[发明专利]带有集成无源元件的硅基封装装置

说明书

技术领域

本发明涉及硅基封装工艺，具体地说是针对高频应用，其中受保护的RFIC(射频集成电路，radio frequency integrated circuit)芯片、用于I/O信号的通孔、天线、及所需的RF无源元件(电阻、电容、电感、滤波器、开关等)都可以组合到一个模块中或者处于具有一个公共Si内插件(interposer)的阵列的同一位置。

背景技术

在无线电子工业微型化的持续趋势下，毫米波(mmWave)系统的性能、尺寸和成本经常受到所选的封装技术的制约。所选的封装方法必须既提供机械支持又对各种微波元件进行电气连接。关键元件包括RFIC芯片、高效天线、传输线、电容、电感、电阻、MEMS器件和各种类型的滤波器。RFIC芯片利用各种半导体技术来制造，例如Si、GaAs、CMOS或SiGe可以附着在封装内。

用于工作在1至100GHz的毫米波收发器应用的封装方法需要结合一个天线以完全实现无线电的功能。现在，将任何天线结构集成到一个合适的封装内的最大挑战是确保适当的天线效率。由于对天线性能的干扰，像Si这类的材料按照传统是要避免在高频条件下使用的，或者谨慎地将其用于高频条件下。传统上唯一的选择就是使用高复杂度和高成本的封装技术，或者昂贵的低温共烧陶瓷(low-temperatureco-fired ceramic，LTCC)衬底。最近有塑料封装可能成为低成本单芯片解决方案的报道，但是这种封装办法难以用于大批量生产。而且，用于波束导向的相控阵列和焦平面成像阵列需要大量的像素(每个像素由一个天线表示)，它们要求毫米波RFIC芯片、RF无源元件和天线的低成本晶圆级集成。

人们已经提出了各种各样的生成所谓的封装系统(system-in-a-package，SiP)的方法，这些封装内系统包含某一给定RF应用所需的RFIC芯片、屏蔽和无源元件，其中最常用的方法是简单地将分立的器件组合到一个共同的衬底上。这就是人们公知的，单个封装的系统/子系统集成了一个或多个IC(或RFIC)和/或嵌入式无源元件的RF SiP。一些典型的应用包括收发器SiP、全无线电SiP、FEM(前端模块，Front End Module)、ASM(天线开关模块，AntennaSwitch Module)和PAM(功率放大器模块，Power Amplifier Module)。但是，这些应用中同样的问题是，独立的器件不是衬底固有的部分，因此它们必须被安装或连接到一个公共的衬底。这种方法与公知的多芯片模块(Multi-Chip module，MCM)非常相似，其中，若干IC芯片在一个定制的包含互连层的公共衬底上被连接在一起。

进一步，对多层薄膜MCM衬底的增强已经展示了将简单的RF无源元件，如电阻、电感和电容，嵌入到互连层的结合方式。这样的衬底于是可以进一步作为生成RFSiP的基本构件，其中有源器件(RFIC芯片)和分立的无源元件(PIN二极管，变容二极管等)可以附着并组装到表面，并通过导线或芯片倒装接合(flip-chip bonding)连接。J.A.C.Tilmans等人在Journal of Micromechanics andMicroengineering，13(2003)S139-S163中发表的文章“MEMS forwireless communication：‘from RF-MEMS component toRF-MEMS-SiP’”中描述了包括无源元件的RF-MEMS-SiP模块形式的封装。因此，作为一种封装技术平台，SiP在封装结构方面具有高度的灵活性，尤其是对于RF应用[3]。J.Wu等人2004年在Gaasmantech发表的文章“RF SiP Technology：Integration andInnovation”中描述了RF SiP封装。这些封装方法(Sip和MCM)最大的挑战就是附着在共同的承载衬底上的各种元件之间的热失配。第二，对于高频应用，有源电路与无源器件(例如天线)之间设置的物理距离极大地考验RF电路的优化。

为了在封装内集成天线同时保证适当的天线效率，2006年1月5日公布的美国专利No.20060001572描述了一种相对复杂的封装方法，这种方法使用芯片倒装法安装的天线结合印刷电路板工作。尽管这种方法展示了一种可能的自动化装配的途径，但这种封装方法不能利用大规模生产方法的低成本特性。进一步地，利用这种方法对元件的密封是有争议的，而不是现实可用的。

发明内容