半导体封装结构及其制造方法

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，具体涉及半导体封装结构及其制造方法。

背景技术

在AiP(Antenna-in-Package，封装天线)/AiM(Antenna-in-Module，天线模块)结构中，由于基板内线路与天线组件之间的阻抗不匹配，一般通过将高介电常数材料设置于天线的辐射区来调整阻抗匹配，增加天线增益。然而，高介电常数材料通常伴随着较高的信号损耗，由此使得阻抗匹配后，仅能满足较低需求的天线增益。

发明内容

本公开提供了一种半导体封装结构及其制造方法。

第一方面，本公开提供了一种半导体封装结构，包括：

天线基板，包括天线图案；

介电层，设于所述天线基板上，所述介电层具有对齐所述天线图案的波导腔体；

电磁波汇聚元件，位于所述天线图案的辐射侧，所述电磁波汇聚元件用于汇聚所述天线图案辐射的电磁波。

在一些可选的实施方式中，所述波导腔体的直径在所述电磁波汇聚元件朝向所述天线图案的方向上逐渐缩小。

在一些可选的实施方式中，所述电磁波汇聚元件设于所述介电层上。

在一些可选的实施方式中，所述介电层具有定位部，所述定位部用于放置所述电磁波汇聚元件。

在一些可选的实施方式中，所述定位部上设有粘合层，所述粘合层用于固定所述电磁波汇聚元件。

在一些可选的实施方式中，所述电磁波汇聚元件具有一朝远离所述天线图案的方向上凸起的曲面。

在一些可选的实施方式中，所述电磁波汇聚元件为阵列排列且与阵列的天线图案对齐。

在一些可选的实施方式中，所述天线图案所辐射的电磁波通过所述电磁波汇聚元件后于远场干涉。

在一些可选的实施方式中，所述介电层具有至少一个开孔，所述至少一个开孔将所述介电层划分为物理区隔的多个部分，所述多个部分的介电层分别包含至少一波导腔体。

在一些可选的实施方式中，还包括：

射频芯片，设于所述天线基板远离所述介电层的一侧。

在一些可选的实施方式中，还包括：

电源管理芯片，设于所述天线基板远离所述介电层的一侧。

在一些可选的实施方式中，还包括：

被动元件，设于所述天线基板远离所述介电层的一侧。

在一些可选的实施方式中，还包括：

连接器，设于所述天线基板远离所述介电层的一侧。

在一些可选的实施方式中，还包括：

模封层，包覆所述射频芯片和所述被动元件，且与所述连接器区隔。

在一些可选的实施方式中，还包括：

电磁波屏蔽层，形成于所述模封层的表面以及所述天线基板的侧表面。

在一些可选的实施方式中，所述介电层的介电常数大于所述天线基板中介电层的介电常数。

在一些可选的实施方式中，所述波导腔体的侧壁角在17度到90度之间。

在一些可选的实施方式中，所述介电层的折射率与所述波导腔体的侧壁角成反比。

第二方面，本公开提供了一种半导体封装结构的制造方法，包括：

形成包括天线图案的天线基板；

在所述天线基板上形成介电层以及在所述介电层上形成对齐所述天线图案的波导腔体；

将电磁波汇聚元件设于所述介电层上，以使所述电磁波汇聚元件与所述波导腔体内的天线图案对齐。

在一些可选的实施方式中，所述在所述天线基板上形成介电层以及在所述介电层上形成对齐所述天线图案的波导腔体，包括：

使用预先制作的模具形成具有波导腔体的介电层。

在一些可选的实施方式中，所述在所述天线基板上形成介电层以及在所述介电层上形成对齐所述天线图案的波导腔体，包括：

在所述天线基板上形成介电层；

使用激光烧蚀工艺在所述介电层上形成所述波导腔体。

本公开提供的半导体封装结构及其制造方法，通过高介电常数材料(介电层)与相对低介电常数的介质(空气)形成波反射面，使天线辐射的电磁波于相对低介电常数的介质中传递，可增加天线增益。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本公开实施例的半导体封装结构的第一结构示意图；

图2是图1所示的半导体封装结构的俯视图；

图3是根据本公开实施例的半导体封装结构的第二结构示意图；

图4是图3所示的半导体封装结构的俯视图；

图5是根据本公开实施例的半导体封装结构中波导腔体分别为圆柱状和倒圆台状时的天线增益效果的对比示意图；

图6是根据本公开实施例的半导体封装结构中波导腔体分别为圆柱状和倒圆台状时的天线图案所辐射电磁波的指向对比示意图；

图7至图12是根据本公开实施例的半导体封装结构的制造过程中的结构示意图。

符号说明：

1-天线基板，11-天线图案，2-介电层，21-波导腔体，22-定位部，23-开孔，3-电磁波汇聚元件，4-粘合层，5-连接器，6-射频芯片，7-电源管理芯片，8-被动元件，9-电磁波屏蔽层，10-模封层，12-透镜，α-侧壁角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对说明本公开的具体实施方式，通过本说明书记载的内容本领域技术人员可以轻易了解本公开所解决的技术问题以及所产生的技术效果。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，仅用于配合说明书所记载的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本公开可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本公开所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“第一”、“第二”及“一”等用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本公开可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当也视为本公开可实施的范畴。

应容易理解，本公开中的“在...上”、“在...之上”和“在...上面”的含义应该以最广义的方式解释，使得“在...上”不仅意味着“直接在某物上”，而且还意味着包括存在两者之间的中间部件或层的“在某物上”。

此外，为了便于描述，本公开中可能使用诸如“在...下面”、“在...之下”、“下部”、“在...之上”、“上部”等空间相对术语来描述一个元件或部件与附图中所示的另一元件或部件的关系。除了在图中描述的方位之外，空间相对术语还意图涵盖装置在使用或操作中的不同方位。设备可以以其他方式定向(旋转90°或以其他定向)，并且在本公开中使用的空间相对描述语可以被同样地相应地解释。

另外，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

图1是根据本公开实施例的半导体封装结构的第一结构示意图。图2是图1所示的半导体封装结构的俯视图。如图1和图2所示，该半导体封装结构包括天线基板1、介电层2、电磁波汇聚元件3、连接器5、射频芯片6、电源管理芯片7、被动元件8、电磁波屏蔽层9以及模封层10。介电层2可以设于天线基板1上。介电层2可以具有对齐天线图案11的波导腔体21。电磁波汇聚元件3可以位于天线图案11的辐射侧。射频芯片6可以设于天线基板1远离介电层2的一侧。电源管理芯片7可以设于天线基板1远离介电层2的一侧。被动元件8可以设于天线基板1远离介电层2的一侧。

在本实施例中，介电层2可以采用高介电常数材料，例如可以是高分子材料如环氧树脂(Epoxy resin)、聚酰亚胺(polyimide)、BT(Bismaleimide Triazine，双马来酰亚胺三嗪)树脂、FR-4(FR-4是用于玻璃纤维增强环氧层压材料的NEMA(National ElectricalManufacturers Association)等级名称,FR-4是一种复合材料，由玻璃纤维编织布和阻燃环氧树脂粘合剂组成)树脂等。在一实施例中，介电层2的介电常数可以高于天线基板1中的介电材的介电常数。介电层2的介电常数一般在4到20之间。

在本实施例中，波导腔体21的直径在电磁波汇聚元件3朝向天线图案11的方向上逐渐缩小。波导腔体21的侧壁相对于天线基板1的上表面是倾斜的。通过天线辐射的电磁波于波导腔体21(空气的介电常数低)中传递，可增加天线增益。

在本实施例中，介电层2的折射率可以与波导腔体21的侧壁角α成反比。当介电层2的介电常数越大时，介电层2的折射率越大，侧壁角α则越小。例如，当介电层2的介电常数等于20时，波导腔体21的侧壁角α在17度到90度之间即可发生全反射。当介电层2的介电常数等于4时，波导腔体21的侧壁角α在47度到90度之间即可发生全反射。通过设计侧壁角α形成全反射面，让电磁波于波导腔体21中发生全反射，减少穿透或者散射的能量损失。

在本实施例中，电磁波汇聚元件3可以用于汇聚天线图案11辐射的电磁波，可以减少电磁波的散射，增加集中性。电磁波汇聚元件3可以具有一朝远离天线图案11的方向上凸起的曲面。电磁波汇聚元件3可以是凸透镜。电磁波汇聚元件3可以是阵列排列且与阵列的天线图案11对齐。天线图案11所辐射的电磁波可以通过电磁波汇聚元件3后于远场干涉。

在本实施例中，电磁波汇聚元件3可以设于介电层2上。具体地，介电层2可以具有定位部22。定位部22可以是凹槽、凹口或缺角。定位部22可以是环状设计。定位部22可以用于放置/固定电磁波汇聚元件3。定位部22可以有效控制电磁波汇聚元件3设置时的偏移量。进一步地，定位部22上可以设有粘合层4。粘合层4可以用于固定电磁波汇聚元件3。

在本实施例中，天线基板1包括线路层以及线路层之间的介电材。线路层可以包括天线图案11。天线图案11可以露出于天线基板1的表面。天线图案11也可以被保护层覆盖。保护层可以为阻焊(solder resist)层或无电镀镍浸金(Electroless Nickel ImmersionGold，ENIG)层等。天线图案11的操作频率可以介于30～300GHz之间，甚至更高。天线图案11可以同时操作于多频段，例如28Ghz、39GH。在一实施例中，介电层2可以覆盖部分天线图案11或者天线图案11可以从介电层2中完全露出。天线图案11可以是阵列排列。

在本实施例中，连接器5可以用于外部连接，例如可以是板对板连接器(Board ToBoard Connector，BTB)、热压熔锡焊接(HotBar)。

在本实施例中，模封层10可以包覆射频芯片6、电源管理芯片7、被动元件8，可以起到保护和防潮的作用。模封层10由各种模封材料(Molding Compound)形成。例如，模封材料可包括环氧树脂(Epoxy resin)、填充物(Filler)、催化剂(Catalyst)、颜料(Pigment)、脱模剂(Release Agent)、阻燃剂(Flame Retardant)、耦合剂(Coupling Agent)、硬化剂(Hardener)、低应力吸收剂(Low Stress Absorber)、粘合促进剂(Adhesion Promoter)、离子捕获剂(Ion Trapping Agent)等。

在本实施例中，电磁波屏蔽层9可以设于模封层10的表面和天线基板1的侧表面。电磁波屏蔽层9可以避免电磁波干扰、提升信号品质以及天线增益。

在本实施例中，被动元件8例如可以是电容器、电阻器、电感器等。

图3是根据本公开实施例的半导体封装结构的第二结构示意图。与图1所示的半导体封装结构的区别在于，图3所示的半导体封装结构中的介电层2可以具有至少一个开孔23。图4是图3所示的半导体封装结构的俯视图。如图4所示，至少一个开孔23可以将介电层2划分为物理区隔的多个部分，可以降低热膨胀系数不适配的程度，分散压力。另外，还可以节省材料，减少成本。

在一实施例中，多个部分的介电层2分别包含至少一波导腔体21。波导腔体21可以彼此通过介电层2区隔而呈现为数组排列。

在一实施例中，在天线图案11被保护层覆盖的情况下，开孔23可以露出天线基板1的保护层。

图5是根据本公开实施例的半导体封装结构中波导腔体21分别为圆柱状和倒圆台状时的天线增益效果的对比示意图。图5的(a)图中的波导腔体21为倒圆台状，波导腔体21的侧壁相对于天线基板1的上表面倾斜。图5的(b)图中的波导腔体21为圆柱状，波导腔体21的侧壁与天线基板1的上表面垂直。图5的(a)图相对于图5的(b)图，指向性更加，且能增加天线增益的强度。

图6是根据本公开实施例的半导体封装结构中波导腔体21分别为圆柱状和倒圆台状时的天线图案11所辐射电磁波的指向对比示意图。图6的(a)图中的波导腔体21为倒圆台状，透镜12制作上的曲率半径控制难度高，成本较高。并且没有设置全反射面来促使电磁波集中，容易造成电磁波于空腔中散射。图6的(b)图中的波导腔体21为圆柱状，通过介电层2与空气的介电常数差异，形成波导腔体21，并通过设计介电层2的侧壁角α的角度，让电磁波于波导腔体21内大致反射或全反射，减少穿透或者散射的能量损失。再通过电磁波汇聚元件3，将电磁波的能量汇集传递出去。

图7至图12是根据本公开实施例的半导体封装结构的制造过程中的结构示意图。

如图7所示，形成包括天线图案11的天线基板1。然后将射频芯片6、电源管理芯片7以及被动元件8相邻设置于天线基板1远离介电层2的一侧。再形成包覆射频芯片6、电源管理芯片7、被动元件8的模封层10。最后在模封层10的表面以及天线基板1的侧表面形成电磁波屏蔽层9。

在天线基板1上形成介电层2以及在介电层2上形成对齐天线图案11的波导腔体21。第一种方式：如图8所示，先在天线基板1上形成介电层2。如图9所示，再使用激光烧蚀工艺在介电层2上形成波导腔体21和定位部22。第二种方式：如图9所示，使用预先制作的模具形成具有波导腔体21和定位部22的介电层2。

如图10所示，在定位部22上形成粘合层4。

如图11所示，将电磁波汇聚元件3设于介电层2的定位部22上，通过粘合层4固定电磁波汇聚元件3，使电磁波汇聚元件3与波导腔体21内的天线图案11对齐。

如图12所示，在天线基板1远离介电层2的一侧设置连接器5。

本公开提供的半导体封装结构及其制造方法，通过高介电常数材料(介电层2)与相对低介电常数的介质(空气)形成波反射面，使天线辐射的电磁波于相对低介电常数的介质中传递，可增加天线增益。

尽管已参考本公开的特定实施例描述并说明本公开，但这些描述和说明并不限制本公开。所属领域的技术人员可清楚地理解，可进行各种改变，且可在实施例内替代等效元件而不脱离如由所附权利要求书限定的本公开的真实精神和范围。图示可能未必按比例绘制。归因于制造过程中的变量等等，本公开中的技术再现与实际设备之间可能存在区别。可存在未特定说明的本公开的其它实施例。应将说明书和图式视为说明性的，而非限制性的。可作出修改，以使特定情况、材料、物质组成、方法或过程适应于本公开的目标、精神以及范围。所有此些修改都落入在此所附权利要求书的范围内。虽然已参考按特定次序执行的特定操作描述本公开中所公开的方法，但应理解，可在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本公开中特别指示，否则操作的次序和分组并不限制本公开。