专利名称：使用基片中的通路作为辐射元件而构造天线的设备和方法
技术领域：
本发明一般涉及用于无线或RF(射频)通信系统的天线，并更具体地，本发明涉及使用在基片中形成的一个或多个导电通路柱作为辐射元件而构造的天线、以及封装此天线与IC(集成电路)芯片的设备和方法。
背景技术：
为了在无线网络如无线PAN(个人区域网络)、无线LAN(局域网)、无线WAN(广域网)、蜂窝式网络或任何虚拟的无线电网络或系统中的装置之间提供无线连通性和通信，必须配备具有天线的接收器和发送器(或收发器)，以便有效地向网络的其它元件发射(传送)所需信号或从网络的其它元件接收所需信号。
有许多种用于此通信网络和系统的天线。例如，单极天线一般用于无线或RF通信系统中。通常，单极天线包括在接地面上的单线或天线元件，该元件的长度与其操作的预定频率成反比，单极天线耦合到无线装置内的发送器、接收器或收发器。从单极天线发射的信号在本质上是全方向的(即，在基本水平的平面内的所有方向上，信号以大致相同的信号强度发送)。而且，用单极天线元件接收信号是全方向的。通常，在无线电通信系统中，单极天线例如因尺寸限制或使用情况而布置得远离发送器、接收器或收发器内的集成电路。
发明内容
本发明的典型实施例一般包括使用在基片中形成的一个或多个导电通路柱作为辐射元件而构造的天线。更具体地，在本发明的一个典型实施例中，用于构造天线的方法包括提供具有第一和第二表面的基片，第一和第二表面基本平行；以及通过在第一和第二表面之间形成贯穿基片的通孔，并用导电材料填充通孔形成导电通路柱而在基片中形成辐射元件。
在根据本发明的一个典型天线框架中，可构造单极天线，所述天线包括在基片(如介电基片或半导体基片)中形成的单个导电通路柱、以及在基片表面上形成的导电层(接地面)。在一个典型实施例中，通过在基片表面上淀积导电层并对导电层构图形成接地面，并在导电通路柱的端部上形成接触垫，从而在基片表面上形成接地面(或任何其它的导电接地元件)，其中，接地面与导电通路柱电绝缘，接触垫与接地面电绝缘。
在本发明的另一典型实施例中，可通过在基片中形成作为辐射元件的多个导电通路柱，可构造具有多个辐射元件的天线，如定向天线(如相控阵天线)。
在根据本发明的又一个典型天线框架中，天线辐射元件可形成得包括在基片中形成的一个或多个导电通路柱元件；在基片表面上形成的一个或多个导电元件，其中，所述导电元件连接到暴露在基片表面上的导电通路柱的端部。例如，在一个典型实施例中，顶部加载单极天线包括辐射元件，辐射元件包括单个导电通路柱和构图的导电元件，其中，所述导电元件在天线基片的表面上形成并连接到通路柱。构图的导电元件包括导电垫元件或导电带元件。在本发明的其它实施例中，可用由导电通路柱和导电元件形成的辐射元件构造天线，如反F形天线和多频带天线，其中，所述导电元件在基片表面上形成并连接到通路柱的暴露端部。
本发明的典型实施例进一步包括通过整体封装天线(用在基片中形成的一个或多个通路构造)和IC芯片(如IC收发器、接收器、发送器等)来构造无线或RF(射频)通信系统的装置和方法。
从以下结合附图的典型实施例详细描述中，本发明的这些和其它的典型实施例、方面、目的、特征和优点将变得更清楚。
图1A和1B为示出根据本发明典型实施例的天线的示意图。
图2为示出根据本发明另一典型实施例的天线的示意图。
图3为示出根据本发明典型实施例的用于整体封装天线和IC(集成电路)芯片的设备的示意图。
图4为示出从根据本发明典型实施例的天线框架的计算机模拟中获得的垂直辐射图案的典型视图。
图5为示出根据本发明另一典型实施例的天线的示意图。
图6为示出根据本发明典型实施例的天线的典型接地元件的示意图。
图7A、7B、7C和7D为示出根据本发明各个典型实施例的天线的辐射元件的典型视图。
图8A和8B为示出根据本发明另一典型实施例的天线的示意图。
图9A和9B为示出根据本发明另一典型实施例的天线的示意图。
图10为示出根据本发明另一典型实施例的用于封装天线和IC芯片的设备的示意图。
具体实施例方式
本发明的典型实施例包括使用一个或多个在基片中形成的导电通路柱作为辐射元件而构造的天线、以及用于形成此天线的方法。例如，本发明的典型实施例包括可例如在RF和微波频率下有效工作的单极天线，所述单极天线具有例如使单极天线适于声音通信、数据通信或RADAR(雷达)应用的电特性(如，增益或辐射效率、全方向辐射图案、天线阻抗等)。
本发明的典型实施例进一步包括用于封装天线和IC(集成电路)芯片(如收发器)的设备和方法，以便构造例如用于无线通信应用的IC封装。具体地，根据本发明实施例的使用一个或多个在基片中形成的导电通路柱作为辐射元件而构造的天线可与IC芯片(如收发器IC芯片)整体封装在相对较小的封装中，所述封装的尺寸与现有含铅载体或无铅芯片载体如收发器IC的尺寸相似。实际上，例如，设计为在大约20GHz或更大的谐振频率下工作的本发明天线小得足以与这些现有IC芯片封装在一起。
图1A和1B为示出根据本发明典型实施例的天线的示意图。具体地，图1A为天线(10)的横截面示意图，天线(10)包括在厚度为(t1)的平面基片(12)中形成的导电通路柱(11)，导电通路柱(11)作为辐射元件。基片(12)可包含任何适当的材料，根据天线的具体实现，所述材料例如包括介电/绝缘材料，如基于熔融石英(SiO2)、氧化铝、聚苯乙烯、陶瓷、基于聚四氟乙烯的基片、FR4等；或半导体材料，如高电阻率硅或GaAs(砷化镓)等。
在图1A中，示出的通路柱(11)具有缓慢的圆锥形横截面形状，此形状具有第一直径(d1)和第二(较小)直径(d2)，所述形状通常在例如用激光钻孔工艺在介电基片中贯穿形成通孔时产生。一般地，例如采用本发明领域中技术人员已知的方法，通过在基片中蚀刻/钻出通孔并接着用导电材料如铜或金填充通孔而形成通路柱(11)。
天线(10)进一步包括导电层(13)(如薄金属膜)，导电层淀积在基片(12)的表面(如图1A中所示的下表面)上，并被构图形成接地面(13a)和接触垫(13b)(接触垫(13b)与接地面(13a)电绝缘)。接触垫(13b)在通路柱(11)(辐射元件)的暴露端上形成，以提供与通路柱(11)电接触的部件。尽管根据应用可使用任何适当的导电材料，但在本发明的一个典型实施例中，通过淀积用于形成通路柱(11)的相同金属(如金)的薄层而形成导电层(13)。
图1B为示意性示出根据本发明一个典型实施例的图1A的天线(10)的仰视图。图1B示意性地示出在基片(12)全部表面上形成的导电层(13)，其中，基片(12)为正方形，并且其中，导电通路柱(11)在基片(12)基本中央的区域中形成。图1B进一步示意性地示出典型的导电层(13)图案，所述图案包括通过除去导电层(13)的中央圆形区域以暴露通路柱(11)和基片(12)的部分而形成的接地面(13a)和接触垫(13b)。图1B的典型实施例示出直径(d3)的圆形接触垫(13b)，接触垫(13b)在直径(d2)的圆形通路柱(11)的端部上形成，其中，圆形接触垫(13b)和通路柱(11)的圆形端部具有基本相同的圆心。而且，典型的接地面(13a)图案包括直径(d4)的圆形内缘部分(14)，圆形内缘部分(14)具有与接触垫(13b)和通路柱(11)基本相同的圆心。应该理解，图1A和1B只是示例性的，并且，例如，导致层(13)可被构图形成正方形接触垫(13b)和正方形内缘部分(14)。另外，与图1B所示的正方形相反，例如，基片(12)可以是圆形或矩形。
应该理解，图1A和1B中所示的典型天线框架可用于构造各类天线，如单极天线(在图示接地面上具有单个辐射通路柱元件)或定向天线(具有在基片中形成的辐射通路柱元件阵列)。例如，使用图1A和1B中所示的框架，可用在基本正方形(或其它形状)的基片(12)的中央区域中形成的单个通路柱(11)(辐射元件)构造例如在RF和/或微波频率下工作的单极天线，其中，如所示，基片(12)具有接地面(13a)和接触垫(13b)。
本领域中技术人员容易理解，具有与图1A和1B所示相似结构的单极天线的电特性(如天线阻抗、谐振频率、带宽、辐射图案等)例如随着各种因素而变化。例如，如以下详细解释的，可根据预期的天线实施，选择用于形成基片(12)的材料的各种尺寸(如d1-d4)和/或介电常数和/或厚度(t1)，以实现所希望的或最佳的天线特性。
更具体地，例如，典型单极天线(10)的谐振频率主要是基于辐射通路柱元件(11)的长度和基片(12)材料的介电常数。在图1A的典型实施例中，通路柱(11)的长度基本上等于基片(12)的厚度(t1)。因而，对于具有一定介电常数εr的给定材料，基于单极天线的希望谐振频率而选择基片(12)的厚度(t1)(即，通路柱(11)的长度)。例如，对于1/4波长单极(第一谐振)，基片(12)的厚度(t1)大约等于 在这，λ0为自由空间波长(对于所选的谐振频率)，并且，εr是基片(12)的介电常数。而且，对于1/2波长单极(第二谐振)，基片(12)的厚度(t1)大约等于 等等。
进而，具有如图1A和1B所示结构的单极天线的天线阻抗取决于各种因素，例如包括基片(12)的介电常数。具体地，在空气(真空)中，具有相对较大接地面的非常薄的1/4波长单极天线的阻抗在天线的中心(谐振)频率下具有相对较低的阻抗(大约36Ω)(在理论上，在空气中，具有无穷大接地面的无穷薄的1/4波长单极天线在中心频率下具有36Ω的阻抗)。然而，对于相同的谐振频率，介质负载将使薄单极天线的阻抗在谐振频率下减小。更具体地，对于给定的谐振频率，天线(10)在谐振频率下的阻抗随着基片(12)材料介电常数的增加而减小。
进而，对于给定的谐振频率和基片介电常数，本领域中技术人员容易理解，1/2波长单极在谐振频率下具有比1/4波长单极更大的阻抗。实际上，在实践水平上，在空气(真空)中，具有相对较大接地面的非常薄的半波长单极天线的阻抗在天线的中心频率下具有大约几百欧姆的阻抗(在理论上，在空气中，具有无穷大接地面的无穷薄的半波长单极天线在中心频率下具有无穷大的阻抗)。再者，介质负载和有限厚度可用于减小薄的半波长单极天线在谐振频率下的阻抗。
进而，对于给定的谐振频率，当天线(10)构造为在更高的谐振下工作时(例如，增加通路柱(11)的长度)，天线的带宽通常减小。当天线的阻抗变得非常低时(由更高的介电常数而引起)，例如在10-20Ω或更低的范围内，或当介质损耗增加时(如更高的损耗角正切)，单极天线的效率开始减小。
对具有与图1A和1B典型实施例相似结构的60GHz单极天线执行各种计算机模拟(使用各种在市场上可得到的电磁模拟应用软件，包括Ansoft的HFSSTM应用软件)。在本领域中已知，HFSSTM是用于RF、无线、封装和光电设计的3D EM模拟软件工具。具体地，用以下参数执行模拟。对以下60GHz1/4波长单极天线定义模型天线，所述天线包括在625um(25密耳)厚的熔融石英(SiO2)的4mm×4mm基片中心形成的辐射通路柱元件，并在基片的一个表面上形成接地面。介电常数设定为3.8，3.8是熔融石英的介电常数，并且假设介质损耗(即，损耗角正切)为0(因为熔融石英具有非常低的损耗角正切)。通路柱的直径d1和d2分别设定为300um和150um。
基于以上参数，计算机模拟导致相对较低的阻抗范围，所述范围在大约60GHz下平均为大约10至大约15Ω，这是因为装入具有诸如熔融石英的介质的单极(与空气/真空相对比)。
应该理解，在实践中，天线阻抗例如根据天线被封装或连接到其它组件的方式而变化。例如，结合图3的典型实施例描述根据本发明的用于封装天线和IC芯片的各个实施例，所述实施例提供足以用于高频操作的低互连损耗。
另外，所述模拟导致基本全方向的辐射图案。例如，图4为示出使用ANSOFT的HFSSTM模拟工具对以上定义的天线模型获得的辐射图案的典型视图，其中，所述天线模型为60GHz 1/4波长单极天线，包括在625um(25密耳)厚的熔融石英(SiO2)的4mm×4mm基片中心形成的辐射通路柱元件，并在基片的一个表面上形成接地面。对于图4所示的模拟结果，定义笛卡尔坐标系，该坐标系具有沿着通路柱(11)的中心纵轴延伸的Z轴(即，与基片(12)的顶面和底面正交)，在通路柱(11)的中心纵轴(Z轴)上具有与基片(12)的顶面和底面等距离的原点，并具有与正方形基片(12)的侧面平行延伸的X轴和Y轴。
图4示出在绕着Z轴旋转的不同垂直平面中测量的垂直辐射图案。例如，图4中的虚线代表ZX平面所定义的垂直平面的垂直辐射图案(phi＝0°)(如，在图1A中描绘的横截面切片)，并且实线代表垂直平面(切片)在phi＝45°时的辐射图案，所述垂直平面即为与Z轴相交并绕着Z轴从ZX和ZY平面旋转45°角的垂直平面。图4所示的垂直辐射图案接近于全方向图案，这是因接地面有限而引起的，尽管此辐射图案描绘可接受的全方向辐射图案。
根据本发明典型实施例的单极天线，如具有与图1A和1B所示相似框架的上述60GHz单极天线，可设计为具有相对较低的天线阻抗，用于希望低阻抗天线的特定应用中。实际上，例如，对熔融石英(介电常数＝3.8)中60GHz 1/4波长通路柱单极的模拟结果(如上所述)提供相对较低的天线阻抗(低至约10Ω)。根据本发明的低阻抗单极天线例如可用于单极天线连接到MMW(毫米波)功率放大器的输出的应用中，因为MMW功率放大器一般具有低输出阻抗。然而，具有相对较低阻抗的天线不适用于某些应用。例如，随着天线阻抗减小，诸如带宽的天线特性会受到不利的影响。进一步地，随着阻抗减小，整个电阻损耗增加。相应地，单极天线的效率随着天线阻抗的减小而减小，这使天线不适用于某些应用。
然而，有各种应用，希望采用具有更高天线阻抗(如50Ω、75Ω)的单极天线。根据本发明的典型实施例，有不同的方法，可用于构造其阻抗为预期应用进行优化的单极天线。例如，在本发明的一个典型实施例中，例如在具有与图1A所示相似框架的单极天线中，对于给定的谐振频率，可增加基片(12)的厚度(t1)，以便在更高的谐振(1/2波长或更大)下操作单极天线，这有效地增加天线阻抗。例如，假设60GHz 1/2波长单极天线具有图1A所示的框架，假设介电材料相同，那么，与具有图1A所示框架的60GHz 1/4波长单极天线的基片(12)的厚度(t1)相比，60GHz 1/2波长单极天线的基片(12)的厚度(t1)将增加大约2x(即，辐射通路柱(11)元件的长度将增加几乎两倍)。因而，对于希望的谐振频率，通过设计天线在更高的谐振模式下操作，可调节根据本发明实施例的单极天线的阻抗。
尽管可增加基片(12)的厚度(t1)以获得希望的天线阻抗，但根据应用，相对较厚的基片(12)可相反地影响天线特性(如增加阻抗和/或电阻损耗，带宽更小等)。而且，由于本领域半导体制作技术当前状态的限制，对于基片中通孔的形成，可获得的最大“纵横比”受到限制。从而，如果基片(12)太厚，形成的通路柱(11)具有太大的直径(如d1、d2)，这导致在天线馈送点更高的电容并存在高阶模态。另外，会发生多路谐振。
图2为示出根据本发明另一典型实施例的天线的示意图。图2中所示天线(20)与图1所示的天线(10)相似，不同的是天线(20)的辐射元件包括通路柱(11)以及在通路柱(11)端部上形成的垫或帽元件(21)。帽元件(21)例如由以下方法形成通过淀积用于形成通路柱(11)的相同导电材料层(如金)，并接着用本领域中技术人员已知方法对此导电层构图而形成帽元件(21)。在一个典型实施例中，帽元件(21)包括直径(d5)的圆垫，直径(d5)比通路柱(11)的直径(d1)更大。进一步地，在一个典型实施例中，帽元件(21)包括与通路柱(11)相同的圆心。在另一典型实施例中，帽元件(21)例如可以是正方形的。
帽元件(21)用于各种目的。例如，对于给定的谐振频率，帽元件(21)可用于有效地增加辐射元件的长度(即，增加通路柱(11)的长度)，以便例如提供1/2波长单极(第二谐振)，而不必增加基片(12)的厚度。
具体地，例如，对熔融石英(介电常数＝3.8)中60GHz 1/4波长通路单极的模拟结果(如上所述)提供相对较低的天线阻抗(低至约10Ω)。使用与以上模拟中相同的参数，但进一步包括直径(d5)＝350um的帽元件，来对60GHz半波长单极天线(具有图2所示框架)执行计算机模拟。此模拟结果在60GHz下产生大约75Ω的阻抗，并且产生60GHz到70GHz的“带宽”(它被定义为回波损耗比10dB更好的频率范围)。
相应地，对使用图1A-1B和图2典型框架形成的60GHz单极天线进行的以上模拟结果说明帽元件(21)(图2)可用于有效地增加辐射元件的长度，以在第二谐振下(在希望的谐振频率下)操作天线，并由此增加天线阻抗，同时维持相同的基片厚度(t1＝t2)，其中，图1A-1B和图2典型框架具有相同尺寸(如t1＝t2＝625um)和相同材料(熔融石英)的基片(12)。这是有利的，因为如上所述，相对较薄的基片能形成相对较小直径的通路柱。
进而，使用增加辐射元件长度并产生1/2(或更大)波长单极天线的帽元件(21)能有效地利用具有相对较高介电常数的材料，这进一步允许优化天线阻抗。例如，对于典型的使用熔融石英基片的60GHz 1/4波长单极天线(在第一谐振下工作)，如以上结合图1A所述的，不希望使用介电常数大于约4-5的介电材料，因为天线阻抗会因介电常数更高而减小得甚至更多(低于约10Ω)。然而，由于使用帽元件(21)获得的更高阻抗，图2的典型天线框架能使用介电常数比熔融石英更高的材料。
例如，在本发明的另一典型实施例中，可用图2的框架构造60GHz的单极天线，其中，天线(20)包括直径(d5)大约为350um的圆帽元件(21)以及由氧化铝(介电常数＝9.7)制成的厚度t2＝375um的基片(12)。在此典型实施例中，氧化铝基片的厚度(t2＝375um)比熔融石英基片的厚度(t2＝675um)明显更小，以补偿氧化铝更高的介电常数(9.7，与熔融石英的3.8相比)。在此典型实施例的计算机模拟中，产生从55GHz到65GHz的“带宽”(它被定义为回波损耗比10dB更好的频率范围)以及大约40Ω的天线阻抗。辐射图案与图4所示的相似。因而，以上模拟结果说明根据具体实施，例如，可通过改变辐射元件的长度(例如使用帽元件)和/或选择具有所希望介电常数的材料，来调节单极天线的天线阻抗。
使用帽元件(21)的另一优点是与对通路柱的长度(或基片厚度)进行轻微调节相反，通过拧帽元件(21)的尺寸(d5)，可精细调节单极天线的中心频率。具体地，例如，对于使用图2框架的给定天线设计，一旦对给定谐振频率选择基片材料和厚度，就可制作只稍微改变帽元件直径(d5)的各种天线原型。以此方式，可测试天线原型的电特性(如带宽、中心频率、阻抗等)，并且可选择具有最佳特性的原型进行批量生产。
应该理解，图2的单极天线是顶部加载单极天线框架的一个典型实施例，其中，天线辐射元件包括圆帽元件和导电通路元件，并且可根据本文描述构造其它的天线框架。例如，图7A-7D示出不同的天线设计，所述天线设计使用导电通路元件和包括金属带的帽元件来构造，其中，金属带作为金属接地面上的辐射元件。更具体地，例如，图7A示出典型的顶部加载单极，包括形成天线辐射元件的导电通路柱(70)和金属带帽元件(71)。进一步地，图7B示出包括导电通路柱(70)和两个等长度的金属带帽元件(72)和(73)，形成天线辐射元件。使用金属带作为帽元件允许通过修整金属带的端部来调节单极的长度，从而容易调节频率。
而且，使用金属带帽元件使得能用不同长度的帽元件来形成多频带天线。例如，如图7C所示，可设计具有以下天线辐射元件的双频带天线，所述天线辐射元件包括导电通路柱(70)以及不同长度的金属带帽元件(74)和(75)，其中，导电通路柱(70)和帽元件(74)具有使得天线能在第一谐振频率下工作的第一长度，并且其中，导电通路柱(70)和帽元件(75)具有使得天线能在第二谐振频率下工作的第二长度。
进一步地，图7D示出具有以下天线辐射元件的三频带天线设计，所述天线辐射元件包括导电通路柱(70)以及三个不同长度的金属带帽元件(76)、(77)和(78)。在此典型实施例中，导电通路柱(70)和帽元件(76)具有使得天线能在第一谐振频率下工作的第一长度，导电通路柱(70)和帽元件(77)具有使得天线能在第二谐振频率下工作的第二长度，并且，导电通路柱(70)和帽元件(78)具有使得天线能在第三谐振频率下工作的第三长度。
应该进一步理解，如图1A-1B和图2所示，根据本发明典型实施例的天线，可与IC芯片整体封装在相对较小的封装内，以构造RF或无线通信芯片。例如，图3为示出根据本发明典型实施例的用于整体封装天线和IC芯片的设备的横截面视图。一般而言，设备(30)包括具有图2所示框架的天线(20)，其中，天线(20)是使用多个焊球(35、36、37)接合到IC芯片(33)(如IC收发器)上的倒装芯片。IC芯片(33)用封装层(34)封装。设备(30)进一步包括多个夹在天线(20)和IC芯片(33)之间的被构图的绝缘和金属层，以便能形成天线(20)与IC芯片(33)之间以及设备(30)与载体基片(如PC板)的传输线之间的电连接，其中，设备(30)安装在载体基片上。
更具体地，在图3的典型实施例中，在天线基片的底面上(即，在构图的导电层(13)上)形成厚度(t3)的绝缘层(31)。在本发明的典型实施例中，绝缘层(31)例如由聚酰亚胺、氮化硅或其它适当的材料形成，并具有大约4-8um的厚度t3。绝缘层(31)包括多个在其中形成的导电通路(39)、(40)。导电通路(39)(或接地通路)连接到天线(20)与通路柱(11)相邻的接地面(13a)。在接地通路(39)上形成焊球(36)，用于把接地垫接合到IC芯片(33)的表面上。尽管在图3中只描绘两个导电接地通路(39)，但应该理解，可在接地面(13a)与通路柱(11)相邻的周边形成三个或多个接地通路(39)。另外，在绝缘层(31)中形成导电通路(40)，以连接到在通路柱(11)底部上形成的接触垫(13b)。在导电通路(40)上形成焊球(37)，用于接合到IC芯片(33)表面上的天线馈送垫或传输线。
进而，在绝缘层(31)上淀积导电层(32)(如金)，并构图形成各种接触垫/传输线(如32a、32b)，用于形成IC芯片(33)与PC板上其它组件如垫、传输线等之间的电连接。更具体地，例如，传输线(32a)和(32b)每一个都在其端部区域上形成焊球(35)和(38)，传输线(32a)和(32b)例如可用于制作接地、电源或I/O连接，其中，焊球(35)用于把传输线(32a、32b)接合到IC芯片(33)表面上的期望连接，并且，焊球(38)用于把传输线(32a、32b)接合到PC板上的期望连接。在此典型实施例中，PC板可制作成具有插入封装IC芯片(33)的切口以及多个构图的接触垫/传输线，其中，当设备(30)插入并牢固安装在PC板中时，接触垫/传输线与焊球(38)接触。
在基于图2天线框架的本发明另一典型实施例中，天线元件的尺寸如下d1约300um、d2约150um、d3约100um、d4约200um、d5约250um-450um，并且焊球(35、36、37、38)的直径(t4)为约100um。
在本发明的其它典型实施例中，设备(30)包括用于匹配天线(20)阻抗的阻抗匹配网络以及IC芯片(33)上的装置/电路(如功率放大器)。例如，在一个典型实施例中，阻抗匹配网络(如传输线)可在IC芯片(33)上整体形成。例如，在图3的典型实施例中，焊球(37)可接合到在IC芯片(33)上形成的传输线的一端，其中，传输线设计为在天线和连接到传输线另一端的装置/组件之间提供电感性/电容性阻抗匹配。
在本发明的又一典型实施例中，可用插入层(31、32)形成阻抗匹配网络。例如，可在金属层(32)上构图阻抗匹配传输线(微波传输带)。在此实施例中，尽管未在图3中具体示出，导电通路(40)连接到从导电层(31)构图形成的微波传输带的一端(与上述通过焊球(37)直接接合到IC芯片(33)相对)，并且，微波传输带的另一端(通过焊球)接合到IC芯片(33)的另一区域。
而且，在本发明的其它典型实施例中，例如可用插入层(31、32)形成其它支持电路，如滤波器。实际上，基于本文描述，本领域中技术人员容易想到可在此实施的用于提供阻抗匹配、滤波或其它功能的其它方法、装置或电路。
应该理解，根据本文论述而构造的任何高频天线(如，大约20GHz或更大)可用于构造集成通信芯片，并且，利用图3中天线(20)只是本发明的一个典型实施例。另外，图3中所示IC芯片(33)包括集成收发器芯片、集成接收器芯片、集成发送器芯片等、和/或其它包括实施通信芯片封装所需支持电路的IC芯片。
进一步地，在图3的典型集成装置中，基片(12)可用作封装(30)的覆盖物，从而，在天线(20)的顶部上没有其它的有损耗材料来降低效率。进一步地，由于天线的基片(12)的介电常数比空气/真空的更高，因此，EM(电磁)场趋向于保持在基片(12)内部，因而，辐射能量的有效部分从天线(20)未被覆盖的侧面向外辐射。
本领域中技术人员容易理解与根据本发明实施例的天线和集成天线封装相关的各种优点。例如，用于构造天线的典型方法采用在基片中形成导电通路的准确和有效的技术，这能实现大量天线制造能力。进一步地，通过使单极元件(通路柱11)嵌入在基片(12)中并因此受保护，免于损坏，根据本发明的天线设计是坚固的，并容易与无线装置(如WPAN装置)一起使用。
而且，根据本发明典型实施例的集成IC封装使天线与IC芯片如收发器芯片整体封装，这在收发器和天线之间提供非常低损耗的紧凑设计。另外，此设计不必用高频输入和输出信号来使用收发器芯片。另外，根据本发明的天线和集成天线封装实现许多应用，如集成相控阵天线系统、个人区域网络、RADAR馈送、由于冗余而导致的高可靠性、点对点系统等。而且，使用根据本发明的集成天线/IC芯片封装节省有效空间、尺寸、成本和重量，这实际上对于任何商业或军事应用都是极佳的。
应该理解，图1A-1B、2和3的典型实施例仅仅是根据本发明的天线和IC封装的典型实施例，本领域中技术人员容易想到使用本发明的装置和方法可构造其它的天线类型并使之与IC芯片一起封装。
例如，图5示出根据本发明另一典型实施例的天线。更具体地，图5示出反F形天线(50)，天线(50)包括具有导电层(52)的基片(51)，导电层(52)被构图，以形成接地面(52a)和接触垫(52b)。天线(50)的辐射元件包括在基片(51)中形成的第一导电通路(54)和第二导电通路(55)、以及连接到第一和第二导电通路(54)和(55)的顶部元件(56)(金属带)。在一个实施例中，顶部元件(56)是通过在基片(51)的顶部上淀积导电层并对其构图而形成的金属带。第一通路(54)连接到接地面(52a)，并用于使天线接地，并且，第二导电通路(55)连接到接触垫(52b)，并用于向天线馈送。反F形天线的操作在本领域中是众所周知的。
另外，在本发明的其它典型实施例中，天线可设计为在天线基片的一个完整表面上不必包括导电接地面。例如，图6为示出导电通路元件(60)的底部以及在平面基片底面上形成的接地元件，其中，接地元件包括辐射元件(61)和环形元件(63)。
而且，图8A和8B示出根据本发明另一典型实施例的天线设计，所述天线设计不要求在天线基片的表面上形成接地面。具体地，图8A和8B示出典型的偶极天线(80)，通过层叠两个其中形成导电通路的基片，并从两个基片之间向天线馈送而构造偶极天线(80)。更具体地，如图8A所示，天线(80)包括第一基片(81)，第一基片(81)包括辐射元件，辐射元件包括在基片(81)中形成的导电通路柱(82)以及在基片(81)表面上形成的帽元件(83)。另外，第二基片(84)包括辐射元件，辐射元件包括在基片(84)中形成的导电通路柱(85)以及在基片(84)表面上形成的帽元件(86)。基片(81)和(84)相互层叠，在基片之间形成用于向天线(80)馈送的差分馈送部分(87)。
图8B示出图8A中天线(80)沿着直线8B-8B剖分的横截面视图。如图所示，导电通路柱(82)和(85)相互偏移，使差分馈送部分(87)的第一馈送元件(87a)与导电通路柱(85)的底部接触，并且第二馈送元件(87b)与导电通路柱(82)的底部接触。
进而，图9A和9B示出根据本发明又一典型实施例的天线设计，所述天线设计不要求在天线基片的表面上形成接地面。具体地，图9A和9B示出典型的90°偶极天线(90)，用一个基片和差分馈送部分构造天线(90)。更具体地，如图9A所示，天线(90)包括基片(93)，基片(93)具有导电通路柱(91)和在基片(93)底面上形成的差分馈送部分(92)。图9B为天线(90)的仰视图，示出连接到差分馈送部分(92)的第一馈送元件(92b)的导电通路元件(91)的底部以及形成为与第一元件(92b)平行延伸但不直接连接到通路柱(91)的第二馈送元件(92a)。
图10为示出根据本发明典型实施例的设备(100)的横截面视图的示意图，设备(100)用于整体封装图9A和9B的典型天线(90)与IC芯片(101)。通常，设备(100)包括使用多个焊球(103)接合到IC芯片(101)(如IC收发器)上的天线(90)，以便把差分馈送部分(92)的馈送元件连接到IC芯片(101)上的线路、触点等。IC芯片(101)接合到封装基底(102)。一根或多根接合线(105)用于在IC芯片(101)和封装基底(102)之间实现I/O连接。IC芯片(101)与天线(90)用封装层(104)封装，其中，天线(90)包括辐射元件(91)的部分从封装的侧壁伸出。
进而，在本发明的另一典型实施例中，天线可构造为具有在基片中形成的两个或多个通路的阵列，以便向天线提供聚束或射束控制天线应用所需的方向性。一般而言，使用相控阵天线可获得定向天线射束图案，其中，控制每个通路柱元件的输入信号相位，以便电子扫描定向天线图案或把定向天线图案操纵到所希望的方向上。定向天线应用，如点对点系统或RADAR系统，也是聚焦天线的核心。进而，应该理解，根据本发明典型实施例的天线设计不仅可用于MMW应用，也能以更低的频率使用。例如，可通过在相对较厚的PC板(如FR4)中形成通路而构造低频单极天线。
尽管在此为了便于说明而结合附图描述典型实施例，但应该理解，本发明不局限于这些精确的实施例，并且，只要不偏离本发明的范围，本领域中技术人员在此可实施各种其它的变化和变更。
权利要求
1.一种天线，包括基片；以及至少一个辐射元件，所述辐射元件包括在基片中形成的导电通路柱。
2.如权利要求1所述的天线，进一步包括在基片的一个表面上形成的接地面。
3.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线是全方向天线或定向天线。
4.如权利要求2所述的天线，进一步包括阻抗匹配网络，其中，阻抗匹配网络包括在接地面上形成的绝缘层；以及在绝缘层上形成的导电层，其中，导电层被构图，以形成阻抗匹配网络。
5.如权利要求4所述的天线，其中，阻抗匹配网络包括传输线。
6.如权利要求1所述的天线，其中，所述天线具有大约20GHz或更大的谐振频率。
7.如权利要求1所述的天线，其中，至少一个辐射元件进一步包括在导电通路柱的一端上形成的帽元件。
8.如权利要求1所述的天线，其中，所述基片包括印刷电路板。
9.如权利要求1所述的天线，其中，所述基片由介电材料或半导体材料构成。
10.一种具有如权利要求1所述的天线的无线装置。
11.一种包括如权利要求1所述的天线的集成电路封装。
12.一种集成通信装置，包括IC(集成电路)芯片；以及接合到IC芯片的天线，所述天线包括基片；以及至少一个辐射元件，所述辐射元件包括在基片中形成的导电通路柱。
13.如权利要求12所述的装置，其中，IC芯片包括收发器、接收器或发送器。
14.如权利要求12所述的装置，进一步包括在天线和IC芯片之间用于提供电互连的多个构图层。
15.如权利要求14所述的装置，其中，多个构图层包括在接地面上形成的绝缘层，其中，接地面在天线基片的一个表面上形成；以及在绝缘层上形成的导电层，其中，导电层被构图，以形成多个接触垫或传输线。
16.如权利要求15所述的装置，其中，绝缘层包括在其中形成的多个接地通路，其中，接地通路在IC芯片和天线的接地面之间提供接地连接。
17.如权利要求15所述的装置，其中，绝缘层包括在其中形成的馈送通路，其中，馈送通路提供对天线辐射元件的连接。
18.如权利要求15所述的装置，进一步包括由多个构图层形成的阻抗匹配网络。
19.如权利要求18所述的装置，其中，阻抗匹配网络包括在导电层上构图的微带传输线。
20.如权利要求12所述的装置，其中，所述天线是全方向天线或定向天线。
21.如权利要求12所述的装置，其中，所述天线具有大约20GHz或更大的谐振频率。
22.如权利要求12所述的装置，其中，所述天线的至少一个辐射元件进一步包括在与接地面相对的导电通路柱上形成的帽元件。
23.一种具有如权利要求12所述的集成装置的无线装置。
24.如权利要求12所述的装置，其中，所述天线的介电层用作集成装置的覆盖物。
25.如权利要求12所述的装置，其中，所述天线进一步包括在基片的一个表面上形成的接地面。
26.一种用于构造天线的方法，所述方法包括以下步骤提供具有第一表面和第二表面的基片，第一和第二表面限定基本平行的平面；以及形成辐射元件，其中，形成辐射元件包括在第一和第二表面之间形成贯穿基片的通孔，并且用导电材料填充通孔，以形成导电通路柱。
27.如权利要求26所述的方法，进一步包括在基片的第一表面上淀积第一导电层；以及对第一导电层构图，以形成与导电通路柱电绝缘的接地面。
28.如权利要求27所述的方法，进一步包括对第一导电层构图，以在导电通路柱的一个端部上形成接触垫，其中，接触垫与接地面电绝缘。
29.如权利要求26所述的方法，其中，形成辐射元件进一步包括在基片的第二表面上淀积第二导电层；以及对第二导电层构图，以形成与导电通路柱的一个端部电连接的帽元件。
30.如权利要求28所述的方法，进一步包括在构图的第一导电层上淀积绝缘层；在绝缘层上淀积第三导电层；以及对第三导电层构图，以形成一个或多个接触垫和/或传输线。
31.如权利要求30所述的方法，进一步包括在绝缘层中形成多个接地通路，其中，接地通路电连接到接地面。
32.如权利要求31所述的方法，进一步包括在每个接地通路上和在构图的第三导电层的一个或多个接触垫或传输线上形成焊球。
33.如权利要求32所述的方法，进一步包括使用一个或多个焊球把天线接合到IC芯片。
34.一种用于构造集成通信设备的方法，包括以下步骤提供天线，所述天线包括基片和至少一个辐射元件，其中，所述辐射元件包括在基片中形成的导电通路柱；形成插入物装置；以及使用插入物装置把IC(集成电路)芯片连接到天线。
35.如权利要求34所述的方法，其中，所述天线进一步包括在基片的一个表面上形成的接地面。
36.如权利要求35所述的方法，其中，形成插入物装置包括在具有接地面的天线基片上淀积绝缘层；在绝缘层上淀积导电层；对导电层构图，以形成一个或多个接触垫和/或传输线；在绝缘层中形成多个接地通路，接地通路电连接到接地面；以及在绝缘层中形成馈送通路，馈送通路电连接到导电通路柱。
37.如权利要求36所述的方法，进一步包括在每个接地通路上和在构图的第三导电层的一个或多个接触垫或传输线上形成焊球。
38.如权利要求37所述的方法，其中，使用插入物装置把IC芯片连接到天线的步骤包括使用一个或多个焊球把天线接合到IC芯片。
全文摘要
本发明涉及使用基片中的通路作为辐射元件而构造天线的设备和方法，提供一种使用在基片中形成的一个或多个导电通路柱作为辐射元件而构造的天线。所述天线与IC芯片(如，IC收发器、接收器、发送器等)整体封装，以建立集成的无线或RF(射频)通信系统。
文档编号H01Q9/04GK1627562SQ20041008609
公开日2005年6月15日 申请日期2004年10月21日 优先权日2003年12月9日
发明者布赖恩·保罗·高谢尔, 刘兑现, 尤尔里奇·理查德·鲁道夫·普费佛, 托马斯·马丁·兹维克 申请人:国际商业机器公司