TWI535103B - 積集式微電漿限制器 - Google Patents

Description

積集式微電漿限制器

本案主張申請於2012年5月31日的名為積集式微電漿限制器的美國臨時申請案61/653,840的申請日。

本發明大致關係於電漿電力限制器，更明確地說，關係於電漿電力限制器，其係使用晶圓級製程加以單石製造，以被積集至與其他電路相同的晶圓上。

在本技藝中已知提供晶圓級封裝用於形成在基板晶圓上的積體電路中，例如單石毫米波積體電路(MMIC)。在一晶圓級封裝設計中，覆蓋晶圓使用結合環被安裝在基板晶圓上，以提供密封空腔，其中設有積體電路。典型地，很多積體電路係被形成在基板晶圓上並為單一覆蓋晶圓所覆蓋，其中各個積體電路係為分開的結合環所包圍。覆蓋晶圓及基板然後在結合環間被切片，以分開封裝給各個分開的積體電路。切片製程典型需要使用鋸 子，以在封裝間將該覆蓋晶圓切片，其中覆蓋晶圓的部份被移除。該基板晶圓然後在封裝間被切割。

積體電路容易受到高強度或高電力信號，例如電磁脈衝(EMP)，不管其是不經意隨機信號或故意惡意信號。例如，用於很多接收器中之高電子電路可以對高功率輸入信號靈敏。尤其是，如果天線接收高強度功率信號，則在接收器的前端的天線後的低雜訊放大器(LNA)可能被摧毀，當接收器的頻率及雜訊效能增加時，LNA的功率弱點對進入電力更靈敏。

為了針對有關於高電力信號的損壞作用的考量，電漿電力限制器已經在本技藝中開發，設在這些類型電路的前端。典型電漿電力限制器將包括密封空腔，其中密封有適當的可離子化氣體，例如氬，其當離子化時變成電漿並允許電流傳遞其間。如果進入信號為足夠高強度，其中氣體被離子化，則為該信號所產生之電流可以被導引通過電漿至汲取電極，其中其可以無害地被送至接地電位。

已知電漿電力限制器典型為分開單體裝置，其設在接收器或其他電路的前端，這在信號可以被放大作進一步處理前造成重大信號損失。因此，對於一些應用中，特定電路的設計將不會允許此電力限制器被加入。

10‧‧‧接收器

12‧‧‧天線

14‧‧‧電漿電力限制器

16‧‧‧LNA

18‧‧‧降頻轉換器

22‧‧‧混波器

24‧‧‧放大器

26‧‧‧帶通濾波器

30‧‧‧本地振盪器

32‧‧‧合成器

40‧‧‧類比至數位轉換器

50‧‧‧電力限制器

52‧‧‧基板晶圓

54‧‧‧覆蓋晶圓

56‧‧‧接合層

58‧‧‧密封空腔

60‧‧‧金層

62‧‧‧金層

64‧‧‧圓周部

70‧‧‧探針頭

72‧‧‧金屬塗層

80‧‧‧導孔

82‧‧‧導孔金屬

84‧‧‧微帶線

86‧‧‧輸入信號線

88‧‧‧輸出信號線

100‧‧‧電漿限制器

102‧‧‧觸發基板

104‧‧‧信號基板

106‧‧‧接合層

108‧‧‧金層

110‧‧‧金層

112‧‧‧密封空腔

114‧‧‧輸入導孔

116‧‧‧輸出導孔

118‧‧‧微帶線

120‧‧‧絕緣層

122‧‧‧電漿觸發體

124‧‧‧金屬化塗層

126‧‧‧電極

128‧‧‧金屬導孔

130‧‧‧ICIC

132‧‧‧導孔

134‧‧‧絕緣層

140‧‧‧電漿電力限制器電路

142‧‧‧電漿限制器

圖1為接收器前端的示意圖； 圖2為可以用於圖1所示之電路中的包括垂直探針頭的晶圓級積集式電漿限制器的剖面圖；圖3為包括垂直探針頭的晶圓級積體電漿限制器的剖面圖；及圖4為包括多數疊接電漿限制器的電漿電力限制器電路的方塊圖。

本發明有關於積集式晶圓級電漿電力限制器的實施例的以下討論只是本質上為例示性，並不用以限制本發明或其應用或用途。例如，於此討論係有關於被用於接收器前端的電漿限制器。然而，可以為熟習於本技藝者所了解，於此討論的電漿電力限制器也可以用於任何適當電路中，其包含可以為高強度信號所損壞的電子設施。

圖1為接收器10的前端的簡化示意圖，其可以具有很多應用，例如無線通訊應用。接收器10想要表現以任何想要頻率操作並反應於來自任何適當來源的信號的接收器。接收器10包括天線12，其接收予以為接收器10所處理的信號。天線12可以為適用於於此所討論的任何天線並對於想要特定頻帶可以具有不同架構，這係為熟習於本技藝者所了解。為天線12所接收之信號首先被送至電漿電力限制器14，其保護在接收電路10中之敏感電子元件，這將如下所詳細討論。電漿限制器14為使用晶圓級封裝，形成在與接收器10中之其他電路相同的晶圓 上的單石積體電路，使得電漿限制器14係在晶圓上製造這些電路的相同製程步驟期間使用相同製造步驟製造。

低於臨限電力強度的信號係被直接傳送通過電漿限制器14並為LNA16所接收，該LNA16放大來自天線12的信號至用於後續處理的想要信號位準。被放大信號然後送至降頻轉換器18，其將高頻接收信號轉換為適用以有效轉換為數位信號的中頻(IF)信號。降頻轉換器18包括本地振盪器(LO)30、混波器22、放大器24、帶通濾波器(BPF)26及合成器32。來自LNA16的放大信號係被送至混波器22，並與為LO30所提供的調諧LO信號並被合成器32所調諧至想要頻率，以降轉較高頻接收信號至IF頻率。IF信號為BPF26所帶通限制至特定頻帶，其中混波器22與BPF26的組合提供在降轉處理期間的IF信號的想要頻率控制。來自BPF26的帶通濾波IF信號係被送至類比至數位轉換器(ADC)40，其將類比信號轉換為數位信號，用以在接收電路10的後端作後續處理，其中ADC40自合成器32接收調諧LO信號作為計時信號。

圖2為可以用於接收器10中之電漿限制器14的電漿電力限制器50的剖面圖。雖然電力限制器50具有用於接收器10的特定應用，但這為非限定例，其中電力限制器50可以用於任何高強度或高電力信號可能損壞其他電路，包括發射器電路的電路中。電力限制器50包括基板晶圓52及覆蓋晶圓54，其間係為接合層56所密封，以如熟習於本技藝者所了解地在晶圓52與54之間界 定密封空腔58。晶圓52及54可以為任意適當半導體晶圓，例如III-V族半導體、矽等等。例如，覆蓋晶圓54可以為矽及基板晶圓52可以為InP、SiC、或GaAs。接合層56可以為層與材料的任何適當組合，以提供密封空腔58，例如金層60設在基板晶圓52上及金層62設在覆蓋晶圓54上，其中使用低溫接合處理，以接合層60及62，以在熟習於本技藝者所知的製程中形成接合層56。覆蓋晶圓54的圓周部64也以熟習於本技藝者所知的方式提供尺寸以界定空腔58的大小。

在密封製程以提供空腔58期間，晶圓52及54被置放於一室內，及例如惰性氣體，如氬的適當可離子化氣體被提供在室內，使得其被密封於空腔58內。再者，在覆蓋晶圓54被密封至基板晶圓52之前，覆蓋晶圓54被微加工，以形成一連串的垂直探針頭70，於此也稱為電漿觸發體。探針頭70被形成使得當晶圓52及54被接合在一起，為以下討論所知的理由，探針頭70延伸向基板晶圓52一控制距離。再者，在晶圓52與54被接合在一起之前，金屬塗層或層72係被沈積在覆蓋晶圓54上，以提供導電路徑，以汲取高電力信號，並當電漿為密封空腔58中之氣體的離子化所產生時，延長接收集中電信號的探針頭70的壽命。金屬塗層72可以為任何適當導電材料，例如鋁、銅、鎢、鎳、耐火金屬等。

在晶圓52及54被密封在一起之前，基板晶圓52係被製造以形成穿過晶圓52的導孔80，其隨後係 為適當導孔金屬82，例如銅所金屬化。一或更多微帶線84被沈積在基板52的面向空腔58的表面上，其中微帶線84係被電耦接至導孔金屬82。微帶線84係被作成尺寸大小以用於接收器10的特定頻率，或限制器50將被使用的其他架構，使得微帶線84具有對沿著線84傳遞的信號有低阻抗。輸入信號線86係被沈積在基板晶圓52的相反於空腔58的底面上，並直接耦接至天線12。同時被沈積在基板晶圓52的相反於空腔58的底面上的輸出信號線88也電耦接至晶圓52的相反於空腔58的側上的輸出導孔金屬82上，使得其接收透過微帶線84傳遞的信號。

在限制器50操作期間，這些為天線12所接收之不足以離子化空腔58內的氣體的夠低強度的信號，如所述以很低損失或沒有損失地直接沿著微帶線84經由限制器50傳遞。如果所接收信號的強度或電力足夠強以離子化於空腔58內的氣體，則沿著微帶線84傳遞的高強度信號將離子化空腔58內的氣體，該強度或電力係被設計以較可能損壞接收器10中之前端元件為低的電位，該氣體產生導電電漿並允許電流由線84流向探針頭70。一旦在空腔58內的氣體被離子化，以產生經過空腔58的導電路徑時，信號的電力仍需要超出有關於多少氣體被離子化的一些臨限，以提供電流流經該氣體，這係基於以下所更詳細討論的各種因素。金屬層72被電耦接至地端或參考電位，使得為探針頭70所接收之電流可以流至該電位。

探針頭70提供控制架構，以決定電力限制器50將允許通過其間的電力量。沒有探針頭70，微帶線84及金屬塗層72將操作為平行板及這些板的距離將決定如果氣體被離子化是否電流將導通通過空腔58。藉由提供延伸入空腔58的探針頭70，探針頭70作動為電磁場集中器及探針頭70與微帶線84間之距離將決定當氣體被離子化時，電流將如何容易由微帶線84流至金屬塗層72。於探針頭70與微帶線84間之距離及所用氣體因此被設計以設定電力限制器50被將啟動的電力位準。再者，當電力限制器50被啟動時，設計中之其他準則，包含探針頭70的數量、金屬層72的材料、探針頭70間之空間等等。為耐久性目的，金屬層72係被選擇不只用於電流承載特性，同時，也有關忍受為電漿所產生之發弧環境的能力。

電力限制器50提供一種設計，其可以應用於在晶圓級處理架構中，使用可離子化氣體汲取電流。在本發明之範圍內，電漿觸發體的位置、取向、大小等等可以被改變用於不同製造技術。

圖3為電漿電力限制器100的剖面圖，其具有不同於電漿限制器50但以相同原理操作的設計。電漿限制器100被顯示為在“倒裝”作安裝目的之前，其中，包括電漿觸發體的晶圓在底部並被稱為觸發基板102，及包括信號線的晶圓係在頂部並被稱為信號基板104。基板102及104為接合層106所密封，接合層以相同於上述方 式包括金層108及110，以界定包括可離子化氣體的密封空腔112。為天線12所接收之信號被送至延伸穿過基板104的輸入導孔114並透過延伸穿過基板104的輸出導孔116離開空腔112，其中導孔114及116係為空腔112中之微帶線118所電耦接。微帶線118可以為於此所討論的目的的任何適當金屬。例如氮化矽之絕緣層120係被沈積在信號基板104的面向空腔112的表面上並提供微帶線118電絕緣，及例如氮化矽的絕緣層134係被沈積在觸發基板102的面向空腔112的表面上。

觸發基板102包括電漿觸發體122，其具有電耦接至電極126的金屬化塗層124。當空腔112內的氣體被離子化並由於高電力信號傳遞於微帶線118而產生電漿時，流經空腔112的電流係依據於此所討論為電漿觸發體122所接收。限制器100可以於特定裝置以任何適當方式汲取電流。例如，電極126可以電耦接至延伸穿過觸發基板102的金屬導孔128，該觸發基板102係電耦接至接地電位。或者，電極126可以電耦至越過空腔112的空腔內內連線(ICIC)130並電耦接至延伸穿過基板104的金屬輸出導孔132。

雖然未明確顯示，但也可能提供電極或其他頂金屬於絕緣層120上，該絕緣層120與可以接收為氣體的離子化所產生之電流的微帶線18電絕緣，其中電流可以被導引至導孔132或透過ICIC130及導孔128。在另一實施例中，電極126可以分離開包圍電漿觸發體122的環 一距離，其中氣體的離子化允許電流行經於電極126與環間之間隙，並由電漿限制器100移除。

多數電漿電力限制器可以串聯疊接，其中各個電漿限制器可以或可不被設計用於不同電力位準，以提供電漿限制器後的電路之進一步保護。例如，如果高強度信號為電漿限制器所接收，其中氣體被離子化及電流被汲取至地端，則一些電流仍在輸出信號線上流出電漿限制器並仍為高電力。另一接收該信號的電漿限制器可以提供進一步保護。另外，疊接電漿限制器可以被設計以在不同電壓臨限下啟動，使得包含電漿限制器的單石積體電路可以提供用於各種不同應用。

圖4被提供以顯示如所討論的疊接電漿電力限制器。圖4為電漿電力限制器電路140的方塊圖，其包括多數串聯連接的電漿電力限制器142。電漿限制器142可以為任何相符所述者之電漿電力限制器，例如電漿電力限制器50及100。電漿限制器142可以相同設計或不同設計並可以具有相同或不同啟動臨限，其中電漿觸發體可以在各個電漿限制器142中的信號線以不同距離分開。再者，在各個電漿限制器142中的電漿觸發體的數量與類型可以相同或不同，以提供相同或不同的啟動臨限。

前述揭示與描述的說明只是本發明之例示實施例。熟習於本技藝者將由此討論與附圖及申請專利範圍迅速了解到各種改變、修改與變化可以在不脫離以下申請專利範圍所定義的本發明之精神與範圍下完成。

50‧‧‧電力限制器

52‧‧‧基板晶圓

54‧‧‧覆蓋晶圓

56‧‧‧接合層

58‧‧‧密封空腔

60‧‧‧金層

62‧‧‧金層

64‧‧‧圓周部

70‧‧‧探針頭

72‧‧‧金屬塗層

80‧‧‧導孔

82‧‧‧導孔金屬

84‧‧‧微帶線

86‧‧‧輸入信號線

88‧‧‧輸出信號線

Claims (20)

1. 一種電漿電力限制器，包含：信號基板，具有第一側與第二側，該信號基板包括：信號-入線，形成在該信號基板的該第一側上；信號-入導孔，延伸穿過該信號基板並電耦接至該信號-入線；信號傳輸線，形成在該信號基板的該第二側上並電耦接至該信號-入導孔；信號-出導孔，延伸穿過該信號基板並電耦接至該信號傳輸線；及信號-出線，形成在該信號基板的該第一表面上並電耦接至該信號-出導孔；及觸發基板，具有第一側與第二側，該觸發基板被接合至該信號基板，以形成密封空腔，其中該信號基板的該第二側面對在該空腔內的該觸發基板的該第二側，該觸發基板包括至少一觸發探針，由該觸發基板的該第二側延伸朝向該信號線進入該空腔，該空腔被填入以可離子化氣體，該至少一觸發探針被觸發金屬所覆蓋，其中由該信號-入線所經由該信號線傳遞至該信號-出線的具有大於臨限電力位準的電力位準之信號將離子化在該空腔內的氣體並在該信號傳輸線與該觸發探針間建立短路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電漿限制器，其中該至少一觸發探針為多數分開觸發探針，其由該觸發基板的該第二面延伸並全為該觸發金屬所覆蓋。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電漿限制器，其中該觸發基板為矽及該信號基板係由InP、SiC及GaAs所構成的群組中選出。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電漿限制器，其中該觸發基板包括觸發探針導孔，延伸穿過該觸發基板並被電耦接至該觸發金屬，該觸發導孔係反應於來自該觸發金屬的流經該離子化氣體的電流被送至接地電位。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電漿限制器，更包含空腔內內連線，電耦接至該觸發金屬；及觸發導孔，延伸穿過該信號基板並被電耦接至該空腔內內連線。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電漿限制器，其中該電漿限制器係使用晶圓級製造技術加以製造，其中該電漿限制器係在與其他電路元件相同的時間被形成。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電漿限制器，其中該電漿限制器係為在天線與低雜訊放大器間之接收器前端的一部份。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電漿限制器，其中該電漿限制器為串聯電耦接的多數電漿電力限制器之一。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電漿限制器，其中該多數電漿限制器具有不同啟動臨限。
10. 一種電漿電力限制器，包含：信號基板，具有第一側與第二側，該信號基板包括：信號-入線，形成在該信號基板的該第一側上；信號-入導孔，延伸穿過該信號基板並電耦接至信號-入線；信號傳輸線，形成在該信號基板的該第二側上並被電耦接至該信號-入導孔；信號-出導孔，延伸穿過該信號基板並被電耦接至該信號傳輸線；及信號-出線，形成在該信號基板的 該第一表面上並電耦接至該信號-出導孔；及觸發基板，具有第一側與第二側，該觸發基板被接合至該信號基板，以形成密封空腔，其中該信號基板的該第二側面對在該空腔內的該觸發基板的該第二側，該觸發基板包括多數分開的觸發探針，由該觸發基板的該第二表面延伸朝向該信號線進入該空腔，該空腔被填入可離子化氣體，該多數分開的觸發探針係為觸發金屬所覆蓋，其中由該信號-入線傳送至該信號-出線之通過具有電力位準大於臨限電力位準的該信號線的信號將離子化在該空腔內的該氣體並在該信號傳輸線與該觸發探針間建立短路，及其中該電漿限制器使用晶圓級製造技術加以製造，其中該電漿限制器在與其他電路元件相同的時間被形成。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電漿限制器，其中該觸發基板為矽及該信號基板由InP、SiC及GaAs所構成的群組中選出。
12. 如申請專利範圍第10項所述之電漿限制器，其中該電漿限制器為在天線與低雜訊放大器間之接收器前端的一部份。
13. 如申請專利範圍第10項所述之電漿限制器，其中該電漿限制器係為串聯電耦接之多數電漿電力限制器之一。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電漿限制器，其中該多數電漿限制器具有不同啟動臨限。
15. 一種電漿電力限制器，包含： 信號基板，具有第一側及第二側，該信號基板包括：信號-入線，形成在該信號基板的該第一側上；信號-入導孔，延伸穿過該信號基板並被電耦接至該信號-入線；信號傳輸線，被形成在該信號基板的該第二側並電耦接至該信號-入導孔；信號-出導孔，延伸穿過該信號基板並電耦接至該信號傳輸線；及信號-出線，形成在該信號基板的該第一表面上並被電耦接至該信號-出導孔；及觸發基板，具有第一側及第二側，該觸發基板被接合至該信號基板，以形成密封空腔，其中該信號基板的該第二側面向在該空腔內的該觸發基板的該第二側，該觸發基板包含至少一觸發探針，由該觸發基板的該第二側延伸朝向該信號線進入該空腔，該空腔被填入可離子化氣體，該至少一觸發探針為觸發金屬所覆蓋，該觸發基板包含觸發探針導孔，延伸穿過該觸發基板並被電耦接至該觸發金屬，該觸發導孔係反應於來自該觸發金屬之流通過該離子化氣體的電流被送至接地電位，其中由信號-入線傳遞至信號-出線的信號經由具有電力位準大於臨限電力位準的信號線，並將離子化在該空腔內的氣體並在該信號傳輸線與該觸發探針間建立短路，及其中該電漿限制器係使用晶圓級製造技術製造，其中電漿限制器係與其他電子元件相同時間形成。
16. 如申請專利範圍第15項所述之電漿限制器，更包含：空腔內內連線，電耦接至該觸發金屬；及觸發導孔，延伸穿過該信號基板並被電耦接至該空腔內內連線。
17. 如申請專利範圍第15項所述之電漿限制器，其中該電漿限制器為天線與低雜訊放大器間之接收器前端的一部份。
18. 如申請專利範圍第15項所述之電漿限制器，其中該電漿限制器係為串聯電耦接之多數電漿電力限制器之一。
19. 如申請專利範圍第18項所述之電漿限制器，其中該多數電漿限制器具有不同啟動臨限。
20. 如申請專利範圍第15項所述之電漿限制器，其中該觸發基板為矽及該信號基板為由InP、SiC及GaAs所構成的群組中選出。