CN102570018B - 一种基于BCB/Au制作集成射频贴片微带天线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在硅基上基于BCB/Au的集成贴片天线的制作方法。其特征在于衬底硅上刻蚀深槽以增加介电材料厚度，从而增加天线带宽；槽中填充的材料与传输线的介电材料相同，均为低介电常数的BCB。制作工艺为：首先在硅基上刻蚀一个深槽来增加介电材料的厚度，溅射一层种子层，电镀金，作为天线的地平面；在槽中填充介电材料，控制温度进行固化；然后打Au柱作为过孔引出地线；再涂覆一层BCB介电材料，固化后进行CMP减薄抛光，增加表面平整度，并使过孔露出；最后在BCB上光刻电镀出天线的图形。此种制作方法使天线和集成电路做在一起，减小了体积，提高了可靠性，同时减小了天线发射模块和天线之间的传输距离，减小了传输损耗。
Description
技术领域
本发明提供了一种采用微电子工艺制作的微波射频天线方法，用于圆片级封装，属于圆片级射频封装技术领域。
背景技术
天线在无线射频领域不可或缺。微带天线是20世纪70年代初期研制成功的一种新型天线。和常用的微波天线相比，它有如下一些优点：体积小，重量轻，低剖面，能与载体共形，制造简单，成本低；电器上的特点是能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向，易于和微带线路集成，易于实现线极化或圆极化。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。因此微带天线得到愈来愈广泛的重视。传统的射频贴片天线一般做在PCB(印刷电路板)上，通过同轴电缆与发射电路连接。此种方法虽然具有上述诸多优点，但是基板材料的介电常数，厚度，以及天线的尺寸一致性较差，特别是在比较高的频带，这些误差会对天线参数造成很大影响，往往在制作出来后，需要进一步的调试才能使用，使生产效率降低，增加了成本。另外，传统的贴片天线和集成电路是分开的，连在一起时会受到连接器的限制，产生一些问题：如阻抗匹配，寄生电感，寄生电容等。
由于以上缺点，制作在硅片上的天线应运而生，它和集成电路一起，这种天线制作工艺精确，一致性好，得到了广泛的应用。但是，这种天线有一种缺点，即基板较薄，一般只有几十μm甚至不到1μm，使带宽大大降低。提高基板厚度h在硅上实现比较困难，文献报道中常用的办法是在硅上刻蚀槽，在槽中填充固体介电材料使与周围高度一致，然后用液体把天线图形做在其上，这种方法使得天线基板材料有至少两种，天线损耗增大，而且天线图形和馈线的基板材料不同，容易产生阻抗不匹配，同时仿真和工艺制作较麻烦；另一种是在槽中填充和其他区域形同的介电材料(一般为液体)，然后固化，这种方法在槽的深度较浅的时候还可以使用，但是在大深度时候，经常导致天线表面的平整性不好，对天线造成不良影响。
发明内容
针对传统贴片天线的缺点，本发明的目的在于提出一种基于BCB/Au制作集成射频贴片微带天线的方法，特别是对上述腐蚀槽的方法进行了改进，使得在大深度情况下，可以用同样的材料并且使槽上方的平整度和周围保持一致。此方法和埋置型圆片级射频封装工艺完全兼容，可以和MMIC(单片微波集成电路Monolithic Microwave Integrated Circuit)封装工艺一起制作，不需要增加额外的步骤。
本发明的具体制作方案：a)以氧化硅为掩膜，用各向异性腐蚀液KOH在硅片上刻蚀一个深度为200-400μm的深槽；
b)在步骤a形成的深槽中，填充相对介电常数＜3.5的BCB材料，利用液体的表面张力，使BCB(苯并环丁烯benzocyclobutene)液体表面高出硅片的平面，高出的体积补偿填充的BCB固化时的收缩；
c)将步骤b深槽中填充有BCB的硅片放在热回流炉中分二阶段固化，第一阶段固化温度为170-190℃；第二阶段固化温度为210-250℃，然后降至常温；以确保后续的高温中充填的BCB介电材料不再收缩；同时，固化后充填的BCB表面不平，中间凹陷四周凸起；
d)步骤c固化后，植球形成Au焊球，引出所述天线的地线；
e)在涂胶机上再涂覆一层BCB，涂覆后静止2-4小时，然后固化，由常温升温到210-230℃，时间为20-40min，保温40-60min，最后线性降温，降温时间为20-40min；使表面的平整度进一步提高；
f)在步骤e完成之后，进行CMP(化学机械抛光Chemical MechanicalPlanarization)工艺，使表面更平整，Au焊球露出；
g)光刻电镀的方法在深槽上方制作天线的图形，其步骤是：
①首先在BCB表面溅射一层种子层TiW/Au，厚度分别为
②然后涂覆光刻胶，光刻，显影，在槽的上方露出天线图形窗口，然后电镀Au；
③最后去胶、去除种子层，留下天线图形。
其进一步特征是：
(1)所述的步骤e中再涂覆一层BCB介质层厚度为20-50μm。
(2)所述的步骤c中第一阶段固化温度为180℃，第二阶段固化温度为230℃。
(3)步骤d所述的Au焊球高度为20-50μm。
(4)步骤d所述的Au焊球高度为30-40μm。
(5)所述的步骤e中再涂覆一层BCB介质层厚度为25-40μm。
(6)所述的步骤g中②所述电镀Au厚度为2-5μm。
(7)所述的方法，其特征在于：
①步骤c中第一阶段从室温升温到170-190℃时间为60分钟，使BCB缓慢固化，BCB充分流动，收缩引起的凹陷尽量的小；
②然后升温到210-250℃，使BCB完全固化，第一阶段和第二阶段的整个过程控制在120min。
(8)步骤b所述的介电常数＜3.5材料为PI，也使用加热方法固化。
最终制作完成的天线的截面图和俯视图分别如图1中f(a)和f(b)，天线集成在硅基上，并通过挖深槽的办法增加了介质基板厚度。
此种天线克服了硅基集成天线介质基板较薄的缺点，与传统硅基集成天线相比，可以明显增加天线的带宽，提高了天线的性能。从制作过程可以看出，此种制作工艺流程与埋置型芯片封装兼容，其制作工艺过程兼容微电子工艺，可以和MMCM(微波多芯片组件Microwave multichip module)封装工艺一起进行，并且在圆片级封装的基础上完成。无需增加额外工艺步骤。所以，此种方法制作出来的天线可以和芯片一起封装，与传统的外接天线方法相比，减小了天线发射模块和天线之间的传输距离，从而减小了损耗。同时，天线与芯片集成在一起，提高了可靠性，减小了体积，符合现代集成电路封装的趋势。
附图说明
图1：微带贴片天线制作工艺流程。
a)用KOH腐蚀液在硅基上刻蚀一个深槽；
b)在槽中填充过量的BCB；
c)固化BCB，并在基板上植球；
d)用旋涂法在硅基表面涂覆一层BCB；
e)进行CMP，使Au焊球露出，BCB达到合适的厚度并且表面平整；
f)使用电镀法在BCB上表面制作天线图形，其中f(a)为制作完成的天线的截面图，f(b)为俯视图，图中102为硅基表面地层；103为槽中填充的介电材料；104为表层介电材料上的过孔，即焊球；105为槽上侧的天线图形。
图2：腐蚀槽中BCB固化的温度曲线。
图3：表面BCB固化的温度曲线。
具体实施方式
下面将结合参考附图对本发明的实施例进行进一步具体描述。本发明的范围不局限于下面的实施例。
实施例：
(1)用KOH在硅(101)表面刻蚀一个深槽，深度为200μm-400μm本实例是300μm，溅射一层TiW/Au，厚度分别为
作为种子层，电镀Au大约3μm，作为天线的地平面(102)。
(2)在槽中过量填充液体的低介电常数材料，本实例是BCB(103)，在不溢出槽边缘的情况下，尽量多的注入介电材料，然后在热回流炉中固化，固化温度曲线如图2所示，前60分钟在较低温度(180℃)下(即室温或常温～180℃)使BCB缓慢固化，同时BCB能够充分流动，尽量较小收缩引起的凹陷，然后上升到230℃，使BCB完全固化，再降至室温，整个过程120分钟。所述的室温或常温为18-25℃。
(3)固化后，植球(104)，引出地线，Au焊球的高度约30-40μm。
(4)再在涂胶机上涂覆BCB(103)，厚度为30μm，涂覆后，静置2个小时以上，使表面更加平整，然后固化，固化时间曲线如图3所示，本实施例中表面BCB的固化温度为205℃，使BCB基本固化但是并不完全，利于后面CMP工艺。
(5)进行CMP工艺，使表面更加平整，Au焊球(104)露出，并使表层BCB厚度在25-40μm。
(6)用电镀法在表面制作天线图形(105)，最终完成天线的制作工艺。
Claims (10)
1.一种制作射频贴片的微带天线的方法，其特征在于制作的步骤是：
a)以氧化硅为掩膜，用各向异性腐蚀液KOH在硅片上刻蚀一个深度为200-400μm的深槽；
b)在步骤a形成的深槽中，填充相对介电常数<3.5的BCB材料，利用液体的表面张力，使BCB液体表面高出硅片的平面，高出的体积补偿填充的BCB固化时的收缩；
c)将步骤b深槽中填充有BCB的硅片放在热回流炉中固化，前60分钟在较低温度BCB缓慢固化，同时BCB能够充分流动，尽量较小收缩引起的凹陷，然后上升到230℃，使BCB完全固化，再降至室温，整个过程120分钟，以确保后续的高温中充填的BCB介电材料不再收缩；同时，固化后充填的BCB表面不平，中间凹陷四周凸起；
d)步骤c固化后，植球形成Au焊球，引出所述天线的地线；
e)在涂胶机上再涂覆一层BCB，涂覆后静止2-4小时，然后固化，由常温升温到210-230℃，时间为20-40min，保温40-60min，最后线性降温，降温时间为20-40min；使表面的平整度进一步提高；
f)在步骤e完成之后，进行CMP工艺，使表面更平整，Au焊球露出；
g)光刻电镀的方法在深槽上方制作天线的图形，其步骤是：
①首先在BCB表面溅射一层种子层TiW/Au，厚度分别为
②然后涂覆光刻胶，光刻，显影，在槽的上方露出天线图形窗口，然后电镀Au；
③最后去胶、去除种子层，留下天线图形。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤e中再涂覆一层BCB介质层厚度为20-50μm。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤c中第一阶段固化温度为180℃，第二阶段固化温度为230℃。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤d所述的Au焊球高度为20-50μm。
5.按权利要求1或4所述的方法，其特征在于步骤d所述的Au焊球高度为30-40μm。
6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤e中再涂覆一层BCB介质层厚度为25-40μm。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤g中②所述电镀Au厚度为2-5μm。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于：
①步骤c中第一阶段从室温升温到170-190℃时间为60分钟，使BCB缓慢固化，BCB充分流动，收缩引起的凹陷尽量的小；
②然后升温到210-250℃，使BCB完全固化，第一阶段和第二阶段的整个过程控制在120min。
9.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b所述的介电常数<3.5材料为PI，使用加热方法固化。
10.按权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：
①所述的方法与微电子工艺兼容并和MMCM封装工艺一起进行，并在圆片级封装的基础上完成；
②制作的天线带宽明显增加。
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