は、パネルフレーム８０１の第２の側８０１ｂが上になるように、ひっくり返されている。接着性キャリア構造８０２も除去されており、これにより半導体ダイ８０５のアクティブ側８０５ａが露出される。
図８Ｆにおいて、有機パネルフレーム８０１の第１の側８０１ａに銅シード層８０７ａを堆積させるため、及び、有機パネルフレーム８０１の第２の側８０１ｂに銅シード層８０７ｂを堆積させるために、スパッタ堆積プロセスが行われる。銅シード層８０７ａは、充填材料８０６の表面８０８ａも覆う。銅シード層８０７ｂは、半導体ダイ８０５のアクティブ側８０５ａ並びに充填材料８０６の露出された表面８０６ｂも覆う。
図８Ｇにおいて、銅シード層８０７ａ、８０７ｂの上にドライフィルム（ＤＦ）フォトレジスト層８０９ａ、８０９ｂが積層される。
図８Ｈにおいて、フォトレジスト層８０９ａ、８０９ｂは露出及び現像される。これにより、構造の頂部及び底部のレジストのセグメント８１０を形成するために、フォトレジスト材料がパターン化される。フォトレジスト層８０９ａ、８０９ｂが現像されるとき、シード層８０７ａ、８０７ｂの一部が露出される。
図８Ｉにおいて、ＲＤＬ層８１２ａ、８１２ｂを形成するために、構造の両方の表面上に導電めっきが堆積される。一配置において、ＲＤＬ層８１２ａ、８１２ｂは、パターン化されたレジスト８１０の開口内で、銅シード層８１１の露出部分の上に導電銅材料を堆積する電気めっきプロセスにおいて銅を用いて形成され得る。図８Ｉの断面図には示されていないが、一配置において、ＲＤＬ層８１２ａは接地層の形状に形成され得、ＲＤＬ層８１２ｂはスロットボウタイアンテナの形状に形成され得る。
図８Ｊにおいて、ＤＦフォトレジスト層の残りのセグメント８１０は除去され、下にあるシード層材料８０７ａ、８０７ｂの一部８１３を露出させる。
図８Ｋにおいて、下にあるシード層材料８０７ａ、８０７ｂの露出部分８１３はエッチングされている。これにより、構造の第１及び第２の側の選択部分上又は選択部分の上に延在する、めっきされた銅構造８１２ａ、８１２ｂが残る。
図８Ｌにおいて、構造の頂部表面及び底面にはんだマスク８１４が付けられる。
図８Ｍにおいて、ＲＤＬ層８１２ａ、８１２ｂの一部を露出させるために、はんだマスク８１４内にパッド開口８１５がつくられる。
図８Ｎにおいて、ＲＤＬ層８１２ａ、８１２ｂの露出部分に薄膜金属層８１６が付けられる。薄膜金属層８１６は、半導体ダイ８０５と構造の他の構成要素とへのコンタクトをサポートするために用いられ得る、アンダーバンプ金属被覆（ＵＢＭ）であり得る。
図８Ａ～図８Ｎに示されるプロセスは構造の両方の側を同時に処理することを図示しているが、他の配置において、一方の側をまず処理し、その後、構造をひっくり返して他方の側を処理してもよいことを理解されよう。
図８Ｎは、一配置に従った、ＲＤＬ層８１２ｂ内に形成されるスロットボウタイアンテナを有するパッケージデバイス８００内のシステムを図示する。デバイス８００は、ＲＤＬ層８１２ａ、８１２ｂを備える２層構造である。
図９は、別の配置に従った、ＲＤＬ層８１２ｂ内に形成されるスロットボウタイアンテナを有する、パッケージデバイス９００内の４層システムを図示する。半導体ダイ９０１が、銅パッドなどの一つ又は複数のコンタクトパッド９０３を備えるアクティブ面９０２を有する。パッシベーション層９０４が、アクティブ表面９０２の上に形成されるが、コンタクトパッド９０３は覆わない。ポリイミド層９０５が、パッシベーション層９０４の頂部上に形成される。半導体デバイス９０１は、ＡＢＦ又はエポキシ樹脂などの充填材料９０６内に埋め込まれる。第１のＲＤＬ層９０７が、充填材料９０６の頂部表面上に形成され、半導体デバイス９０１上のパッド９０３と接している。ＲＤＬ層９０７は、一構成において、スロットボウタイアンテナの形状で形成され得る。第２のＲＤＬ層９０８が、充填材料９０６の底部表面上に形成される。一配置において、ＲＤＬ９０８は、ＲＤＬ９０７内に形成されるアンテナ構造のための接地平面として機能する。
絶縁誘電体層９０９が、ＲＤＬ９０７の頂部上に形成される。誘電体層９０９は、層９０９の頂部上に形成される導電層９１０をＲＤＬ９０７から分離する。導電層９１０は、誘電体層９０９を介して穿孔され得る一つ又は複数のバイア９１１によって、ＲＤＬ９０７に電気的に結合される。薄い金属コンタクト９１２が、導電層９１０上に形成され、外部デバイスへのコンタクトを搭載するためのアンダーバンプ材料（ＵＢＭ）として機能し得る。はんだマスク９１３又は他の保護材料が誘電体層９０９及び導電層９１０上に堆積されて、デバイス９００の頂部表面上でコンタクト９１２のみが露出されるようにする。
同様に、ＲＤＬ９０８の底部上に絶縁誘電体層９１４が形成される。誘電体層９１４は、層９１４の底部上に形成される導電層９１５からＲＤＬ９０８を分離する。導電層９１５は、誘電体層９１４を介して穿孔され得る一つ又は複数のバイア９１６によって、ＲＤＬ９０８に電気的に結合される。薄い金属コンタクト９１６が、導電層９１５上に形成され、外部デバイスへのコンタクトを搭載するためのアンダーバンプ材料として機能し得る。はんだマスク９１７又は他の保護材料が、誘電体層９１４及び導電層９１５上に堆積されて、デバイス９００の底部表面上でコンタクト９１６のみが露出されるようにする。
図１０は、一配置における様々な要素の厚みを示す、図８Ａ～図８Ｎに図示されたプロセスを用いて製造されるデバイスなどの、スロットボウタイアンテナを有するＡＯＰデバイス１０００の断面図である。半導体ダイ１００１は、アクティブ表面１００１ａ上の任意のパッシベーション及びポリイミド層と共に、６５～１５０μｍの厚みＴ１を有する。有機材料１００２は１００～１８０μｍの厚みＴ２を有する。頂部ＲＤＬ層１００３は８～２０μｍの厚みＴ３を有し、底部ＲＤＬ層１００４は同様に８～２０μｍの厚みＴ４を有する。頂部及び底部はんだマスク層１００５、１００６は各々、１０～２０μｍの厚みＴ５、Ｔ６を有する。
導電バイア又はＰＴＨ１００７は、１０５～１５０μｍの幅Ｔ７を有し、半導体ダイ１００１の縁部から１５０～２００μｍ離れた距離Ｔ８に配置される。頂部及び底部ＲＤＬ層は、パッケージ１０００の縁部１００８から距離Ｔ９離間されている。
上記で本開示の様々な例を説明してきたが、これらは単なる例として提示されており、限定するものではないことを理解されたい。本明細書における開示に従い、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、開示された例に対する多くの変更が可能である。特許請求の範囲内で、説明した実施例における改変が可能であり、また他の実施例が可能である。したがって、本発明の幅及び範囲は前述のいずれの例によっても限定されるものではない。そうではなく、本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲及びそれらの等価物に従って定義されるものとする。
Claims (20)
- 半導体パッケージであって、
頂部表面を有する半導体ダイと、
前記頂部表面の上のパッシベーション層と、
前記第１のパッシベーション層上の第１の金属層と、
前記第１の金属層内に形成され、前記半導体ダイからオフセットされるアンテナであって、スロットボウタイ構成を有する、前記アンテナと、
前記第１の金属層内に形成され、前記半導体ダイを前記アンテナに結合する伝送ラインと、
前記第１の金属層を第２の金属層から分離する絶縁材料であって、前記第２の金属層が前記アンテナのための接地反射器として機能するように構成される、前記絶縁材料と、
を含む、半導体パッケージ。 - 請求項１に記載の半導体パッケージであって、
前記半導体ダイの前記頂部表面上の導電パッドと、
前記導電パッドを露出させるための前記パッシベーション層における開口と、
を更に含み、
前記第１の金属層における前記伝送ラインが、前記第１の開口を介して前記導電パッドと接する、
半導体パッケージ。 - 請求項１に記載の半導体パッケージであって、前記伝送ラインが共面導波路である、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、前記伝送ラインが、前記第１の金属層において３つの平行ストリップを含み得、前記３つの平行ストリップが接地信号接地構成を有する、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、前記第２の金属層が、前記アンテナ及び前記半導体ダイの下方に延在する、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、前記アンテナがミリメートル波長を有する周波数帯において動作するように構成される、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、前記アンテナが、前記第１の金属層において、直接大気中放射を提供するように構成される、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、前記伝送ラインが、５０Ωのインピーダンスを有する、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、
前記第１の金属層内に形成されるインピーダンス変換器を更に含み、前記インピーダンス変換器が、アンテナフィードと前記伝送ラインとの間に結合される、半導体パッケージ。 - 請求項９に記載の半導体パッケージであって、前記インピーダンス変換器が７５Ωのインピーダンスを有する、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、前記アンテナが、２つの三角開口を有する金属平面を含み、前記開口が各々、アンテナフィード近くに配置された頂点と、前記頂点の反対側の底辺側とを有し、前記底辺側間の距離が前記アンテナの共振周波数を決定する、半導体パッケージ。
- 請求項１に記載の半導体パッケージであって、
前記第１の金属層を覆う第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層を覆う第３の金属層と、
前記第１の誘電体層における第１のバイアであって、前記第１のバイアが前記第１の金属層を前記第３の金属層に結合する、第１のバイアと、
を更に含む、半導体パッケージ。 - 請求項１２に記載の半導体パッケージであって、
前記第２の金属層を覆う第２の誘電体層と、
前記第２の誘電体層を覆う第４の金属層と、
前記第２の誘電体層における第２のバイアであって、前記第２のバイアが前記第２の金属層を前記第４の金属層に結合する、前記第２のバイアと、
を更に含む、半導体パッケージ。 - 請求項１に記載の半導体パッケージであって、
前記第１の金属層の上の第１のはんだマスク層と、
前記第２の金属層の下の第２のはんだマスク層と、
を更に含む、半導体パッケージ。 - 集積回路（ＩＣ）であって、
埋め込みダイ構造であって、
開口を含む有機パネルフレーム、
前記開口内に配置される半導体ダイ、及び
前記有機パネルフレームの前記開口内に前記半導体ダイを埋め込む充填材料、
を含む、前記埋め込みダイ構造と、
前記半導体ダイの上に配置され、前記半導体ダイ上のコンタクトに電気的に接続される導電構造を有する、第１の再分配層（ＲＤＬ）構造と、
前記第１のＲＤＬ構造内に形成され、前記半導体ダイからオフセットされ、スロットボウタイ構成を有する、アンテナと、
前記アンテナのための接地反射器として前記半導体ダイの下方に配置される第２のＲＤＬ構造と、
を含む、集積回路（ＩＣ）。 - 請求項１５に記載のＩＣであって、前記第１のＲＤＬ構造内に形成される伝送ラインを更に含み、前記伝送ラインが、前記半導体ダイを前記アンテナに結合する、ＩＣ。
- 請求項１５に記載のＩＣであって、前記第１のＲＤＬ構造における導波路を更に含み、前記導波路が、前記第１の金属層内に３つの平行ストリップを有し、前記３つの平行ストリップが接地信号接地構成を有する、ＩＣ。
- 請求項１５に記載のＩＣであって、前記第２のＲＤＬ構造が、前記アンテナ及び前記半導体ダイの下方に延在し、前記アンテナが、ミリ波長を有する周波数帯において動作するように構成され、前記アンテナが、前記第１のＲＤＬ構造において直接大気中放射を提供するように構成される、ＩＣ。
- 請求項１５に記載のＩＣであって、前記第１のＲＤＬ構造内に形成されるインピーダンス変換器を更に含み、
前記インピーダンス変換器がアンテナフィードと前記伝送ラインとの間に結合され、
前記伝送ラインが、５０Ωのインピーダンスを有し、及び、
前記インピーダンス変換器が７５Ωのインピーダンスを有する、
ＩＣ。 - 請求項１５に記載のＩＣであって、
前記第１のＲＤＬ構造を覆う第１の誘電体層と、
前記第１の誘電体層を覆う第３のＲＤＬ構造と、
前記第１の誘電体層における第１のバイアであって、前記第１のＲＤＬ構造を前記第３のＲＤＬ構造に結合する、前記第１のバイアと、
前記第２のＲＤＬ構造を覆う第２の誘電体層と、
前記第２のＲＤＬ構造を覆う第４のＲＤＬ構造と、
前記第２の誘電体層内の第２のバイアであって、前記第２のＲＤＬ構造を前記第４のＲＤＬ構造に結合する、前記第２のバイアと、
を更に含む、ＩＣ。
Applications Claiming Priority (2)
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