TW202339145A - 天線模組疊層封裝和射頻疊層封裝 - Google Patents

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Abstract

本發明公開一種天線模組疊層封裝,包括:天線封裝,具有上表面和與上表面相對的底表面,其中該天線封裝包括在該底表面上的輻射天線元件;晶片封裝,安裝於該天線封裝的該上表面,該晶片封裝包括半導體晶片;導電元件,配置於該天線封裝與該晶片封裝之間,以電性互連該晶片封裝與該天線封裝; 以及至少一個空氣溝槽,設置於該天線封裝的底表面。

Description

天線模組疊層封裝和射頻疊層封裝
本發明涉及半導體技術領域,尤其涉及一種天線模組疊層封裝和射頻疊層封裝。
天線封裝 (Antenna in Package ,AiP) 或天線模組 (antenna in module ,AiM) 技術是一種天線封裝(antenna packaging)解決方案,可在可承載裸(bare)射頻(Radio Frequency ,RF)晶片(收發器)的 IC 封裝中實現一個或複數個天線。 與傳統的 AiM 相比,由晶片模組和分立天線模組組成的天線模組疊層封裝 (antenna-in-module package-on-package ,AiMPoP) 具有基板交貨時間短、基板成品率高和設計靈活的優點。
然而,天線封裝可能存在基板翹曲的問題。
有鑑於此,本發明提供一種具有空氣溝槽的天線模組疊層封裝(AiMPoP)和射頻疊層封裝,以解決上述問題。
根據本發明的第一方面,公開一種天線模組疊層封裝,包括:
天線封裝,具有上表面和與上表面相對的底表面,其中該天線封裝包括在該底表面上的輻射天線元件;
晶片封裝,安裝於該天線封裝的該上表面,該晶片封裝包括半導體晶片;
導電元件,配置於該天線封裝與該晶片封裝之間,以電性互連該晶片封裝與該天線封裝; 以及
至少一個空氣溝槽,設置於該天線封裝的底表面。
根據本發明的第二方面,公開一種射頻疊層封裝,包括:
輻射元件封裝,具有上表面和與該上表面相對的底表面,其中該輻射元件封裝包括在該底表面上的輻射元件;
晶片封裝,安裝於該天線封裝的該上表面,該晶片封裝包括半導體晶片;
導電元件,配置於該輻射元件封裝與該晶片封裝之間,以電性互連該晶片封裝與該輻射元件封裝;以及
至少一個空氣溝槽,設置於該輻射元件封裝的該底表面上。
本發明的天線模組疊層封裝由於包括:天線封裝,具有上表面和與上表面相對的底表面,其中該天線封裝包括在該底表面上的輻射天線元件;晶片封裝,安裝於該天線封裝的該上表面,該晶片封裝包括半導體晶片;導電元件,配置於該天線封裝與該晶片封裝之間,以電性互連該晶片封裝與該天線封裝; 以及至少一個空氣溝槽,設置於該天線封裝的底表面。本發明中透過在天線封裝上設置空氣溝槽,可以降低天線封裝的翹曲,改善天線封裝的上表面和底表面之間的熱膨脹係數失配。
在下面對本發明的實施例的詳細描述中,參考了附圖,這些附圖構成了本發明的一部分,並且在附圖中透過圖示的方式示出了可以實踐本發明的特定的優選實施例。對這些實施例進行了足夠詳細的描述,以使所屬技術領域具有通常知識者能夠實踐它們,並且應當理解,在不脫離本發明的精神和範圍的情況下,可以利用其他實施例,並且可以進行機械,結構和程式上的改變。本發明。因此,以下詳細描述不應被理解為限制性的,並且本發明的實施例的範圍僅由所附申請專利範圍限定。
將理解的是,儘管術語“第一”、“第二”、“第三”、“主要”、“次要”等在本文中可用於描述各種元件、元件、區域、層和/或部分,但是這些元件、元件、區域、這些層和/或部分不應受到這些術語的限制。這些術語僅用於區分一個元件、元件、區域、層或部分與另一區域、層或部分。因此,在不脫離本發明構思的教導的情況下,下面討論的第一或主要元件、元件、區域、層或部分可以稱為第二或次要元件、元件、區域、層或部分。
此外,為了便於描述,本文中可以使用諸如“在...下方”、“在...之下”、“在...下”、“在...上方”、“在...之上”之類的空間相對術語,以便於描述一個元件或特徵與之的關係。如圖所示的另一元件或特徵。除了在圖中描述的方位之外,空間相對術語還意圖涵蓋裝置在使用或運行中的不同方位。該裝置可以以其他方式定向(旋轉90度或以其他定向),並且在此使用的空間相對描述語可以同樣地被相應地解釋。另外,還將理解的是,當“層”被稱為在兩層“之間”時,它可以是兩層之間的唯一層,或者也可以存在一個或複數個中間層。
術語“大約”、“大致”和“約”通常表示規定值的±20%、或所述規定值的±10%、或所述規定值的±5%、或所述規定值的±3%、或規定值的±2%、或規定值的±1%、或規定值的±0.5%的範圍內。本發明的規定值是近似值。當沒有具體描述時,所述規定值包括“大約”、“大致”和“約”的含義。本文所使用的術語僅出於描述特定實施例的目的,並不旨在限制本發明。如本文所使用的,單數術語“一”,“一個”和“該”也旨在包括複數形式,除非上下文另外明確指出。本文所使用的術語僅出於描述特定實施例的目的,並不旨在限制本發明構思。如本文所使用的,單數形式“一個”、“一種”和“該”也旨在包括複數形式,除非上下文另外明確指出。
將理解的是,當將“元件”或“層”稱為在另一元件或層“上”、“連接至”、“耦接至”或“鄰近”時,它可以直接在其他元件或層上、與其連接、耦接或相鄰、或者可以存在中間元件或層。相反,當元件稱為“直接在”另一元件或層“上”、“直接連接至”、“直接耦接至”或“緊鄰”另一元件或層時,則不存在中間元件或層。
注意:(i)在整個附圖中相同的特徵將由相同的附圖標記表示,並且不一定在它們出現的每個附圖中都進行詳細描述,並且(ii)一系列附圖可能顯示單個專案的不同方面,每個方面都與各種參考標籤相關聯,這些參考標籤可能會出現在整個序列中,或者可能只出現在序列的選定圖中。
請參考圖1及圖2。圖1為本發明一個實施例的天線模組疊層(或層疊、堆疊)封裝(AiMPoP)1的剖面示意圖。 圖2是圖1中的AiMPoP 1的仰視立體圖。如圖1和圖2所示,AiMPoP 1包括晶片封裝(封裝體)10和分立的天線封裝(封裝體)20。AiMPoP也可以稱為射頻疊層封裝。疊層封裝又可稱為射頻封裝上封裝。天線封裝20包括上表面S1和相對的底表面(下表面) S2。 晶片封裝10安裝於天線封裝20的上表面S1。在本發明的一個實施例中,晶片封裝10透過複數個導電元件SB電性連接至天線封裝20。 根據本發明的一個實施例,導電元件SB可包括例如焊球(solder ball)、焊料凸塊(solder bump)、銅凸塊(bump)、金凸塊、微凸塊或導電柱,但不限於此。
根據本發明的一個實施例,晶片封裝10可以包括封裝基板100和安裝在封裝基板100上的半導體晶片101。根據本發明的一個實施例,例如,半導體晶片101可以包括射頻 (Radio Frequency ,RF)IC晶片(或RF晶片)、基帶IC晶片、系統單晶片(system-on-chip,SOC)晶粒,但不限於此。 在本發明的一個實施例中,例如,封裝基板100上靠近半導體晶片101的區域可設置至少一個被動裝置(passive device)111,例如(去耦)電容、電感或電阻。
在本發明的一個實施例中,晶片封裝10可還包括半導體晶片102,半導體晶片102設置於封裝基板100上。在本發明的一個實施例中,例如,半導體晶片102可進一步包括記憶體晶片102,但不限於此。 在本發明的一個實施例中,晶片封裝10可還包括封裝膠120,例如樹脂封膠(樹脂模塑料),封裝膠120覆蓋半導體晶片101、半導體晶片102、被動裝置111以及封裝基板100的上表面。
根據本發明的一個實施例,AiMPoP 1可進一步包括設置於天線封裝20的上表面S1的連接器30或/和表面貼裝元件。連接器30和晶片封裝10可以並排的方式安裝在天線封裝20的頂表面(或上表面)S1上。 在本發明的一個實施例中,連接器30可以安裝在天線封裝20的端部,使得連接器30能夠承載高頻訊號並透過柔性印刷電路板(flexible printed circuit ,FPC)(未示出)與行動設備(例如手機)的主機板(main board)連接。
根據本發明的一個實施例,天線封裝20可以具有矩形形狀,天線封裝20尺寸例如為3.4mm x 22mm。 根據本發明的一個實施例,天線封裝20可以包括具有一個或複數個電鍍通孔(plated through-hole)201的芯(core)200。根據本發明的一個實施例,天線封裝20可以包括形成在芯200的一側上的一個或複數個構建(build-up)層210,以及形成在芯200的另一側上形成的一個或複數個構建層220。構建層210和220可以具有形成在其中的一個或複數個通孔211和221和/或導電跡線212和222以在整個封裝中路由訊號、接地和/或電源。 頂部的構建層210的上表面S1上的導電跡線212可為一個或複數個焊盤的形式,晶片封裝10可附接有導電元件SB到一個或複數個焊盤上。 應當理解,導電層的結構和數量僅用於說明目的。
根據本發明的一個實施例,例如,芯200可以包括任何合適的材料,包括玻璃纖維板的環氧層壓板、預浸料(prepreg)、FR-4材料、FR-5材料或其任何組合。 導電跡線212、222、電鍍通孔201和通孔211、221可以包括任何合適的導電材料,包括銅、銀、金、鎳或其組合。 構建層210、220可以包括任何合適的電介質材料,包括聚醯亞胺、預浸料、聚合物等。
根據本發明的一個實施例,天線封裝20還可以包括構建層210、220上的阻焊層SM1和SM2。為了互連的目的,阻焊層SM1和SM2可以包括在天線封裝20的頂表面(上表面)S1上的開口,用於暴露導電跡線212中的相應焊盤。根據本發明的一個實施例,諸如天線陣列的輻射天線元件 40 ,包括但不限於天線貼片(或輻射元件) 401-405,輻射天線元件 40或天線貼片(或輻射元件) 401-405可以是沿天線封裝20的長度方向排列成一排,輻射天線元件 40可以設置在天線封裝20的底表面S2上。本發明實施例中,天線封裝又可成為輻射天線封裝或輻射元件封裝。
根據一個實施例根據本發明,輻射天線元件40可以包括用於輻射和/或接收諸如RF無線訊號或毫米波(millimeter-wave ,mmW)訊號的電磁訊號的機構。 例如,輻射天線元件40可以是任何合適的類型的輻射元件(或天線貼片),例如貼片天線、縫隙耦合天線、堆疊貼片、偶極子、單極子等,並且可以具有不同的取向和/或極化。 在本發明的一個實施例中,輻射天線單元40可包括複數個天線模組,例如雙頻天線單元及單頻天線單元,但不以此為限。
天線封裝20的上表面S1與底表面S2的覆銅比例不平衡,可能會導致SMT(Surface Mounted Technology,表面貼裝技)制程中的基板翹曲問題,以及在 SMT 過程中存在焊料高度(solder height)控制問題。 本發明解決了上述問題。 如圖1和圖2所示,為了減輕天線封裝20的上表面S1和底表面S2之間的CTE(CTE:coefficient of thermal expansion,熱膨脹係數)失配,複數個半切(half-cut)溝槽(或空氣溝槽) CT1-CT3可設置於天線封裝件20的底表面S2。根據本發明的一個實施例,半切溝槽CT1-CT3可貫穿阻焊層SM2與構建層220,並且半切溝槽CT1-CT3可部分切入芯200。半切溝槽又可稱為空氣溝槽。根據本發明的另一個實施例,半切溝槽CT1-CT3可穿透阻焊層SM2與構建層220。另外,由於降低了天線封裝的翹曲,在SMT中將更容易貼裝,並且易於控制焊料高度。此外,例如,在先前技術中,每個天線貼片(或輻射元件)形成為一個單獨的(小型的)封裝,複數個這樣的封裝安裝在晶片封裝上以形成天線陣列。然而這種方式製造複雜,並且單獨形成每個封裝成本高昂,另外每個封裝安裝時要求較高,且更容易出現安裝瑕疵。本發明實施例中,將複數個天線貼片(或輻射元件)形成在同一個封裝(天線封裝)中,僅需一個天線封裝結構即可形成所需的天線陣列,從而極大的簡化了製程,製造成本更低,並且安裝時更加容易,安裝後的結構穩定性也更佳。並且經發明人研究,本發明實施例中,為了降低CTE失配問題,發明人設計為在天線貼片(或輻射元件)之間設置半切溝槽(空氣溝槽),半切溝槽特別適用於天線封裝,半切溝槽不僅不會影響天線封裝的天線相關性能,而且由於天線封裝中天線貼片(或輻射元件)與天線貼片(或輻射元件)之間相隔的距離較遠,這段距離中未設置佈線,因此非常適合使用半切溝槽;從而不僅達到降低封裝翹曲的功效,並且不會影響天線性能,也不會半導體結構的正常工作。在普通的基板(或佈線基板、覆銅板、中介基板等)上,由於較為密集的佈線,無法或難以形成複數個溝槽(或半切溝槽);本發明實施例的上述方案用於天線封裝上可以顯著的減輕CTE失配以及降低翹曲。此外,在普通的基板(或佈線基板、覆銅板、中介基板等)上,可能會採用設置孔洞(例如通孔或盲孔等)的方式來降低翹曲等,然而本發明中使用的半切溝槽的方式對減輕CTE失配以及降低翹曲的效果會遠遠好於設置孔洞的方式,因此本發明實施例中的半切溝槽顯然不同於孔洞的結構,並且半切溝槽對減輕CTE失配以及降低翹曲會更加有效且實用。並且本發明實施例中,半切溝槽所切入的區域均為絕緣材料;例如,半切溝槽切過阻焊層SM2,阻焊層SM2為絕緣材料(例如樹脂等);半切溝槽切過構建層220,構建層220為絕緣材料(例如聚醯亞胺、預浸料、聚合物等);半切溝槽切過芯200,芯200為絕緣材料(例如包括玻璃纖維板的環氧層壓板、預浸料、FR-4材料、FR-5材料等)。因此,本發明實施例中半切溝槽切入的區域均為絕緣材料區域,並且圍繞半切溝槽的也均為絕緣材料,也即本發明實施例中半切溝槽不會切入到金屬區域(例如佈線、焊盤等),也不會接觸到金屬區域(例如佈線、焊盤等);本發明實施例的這種做法方便半切溝槽的形成,並且可以避免影響天線封裝和天線陣列的性能,保證天線封裝和晶片封裝的穩定性和兩者連接可靠性。
根據本發明的實施例,半切溝槽(空氣溝槽)CT1-CT3可以是直線形溝槽並且可以在寬度方向上橫跨天線封裝20的底表面S2。 可以理解的是,半切溝槽CT1-CT3可以根據設計需要而具有其他圖案或形狀;例如半切溝槽是設置在天線貼片(或輻射元件)與天線貼片(或輻射元件)之間的具有彎曲形狀的溝槽,等等。 在本發明的一個實施例中,半切溝槽CT1~CT3可利用本領域已知的機械切割方法形成,但不以此為限。本發明實施例中,在天線封裝上設置的半切溝槽是為了降低天線封裝本身的翹曲。在本發明一個實施例中,天線封裝與晶片封裝之間可以未設有模塑料等,也即沒有模塑料等來圍繞導電元件SB;當然,也可以根據需要自由更改,例如設有模塑料或底部填充材料等。
根據本發明的實施例,較佳地,半切溝槽(空氣溝槽)CT1-CT3可以形成在與上層的晶片封裝10直接重疊的區域AR中,以在板上溫度迴圈(Temperature Cycling on Board ,TCoB)測試或SMT製程中獲得更好的焊點可靠性(solder joint reliability ,SJR)。 在本發明一個實施例中,半切溝槽(空氣溝槽)可以僅設置在天線貼片(或輻射元件)和天線貼片(或輻射元件)之間,而不設置在天線封裝的其他位置,因此本發明實施例中所設置的半切溝槽可以避免影響天線封裝的正常工作,保證天線封裝和天線模組疊層封裝的性能穩定。在本發明一個實施例中,半切溝槽可以是沿著天線貼片(或輻射元件)和天線貼片(或輻射元件)之間的位置延伸,並且沿著天線封裝的寬度方向延伸,以避免經過天線貼片(或輻射元件)所在的位置。在本發明一個實施例中,半切溝槽可以貫穿天線封裝整個寬度,從而連接到天線封裝的前側面和後側面(如圖1和2所示的前側面和後側面),以實現更好的降低翹曲(抑制翹曲)的效果,並且方便半切溝槽的形成。在本發明一個實施例中,半切溝槽不會連接到天線封裝的左側面和右側面(如圖1和2所示的左側面和右側面),以保證天線封裝的機械強度。在本發明一個實施例中,複數個半切溝槽(或所有的半切溝槽)相互之間可以是平行設置的,以確保天線封裝的機械強度足夠,保證抑制翹曲的效果,並且方便製造成形;當然也可以根據需要將複數個半切溝槽設置為不平行,或者至少兩個相互平行,等等。根據本發明的一個實施例,例如,半切溝槽CT1設置在天線貼片(或輻射元件)402和天線貼片(或輻射元件)403之間,半切溝槽CT2設置在天線貼片(或輻射元件)403和天線貼片(或輻射元件)404之間,以及半切溝槽CT2設置在天線貼片(或輻射元件)403和天線貼片(或輻射元件)404之間,天線貼片(或輻射元件)404和天線貼片(或輻射元件)405之間設置有半切溝槽CT3。根據本發明的一個實施例,優選地,在連接器30下方的區域,例如天線貼片(或輻射元件)401和天線貼片(或輻射元件)402之間的區域,不形成空氣溝槽。例如,天線封裝的平面尺寸大於晶片封裝的平面尺寸,因此晶片封裝在天線封裝上的豎直投影僅覆蓋了部分天線封裝,而半切溝槽僅設置在該部分天線封裝的區域內。本發明實施例中,半切溝槽(空氣溝槽)僅形成在與區域AR對應的天線封裝的區域(或晶片封裝在天線封裝的豎直投影區域內)中,不僅可以保證天線模組疊層封裝的機械強度,並且還可以避免影響天線性能,保證天線封裝運行的穩定和可靠。本發明一個實施例中,半切溝槽(空氣溝槽)可以僅在區域AR對應的天線封裝的區域中,並且同時僅在天線貼片(或輻射元件)和天線貼片(或輻射元件)之間,以保證天線封裝的機械性能以及避免影響天線性能。
儘管已經對本發明實施例及其優點進行了詳細說明,但應當理解的是,在不脫離本發明的精神以及申請專利範圍所定義的範圍內,可以對本發明進行各種改變、替換和變更。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。本領域技術人員皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。 以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:天線模組疊層封裝 10:晶片封裝 100:封裝基板 101,102:半導體晶片 120:封裝膠 111:被動裝置 20:天線封裝 200:芯 201:電鍍通孔 210,220:構建層 211,221:通孔 212,222:導電跡線 30:連接器 S1:上表面S1 S2:底表面 401,402,403,404,405:天線貼片 CT1,CT2, CT3:半切溝槽 SM1,SM2:阻焊層 AR:區域 SB:導電元件
透過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明,本實施例參照附圖給出,其中: 圖1是顯示根據本發明實施例的示例性天線模組疊層封裝(antenna-in-module package-on-package ,AiMPoP) 的示意性橫截面圖; 以及 圖2是圖1中的AiMPoP的仰視透視圖。
1:天線模組疊層封裝
10:晶片封裝
100:封裝基板
101,102:半導體晶片
120:封裝膠
111:被動裝置
20:天線封裝
200:芯
201:電鍍通孔
210,220:構建層
211,221:通孔
212,222:導電跡線
30:連接器
S1:上表面S1
S2:底表面
401,402,403,404,405:天線貼片
CT1,CT2,CT3:半切溝槽
SM1,SM2:阻焊層
AR:區域
SB:導電元件

Claims (16)

  1. 一種天線模組疊層封裝,包括: 天線封裝,具有上表面和與上表面相對的底表面,其中該天線封裝包括在該底表面上的輻射天線元件; 晶片封裝,安裝於該天線封裝的該上表面,該晶片封裝包括半導體晶片; 導電元件,配置於該天線封裝與該晶片封裝之間,以電性互連該晶片封裝與該天線封裝;以及 至少一個空氣溝槽,設置於該天線封裝的底表面。
  2. 如請求項1之天線模組疊層封裝,其中,該輻射天線元件包括在該天線封裝的縱向方向上排列成一排的天線貼片。
  3. 如請求項2之天線模組疊層封裝,其中,該至少一個空氣溝槽設置在該天線貼片之間,並沿寬度方向橫跨該天線封裝的底表面。
  4. 如請求項1之天線模組疊層封裝,其中,該至少一個空氣溝槽設置在與該晶片封裝直接重疊的區域中。
  5. 如請求項1之天線模組疊層封裝,還包括: 連接器,設置在該天線封裝的該上表面上。
  6. 如請求項5之天線模組疊層封裝,其中,該至少一個空氣溝槽不與該連接器重疊。
  7. 如請求項1之天線模組疊層封裝,其中,該天線封裝包括芯和在該芯的每一側上的構建層。
  8. 如請求項7之天線模組疊層封裝,其中,該天線封裝還包括在該構建層上的阻焊層。
  9. 如請求項8之天線模組疊層封裝,其中,該至少一個空氣溝槽貫穿該阻焊層與該構建層。
  10. 如請求項9之天線模組疊層封裝,其中,該至少一個空氣溝槽還部分地切入該芯。
  11. 如請求項1之天線模組疊層封裝,其中,該至少一個空氣溝槽為直線形溝槽。
  12. 如請求項1之天線模組疊層封裝,其中,該天線封裝具有矩形形狀。
  13. 如請求項1之天線模組疊層封裝,其中,該半導體晶片包括RF晶片。
  14. 如請求項1之天線模組疊層封裝,其中,該晶片封裝還包括至少一個被動裝置,該被動裝置安裝在靠近該半導體晶片的區域中的封裝基板上。
  15. 如請求項14之天線模組疊層封裝,其中該至少一個被動裝置包括去耦電容器、電感器或電阻器。
  16. 一種射頻疊層封裝,包括: 輻射元件封裝,具有上表面和與該上表面相對的底表面,其中該輻射元件封裝包括在該底表面上的輻射元件; 晶片封裝,安裝於該天線封裝的該上表面,該晶片封裝包括半導體晶片; 導電元件,配置於該輻射元件封裝與該晶片封裝之間,以電性互連該晶片封裝與該輻射元件封裝;以及 至少一個空氣溝槽,設置於該輻射元件封裝的該底表面上。
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