TWI706639B - 以具有可操縱波束形成能力的高頻通訊模組所設計之微電子裝置 - Google Patents

以具有可操縱波束形成能力的高頻通訊模組所設計之微電子裝置 Download PDF

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吉爾吉斯 C. 道吉亞米斯
維傑伊 K. 納爾
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Abstract

本發明的實施例包括一種通訊模組，其包括具有一收發器的一晶粒以及耦合到該晶粒的一移相器晶粒。該移相器晶粒包括一功率組合器及分離器。該通訊模組還包括被耦合到該移相器晶粒的一基體。該基體包括具有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力的一天線單元。

Description

以具有可操縱波束形成能力的高頻通訊模組所設計之微電子裝置
發明領域 本發明的實施例一般係涉及半導體裝置的製造。具體地說，本發明的實施例係涉及具有包括可操縱波束形成能力的高頻通訊模組之微電子裝置。
發明背景       未來無線產品的目標操作頻率遠高於當前所使用之該較低的GHz範圍。例如，5G(第五代行動網路或第五代無線系統)通訊被預期工作在大於或等於15 GHz的頻率上。此外，當前的WiGig(Wireless Gigabit Alliance)產品工作在60 GHz。包括汽車雷達及醫學成像的其他的應用利用在毫米波頻率(例如，30 GHz–300 GHz)中的無線通訊技術。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種通訊模組，其包含：具有一收發器的一晶粒；耦合到該晶粒的一移相器晶粒，該移相器晶粒具有一功率組合器及分離器；以及耦合到該移相器晶粒的一基體，該基體包括具有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力的一天線單元。
較佳實施例之詳細說明       本文所描述的是以具有可操縱波束形成能力的高頻通訊裝置所設計之微電子裝置。在以下的描述中，將使用本領域習知技藝者通常採用的用詞來描述該等說明性實現方式的各個方面，以向本領域的其他習知技藝者傳達它們工作的本質。然而，對本領域之習知技藝者將顯而易見的是，本發明可以僅利用該等所描述之方面中的一些來實踐。為了說明的目的，具體的數字、材料及組配置被闡述，以便提供對該等說明性實現方式之一種透徹理解。然而，對於本領域之習知技藝者將顯而易見的是，本發明可以在沒有該等具體細節的情況下被實踐。在其他的實例中，公知的特徵被省略或簡化以免模糊該等說明性的實現方式。
各種操作將依序地以最有助於理解本發明的方式被描述為多個分立的操作，然而，該描述的順序不應被解讀為暗示這些操作必須是依賴於順序的。具體地說，這些操作不需要按照所呈現的順序來執行。
對於毫米波(例如，1-10mm、任何的mm波)通訊系統的高頻(例如，5G、WiGig)無線應用而言，該設計的RF電路(例如，低雜訊放大器、混頻器、功率放大器、等等)需要高品質的被動匹配網路，以便適應該通訊發生所在之預先定義頻帶中的該傳輸，以及需要高效率的功率放大器及低損耗、功率組合器/交換器、等等。對於大於15 GHz的操作，CMOS技術可被採用，但具有降低的功率放大器效率及具有低品質的被動裝置，主要是由於採用通常有損耗的矽基體。這不僅導致一種較低的系統性能，而且由於所產生之該過量的熱量而導致有增加的熱需求。在一實例中，該高熱散逸係由於必須要在一相控陣列佈置中使用多個功率放大器以實現該所欲的輸出功率及傳輸範圍的該事實。因為用於蜂巢式網路(例如，4G、LTE、LTE-Adv)之該典型的傳輸範圍比用於連接(例如，WiFi，WiGig)所需的傳輸範圍要大上幾倍，因此在5G系統上這將更加的嚴格。
本提出的設計有效地劃分高頻率組件(例如，5G收發器)並利用非CMOS技術(例如，非矽基體)用於一通訊系統的關鍵組件(例如，GaAs、GaN、被動元件-玻璃接合、等等)。)。利用一最佳的系統劃分，需要高效率及高品質因素之關鍵組件可以在另一種技術(例如，化合物半導體材料、III-V族材料)上被製造。這些組件可能不是在裝置層級(例如，GaN/GaAs上的電晶體)就是在電路層級(例如，III-V晶粒整合一功率放大器、一低雜訊放大器、等等)上。如在本發明的實施例中所討論的，該完整的通訊系統將以一種封裝結構或晶粒結構的方式來形成。
本設計技術允許在不同的技術上及/或在同一封裝的基體上所製造之晶粒及/或裝置的協同整合，用於性能增強及熱需求的鬆弛。該封裝可以包括用於與其他無線系統進行通訊的天線單元。
在一實施例中，本設計係具有基於非CMOS的收發器建構方塊(諸如基於III-V族的裝置或晶粒)的5G(第五代行動網路或第五代無線系統)架構，其在同一封裝中與低頻電路及整合式被動裝置(IPD)共同整合用於性能增強及熱要求鬆弛。在這種佈置中，每一組件被直接裝配在該封裝中。該封裝可具有直接整合在其上的天線。該5G架構在一高頻率(例如，至少2 0GHz、至少25 GHz、至少28 GHz、至少30 GHz、等等)下操作，並且還可以有連至端點大約每秒1-50十億位元(Gbps)的連接。在另一實例中，本設計係在較低的頻率(例如，至少4 GHz，大約4 GHz)下操作。
對於在一5G架構中操作的行動及基地台單元兩者而言，波束形成是關鍵的。在該基地台中，必須同時生成多個波束以覆蓋不同的空間及使用者。對於一行動單元，添加波束形成可以同時提高資料速率及傳輸範圍，以及實現在基地台與行動單元之間更寬的通訊角度。對於利用III-V族電路(例如，GaN放大器)的5G無線通訊模組來說，該輸出功率被預計為足夠的大用以支援使用一等向性天線之大部分的短距離及中距離傳輸。然而，使用全向性或等向性信號傳播將不可能實現最佳的功率利用。本設計包括採用波束操縱能力的一種收發器結構用於具有一單一功率放大器的發射鍊及/或具有一單一低雜訊放大器的接收鏈。使用一功率放大器，其係被形成在一III-V族基體或晶粒上，具有一高輸出功率，與使用CMOS裝置所實現的波束形成相比，降低了在該架構內的總功率損耗並提高了效率。本設計的該波束形成能力使得能夠把功率引導到特定接收器，並且相對於等向性功率輻射改善了傳輸範圍及資料速率。在一實例中，在一整合式被動裝置或晶粒(IPD)上實現移相器及功率組合器導致了成本降低，同時最小化與有機封裝基體上被動裝置相關聯的公差。與在III-V族基體或晶粒上整合式被動組件相比，整合在一IPD上的被動組件(例如，電感器、電容器、等等)具有一較低的成本。本設計還包括有在一單一通訊模組上結合不同技術的一靈活性。
圖1根據一種實現方式圖示出具有用於波束形成之多個收發器的一通訊模組(例如，一收發器模組)。該收發器模組100包括一CMOS晶粒110以及具有天線191-194、...、N的一基體190(例如，封裝基體)。該等天線形成一或多個相控天線陣列。該CMOS晶粒110包括通訊電路或裝置(例如，至少一收發器單元、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路、具有至少一個基頻單元的CMOS電路以及以一基於矽之基體所形成之至少一收發器單元)包括一LO產生器112、一分離器118、一功率/組合器118、一控制單元114、以及發射/接收鏈120、160、161、162、...、N。每一個發射/接收鏈可以是一獨立的收發器，並且每一個發射/接收鏈可以具有由該等移相器所設置之一不同的相位。該發射/接收鏈120包括交換器122及132、一向上及向下轉換器124(例如，具有至少一中頻放大器及至少一混頻器之一向上及向下轉換器)、移相器128及136、一功率放大器130以及一低雜訊放大器134。與該發射/接收鏈120相比，其他的發射/接收鏈包括類似的組件。該模組100包括一mm波相控陣列模組。對於波束形成來說，需要多個發射/接收鏈(例如，收發器)。功率組合器及分離器被整合在該CMOS晶粒110上。每一個發射/接收鏈在發射模式期間具有一特定的功耗，而在一接收模式期間具有一特定的功耗。
在一實例中，本設計在一具有高輸出功率之功率放大器(例如，在一III-V族基體或晶粒中所形成的功率放大器)的該輸出處引入功率分離器及移相器。來自該功率放大器的該輸出信號一開始被分離，然後透過相位移位被重新組合以實現可操縱的波束。
圖2根據一實施例圖示出具有用於波束形成之一單一發射/接收鏈的一通訊模組(例如，收發器模組、微電子裝置)。該通訊模組200包括一CMOS晶粒210、一IPD 250、及具有天線291-294、...、N之一基體290(例如，封裝基體)。該等天線形成一或多個相控天線陣列。 該CMOS晶粒210包括通訊電路或裝置(例如，一收發器單元、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路、用一矽基基體所形成之CMOS電路)，其包括用於產生控制信號的一控制單元214以及用於發送或接收通訊信號的一發射/接收鏈220(例如，收發器220)。該發射/接收鏈220包括用於在發射與接收模式之間做切換的交換器222及232、用以產生一輸出頻率的一本地振盪器(LO)產生器212、用於移位信號之一頻譜的一向上及向下轉換器228(例如，具有中頻(IF)放大器224、240、及237，混頻器226及238的一向上及向下轉換器228)、用於放大信號的一功率放大器230、以及用於放大信號而不增加雜訊或具最小增加雜訊的一低雜訊放大器234。
該移相器晶粒250包括一功率組合器/分離器252(例如，N：1信號、1：N信號)、移相器253-256、...、N，並且可選擇性地包括不是被裝配到就是被整體地整合到該移相器晶粒。該移相器從控制單元214接收控制信號。該模組200包括一mm波相控陣列模組。一單一發射/接收鏈(例如，收發器)提供具有降低功耗的波束形成。
在一發射模式期間，該交換器222耦合到IF放大器224，而交換器232耦合到該功率放大器230。待發射之至少一個資料信號從該交換器222發送到該IF放大器224，該IF放大器產生至少一個由該混頻器226所接收之輸出信號。該混頻器226移位該至少一輸出信號的一頻譜，並產生至少一個由該功率放大器230來放大的輸出信號。該至少一個經放大的信號由一功率分離器252分離成為將被發送到該移相器252-256、...、N的信號。可選擇性地，如果需要的話可在該分離器252之後添加放大器，以放大要發送到該等移相器252-256的信號。該等移相器253-256、...、N分別移位接收到信號的一相位並產生經相移的信號263-266、...、N。該等經相移的信號263-266、...、N被使用來定義從天線291-294、...、N所發射出的一電磁波束。
在一接收模式期間，該分離器在經由該等移相器及天線接收信號時操作為一功率組合器。該等接收到的信號被組合並被發送到該交換器232，該交換器232耦合到該低雜訊放大器234用於放大。該低雜訊放大器的一輸出信號被發送到可移位一頻譜的該混頻器238，並然後把這個輸出信號輸出到該IF放大器240。然後，該IF放大器240產生一輸出接收信號用以由該收發器之該接收鏈220來輸出。
在一實例中，可以根據需要添加該等額外的交換器及組合器用於同時地進行發送及接收。
在另一實例中，該低雜訊放大器234及功率放大器230補償該功率組合器/分離器252的一插入損耗(例如，大約2db)。
圖3根據一實施例圖示出具有用於波束形成之一單一收發器的一通訊模組(例如，收發器模組、微電子裝置)。該通訊模組300(例如，一收發器模組300)包括一矽基晶粒310以及在一分開的晶粒或基體或與該晶粒310整合之以化合物半導體材料(例如，III-V族材料、GaN、GaAs、等等)所形成的一放大器晶粒342。該模組300還包括一移相器晶粒350及具有天線391-394、...、N的一基體390(例如，封裝基體)。該等天線形成一或多個相控天線陣列。該晶粒310包括通訊電路或裝置(例如，一收發器單元、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路、使用一矽基基體所形成之CMOS電路、用矽基體所形成的CMOS電路)其包括用於產生控制信號的一控制單元314以及用於發送或接收通訊信號的一發射/接收鏈320(例如，收發器320)的一第一部分。該發射/接收鏈320的該第一部分包括用於在發射與接收模式之間做切換的一交換器322、用以產生一輸出頻率的一本地振盪器(LO)產生器312、用於移位信號之一頻譜的一向上及向下轉換器328(例如，具有中頻(IF)放大器324、340、及337，混頻器326及338的一向上及向下轉換器328)。該發射/接收鏈320的一第二部分被形成在晶粒342(例如，化合物半導體晶粒、GaN晶粒)中，其包括用於放大信號的一功率放大器330、用於放大信號而不增加雜訊或具最小增加雜訊的一低雜訊放大器337、以及用於在發射與接收模式之間做切換的一交換器332。
該移相器晶粒350包括一功率組合器/分離器352(例如，N：1信號、1：N信號)以及移相器353-356、...、N，並且可選擇性地包括交換器。該等移相器從控制單元314接收控制信號用於該等移相器的控制，包括用於每一個移相器的相位移位。該模組300包括一mm波相控陣列模組。一單一發射/接收鏈(例如，收發器)提供具有降低功耗的波束形成。
在一發射模式期間，該交換器322耦合到IF放大器324，而該交換器332耦合到該功率放大器330。待發射之至少一資料信號從該交換器322發送到該IF放大器324，該IF放大器324產生至少一個由該混頻器326所接收之輸出信號。該混頻器326移位該至少一輸出信號的一頻譜，並產生至少一個由該功率放大器330來放大的輸出信號。該至少一個經放大的信號由一功率分離器352分離成為將被發送到該移相器353-356、...、N的信號。該等移相器353-356、...、N分別移位接收到信號的一相位並產生經相移的信號363-366、...、N。該等經相移的信號363-366、...、N被使用來定義從天線391-394、...、N所發射出的一電磁波束。
在一接收模式期間，該分離器在經由該等移相器及天線接收信號時操作為一功率組合器。該等接收到的信號被組合並被發送到該交換器332，該交換器332耦合到該低雜訊放大器334用於放大。該低雜訊放大器的一輸出信號被發送到可移位一頻譜的該混頻器338，並然後把這個輸出信號輸出到該IF放大器340。然後，該IF放大器340產生一輸出接收信號用以由該收發器之該接收鏈320來輸出。
圖4根據另一實施例圖示出具有用於波束形成之一單一收發器的一通訊模組(例如，收發器模組)。該通訊模組400(例如，一收發器模組400)包括一矽基晶粒410以及在一分開的晶粒或基體或與該晶粒410整合之以化合物半導體材料(例如，III-V族材料、GaN、GaAs、等等)所形成的一放大器晶粒440。與該模組300相比，除了該等移相器已經被移動到該發射/接收鏈之外，該模組400包括類似的組件。該模組400還包括一IPD 450及具有天線491-494、...、N的一基體490(例如，封裝基體)。該等天線形成一或多個相控天線陣列。該晶粒410包括通訊電路或裝置(例如，一收發器單元、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路、使用一矽基基體所形成之CMOS電路、用矽基體所形成的CMOS電路)其包括用於產生控制信號的一控制單元414以及用於發送或接收通訊信號之一發射/接收鏈420(例如，收發器420)的一第一部分。該發射/接收鏈420的該第一部分包括用於在發射與接收模式之間做切換的一交換器422、用以產生一輸出頻率的一本地振盪器(LO)產生器412、用於移位信號之一頻譜的向上及向下轉換器428及429(例如，具有中頻(IF)放大器424、440、及437、混頻器426及438的向上及向下轉換器)以及可選擇地用於移位由該等移相器所接收到之信號其相位的移相器453及454。該等移相器從控制單元414接收控制信號。或者，該等移相器可位於晶粒442上。在另一實施例中，該等移相器位於一分離的晶粒上。該發射/接收鏈420的一第二部分被形成在該晶粒442(例如，化合物半導體晶粒、GaN晶粒)中，其包括用於放大信號的一功率放大器430、用於放大信號而不增加雜訊或具最小增加雜訊的一低雜訊放大器437、用於在發射與接收模式之間做切換的一交換器432、以及可選擇地用於移位由該等移相器所接收到之信號其相位的移相器453及454。。
該IPD 450包括一功率組合器/分離器452(例如，N：1信號、1：N信號)並且可選擇性地包括交換器。該模組400包括一mm波相控陣列模組。一單一發射/接收鏈(例如，收發器)提供具有降低功耗的波束形成。
在一發射模式期間，該交換器422耦合到IF放大器424，而該交換器432耦合到該功率放大器430。待發射之至少一資料信號從該交換器422發送到該IF放大器424，該IF放大器424產生至少一個由該混頻器426所接收之輸出信號。該混頻器426移位該至少一輸出信號的一頻譜，並產生至少一個由該功率放大器430來放大的輸出信號。該至少一個經放大的信號由一功率分離器452分離成為將要由N個不同的放大器來放大的信號，然後被發送到該等天線491-494、...、N。
在一接收模式期間，該分離器在從該等天線接收信號時操作為一功率組合器。該等接收到的信號被組合並被發送到該交換器432，該交換器432耦合到該低雜訊放大器434用於放大。該低雜訊放大器的一輸出信號然後由該等移相器做相位移位，然後被發送到可移位一頻譜的該混頻器438，並然後把這個輸出信號輸出到該IF放大器440。然後，該IF放大器440產生一輸出接收信號用以由該收發器之該接收鏈420來輸出。
圖5根據一實施例圖示出在一微電子裝置(例如，一通訊模組)中不同組件的協同整合，該微電子裝置具有一基體，該基體具有一整合式天線單元及耦合到該基體(例如，封裝基體)的收發器組件。該微電子裝置500包括一基體550(例如，封裝基體550)其具有一整合式天線單元592、一CMOS晶粒520(例如，CMOS電路，CMOS驅動器電路、等等)以及相較於該等IPD 252、352、以及452包括類似組件的一IPD 530。在一實例中，該IPD 530包括一功率組合器/分離器、移相器、及可選擇的交換器。該裝置500還包括放大器電路540，其包括在一基體或晶粒(例如，GaN晶粒或基體、等等)中用III-V族材料所形成之不同類型的放大器(例如，功率放大器、低雜訊放大器、等等)。該晶粒520、IPD 530、以及放大器電路540在該封裝基體上被耦合或附接(例如，電線接合、覆晶、嵌入、等等)用以形成至少一個收發器模組或單元。該基體550包括導電層593-597及額外的導電層。在一實例中，該等導電層593-597形成一或多個相控天線陣列，並且一額外的導電層(圖中未示出)可以是一接地平面及佈線層。該至少一個晶粒520包括通訊電路或裝置(例如，互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路、收發器220、收發器320、收發器420、具有使用一矽基基體所形成之至少一基頻單元及至少一收發器單元的CMOS電路、CMOS晶粒、以化合物半導體材料、III-V族材料、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)所形成的裝置、IF放大器、低雜訊放大器、功率放大器、交換器、混頻器、等等)。該封裝基體550還可以嵌入用於該晶粒520之潛在的被動裝置(或其他結構，例如，用於屏蔽)。與在圖5中所圖示出的厚度、長度、以及寬度尺寸相比，該基體550、晶粒520、以及放大器電路540可具有不同的厚度、長度、以及寬度尺寸。
該晶粒520、IPD 530、以及放大器電路540可使用焊球或凸塊被附接到該封裝基體550或可使用焊球或凸塊被嵌入到該基體550內。在一些實施例中，連接器或引腳可被使用來電氣地連接這些組件。類似地，可以使用金屬對金屬凸塊來代替焊料凸塊。該封裝可以具有一第二級互連(SLI)用以耦合在該封裝於該平台板之間的該等信號。
路由安排經過該封裝基體550的天線信號可具有一最短之可用路由距離。該封裝基體550可以包括IPD並且可以以一高資料速率(例如，至少1 Gb/秒、等等)來傳送信號。
在一實例中，與可具有高密度互連(HDI)及經阻抗控制之互連的該晶粒520相比，主要佔據一封裝區域之該基體550的組件被分隔在一分開之較低成本及較低電路密度的基體550中。該基體550可以用低溫共燒陶瓷材料、液晶聚合物、有機材料、玻璃、未經摻雜的矽、等等來形成。該基體550可以被設計為沒有HDI PCB技術用以節省成本。以這種方式，與包括天線組件的一平面結構相比，沒有天線組件之該晶粒520的一面積被減少用以降低成本。該晶粒520可由針對具有所欲高頻特性(例如，基體損耗、介電常數)之高頻設計而設計的任何材料(例如，有機材料、層壓基體、用於形成CPU的材料、等等)來形成。該晶粒520可以包括互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路(例如，具有使用一矽基基體所形成之至少一基頻單元及至少一收發器單元的CMOS電路、CMOS晶粒)或以化合物半導體材料(例如，III-V族材料、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、化合物半導體晶粒、等等)所形成的裝置。
在另一實施例中，該等裝置或組件之任一可被彼此耦合。
圖6根據一實施例圖示出在一微電子裝置(例如，一通訊模組)中不同組件的協同整合，該微電子裝置具有一基體，該基體具有一整合式天線單元及耦合到該基體(例如，封裝基體)的收發器組件。該微電子裝置600包括一基體650(例如，封裝基體650)其具有一整合式天線單元692、一CMOS晶粒620(例如，CMOS電路，CMOS驅動器電路、等等)以及相較於該等IPD 252、352、以及452包括類似組件的一IPD 630。在一實例中，該IPD 630包括一功率組合器/分離器、移相器、及可選擇的交換器。該裝置600還包括放大器電路640，其包括在一基體或晶粒(例如，GaN晶粒或基體、等等)中用III-V族材料所形成之不同類型的放大器(例如，功率放大器、低雜訊放大器、等等)。該晶粒620及放大器電路640被耦合或附接(例如，電線接合、覆晶、嵌入、等等)該在IPD 630上其然後被耦合或附接到該封裝基體用以形成至少一個收發器模組或單元。該基體650包括導電層693-697及額外的導電層。在一實例中，該等導電層693-697形成一或多個相控天線陣列，並且一額外的導電層(圖中未示出)可以是一接地平面及佈線層。該至少一個晶粒620包括通訊電路或裝置(例如，互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路、收發器220、收發器320、收發器420、具有使用一矽基基體所形成之至少一基頻單元及至少一收發器單元的CMOS電路、CMOS晶粒、以化合物半導體材料、III-V族材料、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)所形成的裝置、IF放大器、低雜訊放大器、功率放大器、交換器、混頻器、等等)。該封裝基體650還可以嵌入用於該晶粒620之潛在的被動裝置(或其他結構，例如，用於屏蔽)。與在圖5中所圖示出的厚度、長度、以及寬度尺寸相比，該基體650、晶粒620、以及放大器電路640可具有不同的厚度、長度、以及寬度尺寸。
該IPD 630可使用焊球或凸塊610-612被附接到該封裝基體650或可使用焊球或凸塊被嵌入到該基體650內。在一些實施例中，連接器或引腳可被使用來電氣地連接這些組件。類似地，可以使用金屬對金屬凸塊來代替焊料凸塊。
路由安排經過該封裝基體650的天線信號可具有一最短之可用路由距離。該封裝基體650可以包括IPD並且可以以一高資料速率(例如，至少1 Gb/秒、等等)來傳送信號。
在一實例中，與可具有高密度互連(HDI)及經阻抗控制之互連的該晶粒620相比，主要佔據一封裝區域之該基體650的組件被分隔在一分開之較低成本及較低電路密度的基體650中。該基體650可以用低溫共燒陶瓷材料、液晶聚合物、有機材料、玻璃、未經摻雜的矽、等等來形成。該基體650可以被設計為沒有HDI PCB技術用以節省成本。以這種方式，與包括天線組件的一平面結構相比，沒有天線組件之該晶粒620的一面積被減少用以降低成本。該晶粒620可由針對具有所欲高頻特性(例如，基體損耗、介電常數)之高頻設計而設計的任何材料(例如，有機材料、層壓基體、用於形成CPU的材料、等等)來形成。在另一實施例中，該等裝置或組件之任一可被彼此耦合。
圖7根據一實施例圖示出在一微電子裝置(例如，一通訊模組)中不同組件的協同整合，該微電子裝置具有一基體，該基體具有一整合式天線單元及耦合到該基體(例如，封裝基體)的收發器組件。該微電子裝置700包括一基體750(例如，封裝基體750)其具有一整合式天線單元792、一CMOS晶粒720(例如，CMOS電路，CMOS驅動器電路、等等)以及比起該等IPD 252、352、以及452包括類似組件的一IPD 730。在一實例中，該IPD 730包括一功率組合器/分離器、移相器、及可選擇的交換器。該裝置700還包括放大器電路740，其包括在一基體或晶粒(例如，GaN晶粒或基體、等等)中用III-V族材料所形成之不同類型的放大器(例如，功率放大器、低雜訊放大器、等等)。該晶粒720、IPD 730、以及放大器電路740在該封裝基體上被耦合或附接(例如，電線接合、覆晶、嵌入、等等)用以形成至少一個收發器模組或單元。該基體750包括導電層793-797及額外的導電層。在一實例中，該等導電層793-797形成一或多個相控天線陣列，並且額外的導電層(圖中未示出)可以是一接地平面及路由安排層。該至少一個晶粒720包括通訊電路或裝置(例如，互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路、收發器220、收發器320、收發器420、具有使用一矽基基體所形成之至少一基頻單元及至少一收發器單元的CMOS電路、CMOS晶粒、以化合物半導體材料、III-V族材料、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)所形成的裝置、IF放大器、低雜訊放大器、功率放大器、交換器、混頻器、等等)。該封裝基體750還可以嵌入用於該晶粒720之潛在的被動裝置(或其他結構，例如，用於屏蔽)。與在圖5中所圖示出的厚度、長度、以及寬度尺寸相比，該基體750、晶粒720、以及放大器電路740可具有不同的厚度、長度、以及寬度尺寸。
該晶粒720、IPD 730、以及放大器電路740可使用焊球或凸塊被附接到該封裝基體750或可使用焊球或凸塊被嵌入到該基體750內。在一實例中，係使用焊球或凸塊701-709把該IPD 730附接到該基體750。在一些實施例中，連接器或引腳可被使用來電氣地連接這些組件。類似地，可以使用金屬對金屬凸塊來代替焊料凸塊。該IPD 730可以包括穿透晶粒或基體連接710-715用於把來自晶粒720及放大器電路740的信號路由安排到該基體750。
路由安排經過該封裝基體750的天線信號可具有一最短之可用路由距離。該封裝基體750可以包括IPD並且可以以一高資料速率(例如，至少1 Gb/秒、等等)來傳送信號。
在另一實施例中，該等裝置或組件之任一可被彼此耦合。
將被理解的是，在一系統單晶片的實施例中，該晶粒可以包括一處理器、記憶體、通訊電路、及類似物。雖然圖示出一單一晶粒，但是在該微電子裝置之該相同的區域中可包括沒有、一個或數個晶粒。
在一實施例中，該微電子裝置可以是使用一大塊矽或一絕緣體上矽底層結構所形成的一結晶基體。在其他的實現方式中，該微電子裝置可以使用替代的材料來形成，其可以與或可以不與矽組合，其包括但不侷限於鍺、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵、銦鎵砷化物、銻化鎵、或III-V族或IV族材料的其他的組合。儘管這裡描述了可以形成基體之材料的幾個實例，但可作用為一基礎而一半導體裝置可被構建在其上之任何的材料均落在本發明的該精神及範圍內。
圖8根據本發明的一實施例圖示出一運算裝置900。該運算裝置900容納一板902。該板902可以包括多個組件，包括但不侷限於，一處理器904及至少一通訊晶片906。該處理器904被實體地及電氣地耦合到該板902。在一些實現方式中，該至少一通訊晶片906也被實體地及電氣地耦合到該板902。在進一步的實現方式中，該通訊晶片906係該處理器904的一部分。在一實例中，該通訊晶片906(例如，通訊模組100、通訊模組200、通訊模組300、通訊模組400、微電子裝置500、微電子裝置600、微電子裝置700、等等)包括一天線單元920。
取決於其應用，運算裝置900可以包括可以或可以不被實體地及電氣地耦合到該板902的其他組件。這些其他組件包括，但不侷限於，依電性記憶體(例如，DRAM 910、911)、非依電性記憶體(例如，ROM 912)、快閃記憶體、一圖形處理單元916、一數位信號處理器、一密碼處理器、一晶片組914、一天線920、一顯示器、一觸控螢幕顯示器930、一觸控螢幕控制器922、一電池932、一音訊編解碼器、一視訊編解碼器、一功率放大器915、一全球定位系統(GPS)裝置926、一羅盤924、一陀螺儀、一揚聲器、一相機950、以及一大容量存儲裝置(諸如硬碟、光碟(CD)、數位多功能碟(DVD)、等等)。
該通訊晶片906啟用無線通信用於往來於該運算裝置900之該資料的該傳輸。「無線」一詞及其衍生詞可被使用來描述電路、裝置、系統、方法、技術、通信通道、等等，其可通過使用穿透過一非固體媒體之經調變的電磁輻射來傳送資料。該詞並不意味著該等相關聯的裝置不包含任何的導線，儘管在一些實施例中它們可能不包括任何的導線。該通訊晶片906可實現多種無線標準或協定中之任何一種，包括但不侷限於Wi-Fi(IEEE 802.11家族)、WiMAX(IEEE 802.16家族)、IEEE 802.20、長期演進(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、藍牙、及其衍生物、以及任何其他被指定為3G、4G、5G、及更高世代的無線協定。該運算裝置900可包括數個通訊晶片906。例如，一第一通訊晶片906可被專用於較短距離的無線通信諸如Wi-Fi或藍牙，而一第二通訊晶片906可被專用於較長距離的無線通信諸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、EV-DO、5G、或其他。
該運算裝置900的該至少一處理器904包括封裝在該至少一處理器904中的一積體電路晶粒。在本發明的一些實現方式中，該處理器的該積體電路晶粒包括一或多個裝置，諸如根據本發明實施例之實現方式的微電子裝置(例如，微電子裝置100、200、300、400、500、600、700、等等)。「處理器」一詞可以指任何的裝置或一裝置的部分，其處理來自暫存器及/或記憶體的電子資料以把該電子資料變換成為可被儲存在暫存器及/或記憶體中其他的電子資料。
該通訊晶片906也包括封裝在該通訊晶片906內的一積體電路晶粒。根據根據本發明實施例之令一種實現方式，該通訊晶片的該積體電路晶粒包括一或多個通訊模組或微電子裝置(例如，100、200、300、400、500、600、700、等等)。
以下的實例涉及進一步的實施例。實例1係一種通訊模組，其包括具有一收發器的晶粒以及被耦合到該晶粒的一移相器。該移相器晶粒包括一功率組合器及分離器。該通訊模組還包括被耦合到該移相器晶粒的一基體。該基體包括具有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力的一天線單元。
在實例2中，實例1之該技術主題可任選地包括該收發器具有以互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路在一矽基晶粒中所形成的一單一發射及接收鏈。
在實例3中，實例1-2中之任一項的該技術主題可任選地包括該單一發射及接收鏈包括用於在發射與接收模式之間做切換的交換器、用以產生一輸出頻率的一本地振盪器產生器、一轉換器(例如，具有中頻(IF)放大器及混頻器的一向上及向下轉換器)、用於放大信號的一功率放大器、以及放大信號而不增加雜訊的一低雜訊放大器。
在實例4中，實例1-3中之任一項的該技術主題可任選地包括該單一發射及接收鏈包含在一接收模式期間的一單一接收路徑及在一發射模式期間的一單一發射路徑。
在實例5中，實例1-4中之任一項的該技術主題可任選地包括，在一發射模式期間，該至少一輸出信號由該功率放大器來放大用以產生至少一經放大的信號，該至少一經放大的信號由該功率分離器分離成將由N個不同的放大器來放大的信號。然後，該等經放大的信號被發送到該移相器晶粒的移相器，其產生經相移的信號用以限定從該天線單元的天線所發射出的一電磁波束。
在實例6中，實例1-5中之任一項的該技術主題可任選地包括，在一接收模式期間，該功率組合器在經由該等移相器及天線接收到信號時被組配成用以組合將被發送到該低雜訊放大器來放大的信號。
在實例7中，實例1-6中之任一項的該技術主題可任選地包括該移相器晶粒進一步包含耦合到該功率組合器及分離器的移相器。該等移相器從該晶粒的一控制單元接收控制信號。
實例8係一種微電子裝置，其包括具有一收發器之一第一部分的一第一晶粒、具有該收發器之一第二部分的一第二晶粒、以及耦合到該第二晶粒的一第三晶粒。該第三晶粒具有一功率組合器及分離器。該微電子裝置還包括耦合到該第三晶粒的一基體。該基體包括具有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力的一天線單元。
在實例9中，實例8之該技術主題可任選地包括該收發器具有一單一發射及接收鏈，其中該收發器的該第一部分被形成在包含矽的該第一晶粒中，而該收發器的該第二部分被形成在包含一化合物半導體材料(例如，III-V族材料，GaN、等等)的該第二晶粒中。
在實例10中，實例8-9中之任一項的該技術主題可任選地包括該收發器的該第一部分，其包括用於在發射與接收模式之間做切換的交換器、用以產生一輸出頻率的一本地振盪器產生器、以及一轉換器(例如，具有中頻(IF)放大器及混頻器的一向上及向下轉換器)。
在實例11中，實例8-10中之任一項的該技術主題可任選地包括該收發器的該第二部分，其包括用於放大信號的一功率放大器以及放大信號而不增加雜訊的一低雜訊放大器。
在實例12中，實例8-11中之任一項的該技術主題可任選地包括該單一發射及接收鏈包含在一接收模式期間的一單一接收路徑及在一發射模式期間的一單一發射路徑。
在實例13中，實例8-12中之任一項的該技術主題可任選地包括，在一發射模式期間，至少一輸出信號由該功率放大器來放大用以產生至少一經放大的信號，該至少一經放大的信號由該功率分離器分離成將由N個不同的放大器來放大的信號。然後，該等經放大的信號被發送到該移相器晶粒的移相器，其產生經相移的信號用以限定從該天線單元的天線所發射出的一電磁波束。
在實例14中，實例8-13中之任一項的該技術主題可任選地包括，在一接收模式期間，該功率組合器在經由該等移相器及天線接收到信號時被組配成用以組合將被發送到該低雜訊放大器來放大的信號。
在實例15中，實例8-15中之任一項的該技術主題可任選地包括該IPD進一步包含耦合到該功率組合器及分離器的移相器。該等移相器從該晶粒的一控制單元接收控制信號。
在實例16中，實例8-14中之任一項的該技術主題可任選地包括該收發器其進一步包含耦合到該等混頻器的移相器。
實例17係一種運算裝置，其包括用以處理資料的至少一處理器以及耦合到該至少一處理器的一通訊模組或晶片。該通訊模組或晶片包含用以處理資料的至少一處理器以及耦合到該至少一處理器的一通訊模組或晶片。該通訊模組或晶片包含具有一收發器之驅動器電路的一第一晶粒、具有該收發器之放大器電路的一第二晶粒、以及耦合到該第二晶粒的一整合式被動裝置(IPD)。該IPD包括一功率組合器及分離器。該通訊模組還包括耦合到該IPD的一基體。該基體包括具有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力的一天線單元。
在實例18中，實例17的該技術主題可任選地包括該第一晶粒包含一矽基材料以及該第二晶粒包含一化合物半導體材料。
在實例19中，實例17-18中之任一項的該技術主題可任選地包括該第一晶粒、該第二晶粒、以及該IPD被附接到該基體。
在實例20中，實例17-19中之任一項的該技術主題可任選地包括該第一晶粒及該第二晶粒被裝配在被耦合到該基體的該IPD上。
在實例21中，實例17-18中之任一項的該技術主題可任選地包括該第一晶粒及該第二晶粒被裝配到在該IPD的一第一表面上以及該IPD的一第二表面被附接到該基體。
100、200、300、400、500、600、700‧‧‧微電子裝置110、210、310、410‧‧‧晶粒112、212、312、412‧‧‧LO產生器114、214、314、414‧‧‧控制118、252、352、452‧‧‧功率組合器/分離器(N：1或1：N)118‧‧‧LO分離器(N：1)120、160、161、162、220、320、420、N‧‧‧TR/RX鏈122、132、222、232、322、332、422‧‧‧交換器124、228、328、428、429‧‧‧向上及向下轉換器128、136、253、254、255、256、353、354、355、356、453、454、N‧‧‧移相器130、230、330、430‧‧‧功率放大器134、234、334、434‧‧‧低雜訊放大器190、290、390、490、550、650、750‧‧‧基體191、192、193、194、291、292、293、294、391、392、393、394、491、492、493、494、920、N‧‧‧天線224、237、240、324、337、340、424、437、440‧‧‧IF放大器226、238、326、338、426、438‧‧‧混頻器250、350‧‧‧移相器晶粒263、264、265、266、363、364、365、366、463、464、465、466、N‧‧‧經相移的信號342、442‧‧‧放大器晶粒450、530、630、730‧‧‧IPD520、620、720‧‧‧CMOS晶粒540、640、740‧‧‧放大器592、692、792‧‧‧天線單元593、594、595、596、597、693、694、695、696、697、793、794、795、796、797‧‧‧導電層610、611、612、701〜709‧‧‧焊球或凸塊710〜715‧‧‧穿透晶粒或基體連接900‧‧‧運算裝置902‧‧‧母板904‧‧‧處理器906‧‧‧通信晶片910、911‧‧‧DRAM912‧‧‧ROM914‧‧‧晶片組915‧‧‧AMP916‧‧‧圖形CPU920‧‧‧天線922‧‧‧觸控螢幕控制器924‧‧‧羅盤926‧‧‧GPS928‧‧‧揚聲器930‧‧‧觸控螢幕顯示器932‧‧‧電池940‧‧‧感測裝置950‧‧‧相機
圖1根據一種實現方式圖示出具有多個發射/接收(Tx/Rx)鏈的一通訊模組。
圖2根據一實施例圖示出具有用於波束形成之一單一發射/接收鏈的一通訊模組(例如，收發器模組)。
圖3根據一實施例圖示出具有一單一發射/接收鏈的一通訊模組。
圖4根據另一實施例圖示出具有一單一發射/接收鏈的一通訊模組。
圖5根據一實施例圖示出在一微電子裝置(例如，一封裝組織結構)中的不同組件的協同整合，該微電子裝置具有一基體，該基體具有一整合式天線單元及耦合到該基體之一收發器組件。
圖6根據一實施例圖示出在一微電子裝置(例如，一通訊模組)中的不同組件的協同整合，該微電子裝置具有一基體，該基體具有一整合式天線單元及耦合到該基體(例如，封裝基體)之一收發器組件。
圖7根據一實施例圖示出在一微電子裝置(例如，一通訊模組)中的不同組件的協同整合，該微電子裝置具有一基體，該基體具有一整合式天線單元及耦合到該基體(例如，封裝基體)之一收發器組件。
圖8根據一實施例圖示出一運算裝置900。
200‧‧‧微電子裝置
210‧‧‧晶粒
212‧‧‧LO產生器
214‧‧‧控制
220‧‧‧TR/RX鏈
222、232‧‧‧交換器
224、237、240‧‧‧IF放大器
226、238‧‧‧混頻器
228‧‧‧向上及向下轉換器
230‧‧‧功率放大器
234‧‧‧低雜訊放大器
250‧‧‧移相器晶粒
252‧‧‧一功率組合器/分離器(N：1或1：N)
253、254、255、256、N‧‧‧移相器
263、264、265、266、N‧‧‧經相移的信號
290‧‧‧基體
291、292、293、294、N‧‧‧天線

Claims (20)

  1. 一種通訊模組，其包含：一晶粒，其具有一收發器，其中該晶粒係一矽基晶粒；一移相器晶粒，其耦合到該晶粒，該移相器晶粒具有一功率組合器及分離器，其中該移相器晶粒係一化合物半導體式晶粒；以及一基體，其耦合到該移相器晶粒，該基體具有一天線單元，該天線單元擁有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力。
  2. 如請求項第1項之通訊模組，其中該收發器包含以互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路在該矽基晶粒中所形成的一單一發射及接收鏈。
  3. 如請求項第2項之通訊模組，其中該單一發射及接收鏈包含用於在發射與接收模式之間做切換的交換器、用以產生一輸出頻率的一本地振盪器產生器、一轉換器、用於放大信號的一功率放大器、以及放大信號而不增加雜訊的一低雜訊放大器。
  4. 如請求項第3項之通訊模組，其中該單一發射及接收鏈包含在一接收模式期間的一單一接收路徑及在一發射模式期間的一單一發射路徑。
  5. 如請求項第4項之通訊模組，其中在一發射模式期間，至少一輸出信號由該功率放大器來放大用以產生至少一經放大的信號，該至少一經放大的信號由該功率分離器分離成要被發送到該移相器晶粒之移相器的信 號，該等移相器產生經相移的信號，用以限定從該天線單元的天線所發射出的一電磁波束。
  6. 如請求項第4項之通訊模組，其中在一接收模式期間，該功率組合器在經由該等移相器及天線接收到信號時被組配成用以組合將被發送到該低雜訊放大器來放大的信號。
  7. 如請求項第1項之通訊模組，其中該移相器晶粒進一步包含：耦合到該功率組合器及分離器的移相器，該等移相器從該晶粒的一控制單元接收控制信號。
  8. 一種微電子裝置，其包含：一第一晶粒，其具有一收發器之一第一部分，其中該第一晶粒係一矽基晶粒；一第二晶粒，其具有該收發器之一第二部分；一第三晶粒，其耦合到該第二晶粒，該第三晶粒具有一功率組合器及分離器，其中該第三晶粒係一化合物半導體式晶粒；以及一基體，其耦合到該第三晶粒，該基體具有一天線單元，該天線單元擁有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力。
  9. 如請求項第8項之微電子裝置，其中該收發器包含一單一發射及接收鏈，以該收發器的該第一部分形成在該第一晶粒中，而該收發器的該第二部分形成在包含一化合物半導體材料的該第二晶粒中。
  10. 如請求項第9項之微電子裝置，其中該收發器的該第一部分包含用於在發射與接收模式之間做切換的交換器、用以產生一輸出頻率的一本地振盪器產生器、以及一轉換器。
  11. 如請求項第9項之微電子裝置，其中該收發器的該第二部分包含用於放大信號的一功率放大器以及放大信號而不增加雜訊的一低雜訊放大器。
  12. 如請求項第11項之微電子裝置，其中該單一發射及接收鏈包含在一接收模式期間的一單一接收路徑及在一發射模式期間的一單一發射路徑。
  13. 如請求項第12項之微電子裝置，其中在一發射模式期間，至少一輸出信號由該功率放大器來放大用以產生至少一經放大的信號，該至少一經放大的信號由該功率分離器分離成要被發送到該IPD的移相器的信號，該等移相器產生經相移的信號，用以限定從該天線單元的天線所發射出的一電磁波束。
  14. 如請求項第12項之微電子裝置，其中在一接收模式期間，該功率組合器在經由該等移相器及天線接收到信號時被組配以組合要被發送到該低雜訊放大器來放大的信號。
  15. 如請求項第8項之微電子裝置，其中該IPD進一步包含：耦合到該功率組合器及分離器的移相器，該等移相器從該晶粒的一控制單元接收控制信號。
  16. 如請求項第8項之微電子裝置，其中該收發器其進一步包含：耦合到該等混頻器的移相器。
  17. 一種運算裝置，其包含：用以處理資料的至少一處理器；以及耦合到該至少一處理器的一通訊模組或晶片，該通訊模組或晶片包含，具有一收發器之驅動器電路的一第一晶粒，其中該第一晶粒係一矽基晶粒；具有該收發器之放大器電路的一第二晶粒，其中該第二晶粒係一化合物半導體式晶粒；耦合到該第二晶粒的一整合式被動裝置(IPD)，該IPD具有一功率組合器及分離器；以及耦合到該IPD的一基體，該基體具有一天線單元，該天線單元擁有用於發射及接收通訊之可操縱波束形成能力。
  18. 如請求項第17項之運算裝置，其中該第一晶粒、該第二晶粒、以及該IPD被附接到該基體。
  19. 如請求項第17項之運算裝置，其中該第一晶粒及該第二晶粒被裝配在被耦合到該基體的該IPD上。
  20. 如請求項第17項之運算裝置，其中該第一晶粒及該第二晶粒被裝配在該IPD的一第一表面上，並且該IPD的一第二表面被附接到該基體。
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