一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线

技术领域

本发明属于电子产品技术领域，尤其涉及一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线。

背景技术

近年来，随着5G无线通信、雷达和个人电子消费等领域的快速发展，高性能、低成本和低功耗收发机的实现已成为一个重要的研究课题。天线作为接收系统的第一单元和发射系统的最后单元，不管是离散还是集成的方式，作为接口都需要与电路连接。天线与电路之间的阻抗匹配是确保模块间最大功率传输的关键。传统设计过程中，天线工程师和电路设计师是相互独立的，二者通过50Ω的端口阻抗实现匹配。然而这样做的缺点是需要设计阻抗匹配网络，而且设计在PCB上的天线还需要通过布线连接到集成电路上去，布线极大的影响了匹配性能，增加了电路的损耗和布线复杂度。伴随着半导体技术的发展，人们提出用片上系统(System on Chip,SoC)代替传统的板级系统以使系统集成度得到提高。片上天线的引入是为了实现真正意义上的SoC而提出的。片上天线的出现解决了上述问题，与传统的50Ω匹配不同，片上天线与前端电路之间提供了更精确的阻抗匹配控制，天线和电路的协同设计可以利用不同部件的虚部电抗实现共轭匹配，从而实现更好的系统优化。

过去几年中的大部分片上天线都采用硅基技术。然而要在硅基上实现高性能的片上天线也还面临着诸多挑战。比如，硅衬底具有高介电常数(ε

在标准CMOS工艺的基础上，通过改变天线辐射原理，学者们同样也展开了大量的研究。主要有以下几种方法：(1)采用人工磁导体(Artificial Magnetic Conductor,AMC)将天线和硅衬底隔离(X.-Y.Bao,Y.-X.Guo,and Y.-Z.Xiong,“60-GHz AMC-BasedCircularly Polarized On-Chip Antenna Using Standard 0.18-μm CMOS Technology,”IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.60,no.5,pp.2234–2241,2012,doi:10.1109/TAP.2012.2189725.)，从而可以部分屏蔽掉衬底的影响，降低电磁场在硅衬底的损耗，并形成同相镜像电流提高天线增益。(2)基于介质集成波导(Substrate IntegratedWaveguide,SIW)技术，在天线层到M1层进行过孔，形成缝隙天线加背馈谐振腔并阻止电磁场进入硅衬底以提高天线增益；(3)在天线上方的钝化层上用胶水粘上一个谐振频率和天线一致的介质谐振器(Dielectric Resonator,DR)，构建介质谐振天线形成二次辐射，引导电磁场向天线上方辐射，从而提高天线的增益和效率。然而这些方法对于后期制作加工成本要求很高，而且可能还会影响芯片上电路部件的性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线，目的是提供一种在不增加系统复杂度和成本的前提下基于CMOS工艺的高增益双频片上天线，

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线，包括封装结构、芯片结构；所述封装结构包括芯片结构的载体层、芯片包围层，载体层和芯片包围层之间通过粘结层连接；所述封装结构的粘结层和芯片包围层设有中间槽，所述芯片结构位于中间槽内。

进一步地，所述芯片结构包括自下而上的硅衬底、氧化层和钝化层，在钝化层上刻画芯片天线。

进一步地，所述氧化层包括十层金属层，芯片天线位于第十层金属层中。

进一步地，所述芯片天线为十字形结构，十字形结构中间设有开口。

进一步地，所述芯片天线包括相互对称的长臂和短臂，且长臂和短臂的激励信号等幅同相，芯片天线相邻的一个长臂和短臂通过金属过孔与馈线连接。

进一步地，所述长臂长度是短臂的两倍。

进一步地，所述长臂和短臂的形状均为梯形。

进一步地，所述馈线一侧设有阻抗变换器，两者为一体。

进一步地，所述馈线位于钝化层的第十一层金属。

进一步地，所述芯片包围层的上下表面、载体层上表面均设有铜箔。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

(1)双频片上天线采用对称的领结形结构，在不增加芯片面积下可使天线在两个频带工作。

(2)封装结构简单，成本低。封装保护芯片免受外界环境损坏和干扰，同时充当硅衬底与空气两种不同介质的匹配层，可有效将硅衬底中的电磁波耦合到外界，提升了天线的辐射性能。

(3)天线的馈线结构放在最顶层的钝化层，天线放在电阻率最高的M10金属层，可以减少片上天线的辐射损耗，从而提升片上天线的增益和效率。

(4)将领结形结构天线中间开口，减小了馈电与天线之间的电磁耦合，增加了天线的阻抗带宽。

(5)该片上天线能够与CMOS工艺芯片集成，去除了芯片间互连线的影响，使得结构简单，减小了集成和封装成本，简化了芯片间信号传输的匹配问题。

附图说明

通过结合附图对本发明的实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线的主视图；

图2是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线的剖面图；

图3是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线的俯视图；

图4是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线的芯片结构的剖面图；

图5是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线结构的俯视图；

图6是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线的回波损耗图；

图7是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线的隔离度图；

图8是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线的增益和效率曲线图；

图9是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线在150GHz的方向图；

图10是本发明实施例一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线在300GHz的方向图。

图11是本发明实施例的双频片上天线应用于宽带雷达系统原理图；

图中为：1-封装结构；2-芯片结构；3-芯片包围层；4-粘结层；5-载体层；6-铜箔；7-领结形天线；8-馈线；9-阻抗匹配线；10-钝化层；11-氧化层；12-硅衬底。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

一种通过封装技术增强增益的毫米波双频片上天线，包括封装结构1、芯片结构2；所述芯片结构2和封装结构1通过Bonding Wire(键合线)连接，Bonding Wire应远离芯片天线以降低对芯片天线性能的影响；封装结构简单，成本低。

如图2所示，所述封装结构1包括芯片的载体层5、芯片包围层3，载体层5和芯片包围层3之间通过粘结层4连接，所述芯片包围层3的上下表面均设有铜箔6；载体层5和芯片包围层3通过粘结层4进行粘结。所述封装结构的粘结层4和芯片包围层3设有中间槽，用于放置芯片结构2，如图2所示，中间槽的位置和大小与所述开口相对应。

本实施例中，芯片的载体层5采用低损耗材料，其尺寸为L

如图4所示，所述芯片结构采用40nm CMOS工艺，芯片结构包括硅衬底12、氧化层11和钝化层10，芯片结构采用环氧树脂粘结片粘接在载体层5上，粘结片应尽量薄以减小对天线性能的影响，芯片尺寸为L

由于硅衬底12的高介电常数(ε

对于40nm CMOS工艺，所述氧化层11包括从下至上的十层金属(M1～M10金属层)，由于第十层金属层M10的电导率最大，故第十层金属层用于设计芯片天线，可以减少片上芯片天线的辐射损耗，从而提升天线的增益和效率。

所述芯片天线为十字形的对称结构，所述长臂和短臂的形状均为梯形，相互对称的长臂长度近似为短臂的两倍，并且这两对长臂和短臂的激励信号应等幅同相。其中相邻的一个长臂和短臂分别通过金属过孔与馈线8连接，将高频电流转换成可辐射的电磁波；为了使芯片天线与馈线8不交叉，将馈线8放在钝化层，这也可减少馈线对天线辐射的干扰。所述馈线8一侧设有阻抗变换器9，两者为一体。

实施例2

本实施例的天线为领结形天线7，如图5所示，它是由传统的偶极子天线演变而来，具有频带宽和低剖面等优点，在张角较大时具有宽频带特性；领结形天线7的臂长L

所述领结形天线7包括两对相互对称的长臂和短臂，如图5所示，长臂和短臂的形状均为梯形，长臂长度近似是短臂的两倍，长臂工作于低频f

本实施例中，钝化层设有四条馈线8，相邻的一个长臂和短臂均设有两条馈线8，每条馈线8一侧设有阻抗变换器9，阻抗变换器9位于两条之间馈线8，两者为一体，其中每两条馈线8位于相邻的一个长臂和短臂中，两条阻抗变换器9之间设有间距，如图5所示。

领结形天线7的谐振频率可由长臂和短臂的长度L

当阻抗变换器9连接前端集成电路时，天线将馈线8的高频电流转换成可辐射的电磁波，进而进行信号的发射与接收。

实施例3

本实施例基于40nm CMOS工艺的高增益双频片上天线，以频率f

如图6-10所示，其中图6显示了天线的回波损耗曲线，其相对带宽分别为30％(f

将双频片上天线应用于宽带雷达系统中，将雷达系统中的电路模块集成于芯片结构2中，如图11所示为一个雷达系统框图，所述雷达系统包括发射部分和接收部分，所述发射部分和接收部分共用同一个天线。发射部分包括放大器、雷达信号器，所述放大器的输出端与双频片上天线连接。接收部分包括所述双频片上天线、放大器、混频器和滤波器。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。