具有天线的半导体结构的制作方法
【专利摘要】半导体结构包括基板、电路部、芯片及天线。基板具有相对的第一表面与第二表面。电路部形成于基板的第一表面上且包括波导槽及微带线，微带线与波导槽重迭。芯片设于电路部上。天线形成于基板的第二表面且与波导槽重迭。
【专利说明】具有天线的半导体结构
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种半导体结构，且特别是有关于一种具有天线的半导体结构。
【背景技术】
[0002]无线通信装置例如是手机(cell phone)，需要天线已传送及接收信号。传统上，无线通信装置包括天线及通信模块(例如是具有无线射频(Rad1 frequency, RF)通信能力的一半导体封装件)，其各设于一电路板的不同部位。在传统方式中，天线及通信模块是分别制造且于放置在电路板后进行电性连接，因此导致高制造成本且难以完成轻薄短小的设计。
[0003]此外，随着感测器、雷达、高数据率连结及聚束功率(focused power),毫米波(millimeter-wave)频率的应用变成更多临界点。短波长工作的优点是取决于尺寸及解析度。亦即，物理上小尺寸天线结构是必须的。
【发明内容】
[0004]根据本发明的一实施例，提出一种半导体结构。半导体结构包括一基板、一电路部、一芯片及一天线。基板具有相对的一第一表面及一第二表面。电路部形成于基板的第一表面上且包括一波导槽及一微带线，微带线与波导槽重迭。芯片设于电路部上。天线形成于基板的第二表面且与波导槽重迭。
[0005]根据本发明的另一实施例，提出一种半导体结构。半导体结构包括一基板、一整合被动元件层、一芯片及数个天线。基板具有相对的一第一表面及一第二表面。整合被动元件层形成于基板的第一表面，且包括数个波导槽及数个微带线，微带线重迭于波导槽，其中波导槽及微带线排列成阵列型。芯片设于整合被动元件层上。天线形成于基板的第二表面且与波导槽重迭。
[0006]为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下:
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1A绘示依照本发明一实施例的半导体结构的剖视图。
[0008]图1B，其绘示图1A的俯视图。
[0009]图1C绘示图1A的底视图。
[0010]图2绘示图1A中天线的X-Z平面的场形图。
[0011]图3绘示图1A中天线的反射损失示意图。
[0012]图4绘示依照本发明另一实施例的半导体结构的剖视图。
[0013]符号说明:
[0014]100、200:半导体结构
[0015]110:基板
[0016]110b:第一表面
[0017]110s、130s、131s:外侧面
[0018]IlOu:第二表面
[0019]120:芯片
[0020]121:焊球
[0021]125:底胶
[0022]130:电路部
[0023]131:接地层
[0024]1311:屏蔽部
[0025]131a:波导槽
[0026]132:第一介电层
[0027]133:微带线
[0028]134:第二介电层
[0029]135:相位位移器
[0030]136:图案化导电层
[0031]137:馈入电路
[0032]138:导通孔
[0033]140:天线
[0034]145:天线介电层
[0035]150、150g:焊球
[0036]L1:长度
[0037]L2:间距
【具体实施方式】
[0038]请参照图1A，其绘示依照本发明一实施例的半导体结构的剖视图。半导体结构100包括基板110、芯片120、电路部130、数个天线140、天线介电层145及数个焊球150。
[0039]基板110具有相对的第一表面IlOb及第二表面110u。若基板110过厚，则无线信号难以从电路部130福射至天线140 ;若基板110过薄,则电磁共振稱合(electromagneticresonance coupling)难以产生。基板110可由玻璃制成,使无线信号可从电路部130通过基板110福射至天线140。玻璃具有高阻抗(electrical resistance)特性,使由天线140传输的无线信号损失降低，因而提升由天线140传输的无线信号的效率。此外，因为玻璃具有低K值(低介电常数)，使天线140的效率更佳提升。在一些例子中，基板110的厚度大约天线140的无线信号波长的一半。例如，当操作频率为60GHz，基板110的厚度大约是300微米。
[0040]电路部130形成于基板110的第一表面IlOb且可以是一多层结构。电路部130包括一接地层131、一第一介电层132、数个微带线(microstrip line) 133、一第二介电层134、数个内埋相位位移器135、一图案化导电层136、一馈入电路137及数个导通孔138。
[0041]接地层131形成于基板110的第一表面IlOb且包括一屏蔽部(shieldingport1n)1311及数个波导槽131a。接地层131中未包含波导槽131a的部分被定义成屏蔽部1311，其中屏蔽部1311与芯片120重迭，如垂直方位所示。如图1A所示，接地层131通过导通孔138及图案化导电层136电性连接于一接地焊球150g，其中接地焊球150g可电性连接于一外部接地，使接地层131接地。因为屏蔽部1311是电性连接于外部接地的部分接地层131，屏蔽部1311因此接地且能提供屏蔽效果。屏蔽部1311的区域大于芯片120的区域，可避免芯片120受到电磁干扰(electromagnetic interference, EMI)。此外，屏蔽部1311可避免电路部130受到从微带线133射向天线140的无线信号的干扰。波导槽131a与微带线133重迭，如产生耦合效应的垂直方位所示。
[0042]第一介电层132覆盖接地层131、波导槽131a及屏蔽部1311。一些实施例中，第一介电层132可由例如是封胶(molding compound)、介电材料(如环氧树脂(eposy))或预浸溃压合层(prepreg laminat1n)制成。
[0043]微带线133形成于第一介电层132下方，且通过第一介电层132与波导槽131a分离。当电流传输经微带线133，产生于微带线133与波导槽131a之间的第一耦合共振导致无线信号从波导槽131a的边缘辐射至基板110，然后产生于基板110与天线140之间的第二耦合共振导致无线信号通过天线140辐射至半导体结构100外。由于二耦合共振，故可增加从天线140辐射的无线信号的频宽。
[0044]第二介电层134覆盖微带线133且可由相似第一介电层132的材料制成。相位位移器135内埋于第二介电层134且通过导通孔138及图案化导电层136电性连接于微带线133及馈入电路137。相位位移器135例如是二极管，其可调整从天线140发射或被天线140接收的无线信号的相位。另一例中，相位位移器135可以是功率放大器(poweramplifier),以调变无线信号的振幅。馈入电路137可把信号从芯片120传输至天线140。
[0045]在一些例子中，电路部130可以是整合被动元件层。亦即，电路部130包括至少一被动元件，例如是电阻、电容或电感，使电路部130及半导体结构100形成一具有无线功能的整合被动元件层(Integrated Passive Device, IPD)0接地层131、微带线133、相位位移器135、图案化导电层136、馈入电路137及天线140的形成可整合于整合被动元件层的工艺中。此外，被动元件可形成于图案化导电层136或其它层结构中。
[0046]电路部130、接地层131与基板110分别具有外侧面130s、131s及110s，其中电路部130的外侧面130s、接地层131的外侧面131s与基板110的外侧面IlOs实质上齐平。接地层131延伸至半导体结构100的边界以提供电磁干扰屏蔽功能。
[0047]芯片120可以是收发芯片(transceiver chip),其设于电路部130上，以处理天线140的无线信号。一些实施例中，芯片120可以是覆晶(flip chip)，其以朝下方位设于电路部130上，且通过数个焊球121电性连接于电路部130。焊球121被底胶(under-fill)125包覆。另一例中，芯片120可以朝上方位设于电路部130上，且通过数个焊线(未绘示)电性连接于电路部130。形成于芯片与电路部130之间的底胶125包覆且保护焊球121。
[0048]天线140被天线介电层145覆盖且形成于基板110的第二表面I 1u上。天线140与波导槽131a重迭，如产生于基板110与天线140之间的第二耦合共振的垂直方位所示。天线介电层145可由相似于第一介电层132的材料制成。
[0049]请参照图1B，其绘示图1A的俯视图。本例中，波导槽131a形成2X2阵列型。另一例中，波导槽131a可形成nXm阵列型，以改变天线140的无线信号的场形,其中η及m可以是任意正整数。另一例中，波导槽131a可以排列成任意形式，且波导槽131a的数量可以是单个。实务上，波导槽131a的排列形式及数量可视天线140的阻抗匹配而定。
[0050]如图1B所示，微带线133实质上垂直于波导槽131a延伸，使微带线133及波导槽131a共同形成交叉结构,其导致近等振幅(near-equal amplitudes)的二简并正交模态(near-degenerate orthogonal mode)的激态及90度相位差。天线140平行于微带线133的长度LI愈长，共振频率愈低。一例中，长度LI小于1000毫米，以获得大频宽的无线信号及60GHz的天线。
[0051]相邻二微带线133之间距L2大约是天线140的无线信号波长的一半，使辐射至相邻二微带线133的中间位置的无线信号产生破坏性干涉(信号强度抵消)，因此，更多无线信号强度从微带线133朝上辐射。此外，天线140、波导槽131a及微带线133彼此重迭，以更提升天线140的增益。
[0052]请参照图1C，其绘示图1A的底视图。焊球150形成于电路部130(绘示于图1A)且环绕芯片120。半导体结构100通过焊球150电性连接于一印刷电路板(printed circuitboard, PCB)ο焊球150突出于芯片120的下表面，因此，可确保半导体结构100与印刷电路板电性连接。此外，波导槽131a环绕芯片120，但未与芯片120重迭，使芯片120可重迭于接地层131 (斜线区域)的屏蔽部1311 (不包括波导槽131a)且可降低电磁干扰。
[0053]请参照图2，其绘示图1A中天线的X-Z平面的场形图。由于波导槽131a及微带线133排列成阵列形式，故天线140的介电性是优良且-Z方向的增益可达1dBi。
[0054]请参照图3,其绘示图1A中天线的反射损失(return loss)示意图。因为二I禹合共振，故天线140的频宽(反射损失在-1OdBi以下)介于例如是56GHz与64GHz之间。
[0055]请参照图4，其绘示依照本发明另一实施例的半导体结构200的剖视图。半导体结构200包括基板110、芯片120、电路部130、数个天线140、天线介电层145及数个焊球150。
[0056]电路部130包括接地层131、第一介电层132及微带线133。接地层131包括屏蔽部1311及单个波导槽131a覆盖微带线133。第一介电层132与接地层131重迭，使微带线133通过第一介电层132与波导槽131a隔离。芯片120设于电路部130上且通过数个焊球121电性连接于电路部130。芯片120与接地层131的屏蔽部1311(不具波导槽131a的完整部分)重迭，以达到电磁干扰防护作用。
[0057]综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属【技术领域】中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1.一种半导体结构，其特征在于，包括: 一基板，具有相对的一第一表面及一第二表面； 一电路部，形成于该基板的该第一表面上且包括一波导槽及一微带线，该微带线与该波导槽重迭； 一芯片，设于该电路部上；以及 一天线，形成于该基板的该第二表面且与该波导槽重迭。
2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该电路部包括一接地层，该接地层覆盖该芯片。
3.如权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，该波导槽形成于该接地层。
4.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该电路部具有数个该波导槽，该些波导槽未与该芯片重迭。
5.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该微带线的延伸方向实质上垂直于该波导槽的延伸方向。
6.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该天线与该波导槽重迭。
7.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，更包括: 一天线介电层，形成于该基板的该第二表面且覆盖该天线。
8.一种半导体结构，其特征在于，包括: 一基板，具有相对的一第一表面及一第二表面； 一整合被动元件层，形成于该基板的该第一表面且包括数个波导槽及数个微带线，该些微带线重迭于该些波导槽，其中该些波导槽及该些微带线排列成阵列型； 一芯片，设于该整合被动兀件层上；以及 数个天线，形成于该基板的该第二表面且与该些波导槽重迭。
9.如权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，该整合被动元件层包括一接地层，该接地层覆盖该芯片。
10.如权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，各该微带线的延伸方向实质上垂直于对应的该波导槽的延伸方向。
11.如权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，该些天线与该些波导槽重迭。
12.如权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，该基板由玻璃制成。
13.如权利要求8所述的半导体结构，其特征在于，该整合被动元件层包括: 一第一介电层，形成于该接地层与该些微带线之间。
【文档编号】H01L23/488GK104051440SQ201410046552
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年2月10日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】陈纪翰, 邱基综 申请人:日月光半导体制造股份有限公司