CN105762138A - 整合式毫米波芯片封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种整合式毫米波芯片封装结构，可包括中介层结构、毫米波芯片与基板。该中介层结构包括一天线图案与至少一电镀通孔结构贯穿该中介层结构且连接至该天线图案。该毫米波芯片通过电镀通孔结构而电连接其上方或下方的该天线图案。
Description
技术领域
本发明涉及一种封装结构，是涉及一种整合式毫米波芯片封装结构。
背景技术
无线接收器的应用在近两年美国消费电子展中成为焦点，宣告无线千兆联盟(WirelessGigabitAlliance，WiGi)与无线高画质(WirelessHD)标准应用的时代来临。国内外学界与大厂也陆续开发出毫米波频段的芯片；然而，此频段芯片的封装却尚未有完整解决方案。
一般打线(Wire-bond)封装不适用于射频芯片封装，而使用低温共烧多层陶瓷(Low-TemperatureCo-firedCeramics,LTCC)与倒装封装，则因制作工艺条件导致基板收缩且制作工艺效能不足，加上所欲封装芯片焊垫尺寸及间距过小，导致组装良率过低。因此，目前极需提供一种能有效整合射频芯片及天线的封装结构。
发明内容
本发明的目的在于可提供一种能有效整合射频芯片及天线的封装结构，垂直整合天线与射频集成电路芯片的封装，设计位于不同层的天线与射频芯片的位置上下垂直对应，将两者间的传输距离最小化，减少天线与射频芯片间传输路径造成的高频信号损耗。
为达上述目的，本发明可提供一种整合式毫米波芯片封装结构，至少包括中介层结构、芯片与基板。该中介层结构包括第一金属层、第二金属层、位于该第一、第二金属层之间的绝缘支撑层，且该中介层结构包括至少一第一电镀通孔结构，该第一电镀通孔结构贯穿该第一金属层、该绝缘支撑层以及该第二金属层，并电连接该第一金属层以及该第二金属层。该芯片连结至该中介层结构，该芯片具有有源面以及位于该有源面上的接触垫。该基板连结至该中介层结构。该基板至少包括一绝缘层与位于绝缘层上的第三金属层，该第三金属层位于该基板朝向该中介层结构的一侧，该中介层结构的该第一金属层至少包括一天线图案，该天线图案位于该芯片的上方，该芯片通过该中介层结构的该第一电镀通孔结构电连接该天线图案。在另一实施例，该天线图案可设置在下方。
在本发明的一实施例中，上述的整合式毫米波芯片封装结构中的该基板具有一下凹式晶穴，该芯片内埋于该下凹式晶穴而该芯片的该有源面朝向该中介层结构的该第二金属层，该芯片通过位于该接触垫与该第二金属层之间的凸块物理性连结至该中介层结构，并且该芯片通过该凸块以及该第一电镀通孔结构电连接该天线图案。
在本发明的另一实施例中，上述的整合式毫米波芯片封装结构中的该基板具有一开口露出该芯片，该芯片的该有源面朝向该中介层结构的该第二金属层，该芯片通过位于该接触垫与该第二金属层之间的凸块物理性连结至该中介层结构，并且该芯片通过该凸块以及该第一电镀通孔结构电连接该天线图案。
在本发明的一实施例中，上述的整合式毫米波芯片封装结构中的该基板还包括第四金属层与第二电镀通孔结构，该第四金属层位于该绝缘层相对于该第三金属层的另一面，该第二电镀通孔结构贯穿该基板而连接该绝缘层两侧的该第三金属层与该第四金属层。
在本发明的一实施例中，上述的整合式毫米波芯片封装结构还包括另一基板连结至该基板，该另一基板包括置于该基板与该另一基板之间的焊球，该另一基板通过该焊球使该基板与该另一基板物理性连结且电性相连。
在本发明的一实施例中，上述的整合式毫米波芯片封装结构中的该中介层结构还包括一或多层布线层，位于该绝缘支撑层之中且位于该天线图案以及该第二金属层之间。
在本发明的一实施例中，上述的整合式毫米波芯片封装结构中的芯片为射频芯片。
基于上述，本发明将天线图案配置在芯片的上方或下方，再利用内埋孔与导通孔电连接天线以及芯片，进而可通过此垂直的封装架构而整合天线以及芯片的封装，而减少天线和芯片之间的信号传输距离，达到减少信号传输损耗的目的。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图；
图2为本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图；
图3为本发明的又一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图；
图4为本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图；
图5为本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图；
图6为本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图；
图7为本发明的一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的部分俯视示意图；
图8为另一种毫米波芯片封装结构的部分俯视示意图；
图9为毫米波天线增益对导通孔长度的导波波长(GuideWavelength)图；
图10为毫米波天线辐射效率频率响应图。
符号说明
10、20、30、40、50、60：封装结构
100、400：中介层结构
102：第一金属层
104：第二金属层
106、406：绝缘支撑层
108、408：布线层
109、409：金属填孔结构
110、110A：天线图案
112、114、214、218、302：焊垫
120、220、420：电镀通孔结构
140：黏胶层
150：毫米波芯片
150a：有源面
152：接触垫
160、230：凸块
180：布线
200、200A、200B、300：基板
202：下凹式晶穴
203：开口
210：绝缘层
212：第三金属层
216：第四金属层
310：焊球
402：上金属层
404：下金属层
具体实施方式
毫米波泛指波长为1～10毫米范围的电波，若换算成频率，约在30G～300GHz范围；因此，毫米波芯片也就是指波长在毫米波范围的射频收发芯片。下述实施例中类似或相同元件、部分或结构将以相同标号表示之。其文中的顺序或上下等描述是用以方便理解但并非用以限定其相对位置或范围。
图1是依照本发明的一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图。
参考图1，整合式毫米波芯片封装结构10，包括中介层结构100、毫米波芯片150与基板200。中介层结构100包括第一金属层102、第二金属层104、位于该第一、第二金属层102/104之间的一绝缘支撑层106以及至少一电镀通孔结构(platedthroughhole)120。该电镀通孔结构120贯穿该中介层结构100(贯穿该第一金属层102、该绝缘支撑层106以及该第二金属层104)，电连接该第一金属层102以及该第二金属层104。该第一金属层102至少包括一天线图案110。而该第二金属层104可为一线路层而包括多个焊垫112与焊垫114。电镀通孔结构120的形成方式包括先蚀刻或激光钻孔形成贯通孔再电镀形成电镀通孔结构以达成。
相比较于封装结构利用导线或布线来连接天线图案，本发明整合式毫米波芯片封装结构可利用电镀通孔结构(亦即导通孔)来电连接天线图案，也就是以导通孔的方式连接并将信号馈入到天线。
参见图1，该中介层结构100还包括一布线层108以及一金属填孔结构109，该布线层108位于该绝缘支撑层106之中并位于该天线图案110以及第二金属层104之间，该金属填孔结构109位于该布线层108与该焊垫114之间而电连接该布线层108与该焊垫114。其中该布线层108不与该电镀通孔结构120连接。该布线层108可以做为接地层，接地层也可有屏蔽的功能，以保护毫米波芯片150避免受到过多的电磁干扰(EMI)，而不当地影响本发明的整合式毫米波芯片封装结构的操作。本发明不限定布线层为单层而可以为多层配置，通过更多层布线层的配置，可以帮助该封装结构整合更多元件或使封装结构的布线更有弹性。
该基板200至少包括一绝缘层210与位于绝缘层210上的第三金属层212，该第三金属层212位于该基板200朝向该第二金属层104的一侧且包括多个焊垫214。该基板200具有一下凹式晶穴202，而该毫米波芯片150内埋于该下凹式晶穴202中而通过一黏胶层140黏附固定至该基板200的凹穴内或黏胶层140以空气取代。该毫米波芯片150具有一有源面150a以及位于有源面150a上的接触垫152，而该毫米波芯片150内埋于该下凹式晶穴202中，但其有源面150a朝向该中介层结构100的第二金属层104，该毫米波芯片150通过位于第二金属层104与接触垫152之间的凸块160或锡球或金球，分别电连接该芯片的接触垫152与该第二金属层104(焊垫112)。此外，该天线图案110通过该电镀通孔结构120与凸块160(焊垫112与接触垫152)，而电连接该天线图案110与该毫米波芯片150。此处，该基板200例如为一印刷电路板或陶瓷基板。
参考图1，该天线图案110可位于该毫米波芯片150的上方。此处，不论是文中描述上方或是下方，端视此封装结构的放置方向而定，但是并不妨碍此领域者的理解，主要是该天线图案的位置需与芯片配置的位置对齐，基本上该天线图案110的图案分布区域应等于或大于其下芯片的大小，但两者位置是完全或部分对应的。
参考图1，该中介层结构100迭合于该基板200上，该中介层结构100通过位于第二金属层104(焊垫114)与第三金属层212(焊垫214)之间的凸块230或锡球或金球，而电连接第二金属层104与第三金属层212。该中介层结构100与该基板200之间可还包括一底胶层130，帮助两者与凸块间的固着。也就是说，毫米波芯片150与基板200通过位于第二金属层104的焊垫114与芯片之间的凸块160以及位于第二金属层104与第三金属层212之间的凸块230达到电连接。
因此，图1所示的整合式毫米波芯片封装结构10将天线图案110配置于毫米波芯片150的上方，并且通过电镀通孔结构120而电连接该天线图案110与该毫米波芯片150，而垂直整合式毫米波芯片封装结构10，在无需打线的情况下，大大缩短天线图案110与该毫米波芯片150之间信号传输距离。
图2是依照本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图。参见图2，整合式毫米波芯片封装结构20，包括中介层结构100、毫米波芯片150、基板200A与基板300。此处，除了相同的中介层结构100外，图2的该基板200A与图1的基板200相当类似，但基板200A包括绝缘层210与分位于绝缘层210两面的第三金属层212与第四金属层216。该第三金属层212包括多个焊垫214，而该第四金属层216包括多个焊垫218。此外，基板200A还包括电镀通孔结构220贯穿该基板200A以及连接绝缘层210两侧的第三金属层212与第四金属层216。
该基板300包括置设于焊垫302上的焊球310，该基板300通过置设于焊垫302上的焊球310以及该基板200A的焊垫218，而使该基板200A与该基板300物理性连结且电性相连。此处，该基板200A例如为一承载基板，而该基板300为一印刷电路板，故通过凸块160、230与焊球310可进一步使毫米波芯片150电连接至印刷电路板。
图3是依照本发明的又一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图。参见图3，整合式毫米波芯片封装结构30，包括中介层结构100、毫米波芯片150、基板200B与基板300。此处，该基板200B与图2的基板200A相当类似，虽然基板200A具有一下凹式晶穴，但基板200B则具有一开口203露出该毫米波芯片150，该毫米波芯片150通过位于第二金属层104与芯片接触垫152之间的凸块160，而与中介层结构100达到物理连结。整合式毫米波芯片封装结构30将天线图案110配置于毫米波芯片150的上方，并且通过电镀通孔结构120而电连接该天线图案110与该毫米波芯片150，而垂直整合式毫米波芯片封装结构30，缩短天线图案110与该毫米波芯片150之间信号传输距离。
图4是依照本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图。参见图4，整合式毫米波芯片封装结构40，包括中介层结构100、毫米波芯片150、基板200与另一中介层结构400。此处，除了与图1相同的中介层结构100及基板200外，图4的毫米波芯片封装结构40包括另一中介层结构400位于该基板200与该中介层结构100之间，该中介层结构400并以凸块160、230与其上下的该基板200与该中介层结构100连结。该中介层结构400与图1的该中介层结构100相当类似，该中介层结构400包括上金属层402、下金属层404、位于之间的绝缘支撑层406、布线层408、金属填孔结构409以及至少一电镀通孔结构420。该中介层结构400的上金属层402可以为线路层，但是也可以还包括一天线图案，端视产品设计而定。而下金属层404可为一线路层而包括多个焊垫。该中介层结构400通过凸块160、230电连接中介层结构100、毫米波芯片150以及基板200。搭配凸块160与金属填孔结构409，天线图案110通过电镀通孔结构120、420而与毫米波芯片150电性相连。图4的毫米波芯片封装结构40包括另一中介层结构400可以整合被动元件或天线图案或匹配网络至封装结构中。
图5是依照本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图。参见图5，整合式毫米波芯片封装结构50，包括中介层结构100、毫米波芯片150、基板200A、基板300与另一中介层结构400。此处，整合式毫米波芯片封装结构50与整合式毫米波芯片封装结构20颇为类似，除了整合式毫米波芯片封装结构50包括另一中介层结构400位于该基板200A与该中介层结构100之间，该中介层结构400并以凸块160、230与其上下的该基板200A与该中介层结构100连结。同样地，该基板300通过置设于焊垫302上的焊球310，而使该基板200A与该基板300物理性连结且电性相连。此处，该基板200A例如为一承载基板，而该基板300为一印刷电路板，故通过凸块160、230与焊球310可进一步使毫米波芯片150电连接至印刷电路板。
图6是依照本发明的另一实施例的一种整合式毫米波芯片封装结构的剖面示意图。参见图6，整合式毫米波芯片封装结构60，包括中介层结构100、毫米波芯片150、基板200B、基板300与另一中介层结构400。此处，整合式毫米波芯片封装结构60与整合式毫米波芯片封装结构50颇为类似，不过虽然毫米波芯片封装结构50的基板200A具有一下凹式晶穴，但毫米波芯片封装结构60的基板200B具有一开口203露出该毫米波芯片150，该毫米波芯片150通过凸块160而与中介层结构400达到物理连结。整合式毫米波芯片封装结构60将天线图案110配置于毫米波芯片150的上方，搭配凸块160与电镀通孔结构120、420而电连接该天线图案110与该毫米波芯片150，故垂直整合式毫米波芯片封装结构60。
图7的整合式毫米波芯片封装结构可以视为是针对图1或图3的天线图案110的部分俯视示意图。参见图7，天线图案110与电镀通孔结构120直接连接，采垂直馈入方式，故形成天线图案所需布局面积较小。
图8是另一种毫米波芯片封装结构的俯视示意图。相对于图7的天线图案110与电镀通孔结构120直接连接，图8的天线图案110A，可以仍旧搭配使用布线180而从侧向馈入达成电连接。
在本发明的前述各实施例中，虽然只有绘示出一个芯片或单一个天线图案，但本发明的范围并不限于此，整合式封装结构中可以配置多个芯片或多个天线图案。而该些实施例中，毫米波芯片150可为射频芯片，第一、第二、第三或第四金属层等材质可包括为铝、铜、镍、金与或银等金属。该天线图案可为射频天线图案，例如是微带式天线(patchantenna)，较佳为60GHz频带的天线图案。
本发明实施例中整合式毫米波芯片封装结构利用具有电镀通孔结构的中介层结构，而使其上天线图案与芯片电连接，因此，无需搭配使用布线或导线馈入方式来连接天线图案，而使得形成天线图案所需布局面积较小，达到节省布局面积的目的。
综上所述，本发明可使用电镀通孔结构(导通孔)的方式电连接与馈入信号到天线。相较于利用导线或布线来连接天线图案，本发明实施例使用电镀通孔结构(导通孔)的方式电连接与馈入信号到天线，因此天线所占用基板的面积较小。图9为毫米波60GHz微带式天线增益对导通孔长度的等效波长图，天线的导通孔长度介于八分之一导波波长至十六分之一导波波长之间。依据本发明实施例的结构，导通孔的长度约为十一分之一导波波长时，天线增益为6.3dBi，效益较佳。图10是毫米波天线辐射效率频率响应图。根据搭配使用的芯片与产品设计电性要求，以导波波长为D来看，导通孔的长度可设计为搭配导波波长D的十一分之一，亦即D/11。如图10所示，在60GHz时，使用导带线馈入方式的天线增益为6.1dBi，天线辐射效率80％(虚线所示)；而使用导通孔馈入方式(导通孔的长度约D/11)的天线增益为6.3dBi，辐射效率83％(实线所示)，确实改善天线效能。
本发明可将芯片内埋在下凹式或具开口的基板内，降低封装结构的整体厚度。另外，相对于采用导线或布线方式连接天线的封装结构，本案芯片搭配贯孔导通结构来连接天线图案，可减少天线布局所需面积，不损及甚至增强天线效能，本发明确实有效地整合射频芯片与天线图案于封装结构中，达到减少毫米波功率耗损，提升封装模块效能。由于本案实施例中通过将天线图案配置于芯片配置位置的上方或下方，并且通过电镀导通孔结构来电连接天线图案与芯片，而将信号传输路径变短减少高频信号损耗。
虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何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，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (15)
1.一种整合式毫米波芯片封装结构，包括：
中介层结构，其中该中介层结构包括第一金属层、第二金属层、位于该第一、第二金属层之间的绝缘支撑层，且该中介层结构包括至少一第一电镀通孔结构，贯穿该第一金属层、该绝缘支撑层以及该第二金属层，并电连接该第一金属层以及该第二金属层；
至少一芯片，连结至该中介层结构，其中该芯片具有有源面以及位于该有源面上的接触垫；以及
基板，连结至该中介层结构，其中该基板至少包括一绝缘层与位于绝缘层上的第三金属层，该第三金属层位于该基板朝向该中介层结构的一侧；该中介层结构的该第一金属层至少包括一天线图案，该天线图案位于该芯片的上方或下方，该芯片通过该中介层结构的该第一电镀通孔结构电连接该天线图案。
2.如权利要求1所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该基板具有下凹式晶穴，该芯片内埋于该下凹式晶穴而该芯片的该有源面朝向该中介层结构的该第二金属层，该芯片通过位于该接触垫与该第二金属层之间的凸块物理性连结至该中介层结构，并且该芯片通过该凸块以及该第一电镀通孔结构电连接该天线图案。
3.如权利要求1所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该基板具有开口，露出该芯片，该芯片的该有源面朝向该中介层结构的该第二金属层，该芯片通过位于该接触垫与该第二金属层之间的凸块物理性连结至该中介层结构，并且该芯片通过该凸块以及该第一电镀通孔结构电连接该天线图案。
4.如权利要求2所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构的该基板还包括第四金属层与第二电镀通孔结构，该第四金属层位于该绝缘层相对于该第三金属层的另一面，该第二电镀通孔结构贯穿该基板而连接该绝缘层两侧的该第三金属层与该第四金属层。
5.如权利要求3所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构的该基板还包括第四金属层与第二电镀通孔结构，该第四金属层位于该绝缘层相对于该第三金属层的另一面，该第二电镀通孔结构贯穿该基板而连接该绝缘层两侧的该第三金属层与该第四金属层。
6.如权利要求4所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构还包括另一基板连结至该基板，该另一基板包括置于该基板与该另一基板之间的焊球，该另一基板通过该焊球使该基板与该另一基板物理性连结且电性相连。
7.如权利要求5所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构还包括另一基板连结至该基板，该另一基板包括置于该基板与该另一基板之间的焊球，该另一基板通过该焊球使该基板与该另一基板物理性连结且电性相连。
8.如权利要求2所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构还包括另一中介层结构与多个凸块，该另一中介层结构包括至少一第三电镀通孔结构贯穿该另一中介层结构，该另一中介层结构位于该芯片与该中介层结构之间，且该芯片通过该些凸块连结至该另一中介层结构，该另一中介层结构再通过该些凸块连结至该中介层结构，通过该些凸块与该第一、第三电镀通孔结构使该芯片、该中介层结构与该另一中介层结构物理性连结且电性相连。
9.如权利要求3所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构还包括另一中介层结构与多个凸块，该另一中介层结构包括至少一第三电镀通孔结构贯穿该另一中介层结构，该另一中介层结构位于该芯片与该中介层结构之间，且该芯片通过该些凸块连结至该另一中介层结构，该另一中介层结构再通过该些凸块连结至该中介层结构，通过该些凸块与该第一、第三电镀通孔结构使该芯片、该中介层结构与该另一中介层结构物理性连结且电性相连。
10.如权利要求8所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构的该基板还包括第四金属层与第二电镀通孔结构，该第四金属层位于该绝缘层相对于该第三金属层的另一面，该电镀通孔结构贯穿该基板而连接该绝缘层两侧的该第三金属层与该第四金属层。
11.如权利要求9所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构的该基板还包括第四金属层与第二电镀通孔结构，该第四金属层位于该绝缘层相对于该第三金属层的另一面，该电镀通孔结构贯穿该基板而连接该绝缘层两侧的该第三金属层与该第四金属层。
12.如权利要求10所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构还包括另一基板连结至该基板，该另一基板包括置设于该基板与该另一基板之间的焊球，该另一基板通过该焊球使该基板与该另一基板物理性连结且电性相连。
13.如权利要求11所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该整合式毫米波芯片封装结构还包括另一基板连结至该基板，该另一基板包括置设于该基板与该另一基板之间的焊球，该另一基板通过该焊球使该基板与该另一基板物理性连结且电性相连。
14.如权利要求1所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该中介层结构还包括一布线层，位于该绝缘支撑层之中以及位于该天线图案以及该第二金属层之间，该布线层为接地层。
15.如权利要求1所述的整合式毫米波芯片封装结构，其中该芯片为射频芯片。
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