天线模块

技术领域

本发明的实施例涉及天线模块以及相应的制造方法。优选实施例涉及3D玻璃晶片RF封装件。进一步优选实施方式涉及一种用于高频芯片(RF芯片、射频芯片)的封装件的制造方法，该高频芯片配备有用于发射和/或接收无线电波或微波的天线。

背景技术

对于高达THz(毫米波)的超过60GHz的高频，尤其是在RADAR范围内的高频，为了实现产生尽可能少的功耗(废热)的高性能芯片天线系统，必须满足许多电气技术要求；这些要求包括：

-避免天线和RF芯片之间的导电迹线中的电感；即，例如，避免在芯片焊盘上使用通常使用的金线接合，因为这些接合线代表导电迹线匝的“回路”的一半，并因此电感产生损耗。

-尽可能短的导电迹线路径，即，芯片和天线的集成封装件。

-封装件内所有材料、层厚度、导电迹线和绝缘体的精确几何定义(如果可能，在微米范围内)。只有到那时，制造技术才能与先前执行的RF仿真非常好地对应。另外，当受到热作用时，封装件不应变形，因为否则将再次偏离期望的RF特性。

为了尽可能无损耗地发射RF信号，周围的电绝缘电介质应表现出尽可能低的电介质常数(介电常数)，以使直电容最小化。

在现有技术中，已知若干种避免导线接合接触的方法：基板(PCB或硅晶片)上的倒装芯片接合和嵌入技术，其中，将RF芯片掩埋在Si晶片的空腔中，并且其中，随后在晶片的正面上实现与芯片的准平面接触。

在这种情况下，请参考以下出版物：

EP 3 346 549 A1描述了一种具有集成天线的模块。另请参考题为“BroadbandInterconnect Design for Silicon-Based System-in-Package Applications upto170GHZ”和题为“High-Efficiency 60GHz Antenna Fabricated Using Low-CostSilicon Micromachining Techniques”的出版物。

另外，已知RF天线可以以填充有空气的空腔的形式配置，并且RF信号线路经由空腔被引导到中心。

关于这些已知概念的不利之处在于，如果要向空腔填充空气，则位于天线空腔上方的导电迹线连接盘不包括机械固定装置。如果仅经由涂层(例如，聚合物或箔)固定导电迹线连接盘，则连接盘的任何机械偏转将导致辐射方向图的变化。现有技术中的另一缺点在于，其中嵌入有RF芯片的晶片的顶面朝向环境敞开。即，它仍然不代表安全或密闭的封装件。

因此，需要一种改善的方法，其中，特别是在集成中避免上述缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种RF组件(特别是RF天线和RF芯片)的集成概念，其在机械稳定性、辐射方向图和可生产性之间提供了一种改善的折衷方案。

本发明的实施例提供了一种具有第一(例如，绝缘)基板、第二基板的天线模块，第二基板在第二基板的第一主表面上具有至少一个空腔。在此上下文中，第一基板至少包括RF元件、RF芯片和/或RF导电迹线。RF天线元件、RF芯片和/或RF导电迹线被布置/形成在第一基板的第一主表面上或第一基板的第一主表面内。例如，第一基板的第一主表面连接到第二基板的第一主表面，使得RF元件和/或RF芯片和/或RF导电迹线对准成齐平或与至少一个空腔重叠，和/或使得RF天线元件和/或RF芯片和/或RF导电迹线从第一主表面伸出和/或伸入至少一个空腔中。

根据优选实施例，RF天线元件和/或RF芯片和/或RF导电迹线被配置为使得它们从第一基板的第一主表面伸出和/或伸入至少一个空腔中。

本发明的实施例基于以下发现：可以在(高电阻)基板上执行RF芯片(组件)和/或RF导电迹线(没有任何一般性损失，例如，玻璃晶片或陶瓷晶片或聚合物晶片)。可以通过以调整后的方式将硅晶片，或一般来说，将另一基板放置在装有RF芯片和/或RF导电迹线的基板上来提供RF封装件。根据实施例，例如，以调整后的方式放置是通过粘附或接合来提供的。如上所述，另一基板(硅晶片)包括一个或多个空腔。根据实施例，所述空腔可以在其中竖直地“埋入”诸如(安装在基板的表面上的)RF芯片之类的RF元件。此外，通过RF天线元件与空腔的相互作用，可以形成所谓的空腔天线。所述RF封装件有利地满足关于稳定性、气密性以及关于辐射性质的要求，这例如是由于对一个或多个基板进行穿孔而可能引起的。

根据实施例，第二基板可以包括导电迹线、布置在第一主表面上的导电迹线、或者在空腔内和/或在空腔底部上的导电迹线。根据实施例，基板可以包括RF导电迹线或通常导电迹线。因此，新的构想通常基于由基板(例如，玻璃)和Si基板组成的3D基板堆叠，在两个堆叠的基板上和两个堆叠的基板之间存在电连接路径。可以通过基板直通连接(例如，在硅基板的情况下通过直通硅通孔(TSV))来实现竖直连接路径而没有任何一般性损失。就此而言，根据其他实施例，另一基板还可以在第一主表面上和/或在第一主表面的侧面上或在相对定位的第二主表面的侧面上都包括导电迹线。所述直通连接可以例如通过通孔(例如，TSV(直通硅通孔))来实现。

在以上实施例中，假设将RF元件(RF天线元件、RF芯片和/或RF导电迹线)安装在基板上或基板内。在此，根据实施例，各个RF元件可以从主表面伸出和/或伸入至少一个空腔中。根据其他实施例，提供与不同的RF元件相关联的若干个空腔也是可行的。

关于空腔，应注意的是，它们通常可以填充有空气、气体和真空。根据其他实施例，空腔，或者一般来说，天线模块可以包括布置在例如空腔内和/或空腔底部上的所谓超材料。超材料可以与RF天线元件相关联，即，可以布置在属于RF天线元件的空腔内。有利地，超材料改善了天线元件的辐射方向图。根据其他实施例，还可以提供热敏元件。例如在空腔内或空腔底部上提供所述热敏元件。热敏元件可以与RF芯片相关联，并因此改善温度耗散。

关于基板，应当注意的是，第二基板可以例如由基板堆叠形成。例如，在此例如提供了诸如具有开口的硅基板之类的基板，该基板被所谓的盖元件或盖基板封闭。根据实施例，盖基板可以是基板。通常，基板堆叠可以包括绝缘基板。通常，关于第二基板，应当注意的是，例如，后者优选地是半导体基板，例如硅基板。相反地，基板是例如由玻璃材料、陶瓷材料或聚合物材料组成的基板。所述类型的材料在RF天线性质方面表现出优势。根据实施例，所述基板也可以是减薄的基板。在这种上下文中，例如，一旦基板已经与第二基板粘合，就减薄基板。

这有利地改善了关于天线模块的集成能力方面的性质。

另一实施例提供了一种制造方法。该方法包括以下步骤：

-提供第一(高电阻或绝缘)基板；

-提供第二基板，该第二基板在第一主表面处包括至少一个空腔；第一基板至少包括RF天线元件和/或RF芯片和/或RF导电迹线，天线元件和/或RF芯片和/或RF导电迹线被布置在第一基板的第一主表面上；以及

-将第一基板的主表面连接到第二基板的第一主表面，使得RF天线元件和/或RF芯片和/或RF导电迹线从第一主表面伸出和/或伸入至少一个空腔中。

根据另一实施例，所述连接可以通过倒装芯片技术或“面对面晶片接合”来实现。

根据一个实施例，可以在所述提供之前进行例如第二基板的图案化(例如，蚀刻、干蚀刻)，以便将至少一个空腔合并到第一主表面中。在此，采用常规的半导体制造方法。根据其他实施例，该步骤还可以包括例如提供和/或合并导电迹线或其他元件，例如，热敏元件或超材料。根据实施例，提供第一基板和/或第二基板之前可以进行一个或多个半导体制造步骤，以便将RF元件、RF导电迹线、超材料、热敏材料、RF导电迹线、RF芯片和/或RF天线元件施加到第一基板和/或第二基板上。

根据其他实施例，在连接步骤之后实现减薄第一基板是可行的。在连接步骤之后，基板针对待减薄的材料表现出足够的稳定性。另外，例如为了从背面打开空腔，也可以实现减薄第二基板。然后可以通过另一基板实现封闭。在这种上下文中，然后将形成层堆叠而不是第二基板。

附图说明

进一步的发展将在从属权利要求中定义。将参照附图更详细地说明本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据基本实施例的天线模块的示意图；

图2a示出了根据第一扩展实施例的用于组装的器件组件的截面示意图；

图2b示出了根据图2a的实施例的组装形式的器件组件的截面示意图；

图3a和图3b示出了根据第二扩展实施例的(组装之前的和组装之后的)器件组件的截面示意图；以及

图4a-图4c示出了根据第三扩展实施例的(组装之前的、部分组装的和组装的)器件组件的截面示意图。

在下文中将参考附图说明本发明的实施例。在此，相同的附图标记将用于相同的元件和结构，使得它们的描述相互适用或可互换。

具体实施方式

图1示出了包括第一基板1以及第二基板5的天线模块100。例如，第一基板是高电阻或电绝缘基板，其可以包括玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷。例如，第二基板5可以是半导体基板。通过倒装芯片或面对面的晶片接合，基板分别经由第一主表面101和501彼此连接。相对定位的第二主表面102和502是模块100的朝外主表面。

在第一主表面101上，第一基板1至少包括RF元件。通过示例的方式，在此示出了两个RF元件，即，RF芯片4和RF天线3。根据实施例，它们可以形成在主表面101中，或者它们可以形成在主表面101上，如在此所描绘。

基板5包括设置在第一主表面501的侧面上的空腔5k。尽管有一个或多个RF元件3和4，空腔5k使基板1和5能够经由它们的主表面101和501连接。为此，元件3和4伸入空腔5k中。从侧面观察位置来看，为此，元件3和4与至少一个空腔5k相关联，使得在连接基板之后，元件3和5将与空腔的侧面对准。如所描绘的，元件3和5从主表面101伸出并伸入空腔5k中。为此，空腔例如就其深度而言适于元件3和4的高度。

如图1所示，天线模块100将由包括基板堆叠的封装件形成，该基板例如是绝缘基板1和另一基板5(例如，硅基板)。利用绝缘基板(例如，玻璃)是有利的，因为它可透过无线电波。另外，玻璃晶片1可以在半导体生产线中通过光刻图案化高精度限定的导电迹线3的已知方法来处理。因此，可以以高精度将先前在电磁仿真中最优化的封装件结构100转移到实际封装件中并制造。

就制造方法而言，应注意的是，在基本步骤中提供两个基板1和5，并且然后在另一基本步骤中将它们彼此连接。因此，倒装芯片安装或面对面的晶片接合是合适的；可以采用不同的互连技术，例如，粘附或接合。这就是为什么根据实施例也可以仅在两个基板1和5之间设置诸如粘合层或绝缘粘合层或绝缘层之类的连接层的原因。所述层至少在接触点或连接点处使表面501和101彼此绝缘。如上所述，根据实施例，可以采用标准的半导体制造方法来制造玻璃基板和/或普通绝缘基板1。因此，通过这种方法，在绝缘基板上形成芯片-天线连接。通过与之类比，第二基板5的空腔或开口也可以通过标准的制造方法(例如，干蚀刻)来引入。

下面将参考图2a和图2b说明另一实施例。

图2a示出了仍然彼此分离的两个基板1和5。待连接的相应主表面由附图标记501和101表示。

除了RF芯片4之外，基板1还具有施加到其主表面101的RF天线3以及馈线2。

基板5包括空腔13。在该实施例中，空腔13设置有空腔金属化层7。竖直壁可以具有位于其上的馈线。馈线由附图标记7z表示，并将空腔金属化层7连接到例如导电通孔9。后者从第一主表面501穿过整个基板5伸到第二主表面502。第二主表面502具有设置在其上的例如焊球9l形式的连接器元件。如上所述，空腔金属化层7设置在空腔19的底部上。另外，超材料层8也可以布置在底部上和/或空腔金属化层7上。超材料是电磁性质(介电常数r和磁导率μr)可变的材料。例如，这可以通过对导电和非导电或磁性涂层进行微观和纳米图案化来实现。关于空腔金属化层7以及超材料8，应当注意的是，两个元件都可以在空腔13的整个宽度上或仅在空腔13的区域上延伸。在此，示出了一种变型，其中，空腔金属化层在整个宽度上延伸，并且超材料在减小的宽度上延伸。因此，这意味着根据实施例可以对空腔金属化层7进行图案化。例如，底部被图案化以影响辐射行为。

在图2a所示的设计状态中，绝缘层6或绝缘粘合层也设置在基板5的第一主表面501上。参考图2b将变得清楚的是，经由所述绝缘层6或所述绝缘粘合层6，将建立与第一主表面101的连接。

在图2b中，基板1的第一主表面101连接到基板5的第一主表面501。如上所述，经由粘合层6实现连接，粘合层6在此覆盖整个主表面501。在这一点上应当注意的是，基板模块1可以小于基板模块5，优选选择使至少空腔13被完全覆盖或封闭的大小。所述空腔13可以例如填充有诸如空气之类的气体。

可以看出，RF元件3和4在此侧向布置在空腔13的区域中，而例如RF连接盘也可以在靠近空腔的区域中与馈线重叠。然后可以在所述区域内实现电连接。这未描述，但是例如穿过绝缘材料6伸出。在这一点上还应注意的是，绝缘材料6可以在空腔的这一侧和另一侧上以不同的厚度设置，以便在这一点上提供相应的高度补偿。这种布置的优点在于，用于引入RF信号的连接盘(例如，3和4之间的连接)或元件3也被几何地限定。在实施例中，超材料8在侧向上被设置在天线3的区域内。这就是为什么导致了宽度减小的超材料8的原因。

下面将参考图3a和图3b说明另一实施例，其中，针对不同的空腔13和14设置元件3和4。

图3a又示出了基板1和5’仍彼此分离的状态。因此，在该实施例中，基板5’包括两个空腔14a和14b。针对芯片4提供空腔14a，而针对RF天线3提供空腔14b。这就是为什么空腔14b在底部或者确切地说在空腔金属化层7上还可选地包括超材料8的原因。其余元件(例如，馈线7z或通孔9或粘合层6)例如与图2a和图2b的实施例中的那些元件相当。

如此处所描绘，根据实施例，空腔14a和14b的深度可以彼此不同。在此，与RF天线元件3一起形成空腔天线的空腔14b形成得更深。经由该深度，还设置了例如空腔天线的RF性质。选择使伸入空腔14a中的芯片4具有足够空间或至少被嵌入的空腔14a的深度。

天线空腔14b的深度可以适于发射或接收波长的期望波长。在一些情况下，例如，深度可以等于目标波长的四分之一，即，λ/4。当使用超材料时，对于空腔的深度可以有用地采用不同的值。有利的是，本发明的实施方式能够实现空腔深度的可变性，并且因此，可以优化系统的性能(尤其是能量效率)。

参考图4a，现在将示出一个实施例，其中，第二基板被配置为层堆叠。在图4a中，示出了两个起始基板。关于其元件2、3、4，基板1对应于图2a或图3a的基板1。基板5”与图3a的基板5’相当，基板5”在背面(即，从主表面502开始)变薄。在此应当注意的是，当基板5”连接到基板1以形成晶片堆叠(玻璃+Si)时，优选地实现减薄基板5”。实现减薄直到空腔14a和14b或至少天线的空腔14b被打开。

减薄的层堆叠示出于图4b中，并设置有附图标记1+5”。在减薄之后，两个空腔14a和14b将被打开。然后，例如，可以用另一基板10(例如，另一硅基板或绝缘基板)封闭打开的空腔14a和14b。在此处所示的实施例中，另一基板10包括粘合层12。元件可以附加地被引入空腔14a和14b的区域中。一个示例是如上所述的用于与RF天线3相关联的空腔14b的超材料8。另一示例将是在与芯片4相关联的空腔14a的区域中的热敏元件11。这可以建立例如与RFIC的热接触表面，以便改善冷却表面。在这方面，可以在该第三晶片10上实现用于空腔14a和14b的底部的特定结构(例如用于天线的特定结构)。除了超材料之外，还可以提供其他在几何上特别图案化的金属层，这确保了空腔天线3+14b的进一步优化。图4c描绘了冷却元件14和芯片4之间的所述连接或具有超材料8的空腔天线的形成。整个天线模块设置有附图标记300。

关于图4b和图4c的实施例，应当注意的是，它们公开了以下有利结构：被配置为层堆叠并且包括至少两个单独基板的第二基板5’、5”；在此，所述至少两个单独基板中的第一个包括一个或多个空腔或开口(从一个主表面到另一主表面)，而所述至少两个单独基板中的第二个用于封装所述一个或多个开口以形成一个或多个空腔。在这方面，对被配置为层堆叠的第一基板和第二基板进行组合产生3层晶片堆叠。图4b和图4c中的最底下的晶片10提供了以半导体晶片技术工艺的最佳质量/最佳材料性来配置天线基座(例如，超常材料)的图案化的可能性。第二晶片在导电性质和绝缘性质方面也被优化。例如，空腔基板可以绝缘；附加地或备选地，盖基板可以包括用于产生导电迹线/反射器的金属化层。通过半导体制造工艺，可以设置非常精细的微结构，以便优化RH性质。

根据以上实施例，发射mm波是通过玻璃晶片1实现的。为了在这种上下文中使吸收损失最小化，可以减薄/研磨玻璃晶片1。特别是当玻璃晶片1在减薄期间稳定时，这进而以合理的方式是可能的。这正是接合的Si晶片5在晶片堆叠内所实现的。减薄的玻璃基板1是抵抗环境影响(湿度)的完美保护。所有触点都经由TSV 9引出到背面或侧面。

关于上述实施例，应当注意的是，第二晶片5、5’和/或5”优选地由硅组成；因此，它提供了标准半导体技术的所有已知图案化技术；对于本案非常重要的是：通过晶片制造精确限定的空腔(采用干蚀刻法)和TSV触点。Si晶片的高导热率也是有利的，因此使得能够实现RF芯片的良好散热。通过使用倒装芯片技术将芯片安装在导电迹线上；这避免了导线接合和不期望的电感。

因此，本发明的实施例可以具有以下特性：电子模块100、200、300，该电子模块包括非导电基板1，非导电基板1具有安装在第一基板表面上的电子组件4以及安装在第一基板表面上的天线3，该电子模块包括半导电基板5，半导电基板5在第一表面上具有至少一个空腔13，并且非导电基板1的第一表面连接到半导电基板5的第一表面，使得电子组件4和天线3伸入至少一个空腔中或分别伸入分开的空腔中。

整个封装件(芯片+天线)以“晶片级”(即，以低成本)出现，其具有处理和发射/接收RF信号的不同集成功能。对于高于100GHz的频率，这变得特别有利，因为天线的尺寸现在仅为若干毫米，即，因为许多封装间同时形成在一个晶片上。

制造方法可以描述如下：

-提供一种非导电基板1，其具有安装在第一基板表面上的电子组件4并具有安装在第一基板表面上的天线3或导电迹线结构3。

-提供基板5(半导电或绝缘)，其在第一表面上具有至少一个空腔13。

-将非导电基板1的第一表面连接到半导电基板5的第一表面，以使电子组件4和天线3伸入至少一个空腔中或分别伸入单独的空腔中。

即使已在设备的上下文中描述了一些方面，应当理解：所述方面还表示了对对应方法的描述，使得设备的块或结构部件还被理解为对应的方法步骤或方法步骤的特征。通过与之类比，结合方法步骤来描述或被描述为方法步骤的方面也表示对对应设备的对应块或细节或特性的描述。