专利名称：用于毫米波应用的封装天线与集成电路芯片的装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及用来集成封装天线装置与半导体IC(集成电路)芯片的设备和方法，具体地涉及用来封装具有平面天线的IC芯片的设备和方法，这些平面天线例如由BEOL(后端线工艺)金属化结构集成构成，从而组成毫米波应用的紧凑的集成无线电/无线通信系统。
背景技术：
无线系统和装置中的技术改进已经导致了无线PAN(个人区域网)、无线LAN(局域网)、无线WAN(广域网)、蜂窝网、以及其它类型无线通信系统方面的无线网络应用的广泛发展。为了能够在无线网络中的各个装置之间进行无线通信，各个装置必须配备有接收机、发射机、或收发信机、以及天线，此天线要能够有效地辐射/接收向/自网络中其它装置传输的信号。
常规的MMW(毫米波)无线电通信系统典型地由分立元件构成，这些分立元件以低的集成度被独立地包封和/或安装在印刷电路板、封装件、或衬底上。例如，典型地利用在各个半导体芯片(RF集成电路)之间以及半导体芯片与发射机或接收机天线之间提供电连接的昂贵而臃肿的波导和/或封装级或板级微带结构，来建造MMW无线电通信系统。
然而，对于提供高性能、高数据传输速率、高容量(high-volume)、低功耗、低成本、以及重量轻的解决办法的具有集成的发射机/接收机/收发信机以及天线系统的更紧凑的无线电通信系统，存在着日益增长的市场需求。实际上，目前的通信系统确实需要提供大带宽和高效率工作特性的高性能天线系统。随着工作频率上升，常规波导前端的制造和装配变得更为困难。关于这一点，结合更高工作频率的要求而在半导体制造和封装技术中的革新，已经使得用来集成RF集成电路与天线以提供高度集成的无线电通信系统变得实际可行。
但由于集成度增大，获得高性能系统的能力就变得更成问题，特别是在毫米波的频率下，其中，集成天线系统的结构和EM特性将决定可获得的系统性能。对于高集成度设计，典型地对天线的性能进行设计折衷(例如天线带宽与效率之间的折衷)。
发明内容
通常，本发明的示例性实施方案包括用来集成封装天线与半导体IC(集成电路)芯片的装置和方法，以便提供包括例如语音通信、数据通信、雷达应用的毫米波应用的高度集成的高性能无线电/无线通信系统。更具体地说，本发明的示例性实施方案包括用来构造紧凑的具有IC芯片的无线通信模块的装置和方法，这些IC芯片具有集成的接收机、发射机、或收发信机电路和/或其它芯片上RF元件或电路、以及由IC芯片的BEOL(后端线工艺)金属化结构集成构成的平面天线。
在一个示例性实施方案中，电子装置包括金属封装框架和IC(集成电路)芯片以及非金属封装盖子。此IC芯片包含有源电路区和天线区，其中，天线区包含集成制作成IC芯片BEOL(后端线工艺)金属化结构一部分的天线。在一个实施方案中，金属封装框架包含具有芯片安装表面的台面结构，其中，IC芯片被安装到芯片安装表面，使IC芯片的天线区延伸通过芯片安装表面的边缘。而且，IC芯片的天线区被设置在金属封装框架的空腔区上，其中，空腔区包含金属底部和侧壁表面。此空腔可以用空气或介质材料填充。此空腔区可以包括抛物柱面反射器(parabolic reflector)。
在本发明的另一示例性实施方案中，IC芯片可以包括形成在有源电路区与天线区之间的集成反射元件，以便降低耦合到有源电路区的辐射。
在本发明的再一示例性实施方案中，半导体IC(集成电路)芯片包括半导体衬底，此半导体衬底包含有源器件区和天线区。此天线区包含集成制作为BEOL(后端线工艺)金属化一部分的Yagi天线。此Yagi天线包含反射元件、馈电偶极子元件、以及导向元件，其中，反射元件被设置在馈电偶极子元件与有源器件区之间，且其中，Yagi天线在半导体衬底的水平面内沿有源器件区到天线区边缘的方向定向。
在本发明的另一示例性实施方案中，天线区可以包含多个形成线性天线阵列的Yagi天线。有源器件区可以包括成束电路，此成束电路经由集成天线馈电网络而被连接到线性阵列中各个Yagi天线，以便控制线性Yagi天线阵列产生的辐射图形。
在本发明的另一示例性实施方案中，具有集成线性Yagi天线阵列的IC芯片，可以被安装到具有集成抛物柱面反射器的低成本铝封装件中，以便构成低成本的汽车雷达模块。数字成束技术可以被用来得到所希望的水平角分辨率，而利用此抛物柱面反射器能够得到(如某些雷达应用所要求的)窄的垂直束宽度。
从结合附图的示例性实施方案的下列详细描述，本发明的这些或其它示例性实施方案、方面、特点、以及优点将得到描述或变得明显。
图1是示意图，示出了根据本发明一个示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图2是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图3是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图4是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图5是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图6是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图7是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图8是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图9是示意图，示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置。
图10是曲线图，示出了根据本发明一个示例性实施方案的计算机模拟的天线系统的模拟回波损耗。
图11和12是曲线图，分别示出了计算机模拟的天线系统的模拟水平和垂直辐射图形。
具体实施例方式
通常，此处所述的本发明的示例性实施方案包括用来集成封装天线与半导体IC(集成电路)芯片的装置和方法，以便提供包括例如语音通信、数据通信、雷达应用的毫米波应用的高度集成的高性能无线电/无线通信系统。更具体地说，本发明的示例性实施方案包括用来构造其中集成封装了天线系统与IC芯片的紧凑的无线通信模块的装置和方法，这些IC芯片具有集成的接收机、发射机、或收发信机电路。例如，本发明的示例性实施方案(诸如下面参照图1-2和7-9所述的)包括无线通信模块，该模块包括具有芯片上有源RF电路和集成制作为IC芯片的BEOL(后端线工艺)金属化结构一部分的平面天线的IC芯片。在本发明的其它示例性实施方案(诸如下面参照图3-6所述的)中，通过对具有芯片上有源RF电路的IC芯片与形成在分立的半导体/介质衬底上的平面天线一起进行封装，构成无线通信模块。
要理解的是，根据本发明示例性实施方案的无线通信模块提供了用于毫米波应用的紧凑的高性能低成本设计。根据本发明的示例性实施方案，当具有RF有源电路的IC芯片与平面天线集成封装时，考虑到了诸如封装件结构/布局以及封装件元件材料之类的各种因素，以便得到所希望的集成度和系统性能。例如，对于形成在半导体/介质衬底上的平面天线，诸如带宽和效率之类的天线特性将取决于衬底材料以及周围的结构/材料。
举例来说，对于给定的工作频率，平面天线的带宽-效率乘积将取决于诸如衬底材料的介电常数和介电损耗正切(dielectric losstangent)之类的性能。通常，天线效率(即天线辐射的功率与输入到天线的功率之间的关系的一种度量)将由于较高的介质电阻损耗(dielectric resistive losses)和阻抗失配而降低。而且，带宽-效率乘积受到衬底材料介电常数的影响。通常，当平面天线制造在介质衬底上时，EM功率能够被耦合到衬底中，导致功率损耗。实际上，对于高介电常数的衬底，电磁波容易驻留在衬底材料中，导致衬底波和表面波沿半导体管芯形成，这可以使大量的能量被反馈到具有芯片上天线设计的IC电路中。采用介电常数较低的衬底材料，导致较高的带宽-效率乘积。
而且，当构造具有集成天线的紧凑的无线通信模块时，天线性能会取决于天线结构和封装件结构以及设置在天线附近的元件的材料而变化。关于这一点，应该考虑封装件布局来设计天线。芯片上天线的另一因素是管芯成本。由于用来制造MMW电路的半导体工艺的管芯区域(GaAs、InP、SiGe、性能非常高的CMOS)非常昂贵，故最小化天线所需面积的尺寸是可取的(小的天线尺寸是高度优选的)。而且，为了高的可重复性、坚固(robustness)、以及低生产成本，希望提供能够用标准的半导体制造和芯片封装技术来构造的紧凑的无线通信模块。
下面参照附图中所示示例性实施方案来更详细地描述根据本发明示例性实施方案的无线通信模块，这些模块的设计考虑了上述各因素，同时采用了标准的半导体制造和封装技术来提供用于毫米波应用的紧凑、高性能、低成本解决方法。
图1是示意图，示出了根据本发明一个示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的一种装置。更具体地说，图1是根据本发明一个示例性实施方案的用来封装具有集成制作为BEOL金属化一部分的一个或更多个天线的IC芯片的装置(10)(即无线通信模块)的示意侧视图。参照图1，装置(10)包含用作封装框架结构的金属封装基底(11)。封装基底(11)可以是例如用已知方法制造的引线封装框架或非引线封装框架。封装基底(11)包含一个抬高的部分即台面型结构(11a)。半导体管芯(12)(或IC芯片)被安装在台面结构(11a)的上表面上。IC芯片(12)包含天线区(12a)和有源器件区(12b)。天线区(12a)包含集成制作在IC芯片(12)的有源表面上的一个或更多个平面天线。有源器件区(12b)包含各种集成电路器件和元件，例如接收机、发射机、收发信机之类。
IC芯片(12)被背面安装(环氧树脂、焊料等)到抬高的台面结构(11a)，使IC芯片(12)的天线区(12a)延伸通过台面(11a)的表面边缘并设置在空腔区(13)上方。空腔(13)的底部表面(13a)用作反射器，以便确保能量不被辐射到在其上安装模块(10)的板中。此反射器有效地将天线辐射限制到天线上方的上半球，从而能够得到稳定的天线工作。空腔(13)被金属壁(14)环绕。如图1所示，金属底部表面(13a)和壁(14)防止了辐射损耗，并确保了天线辐射R沿上半球中的某些方向辐射。
装置(10)还包含在IC芯片(12)的有源表面上的键合焊点与适当的封装件引线(16)之间提供(I/O信号和功率)电连接的线键合(15)。此封装件结构被包封层(17)包封。可以用介电损耗小的任何适当材料来形成包封层(17)。包封材料(17)应该具有小的介电损耗，以便得到有效的天线辐射，但要对IC芯片(12)和键合线(15)提供足够的保护。在本发明的另一示例性实施方案中，包封剂或盖子(17)可以被设计为具有诸如透镜或其它适当结构之类的成束结构。
在本发明的其它示例性实施方案中，为了例如降低从天线耦合到有源器件的EM以及提高沿所希望的方向的辐射或波传播，可以在天线区(12a)中或在天线区(12a)与器件区(12b)之间形成反射器和/或束成形图形。这些图形被设计来限制沿天线衬底平面方向传播的表面/衬底波的影响。这些图形可以被设计来提供沿所希望的平行于和/或垂直于天线衬底的方向更大的增益/辐射，和/或抑制沿平行于衬底到有源器件区(12b)的方向的辐射或波传播。
图2示意地示出了根据本发明一个示例性实施方案的用来封装天线和IC芯片的电子装置(20)。除了电子装置(20)包含封装盖(27)(或封装帽)之外，图2的电子装置(20)具有相似于图1的电子装置(10)的结构。封装盖(27)优选由诸如聚丙烯、聚酰亚胺、或其它适当材料之类的低损耗材料组成。对于这种实施方案，与图1装置(10)中天线区(12a)被埋置在包封材料中相反，天线区(12a)被空气或真空环绕。在另一示例性实施方案中，盖(27)可以被设计成具有诸如透镜或其它适当结构的成束结构。
要理解的是，图1和2的示例性无线通信模块可以被设计来优化系统性能并用标准的芯片制造和封装方法来构成以便降低制造成本和提高成品率。例如，IC芯片(12)可以由MMW频率下介电常数比较大且介电损耗小的半导体材料(诸如硅、GaAs、InP、或其它现有或诸如GaN之类的未来半导体材料)组成。采用介电损耗低的材料，提供了更高的天线效率。
而且，采用介电常数大的衬底材料，对于天线的给定工作频率，减小了介质波长(与自由空间波长相比)，这使得能够显著地减小给定工作频率的天线尺寸。对于芯片上天线的设计，天线尺寸的减小，使天线区(12a)所需的管芯面积减为最小，从而增大了器件区(12b)中有源器件的可用管芯面积。以这种方式，对于具有分立天线区和器件区的芯片，总的芯片面积能够被减为最小。有利的是，通过在诸如GaAs和InP的大介电常数衬底上制作芯片上天线，能够得到毫米波应用下的总体系统效率，从而能够以单片方式得到天线元件和发射机/接收机模块的高度集成。因此，能够用芯片上天线来构成MMIC(微波单片集成电路)装置。
而且，由于大介电常数衬底以及诸如反射器或成束图形之类的各种结构而耦合到有源器件区的EM，能够被形成在天线区(12a)与有源器件区(12b)之间，从而最小化或防止了EM从天线区(12a)耦合到有源器件区(12b)。
利用标准的BEOL加工技术来构造天线区(12a)中的平面天线(以及天线馈电和其它结构)，能够精确且可重复地形成小尺寸天线(以及其它结构)，这是达到低成本和高成品率大规模生产所要求的。取决于所需应用和/或工作频率，天线区(12a)可以包含一个或更多个任何适当类型的天线，此天线被图形化成BEOL金属化层的一部分，诸如偶极子天线、折叠偶极子天线、环形天线、正交回路天线、片型天线、共平面片型天线、单极天线等，以及一种或更多种不同类型的天线馈电和/或阻抗匹配网络，诸如平衡差分线路、共平面线路等。举例来说，天线区(12a)可以包括图7和8所述的Yagi天线装置，下面将详细地进行解释。
而且，将具有天线区(12a)的芯片(12)安装在空腔(13)上，使天线区(12a)能够被低损耗材料环绕，以便最小化对天线性能的影响。如上所述，可以用空气(介电常数＝1)填充空间/空腔(13)(图2)，或用低损耗包封材料(诸如泡沫材料)来填充。
在本发明的其它示例性实施方案中，可以用图1和2的IC芯片(12)来构造无线通信模块，其中，IC芯片(12)被安装到金属表面而不在空腔上方设置天线区(12a)，其中，金属表面用作天线的反射器。但取决于衬底材料和BEOL介质材料的类型/厚度，这种设计可能导致更低的带宽-效率乘积(例如窄带工作和/或较低的效率)，对于某些应用，这是可以接受的。
在本发明的其它示例性实施方案中，例如如图3-6的示意图所述，通过对IC芯片与形成在安装到IC芯片的分立衬底上的平面天线进行封装，能够构成紧凑的无线通信模块。举例来说，图3是根据本发明一个示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置(30)的示意图。通常，装置(30)包含用作封装框架结构的金属封装基底(31)。半导体管芯(32)(或IC芯片)被安装在封装基底(31)的上表面上。IC芯片(32)可以包含各种集成电路，诸如接收机、发射机、收发信机等。IC芯片(32)可以由任何适当的半导体材料组成。
半导体衬底(33)经由键合球连接(34)(例如C4)被安装到IC芯片(32)。衬底(33)包含具有一个或更多个平面天线的天线区(33a)。衬底(33)被安装到IC芯片(32)，使天线区(33a)延伸通过IC芯片(32)的表面边缘，并被设置成离基底(31)的金属表面(31a)一定距离，在表面(31a)与衬底(33)的底部之间形成一个空间S。金属表面(31a)用作天线的反射器，以便将天线的辐射限制在天线上方的上半球。
装置(30)还包含在IC芯片(32)有源表面上的键合焊点与适当的封装件引线(36)之间提供(I/O信号和功率的)电连接的线键合(35)。此封装件结构被包封层(37)包封。可以用介电损耗小和介电常数低的任何适当材料来形成包封层(37)。包封材料(37)应该具有小的介电损耗，以便得到有效的天线辐射，但要对IC芯片(32)、键合线(35)、以及天线衬底(33)提供足够的保护。
图4示意地示出了根据本发明一个示例性实施方案的用来封装天线和IC芯片的电子装置(40)。除了电子装置(40)包含封装盖(47)(或封装帽)之外，图4的电子装置(40)具有相似于图3的电子装置(30)的结构。封装盖(47)优选由诸如聚酰亚胺或其它适当材料之类的低损耗材料组成。对于这种实施方案，与图3装置(30)中天线区被埋置在包封材料中相反，天线区(33a)被空气或真空环绕。
图5是根据本发明一个示例性实施方案的用来封装天线和IC芯片的电子装置(50)的示意侧视图。通常，装置(50)包含用作封装框架结构的平面金属封装基底(51)。半导体管芯(52)(或IC芯片)经由键合球连接(54)(例如C4)被正面(或倒装)安装到承载衬底(53)。承载衬底(53)被键合到金属基底(51)。承载衬底(53)提供了向/自IC芯片(52)的I/O电连接的空间转换。衬底(53)包含其上形成有一个或更多个平面天线的天线区(53a)。衬底(53)还包含其它的金属化结构，包括通道孔、传输线、天线馈电等。IC芯片(52)被安装到承载衬底(53)，使天线区(53a)不被IC芯片(52)重叠。利用这种设计，封装基底(51)用作天线的反射基底平面，使天线辐射R能够沿上半球中的某些方向辐射而不被IC芯片(52)阻挡。装置(50)还包含在衬底(53)上的键合焊点与适当的封装件引线(56)之间提供(I/O信号和功率)电连接的线键合(55)。此封装件结构被包封层(57)包封。可以用介电损耗小和介电常数低的任何适当材料来形成包封层(57)。包封材料(57)应该具有小的介电损耗，以便得到有效的天线辐射，但要对IC芯片(52)、键合线(55)、以及天线衬底(53)提供足够的保护。
图6示意地示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的电子装置(60)。除了电子装置(60)包含封装盖(67)(或封装帽)之外，图6的电子装置(60)具有相似于图5的电子装置(50)的结构。封装盖(67)优选由诸如聚酰亚胺或其它适当材料之类的低损耗材料组成。对于这种实施方案，与图5装置(50)中天线区被埋置在包封材料中相反，天线区(53a)被空气或真空环绕。
对于图3-6的示例性实施方案，各平面天线被形成在分立的天线衬底(33，53)上，这提供了更多的设计灵活性，但集成度更低(与图1和2的芯片上天线架构相比)。例如，利用分立的天线衬底显著地最小化或防止了从天线耦合到有源电路器件的EM。而且，能够独立地选择芯片衬底和天线衬底，使具有所需性质的不同衬底能够被使用，从而优化了给定应用的系统性能。例如，取决于用途，各IC芯片可以由诸如高电阻率的硅或GaAs之类的半导体材料组成，而天线衬底可以由任何适当材料组成，例如包括诸如熔融氧化硅(SiO2)、氧化铝、聚苯乙烯、陶瓷、特氟龙基衬底、FR4等的介电或绝缘材料，或者诸如硅之类的半导体材料。
而且，可以用标准的半导体制造和封装技术来形成图3-6的示例性结构，以便能够进行低成本高成品率的大规模生产。例如，利用本技术领域一般熟练人员所知的标准方法，平面天线、天线馈电、传输线、通道等可以被形成在天线衬底上。
图7示意地示出了根据本发明另一示例性实施方案的用来集成封装天线和IC芯片的装置(70)。具体地，图7是无线通信模块(70)的俯视平面图，此无线通信模块(70)包含IC芯片，此IC芯片具有集成制作为BEOL金属化工艺一部分的芯片上平面天线。装置(70)包含安装衬底(71)和IC芯片(72)。IC芯片(72)包含天线区(72a)和有源器件区(72b)，其中，IC芯片(72)被背面安装到衬底(71)，使天线区(72a)延伸通过衬底(71)的表面边缘。在本发明的一个示例性实施方案中，装置(70)例如具有基于图1或2所示的结构，其中，安装衬底(71)是封装基底(11)的台面结构(11a)。在本发明的另一示例性实施方案中，衬底(71)可以是例如安装到封装基底的承载衬底。IC芯片(72)包含形成在有源器件区(12b)表面上的多个键合焊点(74)，这些键合焊点(74)例如用键合线(73)被连接到承载衬底上的相应键合位置(75)或封装引线。有源器件区(72b)可以包含各种MMW功能以及信号发生和上/下转换，例如采用键合线(73)从管芯取出的I/O信号。
在图7的示例性实施方案中，天线区(72a)包含集成制作为IC芯片(72)BEOL结构的上部金属化一部分的平面Yagi天线。此平面Yagi天线包含由天线馈电(77)来馈电而被驱动的偶极子天线(76)以及包括反射元件(78)和导向元件(79)的多个寄生元件。
天线馈电(77)可以是差分共平面带状线，利用具有交叉信号线的平衡-不平衡转换器(balun)，此带状线被连接到器件区(72b)中的有源电路，以便得到单端馈电。在另一示例性实施方案中，差分带状线可以被直接连接到差分(例如推挽)功率放大电路的差分输入。
正如标准Yagi天线那样，导向器(79)被形成为稍许短于馈电偶极子(76)。寄生元件(78)和(79)提供了到天线的方向性。更具体地说，在图7的示例性实施方案中，平面Yagi天线在水平面(XY平面)内沿垂直于偶极子(76)纵轴(y轴)的正x轴定向。换言之，由于馈电(76)与导向器(79)和反射器(78)的格局(constellation)，大部分辐射能量被导向远离有源器件区(72b)的天线区(72a)的边缘。利用这种示例性设计，有源器件区(72b)被置于反射器(78)后面，以便最小化EM能量从天线耦合回来。
天线区(72a)的管芯面积由a×w给定，而反射器(78)后面的有源电路区(72b)的管芯面积由b×w表示。在一个示例性实施方案中，IC芯片(72)由介电常数大且损耗正切小的半导体衬底材料(例如高电阻率的硅、GaAs、或InP等)组成。当IC芯片(72)由介电常数大的衬底材料组成时，天线尺寸能够被制作成沿管芯(72)的天线区(72a)边缘小于0.1自由空间波长×0.5自由空间波长(例如小于0.4mm×2mm＠77GHz)。天线所需的少量管芯面积使得能够将对于典型收发信机足够多的更多的管芯面积分配到有源器件区(72b)。利用这种设计，示例性天线能够得到宽的(例如5％)带宽同时具有高的效率。
为了确定根据本发明的芯片上天线设计的电学性质和特性，利用从Ansoft得到的市售HFSSTM，对图7的示例性天线进行了计算机模拟。如本技术领域所知，HFSSTM是一种用于RF、无线、封装、以及光电子设计的三维EM模拟软件工具。关于模拟，对具有标准熔融二氧化硅(SiO2)基BEOL且具有50Ω输入阻抗以及大约78GHz谐振频率的高电阻率硅(1kΩcm)衬底，构建了类似于图7所示的单元件Yagi天线模型。此天线在无封装的自由空间内被模拟。模拟的结果被示于图10-12。
具体地，图10图示了模型天线的模拟回波损耗，具体地对70-85GHz频率范围按单位dB表示的模拟回波损耗。图10中的模拟结果显示出78GHz的中心频率和大约4GHz的宽的带宽(76-80GHz)，其中，带宽根据S11被测量为大约-10dB或更好的频率范围来定义。
而且，图11和12分别示出了被模拟天线的被模拟的水平和垂直辐射图形。图11和12所示的辐射图形假设了图7所示的笛卡儿坐标系，其中，Z轴沿垂直于衬底平面的方向延伸(在衬底上方正Z方向)，其中，x轴在垂直于馈电偶极子(76)纵轴的方向沿衬底平面延伸(正x沿离开天线区边缘的方向)，且其中，y轴在平行于馈电偶极子(76)纵轴的方向沿衬底平面延伸。
图11示出了极坐标中的水平辐射图形(XY平面)，其中，能量被聚焦在0度处的所希望的方向上(亦即正X方向)。图12示出了由ZY平面(＝90度)和ZX平面(＝0度)所定义的垂直平面的极坐标中的模拟的垂直辐射图形，其中0度代表正z方向，90度代表正x方向，而180度代表负z方向。在图12中，显示出在ZY平面和ZX平面内存在着最小辐射，能量被聚焦在所希望的方向(亦即正x方向)上。
图8示意地示出了根据本发明一个示例性实施方案的用来封装天线和IC芯片的电子装置(80)。具体地，图8是封装结构相似于图7所示但包括芯片上线性天线阵列的电子模块的俯视平面图，该芯片上线性天线阵列采用多个图7所示Yagi天线形成。在图8中，装置(80)包含安装衬底(81)以及具有天线区(82a)和有源器件区(82b)的IC芯片(82)，且其中，IC芯片(82)被背面安装到衬底(81)，使天线区(82a)延伸通过衬底(81)的表面边缘。多个键合焊点(84)形成在有源器件区(82b)的表面上，采用键合线(83)连接到相应的键合位置(85)或引线。
在本示例性实施方案中，天线区(82a)包含采用诸如图7所示的多个Yagi天线形成的线性天线阵列。具体地，此天线阵列包含由各自天线馈电(87a)和(87b)馈电的二个偶极子天线(86a)和(86b)，以及多个寄生元件。这些寄生元件包含细长的反射器(88)(其中，各个Yagi天线的分立反射器可以被组合)以及多个导向器(89a)和(89b)，它们提供了天线的方向性。当IC芯片衬底由介电常数比较大的材料(例如GaAs)组成时，偶极子(87a)和(87b)的长度能够小于自由空间中波长的1/2。关于这一点，对于要被安放成沿天线区(82a)边缘相距1/2波长以形成元件的线性阵列的天线元件，在天线区(82a)中存在着足够的管芯面积。虽然在图8中示出了二个元件，但取决于应用和可得到的管芯面积，线性天线阵列可以由任何数目的元件组成。
在本发明的一个示例性实施方案中，可以在要求一定天线图形的各种成束应用中实现图8的芯片上线性天线阵列。例如，在图8的示例性实施方案中，天线馈电线(87a)和(87b)可以被连接到芯片上馈电网络，以便硬编码(hard code)所希望的天线图形。在另一示例性实施方案中，如本技术领域一般熟练人员理解的那样，各个天线可以被连接到反射器(88)后面的芯片有源区中的分立的发射机或接收机，以便能够进行数字成束。
在下面参照图9所述的另一示例性实施方案中，诸如图8所示的具有芯片上线性天线阵列的IC芯片，可以被安装到具有集成的抛物柱面反射器的低成本铝封装件中，从而构成低成本的汽车雷达模块。在这种实施方案中，数字成束技术可以被用来得到所希望的水平角度分辨率，同时通过抛物柱面反射器得到(某些雷达应用中所要求的)窄的垂直束宽度。
举例来说，图9示意地示出了根据本发明一个示例性实施方案的用来集成封装IC芯片以形成雷达模块的装置(90)。具体地，图9是电子装置(90)的示意侧视图，此电子装置(90)包含图8所述的IC芯片(82)和承载衬底(81)。装置(90)包含(可以由铝组成的)金属封装基底(91)。抛物柱面反射器(92)被设置在封装基底(91)的一侧上。反射器(92)可以被集成制作为封装基底材料的一部分，或独立形成和安装在封装件(90)中。装置(90)包含封装盖子(93)(或封装帽)，此封装盖子(93)由诸如聚酰亚胺之类的低损耗材料或在感兴趣的工作频率下基本上透明的其它适当的材料组成。
如上面参照图8所述，具有集成的Yagi天线阵列的IC芯片(82)被直接安装到载体(81)上，使天线区(82a)延伸通过载体(81)的边缘。此载体(81)可以是PC板，但在板技术的公差不允许这样做的情况下，载体(81)可以是安装到第二载体/板(94)的一个中间板/载体。芯片(82)的I/O信号经由键合线(83)被连接到板/载体(81)。球形罩材料(glob top material)(95)被形成在芯片(82)的器件区和键合线(83)上，以便提供保护。雷达系统的各种控制电路和电源电路可以被安装在PC板(94)上。图9的示例性封装件架构最小化了封装件的厚度T，对于诸如汽车雷达产品之类的某些应用，这是一个关键的尺度。
要理解的是，图9的示例性雷达模块提供了低成本的紧凑而灵活的设计，此设计能够被用于各种军用和民用雷达中。此示例性雷达模块能够在水平面和垂直面内都得到几度的非常窄的束宽度。在水平面内，线性阵列中的各个Yagi天线元件能够一起提供比较宽的束，且数字成束技术能够被用来得到水平面内所希望的角度分辨率。而且，取决于用途，反射器可以被设计来提供所要求的垂直方向上的方向性。图9的示例性雷达模块特别适合于要求低成本紧凑雷达装置的汽车雷达应用。这种汽车雷达装置能够被用于各种用途，诸如测距(例如汽车前部或后部到物体的距离)、路旁探测、和/或侧面气囊启动或者转向辅助。而且，此灵活设计能够被用来得到汽车雷达应用所期待的更高的水平角度分辨率，同时覆盖更广阔的方位角范围。
要理解的是，上述图1-9所述的示例性电子装置能够用各种芯片制造和封装技术来构造，且本发明不局限于此处所述的任何一种特定的芯片制造和封装技术。
虽然此处参照用于说明目的的附图已经描述了各个示例性实施方案，但要理解的是，本发明不局限于这些实施方案，本技术领域的熟练人员可以作出各种其它的改变和修正而不偏离本发明的范围。
权利要求
1.一种电子装置，包括金属封装框架；IC(集成电路)芯片，此IC芯片包括有源电路区和天线区，其中，天线区包括集成制作为IC芯片的BEOL(后端线工艺)金属化结构一部分的天线；以及非金属封装盖子。
2.权利要求1的装置，其中，金属封装框架包括具有芯片安装表面的台面结构，其中，IC芯片被安装到芯片安装表面，使IC芯片的天线区延伸通过芯片安装表面的边缘。
3.权利要求2的装置，其中，IC芯片的天线区被设置在金属封装框架的空腔区上，其中，空腔区包括金属底部和侧壁表面。
4.权利要求3的装置，其中，空腔用介质材料填充。
5.权利要求4的装置，其中，介质材料是形成封装盖子的包封剂材料。
6.权利要求3的装置，其中，空腔用空气填充。
7.权利要求3的装置，其中，空腔区包括抛物面反射器。
8.权利要求1的装置，还包括安装到金属封装框架的衬底，其中，IC芯片被安装到衬底，使IC芯片的天线区延伸通过衬底的边缘并被设置在金属封装框架的金属表面上。
9.权利要求1的装置，其中，金属封装框架包括引线封装框架。
10.权利要求1的装置，其中，金属封装框架包括非引线封装框架。
11.权利要求1的装置，其中，IC芯片包括形成在有源电路区与天线区之间的反射元件，以便降低耦合到有源电路区的辐射。
12.权利要求1的装置，其中，天线包括YAGI天线，此YAGI天线包括反射元件、馈电偶极子元件、以及导向元件。
13.权利要求1的装置，其中，天线区包括线性天线阵列。
14.权利要求1的装置，其中，IC芯片包括集成制作的天线馈电网络。
15.权利要求1的装置，其中，IC芯片包括集成的无线电接收电路。
16.权利要求1的装置，其中，IC芯片包括集成的无线电发射电路。
17.权利要求1的装置，其中，IC芯片包括集成的无线电收发二用电路。
18.权利要求1的装置，其中，天线的谐振频率约为30GHz或以上。
19.权利要求1的装置，其中，所述装置包括雷达模块。
20.权利要求1的装置，其中，所述装置包括用于数据通信的无线通信模块。
21.权利要求1的装置，其中，所述装置包括用于语音通信的无线通信模块。
22.一种半导体IC(集成电路)芯片，包括半导体衬底，此半导体衬底包括有源器件区和天线区；其中，天线区包括集成制作为BEOL(后端线工艺)金属化一部分的Yagi天线；其中，Yagi天线包括反射元件、馈电偶极子元件、以及导向元件，其中，反射元件被设置在馈电偶极子元件与有源器件区之间，且其中，Yagi天线沿有源器件区到天线区边缘的方向在半导体衬底的水平面内定向。
23.权利要求22的IC芯片，其中，半导体衬底由高电阻率的硅组成。
24.权利要求22的IC芯片，其中，半导体衬底由GaAs组成。
25.权利要求22的IC芯片，其中，半导体衬底由InP组成。
26.权利要求22的IC芯片，其中，有源器件区包括IC接收电路。
27.权利要求22的IC芯片，其中，有源器件区包括IC发射电路。
28.权利要求22的IC芯片，其中，有源器件区包括IC收发二用电路。
29.权利要求22的IC芯片，其中，天线区包括多个形成线性天线阵列的Yagi天线。
30.权利要求22的IC芯片，其中，有源器件区包括成束电路，用来控制线性天线阵列所产生的辐射图形。
31.权利要求22的IC芯片，还包括连接到线性天线阵列中各个Yagi天线元件的天线馈电网络。
全文摘要
提供了一种用来集成封装天线与半导体IC(集成电路)芯片的装置和方法，以便为包括例如语音通信、数据通信、以及雷达应用的毫米波应用提供高度集成的高性能无线电/无线通信系统。例如，采用IC芯片构成无线通信模块，所述IC芯片具有接收机/发射机/收发信机集成电路和由IC芯片的BEOL(后端线工艺)金属化结构集成构成的平面天线。
文档编号H01L23/488GK1937225SQ200610154048
公开日2007年3月28日 申请日期2006年9月20日 优先权日2005年9月21日
发明者刘兑现, 托马斯·兹威克, 乌尔里希·R·普菲弗尔, 布莱恩·P.·高彻尔 申请人:国际商业机器公司