硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法与流程

本发明涉及硅基封装技术，具体而言，涉及一种硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法。

背景技术：

随着5g通信、微波雷达、汽车雷达、太赫兹(thz)等应用领域的扩展，对电子系统高集成度、轻小型化需求不断提升。特别是应用频率越来越高，封装天线(aip)技术既可以很好的兼顾天线性能，又能降低体积，相比片上天线又降低了成本，因此为系统级无线芯片提供了良好的天线解决方案。业内相继出现了以谷歌projectsoli手势识别雷达aip芯片(2015年发布)和qualcomm28ghzaip(2017年发布)为代表的产品应用，主要采用贴片天线形式。贴片天线的好处是采用平面工艺，与半导体、基板或pcb工艺兼容，容易实现，但介质和金属损耗影响其在毫米波、太赫兹高频段应用。

喇叭天线与贴片天线相比，喇叭天线适用更宽的频带，辐射效率也更高。早期的aip天线大多基于ltcc结合化合物芯片实现系统集成。ntt成功研发了用于300ghz发射机芯片的aip结构。该aip设计采用ltcc工艺，其中喇叭天线尺寸为5×5×2.7mm3，最大实现增益为18dbi，带宽达100ghz。采用ltcc工艺实现的aip天线采用多层陶瓷片堆叠烧结工艺，并采用金属化的过孔(via)来实现代替传统喇叭内壁金属化。虽然其中的过孔个数与天线辐射效果相关，但受工艺能力限制不能完全满足天线辐射效果要求。且采用陶瓷基板工艺实现的工艺不便于实现3d集成，工艺精度有限，成本也较高。

晶圆级技术的引入使得系统更轻，与半导体工艺兼容，更容易实现3d集成。northropgrummancorporation公司2013年报道了采用koh刻蚀1mm厚的硅片制作喇叭，这种方法制备的侧壁光滑，形成喇叭天线的倾角为54.73度，采用溅射金的方式覆盖于喇叭天线内壁。实现的天线工作在300-360ghz，仿真的增益为12dbi，3db波束宽度为32度*38度。该天线采用mems工艺实现，且金属内壁材料为金，成本较高。而且mems工艺下互连线条通常简单，不适合于喇叭天线与芯片高密度集成应用。

因此，现有技术中亟需提供一种全新的硅基喇叭封装天线系统集成结构，使其制备工艺能够适用于喇叭天线与芯片高密度集成应用。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种硅基喇叭封装天线系统集成结构及其制备方法，以提供一种适用于喇叭天线与芯片集成的系统集成结构。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构，包括：第一硅基板结构，具有第一硅基板、第一重布线层和导电通道，第一重布线层设置于第一硅基板的一侧，导电通道贯穿第一硅基板并与第一重布线层连接；第二硅基板结构，设置于第一重布线层远离第一硅基板的一侧，第二硅基板结构具有第二硅基板、第二重布线层和喇叭口结构，第二重布线层位于第二硅基板靠近第一硅基板的一侧，喇叭口结构具有朝远离第一硅基板一侧开口的喇叭口，喇叭口贯穿第二硅基板，且喇叭口结构还具有位于喇叭口中并覆盖第二硅基板的导电层，导电层与第二重布线层连接；键合层，设置于第一硅基板结构与第二硅基板结构之间，并分别与第一重布线层和第二重布线层连接；至少一个芯片，设置于第一硅基板结构与第二硅基板结构之间，且各芯片与第一重布线层或第二重布线层连接。

进一步地，第二硅基板结构还具有绝缘介质层，绝缘介质层中的至少部分覆盖于导电层的全部表面。

进一步地，沿平行于第一硅基板的方向上喇叭口的截面为圆形或正方形。

进一步地，第二硅基板结构为多个且沿远离第一硅基板结构的方向依次叠置，各第二硅基板结构中的第二硅基板平行设置，且各第二硅基板结构中的喇叭口的截面尺寸沿远离第一硅基板的方向上依次增大。

进一步地，沿平行于第一硅基板的方向上喇叭口的两端具有第一开口截面和第二开口截面，同一个喇叭口的第一开口相对于第二开口靠近第一硅基板设置，沿远离第一硅基板的方向上，后一个喇叭口的第一开口截面的尺寸大于前一个喇叭口的第二开口截面的尺寸。

进一步地，第一硅基板靠近第二硅基板的一侧具有凹槽，芯片设置于凹槽中。

进一步地，第一硅基板结构还包括：第三重布线层，设置于第一硅基板远离第一重布线层的一侧；焊球，设置于第三重布线层的远离第一硅基板一侧，且焊球通过第三重布线层与导电通道连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构的制备方法，包括以下步骤：形成贯穿第一硅基板的导电通道，并在第一硅基板的一侧表面形成第一重布线层，以使第一重布线层与导电通道连接，得到第一硅基板结构；形成贯穿第二硅基板的喇叭口，在喇叭口中形成覆盖第二硅基板的导电层，并在第二硅基板的一侧表面形成第二重布线层，以使导电层与第二重布线层连接，得到第二硅基板结构，喇叭口朝远离第二重布线层的一侧开口；使至少一个芯片与第一重布线层或第二重布线层连接，并将第一重布线层与第二重布线层连接，以使喇叭口位于第二硅基板远离第一硅基板的一侧。

进一步地，形成第一硅基板结构的步骤包括：提供第一硅晶圆，第一硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面，在第一硅晶圆中形成与第一表面连通的导电孔道，优选形成导电通道的材料为cu；提供第一硅晶圆，第一硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面，在第一硅晶圆中形成与第一表面连通的导电孔道，优选形成导电通道的材料为cu；沿第二表面减薄第一硅晶圆，以使导电孔道远离第一表面的一端裸露，得到第一硅基板，导电孔道贯穿第一硅基板形成导电通道。

进一步地，形成第一硅基板结构的步骤还包括：在导电通道远离第一表面的一侧形成第二层间介质层，并在第一层间介质层中形成布线结构以得到第三重布线层，其中导电通道与第三重布线层连接，优选形成第三重布线层的材料为cu；在第二层间介质层表面形成与第三重布线层连接的焊球。

进一步地，形成第二硅基板结构的步骤包括：提供第二硅晶圆，第二硅晶圆具有相对的第三表面和第四表面，在第二硅晶圆中形成与第三表面连通的喇叭口，并在喇叭口中形成覆盖第二硅晶圆的导电层；形成至少部分覆盖导电层表面的绝缘介质层，并沿第四表面减薄第二硅晶圆，以使绝缘介质层的部分表面裸露，得到第二硅基板，喇叭口贯穿第二硅基板，第二硅基板减薄后的表面与绝缘介质层的裸露表面构成第五表面；在第五表面形成第三层间介质层，并在第三层间介质层中形成布线结构以得到第二重布线层，其中导电层与第二重布线层连接。

进一步地，形成第一硅基板结构的步骤还包括形成与第一重布线层连接的第一键合部，形成第二硅基板结构的步骤还包括形成与第二重布线层连接的第二键合部，将第一键合部与第二键合部连接，以使第一重布线层与第二重布线层键合。

应用本发明的技术方案，提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构，该结构包括传输线馈入结构、波导模式转换结构和喇叭口辐射结构，其中，第一硅基板结构中的部分第一重布线层作为传输线馈入结构中的高频传输线，剩余第一重布线层、键合层和第二重布线层构成上述波导模式转换结构，键合层用于从高频传输线的tem模式转换成喇叭天线的主模或高阶模式，波导模式转换结构与传输线馈入结构互连，用于电磁波向喇叭天线的馈入，第二硅基板结构中的喇叭口构成上述喇叭口辐射结构，用于高频电磁波向外辐射。上述系统集成结构实现了喇叭天线与芯片的集成，还能够适用于喇叭天线与芯片高密度集成应用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施方式所提供的一种硅基喇叭封装天线系统集成结构的示意图；

图2示出了图1所示的系统集成结构中喇叭口截面为正方向时的俯视结构示意图；

图3示出了图1所示的系统集成结构中键合层分别为圆形和正方向时的俯视结构示意图；

图4示出了本发明实施方式所提供的另一种硅基喇叭封装天线系统集成结构的示意图；

图5示出了本发明实施方式所提供的一种具有两层第二硅基板结构的硅基喇叭封装天线系统集成结构的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、第一硅基板结构；110、第一硅基板；111、凹槽；120、第一重布线层；130、导电通道；140、第三重布线层；150、焊球；20、第二硅基板结构；210、第二硅基板；220、第二重布线层；230、喇叭口；240、绝缘介质层；30、键合层；310、第一键合部；320、第二键合部；40、芯片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中天线采用mems工艺实现，且金属内壁材料为金，成本较高。而且mems工艺下互连线条通常简单，不适合于天线与封装高密集成应用。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构，包括第一硅基板结构10、第二硅基板结构20、键合层30和至少一个芯片40。

在上述系统集成结构中，如图1所示，第一硅基板结构10具有第一硅基板110、第一重布线层120和导电通道130，第一重布线层120设置于第一硅基板110的一侧，导电通道130贯穿第一硅基板110并与第一重布线层120连接；第二硅基板结构20设置于第一硅基板110靠近第一重布线层120的一侧，第二硅基板结构20具有第二硅基板210、第二重布线层220和喇叭口结构，设置于第一重布线层120远离第一硅基板110的一侧，喇叭口结构还具有朝远离第一硅基板110一侧开口的喇叭口230，喇叭口230贯穿第二硅基板210，且喇叭口结构还具有位于喇叭口230中并覆盖第二硅基板210的导电层，导电层并与第二重布线层220连接；键合层30设置于第一硅基板结构10与第二硅基板结构20之间，并分别与第一重布线层120和第二重布线层220连接；至少一个芯片40设置于第一硅基板结构10与第二硅基板结构20之间，且各芯片40与第一重布线层120或第二重布线层220连接。

上述系统集成结构是采用晶圆级铜工艺集成高频微系统得到的，能够实现大深宽比的硅通孔tsv垂直互连以及多层布线层，相比基于mems工艺得到的系统集成结构，可集成的芯片io数更多，互连密度更高。

在本发明的上述系统集成结构中，可以通过在第一硅基板110的喇叭口230表面溅射或电镀一层或多层cu等金属材料形成上述导电层；上述第一硅基板结构10与上述第二硅基板结构20可以通过晶圆级铜互连工艺形成，此时，上述第一重布线层120、上述导电通道130和上述第一重布线层120中的导电材料为cu；优选地，上述用于形成喇叭口230的金属材料为cu。相比常采用的au金属的mems工艺，采用晶圆级铜互连工艺制备得到的系统集成结构能够具有更低的成本。

在本发明的上述系统集成结构中，当第一硅基板结构10与第二硅基板结构20是通过晶圆级铜互连工艺形成的，为了实现硅基板的背面工艺，优选地，上述第二硅基板结构20还具有绝缘介质层240，该绝缘介质层240中的至少部分覆盖于导电层的全部表面，如图1所示。

在本发明的上述系统集成结构中，沿平行于第一硅基板110的方向上述喇叭口230的截面可以为圆形或正方形，其中，截面为正方形的喇叭口230如图2所示。

在本发明的上述系统集成结构中，键合层30可以包括多个键和单元，各键和单元为导电凸点或导电环形柱，优选为cusn环形柱。并且，上述键合层30可以包括与第一重布线层120连接的第一键合部310以及与第二重布线层220连接的第二键合部320；沿平行于第一硅基板110的方向上上述第一键合部310和/或上述第二键合部320的截面也可以为圆形或正方向，如图3所示。

在本发明的上述系统集成结构中，芯片40的连接方式可以为倒装焊接或引线键合。优选地，上述第一硅基板110靠近第二硅基板210的一侧具有凹槽111，芯片40设置于凹槽111中，如图4所示。当芯片40为多个时，多个有源芯片可以采用倒装焊接flipchip，fc或引线键合wb方式互连，并与si基喇叭封装天线实现3d集成。

除了上述图1和图4中所示的，芯片40设置于第一硅基板110表面或凹槽中的方式，芯片40还可以直接装配于si基喇叭封装天线背面(即第二硅基板210靠近第一硅基板110的一侧表面)，以实现3d集成，此时，第二硅基板210中的第二重布线层220作为高频传输线用于有源芯片与喇叭天线互连和电磁场馈入。高频传输线可能适cpw线、微带线、带状线等。

在本发明的上述系统集成结构中，优选地，第二硅基板结构20为多个且沿远离第一硅基板结构10的方向依次叠置，各第二硅基板结构20中的第二硅基板210平行设置，且各第二硅基板结构20中的喇叭口230的截面尺寸沿远离第一硅基板110的方向上依次增大，如图5所示。上述多层喇叭结构堆叠增加了喇叭天线的辐射面，从而增加了喇叭天线增益。

更为优选地，沿平行于第一硅基板110的方向上喇叭口230的两端具有第一开口截面和第二开口截面，同一个喇叭口230的第一开口相对于第二开口靠近第一硅基板110设置，沿远离第一硅基板110的方向上，后一个喇叭口230的第一开口截面的尺寸大于前一个喇叭口230的第二开口截面。

在本发明的上述系统集成结构中，可以根据实际需要，实现高频微系统的多层堆叠，即第一硅基板结构10可以为远离第二硅基板结构20一侧堆叠的多个，用于高频微系统集成。

上述第一硅基板结构10还可以包括第三重布线层140和焊球150，第三重布线层140设置于第一硅基板110远离第一重布线层120的一侧；焊球150设置于第三重布线层140的远离第一硅基板110一侧，且焊球150通过第三重布线层140与导电通道130连接，如图1、4和5所示。上述焊球150可以为微凸点或bga焊球，用于3d堆叠支撑和垂直信号互连。

根据本发明的另一方面，还提供了一种硅基喇叭封装天线系统集成结构的制备方法，形成的系统集成结构如图1所示，该制备方法包括以下步骤：形成贯穿第一硅基板110的导电通道130，并在第一硅基板110的一侧表面形成第一重布线层120，以使第一重布线层120与导电通道130连接，得到第一硅基板结构10；形成贯穿第二硅基板210的喇叭口230，在喇叭口230中形成覆盖第二硅基板210的导电层，并在第二硅基板210的一侧表面形成第二重布线层220，以使导电层与第二重布线层220连接，得到第二硅基板结构20，喇叭口230朝远离第二重布线层220的一侧开口；使至少一个芯片40与第一重布线层120或第二重布线层220连接，并将第一重布线层120与第二重布线层220连接，以使喇叭口230位于第二硅基板210远离第一硅基板110的一侧。

由于上述系统集成结构是采用晶圆级铜工艺集成高频微系统得到的，从而能够实现大深宽比的硅通孔tsv垂直互连以及多层布线层，相比基于mems工艺得到的系统集成结构，可集成的芯片io数更多，互连密度更高。

下面将更详细地描述根据本发明提供的硅基喇叭封装天线系统集成结构的制备方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

在一种优选的实施方式中，形成上述第一硅基板结构10的步骤包括：提供第一硅晶圆，第一硅晶圆具有相对的第一表面和第二表面，在第一硅晶圆中形成与第一表面连通的导电孔道，形成导电通道130的材料可以为cu；在第一表面形成第一层间介质层，并在第一层间介质层中形成布线结构以得到第一重布线层120，其中导电通道130与第一重布线层120连接，形成第一重布线层120的材料可以为cu；沿第二表面减薄第一硅晶圆，以使导电孔道远离第一表面的一端裸露，得到第一硅基板110，导电孔道贯穿第一硅基板110形成导电通道130。上述工艺步骤可以采用晶圆级铜互连工艺，相比常采用的au金属的mems工艺，成本更低。

更为优选地，形成上述第一硅基板结构10的步骤还包括：在导电通道130远离上述第一表面的一侧形成第二层间介质层，并在第一层间介质层中形成布线结构以得到第三重布线层140，其中导电通道130与第三重布线层140连接，形成第三重布线层140的材料可以为cu；在第二层间介质层表面形成与第三重布线层140连接的焊球150。上述工艺步骤可以采用晶圆级铜互连工艺，相比常采用的au金属的mems工艺，成本更低。

更为优选地，形成上述第一硅基板结构10的步骤还包括形成与第一重布线层120连接的第一键合部310。第一键合部310可以为环形柱或微凸点。

更为优选地，形成上述第一硅基板结构10的步骤还包括在第一表面形成凹槽的步骤，此时，将上述芯片40设置于凹槽中，并使至少一个芯片40与第一重布线层120或第二重布线层220连接，如图4所示。

具体地，上述第一硅基板结构10的制备工艺可以包括以下步骤：从第一表面对第一硅晶圆进行深孔刻蚀，覆盖阻挡层后在深孔中电镀cu等金属材料，以形成与第一表面连通的导电孔道；然后在第一表面上形成多层pi/rdl，以得到第一重布线层120，其中，多层pi材料构成第一层间介质层，cu等金属材料位于相邻两侧pi材料之间并相互连接，以构成位于第一层间介质层中的金属布线结构；然后在第一重布线层120表面形成环形柱或微凸点，以得到与金属布线结构连接的第一键合部310；然后从第二表面对第一硅晶圆进行减薄，以使导电孔道位于第二表面的一侧露头，减薄后第一硅晶圆的与第一表面相对的表面记为第三表面；在第三表面上形成多层pi/rdl，以得到第三重布线层140，其中，多层pi材料构成第二层间介质层，cu等金属材料位于相邻两侧pi材料之间并相互连接，以构成位于第二层间介质层中的金属布线结构；最后在第三重布线层140的表面进行bga植球，以得到与金属布线结构连接的焊球。

在上述第一硅基板结构10的制备工艺中，本领域技术人员可以根据现有技术对上述各工艺步骤的工艺条件进行合理选取，在此不再赘述。

在一种优选的实施方式中，形成上述第二硅基板结构20的步骤包括：提供第二硅晶圆，第二硅晶圆具有相对的第三表面和第四表面，在第二硅晶圆中形成与第三表面连通的上述喇叭口230，并在喇叭口230中形成覆盖第二硅晶圆的上述导电层，可以通过在第一硅基板110的喇叭口230表面溅射或电镀一层或多层cu等金属材料形成上述导电层；形成至少部分覆盖导电层表面的绝缘介质层240，并沿第四表面减薄第二硅晶圆，以使绝缘介质层240的部分表面裸露，得到第二硅基板210，喇叭口230贯穿第二硅基板210，第二硅基板210减薄后的表面与绝缘介质层240的裸露表面构成第五表面；在第五表面形成第三层间介质层，并在第三层间介质层中形成布线结构以得到第二重布线层220，其中上述导电层与该第二重布线层220连接。

在上述优选的实施方式中，工艺步骤可以采用晶圆级铜互连工艺，相比常采用的au金属的mems工艺，成本更低；并且，由于采用硅基晶圆级铜工艺，为了实现硅基板的背面工艺，形成了上述绝缘介质层240用于背面rdl(即第二重布线层220)的绝缘，介质材料可以为sio2等无机介质，也可以是pi、bcb等有机介质。

本发明采用的晶圆级铜工艺集成高频微系统，可实现大深宽比的实孔tsv硅通孔垂直互连、多层布线层以及微凸点，相比基于mems工艺，可集成的芯片io数可以更多，互连密度更高。在一种优选的实施方式中，本发明的上述制备方法包括沿远离第一硅基板结构10的方向形成多个上述第二硅基板结构20的步骤，各第二硅基板结构20中的第二硅基板210平行设置，且各第二硅基板结构20中的喇叭口230的截面尺寸沿远离第一硅基板110的方向上依次增大，如图5所示。

更为优选地，形成第二硅基板结构20的步骤还包括形成与第二重布线层220连接的第二键合部320。第一键合部310可以为环形柱或微凸点。

具体地，上述第二硅基板结构20的制备工艺可以包括以下步骤：对第二硅晶圆的第三表面进行湿法刻蚀，以形成喇叭口230；然后对与喇叭口230对应的第二硅晶圆进行干法刻蚀，以形成与喇叭口230连接的垂直沟道；然后在除喇叭口230之外第三表面形成阻挡层，并在喇叭口230中第二硅晶圆表面电镀cu等金属材料，以形成导电层；然后在上述导电层表面覆盖pi等绝缘材料，以形成绝缘介质层240，并从第四表面对第二硅晶圆进行减薄，直至导电层中与垂直沟道对应的部分被去除，且绝缘介质层240中与垂直沟道对应的部分表面裸露为止；将第二硅晶圆减薄后的表面与绝缘介质层240的裸露表面记为第五表面，在第五表面上形成多层pi/rdl，以得到第二重布线层220，其中，多层pi材料构成第三层间介质层，cu等金属材料位于相邻两侧pi材料之间并相互连接，以构成位于第三层间介质层中的金属布线结构；最后然后在第二重布线层220表面形成环形柱或微凸点，以得到与金属布线结构连接的第二键合部320。

在上述第二硅基板结构20的制备工艺中，本领域技术人员可以根据现有技术对上述各工艺步骤的工艺条件进行合理选取，在此不再赘述。

在上述第一硅基板结构10与上述第二硅基板结构20的制备工艺之后，可以采用倒装焊接(flipchip，fc)或引线键合(wb)的方式实现芯片40与第一重布线层120或第二重布线层220的互连。当形成有上述第一键合部310与上述第二键合部320时，通过将上述第一硅基板结构10与上述第二硅基板结构20堆叠，并将第一键合部310与第二键合部320键合，以实现第一重布线层120与第二重布线层220的连接，如图1、4和5所示。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本发明采用全硅基工艺实现喇叭封装天线与高频微系统的系统集成，实现了系统地3d异质、异构集成；

2、本发明可以采用晶圆级铜互连工艺，相比常采用的au金属的mems工艺，成本更低；

3、本发明可实现大深宽比的实孔tsv垂直互连、多层布线层以及微凸点，相比基于mems工艺，可集成的芯片io数可以更多，互连密度更高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。