一种毫米波天线与硅基组件三维集成封装的制作方法

本发明涉及毫米波天线与硅基多通道组件三维集成技术，具体涉及一种毫米波天线与硅基组件三维集成封装。

背景技术：

目前射频组件的趋势朝着小型化、轻型化、阵列化、低功耗的方向发展。传统的射频组件采用LTCC+微组装工艺、PCB板工艺+微组装工艺，芯片间通过金丝平面互连，采用管壳气密性封装。随着MEMS工艺的兴起，射频组件的设计思路开始考虑采用Si基板代替传统的微波介质陶瓷基板和PCB板，这种MEMS工艺的特点是体积和质量大大减小，工艺精度较高，微波信号插损小、延迟短。

传统的天线与组件集成采用金属载体+PCB板工艺，体积较大，无法实现有源相控阵雷达对射频前端小型化的需求。由于天线的尺寸跟电磁波的波长有关，在毫米波领域微带贴片天线的大小可以和收发组件相比拟。通过TSV技术可在高电阻率硅基板的单层双面同时集成天线和MMIC(毫米波单片集成电路)电路。毫米波天线与硅基组件的三维集成设计技术将会是未来十年主要的市场创新驱动力，对毫米波收发组件市场起颠覆性作用。

由上可知，现有技术存在以下问题：能实现毫米波工作频率的天线与组件的射频前端模块体积较较大，微波损耗严重以及封装方式落后，不能满足小型化和低成本的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种毫米波天线与硅基组件三维集成封装。

实现本发明目的的技术方案为：一种毫米波天线与硅基组件三维集成封装，包括由上至下依次设置的辐射层、硅基板、介质布线层、围框和盖板；

辐射层为N×N毫米波微带贴片天线阵列，N≥2，天线阵列正下方通过激光刻蚀形成腔体，并填充BCB；

硅基板内部设置有TSV馈电网络，TSV一端与微波信号输出口连接，另一端与天线阵列连接；

硅基板下方设置介质布线层，介质布线层采用BCB，包括三层走线，下表面为微波芯片表贴层，中间层为数字信号和直流信号走线层，上层为接地层；

围框设置有垂直TSV和用于放置介质布线层下表面微波芯片的腔体，介质布线层下表面输入口通过围框中的垂直TSV与盖板的RDL布线层互连，实现微波信号的三维垂直传输；整个毫米波天线与硅基组件的输入端口在底层盖板的RDL布线层上，与外部接口互连。

进一步的，硅基板内部TSV的深宽比为10∶1，填充金属Cu。

进一步的，顶层天线和盖板底层的图形化镀金，组件其余四个外表面都进行整面金属化处理。

进一步的，介质布线层下表面设置50Ω微波传输线。

进一步的，三层介质布线中微波信号通孔为直通结构，设置在顶层、中间层和底层；数字及直流信号通孔为错开型结构，设置在中间层与下层。

进一步的，围框内表面全部镀金，与底层盖板键合。

进一步的，盖板底面的对外接口包括微波接口、数字接口和电源接口。

进一步的，盖板双面的传输线为微带线或接地共面波导，通过TSV传输连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明采用单层高电阻率硅双面工艺，正面集成微带贴片天线阵列，背面集成MMIC电路；(2)本发明通过TSV实现天线馈电，可工作在Ka波段；(3)本发明围框的中间部分带有微波信号垂直传输的TSV结构；(4)本发明高电阻率硅基板、围框和盖板之间通过低温圆片级键合可达到电子屏蔽和气密性要求；(5)本发明盖板正反两面有布线层和对外端口；本发明同时将微带贴片天线阵列、微波芯片、数字芯片和无源器件通过MEMS工艺集成在同一模块内，集成度较高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的毫米波硅基天线与组件三维集成封装剖面图。

图2为本发明的毫米波硅基天线与组件三维集成封装总体外形图。

具体实施方式

结合图1、图2，本发明的一种毫米波天线与硅基组件三维集成封装，包括由上至下依次设置的辐射层1、带有TSV馈电网络的硅基板2、具有毫米波信号传输和数字信号传输功能的介质布线层3、带有TSV三维垂直传输结构的围框4和用于电磁屏蔽、密封和重布线的底层盖板5；

辐射层1为N×N毫米波微带贴片天线阵列，N≥2，天线阵列正下方通过激光刻蚀形成腔体，并填充BCB，有效的降低了高电阻率硅衬底的等效介电常数，拓宽天线的带宽和提高增益，天线的馈电网络层通过TSV与组件的微波信号输出口互连。通过调节单通道发射天线的相位、幅值可实现小型化相控阵功能。

带有TSV馈电网络的高电阻率硅基板，双面都进行CMP抛光处理，高深宽比结构的TSV填充Cu。所述TSV(硅通孔)为组件给天线馈电的关键部分。

具有毫米波信号传输和数字信号传输功能的多层布线介质，采用BCB。包括三层走线，下表面为微波芯片表贴层，设置标准的50Ω微波传输线，中间层为数字信号和直流信号走线层，上层为接地层，既为顶层天线辐射提高背面地，也为下表面微波芯片提供共面波导地。

所述微波传输线包括微带线、接地共面波导等平面传输线。

毫米波信号三维垂直传输的TSV围框表面做镀金处理，中间墙体部分为毫米波信号垂直传输的TSV，通过低温圆片级键合工艺与高电阻率硅基板键合在一起。

所述垂直传输的TSV为毫米波信号和数字信号输入的关键部分；

底层用于电磁屏蔽、密封和重布线的盖板双面图形化处理，正面有RDL重布线层和对外接口，中间有用于信号输入和散热的TSV通孔。通过低温圆片级键合工艺与硅基板和围框键合在一起。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例

如图1、图2所示，一种新型毫米波天线与硅基多通道组件的三维集成封装。其设计架构包括微带贴片天线阵列、高电阻率硅基板、大尺寸多层布线的BCB介质、带TSV结构的围框和双面图形化的盖板。

毫米波微带贴片天线阵列由2×2高带宽、高增益的辐射单元组阵而成，其馈电端由四个三维垂直传输的TSV分别与组件的单通道输出端相连。通过优化新型辐射单元的三维结构和馈电网络，实现毫米波阵列天线的高增益和高带宽。高电阻率硅基板内部TSV的深宽比为10∶1，填充金属Cu。高电阻率硅基板底面的介质采用BCB对微波信号和数字信号进行隔离，同时BCB膜可以减小大尺寸介质膜带来的应力问题。BCB介质层下方集成了MMIC电路、数字电路、IPD、电感、电感和电阻，BCB介质层中间通过介质通孔对每层走线互连，其通孔结构分为直通型和错位型。通过MEMS工艺实现各类芯片与微带贴片天线阵列在单层高电阻率硅基板的双面集成。

组件封装采用高电阻率硅材料，通过激光刻蚀带有TSV结构的高电阻率硅圆片形成围框结构，用胶保护好TSV图形，其余全部金属化。通过低温圆片级键合与高电阻率硅基板键合在一起。组件盖板同样采用高电阻率硅材料，对带有TSV结构的硅圆片双面图形处理，最后与围框、高阻硅基板键合在一起，形成小型化、多功能的相控阵单元。