专利名称：小形状因数系统级封装中嵌入组件的设备和方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及集成电路设计，更具体来说，涉及小形状因数(SFF small-form-factor)系统级封装(SOP :system-on-package)体系结构，该体系结构具有 SFF-SOP环境中改进性能、集成热管理和干扰抑制中的一个或多个。
背景技术：
移动平台尺寸变得更小并且结合有用于有效通信的更多电子和无线功能性。为了将所有预期电子功能性包含到未来的小形状因数(SFF)移动平台中，正在开发嵌入式系统级封装(SOP)体系结构。当前，不同的有源组件以及无源组件嵌入技术正在使用多层衬底材料和空腔进行开发。使用不适合嵌入射频(RF)功能性的低成本材料来开发装置嵌入技术。正在开发一些嵌入‘集成-无源-装置’的方法，它们可增加制造和组装的成本，这倾向于使使用低成本材料系统的目的最小。此外，RF性能和尺寸减小对于多标准无线系统仍然难以实现。 RF-IPD (集成无源装置)正在硅、低温共烧陶瓷(LTCC)、玻璃或其它材料上使用，并且被嵌入低成本材料系统以供RF连接。这可能显著增加组装和制造的成本，并且在其它组件紧挨着嵌入或屏蔽(shield)之后使复合(complex)无源结构的性能降级/改变。另一方面，正使用高性能材料，发觉它们具有比数字衬底材料更高的成本。这些材料可在多层材料环境中嵌入复合RF无源设计。在当前SOP结构中尚未解决热和噪声管理问题。SFF-SOP环境中用于噪声抑制的常规电磁带隙(EBG)结构将倾向于消耗极大空间，并且将增加总SOP尺寸。这两种方式也都遭遇串扰(cross-talk)热问题。
发明内容
本发明一方面提供一种设备，包括小形状因数移动平台，包括系统级封装体系结构，所述系统级封装体系结构设置为层的叠层(stack)。所述层的叠层包括具有第一适形 (conformable)材料的第一层；具有第二适形材料的第二层；具有第三材料的第三层；以及嵌入所述层的叠层中的一个或多个电子组件，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者配置成允许高频信号路由(routing)。本发明另一方面提供一种方法，包括下列步骤形成包括系统级封装体系结构的小形状因数移动平台，所述系统级封装体系结构设置为层的叠层。所述方法包括提供第一适形材料的第一层；提供第二适形材料的第二层；提供第三材料的第三层；以及将一个或多个电子组件嵌入所述层的叠层中，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者配置成允许高频信号路由。
图1根据本发明的各个实施例示出具有形成材料叠层的高性能和低性能聚合物层的SOP的截面。
图2根据本公开的各个方面示出具有形成材料叠层的高性能和低性能聚合物层的SOP的另一截面。图3a根据本公开的各个方面示出包括嵌入式隔离结构的SOP的截面。图北示出沿图3a的线条A和B截取的垂直间歇(periodic)微通孔结构A和B。图3c示出沿图3a的线条C截取的水平间歇结构。
具体实施例方式高性能材料高性能材料是一种相对于低性能材料的性质提供包括低损耗和低热膨胀系数(CTE)特性的优良电气性质的材料。根据本公开的各个方面，公开一种包括含有系统级封装体系结构的小形状因数移动平台的设备，该系统级封装体系结构设置为层的叠层，其包括具有第一适形 (conformable)材料的第一层；具有第二适形材料或者任何其它刚性有机材料的第二层； 具有第三材料的第三层；以及嵌入层的叠层中的一个或多个电子组件，其中第一适形材料、 第二适形材料或者两者配置成允许高频信号路由(routing)。根据本公开的各个方面，该设备还可包括配置成耗散从一个或多个电子组件生成的热量的散热元件，其中散热元件设置在第一与第二层之间。散热元件可包括例如金属的高传导率材料或者定向导体。高传导率金属可从由铜、铝、作为散热器材料的K0VAR、青铜、 碳化硅或者例如金或银的其它材料组成的组中选取，并且定向导体可包括配置成沿二维平面耗散热量的石墨。此外，该设备可包括其中第一适形材料和第二适形材料是相同材料或者是不同材料的特征。此外，该设备可包括其中第一适形材料、第二适形材料或者两者包括例如液晶聚合物的聚合物或者可以是刚性有机或聚合物材料的特征。根据本公开的各个方面，该设备还可包括设置在一个或多个电子组件之间的垂直滤波结构。垂直滤波结构可包括堆叠通孔图案，其设置在可定义滤波特性的垂直滤波结构的间隙布置中。该设备可包括其中垂直滤波结构配置成对由一个或多个电子组件产生的射频噪声、数字噪声谐波或者两者进行滤波或隔离的特征。此外，该设备可包括其中第三材料不同于第一和第二适形材料的特征。根据本公开的各个方面，公开一种包括形成包含系统级封装体系结构的小形状因数移动平台的方法，系统级封装体系结构设置为层的叠层，该方法包括提供第一适形材料的第一层；提供第二适形材料的第二层；提供第三材料的第三层；以及将一个或多个电子组件嵌入层的叠层中，其中第一适形材料、第二适形材料或者两者配置成允许高频信号路根据本公开的各个方面，该方法可包括将散热元件设置在第一与第二适形材料之间，其中散热元件可设置在第一与第二层之间。第一适形材料和第二适形材料可以是相同材料或者不同材料。例如，第一或第二适形材料或者两者可包括例如液晶聚合物的聚合物， 或者可以是刚性有机或聚合物材料。散热元件可包括例如金属的高传导率材料或者定向导体，其中高传导率金属可从由铜和铝组成的组中选取，并且定向导体可包括配置成沿二维平面耗散热量的石墨。根据本公开的各个方面，该方法可包括将垂直滤波结构设置在一个或多个电子组件之间，其中垂直间歇滤波结构包括堆叠通孔图案。垂直滤波结构的布置可以是间歇性的，并且定义滤波特性，其中垂直滤波结构配置成对由一个或多个电子组件产生的射频噪声、 数字噪声谐波或者两者进行滤波或隔离。垂直滤波可与水平间歇滤波组合，这是在考虑中的小形状因数SOP所允许的。在参照附图考虑以下描述和所附权利要求书时，本发明的这些及其它目的、特征和特性以及相关结构要素的操作方法和功能及部件和制造经济的组合将变得更加明显，全部附图构成本说明书的一部分，其中相似参考标号在各个附图中表示对应部件。但是，要明确理解，附图只是为了说明和描述目的，而不是要作为本发明的限制的定义。本说明书和权利要求书中使用的未限定数目的要素包括复数个对象，除非上下文另有明确规定。图1根据本公开的各个方面示出具有形成材料叠层的高性能和低性能聚合物层的SOP的截面。一般示为100的异质层叠(Stackup)包括一层或多层高性能材料105以及一层或多层低性能材料110。作为非限制性示例，高性能材料105可以是在宽频率范围上与低性能材料110相比呈现优良电气性质的聚合物，例如液晶聚合物(LCP) ,Rogers RXP或者任何其它材料。低损耗切线(tangent)是高性能材料105的一个因数，并且与电路信号损耗和质量或Q因数直接相关。由于这些特性，例如LCP的高性能材料允许高频信号路由和无源。低性能材料110可包括聚合物，例如ABF(Ajin0m0t0积层式薄膜)、FR4、BT或者任何其它有机材料。例如LCP的高性能材料105可以比低性能材料110更灵活或柔软。高性能材料 105的这种灵活性允许这些层适合围绕电气组件，使得电气组件可嵌于高性能材料层之间。 在一些方面，层叠的特定层可包括高性能材料105和低性能材料110。在这种情况下，电气和/或RF组件可设置在高性能材料层中并且与SOP的特定层上的低性能材料相邻。作为非限制性示例，图1所示的层叠可小于0. 5mm厚。SOP的垂直尺寸 (dimension)可通过使衬底变薄来减小。在这种情况下，必要时，嵌入式IC设计可优化成包括薄衬底的效果以及聚合物材料环境。在一些方面，层叠可以是仅包括一种类型的层的同质层叠。例如，层叠可包括高性能材料层或者低性能材料层。层叠可包括可设置在高性能材料105层之间的包括不同电气和/或射频组件的不同有源IC组件115。作为非限制性示例，不同电气IC可包括例如GaAs PA的功率放大器(PA) 120。此外，不同射频IC可包括两个例如RFIC和BB/MAC ID 125的高度集成IC的组合芯片组，它们可工作在IEEE 802. Iln和IEEE 802. lla/b/g标准。也可使用工作在不同无线标准的其它芯片组。这些IC并不限于无线应用中使用的那些，而是可包括例如存储器、通用处理器或者专用IC和SOC的IC。层叠还可包含一个或多个无源组件130，它们可以是消耗(但不产生)能量的射频(RF)组件或者没有功率增益能力的组件。RF无源组件的示例可包括电容器、电感器、电阻器、变压器、高阻(high-rejection)多频带RF滤波器、 复用器和平衡-不平衡转换器(balim)。其它例如天线135的无源组件可嵌入多层金属层中，以实现更高的RF性能。来自例如RFIC 125的硅集成单芯片的RF信号可使用高性能材料105层来路由，而数字信号可使用低性能材料110层通过金属线140来路由。在本公开的各个方面，高性能液晶聚合物(LCP)材料的滚压形式(rolled version)可用于嵌入RF-有源(RF-active)，并且使用LCP多金属衬底层结构来开发嵌入式RF-无源(RF-passive)。LCP的滚压形式通常比原始LCP材料费用更低。这允许通过在
6嵌入式有源组件周围的LCP-类型层中设计优化高性能无源组件使SOP形状因数(所有χ、 y、ζ方向)最小。LCP-类型材料将允许衬底材料适合围绕嵌入式有源组件，并且降低对嵌入式有源组件周围的任何表面保护的需要。LCP类型材料的薄层(<25μπι厚)可用作有效RF信号、模拟信号和数字信号分配的重新分配层，以便实现小形状因数。低成本ABF-类型材料可在层叠中用于嵌入附加数字功能性。根据本公开的各个方面，可通过包含一个或多个散热元件来修改在100示出的 SOP。一个或多个散热元件可设置在材料的同质叠层中，例如在仅具有高性能材料或者仅具有低性能材料的材料叠层中。一个或多个散热元件还可设置在材料的异质叠层中，例如在具有高性能材料和低性能材料的叠层中。如图1所示，一个或多个如散热器材料150的散热元件可设置在高功率有源组件附近，以便耗散由该有源组件产生的热量。在非限制性示例中，散热元件在有源组件上方或者直接在有源组件顶部的层中。散热元件可设置在高性能材料层之间或者高性能材料和低性能材料的层之间。散热元件可以是例如金属的高传导率材料，并且可包括铜、铝、KOVAR (K0VAR是Carpenter Technology Corporation的商标，并且是设计成与钡硼硅酸盐玻璃的热膨胀特性兼容以便允许温度范围上的直接机械连接的镍钴铁合金)以及碳化硅(SiC)，或者是例如在二维(X，y)平面耗散热量的石墨的定向导体。下面进一步论述，不同散热器和堆叠通孔图案的组合可用于实现最佳散热结构。通过小形状因数SOP中一个或多个散热元件的这种布置，可降低或消除对外部散热器的需要。根据本公开的各个方面，由于高性能LCP的适形性质，热材料薄片可嵌入LCP类型材料中。铜、石墨、K0VAR、碳化硅、黄铜以及具有良好热性质的其它材料的薄片可嵌入具有高功率耗散的IC(例如PA)之下，以便实现SOP体系结构中的热管理并且仍然保持SFF性质。LCP可设置在这些材料周围，以便适合和创建S0P，而没有任何空隙或间隙。石墨材料在 X-Y方向耗散热量，并且在某些情况下可被嵌入，以便将热量散布到下面进一步论述的散热器/金属通孔，以便从嵌入式SOP结构去掉热量。图2根据本公开的各个方面示出具有形成材料叠层的高性能和低性能聚合物层的SOP的另一截面。图2与图1相似，但是示出安装在衬底顶部的功率放大器120、GaAs PA。 对于如GaAs PA的小IC组件，它们无需被嵌入，因为它们没有在衬底上占用大面积。成型 (molding)层205可设置在顶部安装组件之上，以便封装和保护S0P。图3a根据本公开的各个方面示出包括嵌入式隔离结构的SOP的截面。嵌入式隔离结构配置和设置成降低极小形状因数SOP中的噪声耦合和串扰问题。与上述散热结构相似，隔离结构可设置在材料的同质叠层中，例如在仅具有高性能材料或者仅具有低性能材料的材料叠层中。另外，隔离结构还可设置在材料的异质叠层中，例如在具有高性能材料和低性能材料的叠层中。IC在图3a中示出，其中ICl (305) ,IC2 (310)和IC3(315)设置在SOP 的高性能材料之间。另外，一个或多个无源组件320示为嵌入在高性能材料层中。隔离结构325可嵌入在SOP中，以便降低SOP中的噪声耦合和串扰问题。图北示出沿图3a的线条A和B截取的垂直间歇微通孔结构A和B。垂直微通孔结构330配置和设置成降低元件到元件的噪声耦合/串扰。串扰隔离的特性可通过改变垂直结构的间歇性来进行调整(time)。图3c示出沿图3a的线条C截取的水平间歇隔离结构 335。可组合垂直和水平结构以在整个SOP环境中创建改进隔离。这些隔离结构可用于包围无线电或数字功能块，以便隔离RF噪声以及数字噪声谐波。
在本公开的一些方面，使用形成图案的金属的法拉第笼(faradaycage)和水平电子带隙(EBG)结构可用于隔离结构。此外，垂直间歇结构还可与水平EBG金属图案进行组合，以便在SOP的预期部分周围形成有效噪声缩减器。虽然为了便于说明而根据当前认为是最实用及优选实施例的内容详细描述本发明，但是要理解，这种细节仅用于那个目的，而本发明并不限于所公开的实施例，而是相反， 意在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围之内的修改及等效布置。例如，要理解，本发明预期，在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征可与任何其它实施例的一个或多个特征组合。
权利要求
1.一种设备，包括小形状因数移动平台，包括系统级封装体系结构，所述系统级封装体系结构设置为层的叠层，所述层的叠层包括具有第一适形材料的第一层； 具有第二适形材料的第二层； 具有第三材料的第三层；以及嵌入所述层的叠层中的一个或多个电子组件，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者配置成允许高频信号路由。
2.如权利要求1所述的设备，还包括散热元件，配置成耗散从一个或多个电子组件产生的热量。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述散热元件设置在所述第一层与所述第二层之间。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一适形材料和所述第二适形材料是相同材料。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一适形材料和所述第二适形材料是不同材料。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者包括聚合物。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者包括刚性有机或聚合物材料。
8.如权利要求2所述的设备，其中，所述散热元件包括高传导率材料或者定向导体。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述高传导率材料从由铜、铝、K0VAR、黄铜和碳化硅(SiC)组成的组中选取。
10.如权利要求8所述的设备，其中，所述定向导体包括配置成沿二维平面耗散热量的石墨。
11.如权利要求1所述的设备，还包括设置在所述一个或多个电子组件之间的垂直滤波结构。
12.如权利要求11所述的设备，其中，所述垂直滤波结构包括堆叠通孔图案。
13.如权利要求11所述的设备，其中，所述垂直滤波结构的布置是间歇性的，并且定义滤波特性。
14.如权利要求11所述的设备，其中，所述垂直滤波结构配置成对由所述一个或多个电子组件产生的射频噪声、数字噪声谐波或者两者进行滤波或隔离。
15.如权利要求1所述的设备，其中，所述第三材料不同于所述第一和所述第二适形材料。
16.一种方法，包括下列步骤形成包括系统级封装体系结构的小形状因数移动平台，所述系统级封装体系结构设置为层的叠层，包括提供第一适形材料的第一层； 提供第二适形材料的第二层；提供第三材料的第三层；以及将一个或多个电子组件嵌入所述层的叠层中，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者配置成允许高频信号路由。
17.如权利要求16所述的方法，还包括将散热元件设置在所述第一与所述第二适形材料之间。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述散热元件设置在所述第一层与所述第二层之间。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一适形材料和所述第二适形材料是相同材料。
20.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一适形材料和所述第二适形材料是不同材料。
21.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者包括聚合物。
22.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一适形材料、所述第二适形材料或者两者包括刚性有机或聚合物材料。
23.如权利要求17所述的方法，其中，所述散热元件包括高传导率材料或者定向导体。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述高传导率材料从由铜、铝、K0VAR、黄铜和碳化硅(SiC)所组成的组中选取。
25.如权利要求23所述的方法，其中，所述定向导体包括配置成沿二维平面耗散热量的石墨。
26.如权利要求16所述的方法，还包括将垂直滤波结构设置在所述一个或多个电子组件之间。
27.如权利要求沈所述的方法，其中，所述垂直滤波结构包括堆叠通孔图案。
28.如权利要求沈所述的方法，其中，所述垂直滤波结构的布置是间歇性的，并且定义滤波特性。
29.如权利要求沈所述的方法，其中，所述垂直滤波结构配置成对由所述一个或多个电子组件产生的射频噪声、数字噪声谐波或者两者进行滤波或隔离。
全文摘要
根据本公开的各个方面，公开一种设备，包括含有系统级封装体系结构的小形状因数移动平台，系统级封装体系结构设置为层的叠层，层的叠层包括具有第一适形材料的第一层；具有第二适形材料的第二层；具有第三材料的第三层；以及嵌入层的叠层中的一个或多个电子组件，其中第一适形材料、第二适形材料或者两者配置成允许高频信号路由。
文档编号H01L21/50GK102157396SQ201010615220
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月18日
发明者D.乔德胡里, P.阿卢里 申请人:英特尔公司