CN117525854A - 天线单元、封装天线结构及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明保护了一种天线单元，包括内表面分区内埋有第一金属层的第一绝缘层，第一绝缘层两侧界面分别设置有第一图案层及第二图案层，第一金属层沉积在第二图案层上，第一绝缘层增层压合有若干第二绝缘层，第二绝缘层远离第一绝缘层的一侧设置有第三图案层，若干导通部连接第二图案层与所述第三图案；该天线单元通过第三绝缘层塑封在无芯基板上，并通过馈线网络电性连接无芯基板，形成封装天线结构，同时还保护该封装天线结构的制备工艺。该天线单元及封装天线结构可实现宽带宽阻抗匹配，且辐射单元线型规整，信号收发精度高，同时谐振腔结构保证增益稳定。

Description

天线单元、封装天线结构及其制作工艺

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种天线单元、封装天线结构及其制作工艺。

背景技术

天线是无线系统中的重要部件，有分离和集成两种形式，其中集成天线包括片上天线(AoC)和封装天线(AiP)两大类型，AoC技术通过半导体材料与工艺将天线与其他电路集成在同一个芯片上，考虑到成本和性能，AoC技术更适用于太赫兹频段。AiP技术是通过封装材料与工艺将天线集成在携带芯片的PCB封装结构内，AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积。然而现有AiP封装工艺中存在对准精度局限性，在封装过程中难以实现PCB各层结构的精准对位，导致小芯片的工作信号带宽受到影响，同时PCB各叠层加工工艺容易导致出现天线单元(主动辐射单元和被动辐射单元)出现线路缺陷，如侧蚀、线宽均匀性差、线路厚度均匀性差，影响天线单元的收发性能。

同时，对于不同雷达波段，如汽车雷达主要工作在24GHz和77GHz的窄频带、94GHz相控阵天线、122GHz、145GHz和160GHz的传感器、300GHz无线链接芯片，需要设计不同的阻抗天线作为收发单元，需很好地控制阻抗值，对于集成不同雷达波段的AiP封装工艺，既需要减少侧蚀不良率、控制线宽均匀性、线路厚度均匀性，提高天线单元的收发性能，同时在同一封装结构中需设计不同厚度铜箔及不同线宽组合来实现多种雷达天线的阻抗匹配,拓展带宽。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供天线单元、封装天线结构及其制作工艺。

第一方面，本发明提供一种天线单元，包括组件如下：

包括内表面分区内埋有第一金属层的第一绝缘层；

第一绝缘层两侧界面分别设置有第一图案层及第二图案层；

第一金属层沉积在第二图案层上；

第一绝缘层增层压合有若干第二绝缘层；

若干第二绝缘层在远离第一绝缘层的一侧设置有第三图案层；

第三图案设置为天线单元的地层；

若干导通部连接第二图案层与第三图案层。

第一金属层和第二图案层设置有主动辐射单元，第一图案层设置有被动辐射单元。

若干导通部包括有用于导通主动辐射单元的馈线网络及用于接地和/或屏蔽的导通金属孔。

在一些实施例中，导通金属孔环绕所述主动辐射单元，并与所述第三图案层形成所述主动辐射单元的谐振腔。

在一些实施例中，若干导通部还包括垂直抵接主动辐射单元的垂直短路贴片，构成磁偶极子，馈线网络可分为传输部分和耦合部分。耦合部分分为两部分：水平部分和垂直部分，水平部分与第二图案层中主动辐射单元垂直，形成感抗，垂直部分与垂直短路贴片构成的磁偶极子平行，形成容抗。

优选的，第一图案层为12um厚度的金属层(不走金属层增厚、减成蚀刻流程)，第一金属层为50um厚度的金属镀层，第二图案层为5um厚度的金属层(不走金属层增厚、减成蚀刻流程)，使得第一图案层、第二图案层及第一金属层形成的辐射单元内外棱角呈直角。

优选的，第二绝缘层的相对介电常数大于第一绝缘层。

第二方面，本发明保护一种封装天线结构，其结构包括天线单元及若干无芯基板，天线单元通过第三绝缘层塑封在无芯基板上，并通过馈线网络电性连接无芯基板。

第二图案层通过馈线网络电性连接无芯基板，第三图案层在对应馈线网络与无芯基板导通区域设置有掏空金属图案层的反焊盘，馈线网络贯穿反焊盘。

在一些实施例中，无芯基板包括形成在第四绝缘层上下两侧的第四图案层及第五图案层，第四图案层及第五图案层分别塑封有第五绝缘层。

第五绝缘层形成有用于若干主动元件及被动元件导通的阻焊开窗。

无芯基板还包括与第四图案层分布在第四绝缘层不同界面的第二金属层，第二金属层内埋进第四绝缘层。

第四图案层、第五图案层及第二金属层通过金属通孔跨层导通。

在一些实施例中，第三绝缘层的相对介电常数大于第二绝缘层，降低后辐射。

第三方面，本发明保护一种封装天线结构的制作工艺，包括步骤：

S100：形成天线单元，所述天线单元的第一绝缘层两侧分别分布有第一图案层、第二图案层，并内埋第一金属层，第二绝缘层增层压合形成地层，制作地层与第二图案层的若干导通部，形成若干个天线收发单元；

S200：形成无芯基板，所述无芯基板形成开窗，开窗植球，封装若干主动元件及被动元件；

S300：封装所述天线单元与所述无芯基板，第三绝缘层塑封，制作若干导通部。

在一些实施例中，形成天线单元还包括步骤有：

S1:提供含种子层的无芯基材；

S2:通过加成法制备第一金属层；

S3:增层热压压合带有金属箔层的第一绝缘层，拆板，露出种子层；

S4:去除部分种子层及金属箔层，形成第一图案层、第二图案层。

在一些实施例中，形成无芯基板还包括步骤有：

S5:提供含种子层的无芯材料基材；

S6:通过加成法或mSAP半加成法中的至少一种工艺制作线路；

S7:对步骤S6中形成的无芯基板增层热压压合带有金属箔层的第四绝缘层，拆板，露出种子层；

S8:通过加成法或mSAP半加成法中的至少一种工艺制作第四图案层、第五图案层，制作金属通孔，线路阻焊处理。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1)通过调整第一金属层的厚度及线宽，调整主动辐射单元与被动辐射单元的容抗值，进而调整与阻抗输入端的阻抗匹配，实现不同带宽均可集成在同一天线单元上；

2)第一图案层、第二图案层不加镀层增厚，保证厚度的均匀性，通过减少厚度公差，避免厚度不均匀影响蚀刻参数，蚀刻时线路会产生不同程度的侧蚀，影响第一图案层、第二图案层作为辐射收发单元的收发信号精度；

3)第一图案层、第二图案层及第一金属层形成的辐射单元内外棱角呈直角，提高了天线单元的信号探测性能；

4)第三图案层作为地层，与部分导通部形成谐振腔，用于平衡过宽的工作频带造成的天线在整个工作频段内增益和方向图的剧烈波动，使天线增益在整个工作频段内保持相对稳定；

5)第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层的相对介电常数依次递增，减少辐射单元的后辐射。

附图说明

图1为本发明实施例提供coreless材料基材主视图；

图2为本发明实施例提供的已形成天线图案的天线单元主视图；

图3为本发明实施例提供的已增层压合的天线单元主视图；

图4为本发明实施例提供的已拆板的天线单元主视图；

图5为本发明实施例提供的含不同天线图案的天线单元主视图；

图6为本发明实施例提供的形成有地层的天线单元主视图；

图7为本发明实施例提供的封装天线结构主视图；

图8为本发明实施例提供的另一封装天线结构主视图；

图9为本发明实施例提供的封装天线结构天线单元俯视图；

图中：种子层1、第一金属层1a、第二金属层1b、第三金属层1c、衬底2、第一绝缘层31、第二绝缘层32、第三绝缘层33、第四绝缘层34、第五绝缘层35、第六绝缘层36、第七绝缘层37、金属箔层4、第一图案层4a、第二图案层4b、第三图案层4c、第四图案层4d、第五图案层4e、第一导通部51、第二导通部52a、第三导通部52b、第四导通部53a、第五导通部53b、主动元件6、第一主动元件61、第二主动元件62、被动元件7、第一被动元件71、第二被动元件72、锡球8、第一收发单元A、第二收发单元B。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以用许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

微带天线在各个行业和领域内工作在100MHz-100GHz的范围内，微带天线具有许多优点，比如占用空间较小，天线本身高度很低，容易与工作表面共形；由于微带天线采用了印刷电路板技术，所以天线加工成本低、方便大规模制造、天线的散射截面较小、能得到单向性福射波束、最大波束方向与贴片平面的法线方向重合，同时微带天线还可以与板上线路集成在同一个电路板上面，省去了天线的安装环节，降低了生产成本。同时微带天线也存在工作频带很窄、增益低、功率容量小的技术缺陷。最初设计的微带天线只有一个频率谐振点，相对带宽只有百分之一到三，实际上，微带天线方向图带宽较宽，主要受到阻抗匹配带宽的约束。

现有技术中，常用于扩展阻抗匹配带宽的方法有：降低Q值，减小介质材料的相对介电常数以及增加介质层厚度；采用多层贴片结构，如果采用叠加贴片形式，上层小尺寸贴片将下层大尺寸贴片作为反射板，上下层贴片分别控制两个不同的谐振频率，如果采用多贴片共面分布，可以调整不同贴片的尺寸构造多个谐振结构；加阻抗匹配网络，如调整辐射单元与馈线网络的感抗及容抗设计。

本实施例提供一种天线单元，该天线单元可包括有若干个天线收发单元，参阅图6，该天线单元可包括有第一收发单元A及第二收发单元B，第一收发单元A及第二收发单元B在第一绝缘层31分别形成第一图案层4a及第二图案层4b作为信号收发辐射体，第一图案层4a作为被动辐射单元，第二图案层4b作为主动辐射单元，第一收发单元A中在第二图案层4b区域主动辐射单元抵接有第一金属层1a，通过调整第一金属层1a的厚度及线宽，调整主动辐射单元与被动辐射单元的容抗值，进而调整与阻抗输入端的阻抗匹配。

该天线单元还包括压合有第三图案层4c的第二绝缘层32、用于导通第二图案层4b与第三图案层4c的第一导通部51，其中第三图案层4c作为地层，与部分第一导通部51形成谐振腔，用于平衡过宽的工作频带造成的天线在整个工作频段内增益和方向图的剧烈波动，使天线增益在整个工作频段内保持相对稳定。

第一导通部51还包括用于导通第二图案层4b中主动辐射单元的同轴馈线，在一些实施例中，第一导通部51还可形成与第二图案层4b中主动辐射单元相互垂直抵接的垂直短路贴片，构成磁偶极子，同轴馈线可分为传输部分和耦合部分，耦合部分分为两部分：水平部分和垂直部分，水平部分与第二图案层4b中主动辐射单元垂直，形成感抗，垂直部分与垂直短路贴片构成的磁偶极子平行，形成容抗。在调节天线阻抗匹配的过程中，由于同轴馈线的不同部分控制着不同的参数，通过调节同轴馈线的容抗和感抗部分，很容易实现阻抗匹配。

在一些实施例中，第一图案层4a、第二图案层4b不加镀层增厚，保证厚度的均匀性，其中第一图案层4a优选为12um薄铜线路，第二图案层4b优选为5um薄铜线路，通过减少厚度公差，避免厚度不均匀影响蚀刻参数，蚀刻时会线路产生不同程度的侧蚀，影响第一图案层4a、第二图案层4b作为辐射收发单元的收发信号精度；

其中，第一金属层1a优选为50um厚铜线路，通过加成法制得，第一金属层1a内埋在第一绝缘层31中，可通过调整第一金属层1a的厚度及线宽，改变容抗数值，满足不同阻抗匹配需求；同时内埋第一金属层1a，避免线路图形镀在PCB表层上，高于PCB表面，在生产流程中易擦碰产生凹痕板面污染产生板面电镀粗糙；

第一图案层4a、第二图案层4b不加镀层增厚，第一金属层1a通过加成法制得(不走减成蚀刻及闪蚀操作)，保证第一图案层4a、第二图案层4b及第一金属层1a棱角接近直角，提高了天线单元的探测性能和良率。

在一些实施例中，第二绝缘层32的相对介电常数大于第一绝缘层31，以缩小后辐射瓣，实现低后向辐射。

本实施例还提供一种封装天线结构，参阅图7-9，包括该天线单元、塑封有若干主动元件6和被动元件7的无芯基板，其中该天线单元通过第四导通部53a、第五导通部53b贯通第三绝缘层33，并分别导通该无芯基板，该无芯基板通过若干锡球8可导通PCB母板，实现电性导通/接地/供电。其中，第三绝缘层33塑封无芯基板的若干主动元件6、被动元件7及天线单元的第三图案层4c。

无芯基板包括形成在第四绝缘层34上下两侧的第四图案层4d及第五图案层4e，其中第四图案层4d及第五图案层4e分别形成有第五绝缘层35作为阻焊层，并形成用于若干主动元件6、被动元件7导通的阻焊开窗。

无芯基板还包括与第四图案层4d分布在第四绝缘层34不同界面的第二金属层1b，第二金属层1b内埋进第四绝缘层34。

第四图案层4d及第五图案层4e通过第二导通部52a跨层导通，第四图案层4d与第二金属层1b通过第三导通部52b跨层导通。

若干主动元件6封装在第二金属层1b形成的阻焊开窗中，并与第二金属层1b导通，若干被动元件7封装在第四图案层4d形成的阻焊开窗中，并与第四图案层4d导通。

在一些实施例中，还包括另一无芯基板，上下堆叠的无芯基板通过锡球8导通，第六绝缘层36塑封上下堆叠的无芯基板形成的空间缝隙，上下堆叠的无芯基板中，上部的无芯基板第一主动元件61通过第二金属层1b、第三导通部52b、锡球8、第二导通部52a导通第二被动元件72；下部的无芯基板第二主动元件62通过第三金属层1c、第三导通部52b、锡球8、第二导通部52a导通第一被动元件71，可缩短若干主动元件6与被动元件7的信号互连线距离，减少信号损耗，并提高垂直方向的封装器件密集度。

在一些实施例中，下部的无芯基板底部形成有第七绝缘层37，第七绝缘层37形成开窗，锡球8在开窗植球，用于导通PCB母板。

在一些实施例中，第三绝缘层33的相对介电常数大于第二绝缘层32，以减少后辐射瓣，实现低后向辐射；第六绝缘层36的相对介电常数大于第四绝缘层34，第四绝缘层34的相对介电常数大于第三绝缘层33。

主动元件6为射频前端有源器件，包括功率放大器、基带芯片等，被动元件7为滤波器、电感、电容、开关等无源器件。

本实施例还提供一种封装天线结构的制备工艺，参阅图1-6，包括步骤有：

S100：形成天线单元，天线单元的第一绝缘层31两侧分别分布有第一图案层4a、第二图案层4b，并内埋第一金属层1a，第二绝缘层32增层压合形成地层，制备第一导通部51，形成若干个对应不同带宽的天线收发单元；

S200：形成无芯基板，无芯基板形成开窗，开窗植球，封装若干主动元件6及被动元件7；

S300：封装天线单元与无芯基板，第三绝缘层33进行塑封，并形成抵接第二图案层4b的第四导通部53a、第五导通部53b。

其中，S100中形成天线单元包括步骤有：

1)提供coreless基材，coreless材料的衬底2形成有种子层1；

2)通过加成法制备第二金属层1a，对步骤S1的种子层进行线路前处理、贴干膜、曝光、显影、碱洗或酸洗、电镀铜成第二金属层1a、退膜；

3)增层热压压合带有金属箔层4的第一绝缘层31，拆板，露出种子层1；

4)去除部分种子层1及金属箔层4，形成第一图案层4a、第二图案层4b。

其中，S100中增层并导通形成地层具体通过热压含种子层1的第二绝缘层32，去除部分种子层1，形成第三图案层4c，通过盲孔和/或通孔制作工艺、电镀工艺形成第一导通部51。

优选的，提供的coreless基材种子层为5um薄铜，第二金属层1a为50um镀厚铜，金属箔层4为12um薄铜，形成的第一图案层4a为12um薄铜，第二图案层4b为5um薄铜。

其中，S200中形成无芯基板包括步骤有：

5)提供coreless材料基材，coreless材料基材的衬底2形成有种子层1，

6)通过加成法或mSAP半加成法中的至少一种工艺制作细线路，具体步骤包括：对步骤5)的种子层1进行线路前处理、贴干膜、曝光、显影、碱洗或酸洗、电镀铜成第三金属层1b、退膜；

7)对步骤6)中形成的无芯基板增层热压压合带有金属箔层的第四绝缘层34，拆板，露出种子层1；

8)通过加成法或mSAP半加成法中的至少一种工艺制作第四图案层4d、第五图案层4e，制作第二导通部52a、第三导通部52b，形成用于阻焊的第五绝缘层35。

其中，S300中无芯基板开窗植球还可以包括步骤有：将若干无芯基板上下堆叠，通过开窗植球进行垂直互联。

其中，S300中形成导通部包括定深钻孔，沉积金属，形成的第四导通部53a、第五导通部53b导通天线单元的第二图案层4b与无芯基板。

优选的，步骤5)中coreless基材结构为3um铜/18um铜/介电层/18um铜/3um铜，两面对称制作，拆板后为相同的两块无芯基板结构。

在一些实施例中，步骤5)中coreless基材结构也可以为5um铜/18um铜/介电层/18um铜/5um铜，或2um铜/18um铜/介电层/18um铜/2um铜。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.天线单元，其特征在于：

包括内表面分区内埋有第一金属层的第一绝缘层；

所述第一绝缘层两侧界面分别设置有第一图案层及第二图案层；

所述第一金属层沉积在所述第二图案层上；

所述第一绝缘层增层压合有若干第二绝缘层；

若干所述第二绝缘层远离所述第一绝缘层的一侧均设置有第三图案层；

所述第三图案设置为所述天线单元的地层；

若干导通部连接所述第二图案层与所述第三图案层。

2.如权利要求1所述天线单元，其特征在于：所述第一金属层和所述第二图案层设置有主动辐射单元，所述第一图案层设置有被动辐射单元。

3.如权利要求2所述天线单元，其特征在于：所述若干导通部包括有用于导通所述主动辐射单元的馈线网络及用于接地和/或屏蔽的导通金属孔。

4.如权利要求3所述天线单元，其特征在于：所述导通金属孔环绕所述主动辐射单元，并与所述第三图案层形成所述主动辐射单元的谐振腔；

所述若干导通部还包括垂直抵接所述主动辐射单元的垂直短路贴片，构成磁偶极子。

5.如权利要求1所述天线单元，其特征在于：所述第一图案层为12um厚度且内外棱角呈直角的金属层，所述第一金属层为50um厚度且内外棱角呈直角的金属镀层，所述第二图案层为5um厚度且内外棱角呈直角的金属层。

6.如权利要求1所述天线单元，其特征在于：所述第二绝缘层的相对介电常数大于所述第一绝缘层。

7.封装天线结构，其特征在于：包括如权利要求1-6任意一项所述天线单元及若干无芯基板，所述天线单元通过第三绝缘层塑封在所述无芯基板上，并通过所述馈线网络电性连接所述无芯基板；

所述第三绝缘层的相对介电常数大于所述第二绝缘层。

8.如权利要求7所述封装天线结构，其特征在于：所述第二图案层通过馈线网络电性连接所述无芯基板，所述第三图案层在对应所述馈线网络与所述无芯基板导通区域设置有掏空金属图案层的反焊盘，所述馈线网络贯穿所述反焊盘。

9.一种封装天线结构的制作工艺，其特征在于：包括步骤：

S100：形成天线单元，所述天线单元的第一绝缘层两侧分别形成有第一图案层、第二图案层，并内埋有第一金属层，第二绝缘层增层压合形成地层，制作所述地层与所述第二图案层的若干导通部，形成若干个天线收发单元；

S200：形成无芯基板，对所述无芯基板形成开窗，开窗植球，封装若干主动元件及被动元件；

S300：封装所述天线单元与所述无芯基板，第三绝缘层塑封，制作若干导通部。

10.如权利要求9所述一种封装天线结构的制作工艺，其特征在于：所述形成天线单元具体还包括步骤有：

S1:提供含种子层的无芯基材；

S2:通过加成法制备第一金属层；

S3:增层热压压合带有金属箔层的第一绝缘层，拆板，露出种子层；

S4:去除部分所述种子层及金属箔层，形成第一图案层、第二图案层。