专利名称：带有集成无源元件的硅基封装装置的制作方法
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-temperature co-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RFSiP。 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，Antenna Switch 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^^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 and Microengineering,13 (2003) S139國S163中发表的文章"MEMS for wireless communication: 'from RF-MEMS component to RF-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 and Innovation"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栽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
曰>^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 大恥漠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。发明内容本发明提供了一种用于生成硅基封装的方法，所述硅基封装带有 用于i/o信号的通孔、无源元件和天线，并具有用于高频应用的被保 护RFIC，这些部分都组合到一个单独模块中。这种封装方法也可以 包含其他无源器件，例如RF-MEMS开关、电感、固定或可变电容， 同时保证最小的占用面积(footprint)。对于可能需要受保护以免受 环境损害的器件，在晶圆接合(bonding)过程中使用金属对金属的接 合来实现对RFIC芯片和MEMS器件的密封。本发明进一步提供一种包括内插件的装置，该内插件包含具有上 和下表面的衬底，上表面具有至少一个用于形成天线结构的一部分的 空腔，内插件包含从上表面到下表面的导电通孔，该导电通孔在下表 面处适合用来与电信号源和电压源相耦合；顶端Si部件，具有位于下 表面上的互连导线，并具有用于在其上电气安装集成电路芯片的第一 焊盘，该顶部Si部件具有位于下表面上的第二焊盘，与位于内插件的 上表面的多个导电通孔相配合，并且具有位于空腔上方的天线，用于 在顶端Si部件与内插件配合时形成天线结构，本发明还对采用了使用常规IC制造或表面微机械加工技术制造 的RF无源元件和集成天线的毫米波系统提供了一种改进的封装。本发明还提供了将RF无源元件从RFIC芯片传送到封装的多种 选择，以便实现互连技术的灵活性。本发明进一步提供了一种全Si方法，显著克服了在RFIC和所采 用的封装材料之间典型存在的TCE失配问题，
附图的简要说明通过下面结合附图对本发明所进行的详细描述，本发明的上述和其它特征、目的和优点将变得清楚，在附图中
图1是完整的低配硅基封装剖面图，包含RFIC、集成MEMS 发送/接收开关和天线。该附图没有按比例绘制。图2是完整的硅基封装剖面图，包含RFIC、集成MEMS发送/ 接收开关和天线，其中RFIC芯片未包含在封装中。这种方法允许大 功率RFIC器件通过外部的冷却方法冷却。该附图没有按比例绘制。图3A是硅基封装剖面图，其中天线以上的区域/区用不同于Si 的、具有所需特性的合适的材料回填。这将允许使用更厚的天线衬底， 使得机械上更坚固。图3B是硅基封装剖面图，其中天线以上的区域/区被合适的电介 质材料回填，以在天线上生成一个透镜。图4A是硅基封装剖面图，该封装带有一个具有所需几何形状的、 用于转变传播天线信号方向角度的成形的反射器。图4B是硅基封装剖面图，该封装具有一个用于聚焦天线传播信 号的成形的天线反射器；图5A是硅基封装剖面图，该封装具有一个侧馈(edge-launched) 天线结构。这种方法不需要天线空腔底部的反射器。图5B是图5A所示的侧馈天线结构的顶视图。
具体实施方式
在本发明的第一实施例中，将两个或更多用硅制造的部件，包括 RFIC芯片、RFIC芯片空腔、天线空腔、通孔、天线和利用微机械加 工技术制造的无源器件组合到一个封装中。然后将这些部件接合到一 起，生成一个总括全部的硅基毫米波封装，如图1所示。该封装的下 部由下列组成内插件l，用Si制造，带有用于RFIC芯片21和天线 结构22的蚀刻空腔，以及通孔3，用于外部I/0连接，如电源和控制 电压等。为确保适当的天线效率和所需的性能，天线下面的空腔涂覆
有金属41。涂覆于空腔底部的金属的作用是将天辐射反射回天线结构 22，同时涂覆有金属的空腔壁42确保辐射信号不会传播到Si村底1 中，有效地减少了对其它有源元件的电磁辐射并改善天线结构22的效 率。类似地，用于RFIC芯片的空腔21也可以涂覆金属43以利于屏 蔽。根据应用目的，天线5系统可以使用简单至一对折叠偶极子，或 复杂至相控天线阵列。对于印刷电路板的附着，通孔3结合C4或BGA 焊盘31使用。内插件1的厚度为450至500微米。通孔3可以是环形 的，包括Cu或W，其直径为125至175微米，优选150微米。金属 涂层41和43可以是Cu。组合封装(内插件1和顶端Si部件6)和 天线结构可以工作在1至lOOGHz频率范围内，优选的是30至 lOOGHz。除了用于内插件l和顶端Si部件6的Si材料，也可以使用 石英材料。顶端Si部件6包含互连导线71-74、 MEMS器件8、和内嵌的或 制造在电介质12顶部的天线5。顶端Si部件可以是一片薄Si衬底， 厚度为150至450微米。互连导线71-74和/或电介质12的厚度可以 是5至10微米。互连导线71-74可以用与形成在芯片上的集成电路芯 片导线或后段工艺(back of the line, BEOL )导线相同的方式制成。 在大部分RF应用中，期望在顶端Si部件6中使用高阻Si以改善天线 辐射并减少与耗散到导电Si层中的电磁辐射相关的损失。在接合两个 Si部件l和6之前，使用常规的C4突块(bump )附着或使用微型突 块10将RFIC芯片9芯片倒装接合到顶端部件。如有必要，对RFIC 芯片9和MEMS器件8的组合密封可以通过使用由与用于接合焊盘 32的金属相同的接合金属组成的密封环11实现，用于信号从通孔3 到在顶端Si部件6上的焊盘71的传播。如果仅有MEMS器件8需要 密封，举例来说，可以使用分离的接合或包括金锡的密封环111。可以并排地复制图1来展示一个相接合的内插件和顶端Si部件 的阵列，其中内插件1和顶端^部件6贯穿整个阵列是>^共的，这样 该阵列具有多个空腔，用于形成多个天线结构、多个天线、多个集成 电路芯片(RF-IC)和多个互连导线各自的部分。
在笫二实施例中，如图2所示，RFIC芯片9没有嵌入Si内插件 l的空腔中，而是接合到顶端Si部件6后表面上的互连层75。这种方 法在大功率应用时有用，那种情况下RFIC可能需要额外的冷却。在另一实施例中，如图3A所示，可以使用一个更厚的常规的非 高阻顶端Si部件或衬底61，还可以包括电介质材料131，适用于确保 和增强适当的天线性能。图3B所示的是包含用于会聚天线信号传播的透镜状内嵌电介质 132的顶端Si部件或衬底6。在另 一实施例中，天线结构22具有一个如图4A所示形状的反射 器空腔。反射器空腔有一个平坦的底表面，其以与内插件l上表面相 交的角度倾斜，用于引导天线传播信号。在图4B中，空腔有一个相 对内插件l上表面凹陷的底表面，用于会聚天线信号能量。图5A和5B所示的是使用了侧馈天线结构5的另一实施例。尽管描述的例子只说明了将MEMS开关与天线组合到一个密闭 封装中，这种硅基封装方法能够进一步包括几乎任何所需的常用于RF 频率(l-100GHz)的无源元件组。例如，其他的应用可能包括大或小 容量的去耦/旁路电容，高Q因数、大电感值的电感，电阻，谐振器和 滤波器(微机械加工的、压电的、空腔的或LC)，并且高性能互连 都可以集成到Si封装中。利用各种半导体技术制造的有源RFIC芯片 可以附着到这个封装。这种方法相比常规封装方法的另一个益处是避免了热膨胀失配 应力，因为大多数或者所有元件都由Si制造。第二，同时使用集成电 路(IC)处理技术和Si微机械加工相比利用低温共烧陶瓷(LTCC) 衬底、PCB或其它塑料封装技术构成的器件，可以制造具有小得多的 i殳计^^差的RF无源元件。尽管描述并说明的Si基封装包含RFIC芯片、互连导线、通孔、 MEMS器件和天线，对于本领域技术人员，很明显的是可以作出各种 修改和变化而不偏离本发明的广阔范围，而本发明的范围应仅由所附 的权利要求所限制。
权利要求
1、一种装置，包括内插件，包括具有上和下表面的衬底，所述上表面具有至少一个用于形成天线结构的一部分的空腔，所述内插件包括从所述上表面到所述下表面的导电通孔，所述导电通孔在所述下表面处适合用来与电信号源和电压源相耦合，顶端Si部件，具有位于下表面上的互连导线并具有用于在其上电气安装集成电路芯片的第一焊盘，所述顶端Si部件在所述下表面上具有与位于所述内插件的所述上表面的多个导电通孔相配合的第二焊盘，并且具有位于所述空腔上的天线，用于在所述顶端Si部件与所述内插件配合时形成所述天线结构。
2、 如权利要求1所述的装置，其中，所述内插件具有至少一个 空腔用于接纳集成电路芯片，并且其中所述第一焊盘被放置成使得当 所述顶端Si部件与所述内插件配合时，所述集成电路芯片被置于所述 空腔内。 ，
3、 如权利要求2所述的装置，其中，所述内插件和所述顶端Si 部件被接合在一起以形成至少包围所述集成电路芯片的外围密封。
4、 如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个空腔中的至 少一个具有涂覆有导体的底表面。
5、 如权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个空腔中的至 少一个具有底表面和多个涂覆有导体的侧壁。
6、 如权利要求2中的装置，其中，所述至少一个用于接纳集成 电路芯片的空腔具有多个涂覆有导体的侧壁以提供对所述的天线结构 的屏蔽。
7、 如权利要求5所述的装置，其中，所述至少一个用于接纳集 成电路芯片的空腔具有多个涂覆有导体的侧壁。
8、 如权利要求1所述的装置，进一步包括MEMS器件，该MEMS器件位于所述顶端Si部件上并被耦合在所述集成电路芯片和所述天线结构之间。
9、 如权利要求1所述的装置，其中，所述集成电路芯片具有频 率在1至100GHz范围内的RF电信号。
10、 如权利要求1所述的装置，其中，所述内插件从由Si和石 英组成的组中选择。
11、 如权利要求10所述的装置，其中，所述顶端Si部件从由Si 和石英组成的组中选择，由此所述顶端Si部件的热膨胀系数与所述内 插件的热膨胀系数相匹配。
12、 如权利要求1所述的装置，其中，所述顶端Si部件包括电 介质材料区域，该区域在所述天线结构的一部分之上从所述下表面延 伸到上表面，以增强适当的天线性能。
13、 如权利要求1的装置，其中，所述顶端Si部件包括电介质 材料区域，该区域被成形为在所述天线结构之上形成透镜，以会聚天 线信号的传播。
14、 如权利要求l所述的装置，其中，所述空腔具有一个相对于 所述内插件的所述上表面有一倾斜角度的平坦底表面。
15、 如权利要求l所述的装置，其中，所述空腔具有一个弯曲的 底表面，用于会聚天线信号的传播。
16、 如权利要求l所述的装置，其中，所述天线包括两个分隔开 的、其间间隔从一端到另一端增加的电极，以提供远离所述分隔开的 电极的天线信号传播，其中在所述电极的平面中所述间隔最大。
17、 如权利要求3所述的装置，其中，所述的外围密封是金属对 金属的密封。
18、 如权利要求17所述的装置，其中，所述的外围密封围绕所 述内插件所述上表面的边缘延伸。
19、 如权利要求l所述的装置，其中，所述互连导线包括多个层， 所述的层由电介质和金属导体组成，所述的层分隔开并由过孔互连。
20、 如权利要求l所述的装置，进一步包括用于形成多个天线结构、多个天线、多个集成电路芯片、和多个互连导线各自的部分的多 个空腔。
全文摘要
描述了一种装置，结合了具有用于天线结构的一部分的空腔和导体通孔的内插件，具有互连导线和用于在其上电气安装集成电路芯片的焊盘的顶端Si部件，其中顶端Si部件在电气上和机械上与内插件配合。内插件和顶端Si部件可以堆叠以提供一个功能单元的阵列。本发明克服了在信号频率从1至100GHz的Si封装内结合高效率天线和集成电路芯片的问题，克服了屏蔽邻近天线的元件的问题，并减少了由TCE失配产生的应变。
文档编号H01L23/488GK101118890SQ200710109609
公开日2008年2月6日 申请日期2007年6月7日 优先权日2006年8月3日
发明者克里斯托弗·V.·贾尼斯, 刘兑现, 奇拉格·S.·帕特尔, 尤尔里奇·R.·费弗, 尼尔斯·D.·霍维克, 布赖恩·保罗·高谢尔, 约翰·M.·库特, 约翰·U.·尼克博克, 约翰·哈罗德·麦格莱恩, 考内利亚·K.-I·曾, 贾内斯·格兹布 申请人:国际商业机器公司