CN104170076B - 用于毫米波半导体裸片的电子封装 - Google Patents

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Abstract

一种毫米波电子封装由常用的印刷电路板(PCB)技术和金属封盖来构造。封装的装配使用标准取放技术，并且热量被直接消散到封装上的焊盘。一个或多个毫米波信号的输入/输出通过矩形波导来实现。电子封装到电印刷电路板(PCB)的安装使用传统的回流焊接工艺来执行，并且包括被连接到毫米波天线的波导I/O。电子封装提供了从封装之内的半导体芯片到其被安装在其上的PCB的低频率、dc和接地信号传输。阻抗匹配方案通过更改芯片内的接地层来匹配芯片到高频率板过渡。高频率板上的接地层环绕高频率信号凸块，以将电磁场限制于凸块区域，从而降低辐射损耗。

Description

用于毫米波半导体裸片的电子封装
技术领域
本发明涉及电子封装的领域，并且更具体地涉及适用于毫米波半导体裸片的电子封装***。
背景技术
极高频或EHF是最高的无线电频率波段并且运行从30到300GHz的频率范围。该波段中的频率具有十到一毫米的波长，从而给它毫米波段或毫米波(mmWave)的名字。相比于更加常用的较低频率的波长，在高频率mmWave电路中所涉及的波长较短。从而，由于辐射、散射和吸收，每单位长度的损耗较高。毫米波信号从而对于制造误差非常敏感。为了克服这些困难，具有低的吸收和非常低的制造误差的高质量、昂贵的材料和技术(例如，陶瓷基板或有机堆积技术)被使用。此外，传统的mmWave封装使用复杂的装配过程。
当前，在电子行业中存在许多电子封装标准。然而，这些封装中的绝大多数仅仅能低频率信号，虽然通过依靠表面安装技术(SMT)I/O以将信号从封装递送给电子电路板上印刷的传输线，最先进的封装支持高达50GHz的信号。
用于较高频率(高于50GHz)的商业电子封装通常依靠在用于单芯片的封装中或者在具有集成波导过渡的多芯片模块中的矩形波导接口。这些波导接口必须使用螺钉被安装到其它波导接口(诸如，其它模块或天线)，这增加了封装的大小并且是低频率信号到电子电路板的传输复杂化。
今天，具有使得低成本生产能够进行的既定制造工序的SMT封装是行业标准。SMT封装允许易于在自动化回流焊接工艺下安装在电子电路板上，而没有机械连接器的需要。它们的小尺寸使得可能制成具有由印刷引线和传输线的网络链接的许多不同部件的高密度电子电路板。尽管存在上面描述的优点，SMT封装在诸如mmWave之类的高频率波段中具有造成高电损耗的两个主要缺点。
第一个缺点是，SMT封装包含诸如在高频率处相比于波导展示出高损耗的微带或带线之类的印刷传输线，并且从而在那些频率处优选波导接口。第二个缺点是，难以通过回流焊接的方式控制SMT封装在电路板上的精确安装定位。从而，部件终端的至少一半宽度必须被放置在焊接着陆上。在利用低频率信号工作时，这是合理的约束。然而，在利用mmWave频率工作时，印刷传输线中的小误差变得显著并且可以造成高的损耗和辐射。由于这两个缺点，高于50GHz时很少使用SMT封装。
与诸如微带和带线之类的印刷传输线相反，在较高频率处波导不会展示出显著较高的损耗。波导的另一个好处是，两个波导之间的传输几乎不受它们连接中误差的影响。波导连接有三个独特的缺点。第一个缺点是，连接波导到波导要求使用具有大凸缘的螺钉的手工劳动，这也大幅增大了封装大小。第二个缺点是，在封装中需要包含更多的连接器(除了波导凸缘)，以便从封装递送低频率信号、DC供电、接地等给电路板。第三个缺点是由于昂贵的波导机制的封装的高价格。
从而，需要可以由廉价的、常用的材料和技术构造、展示出低损耗和良好的散热性以及可以使用简单的装配过程来制造的mmWave封装。
发明内容
一种用于mmWave半导体芯片的新颖和有用的电子封装***。封装***在提供散热和机械保护环境的同时提供了毫米波半导体芯片与电路板之间的电连接。
本发明包括由常用的印刷电路板(PCB)技术和简单的金属盖子或封盖构造的mmWave电子封装。半导体芯片可以使用任何熟知的方法被附接到封装，诸如使用键合引线或凸块(例如，焊接凸块)。混合实施方式可以由引线键合和凸块两者来构造。装配过程使用常用的取放技术，并且热量被直接消散到在封装底部的暴露的焊盘。
在一个实施方式中，电子封装包括在高频率处展示低损耗的有机介电层压板的单个层，而封装的剩余部分的材料可以由各种低成本材料构造。一个或多个mmWave信号的输入/输出通过矩形波导来实现。
将电子封装安装到电印刷电路板(PCB)使用传统的回流焊接工艺来执行，而不需要在波导I/O被连接到mmWave天线或电路时在现有技术中通常使用的通过螺钉的笨重和昂贵的连接。
此外，通过使用四角无引脚扁平(QNF)方式，电子封装允许从封装之内的半导体芯片到其被安装在其上的PCB的简单的低频率、dc和接地信号传输。
进一步地，在一个实施方式中，从mmWave半导体芯片到电子封装的超宽带过渡基于允许使用具有差精度的传统低成本制造技术的凸块。
本发明的电子封装***的优点包含：(1)使用允许低频率信号和高频率(HF)信号两者的传输的标准SMT连接的集成封装；(2)与现有技术基于波导的封装相比小尺寸的电子封装；(3)由标准PCB材料和技术构造的、从而允许使用标准取放机器的标准自动化装配工艺的使用的低成本电子封装；(4)提供通用的半导体裸片附接选项，例如引线键合、焊接凸块或混合配置；以及(5)在QNF方式封装中使用暴露的焊盘的有效散热。
从而依照本发明提供了一种用于毫米波半导体裸片的电子封装，其包括由介电材料构造的并且具有顶部表面和底部表面的多层电路板，多层电路板包括适于在顶部表面与底部表面之间传送低频率信号的第一多个电镀通孔、适于在顶部表面与底部表面之间形成高频率波导的至少一个第二电镀通孔，被贴附到多层电路板的半导体裸片，由介电材料构造的并且被贴附到多层板的高频率电路板，高频率电路板包括波导过渡以及适于将半导体的高频率端口电连接到波导过渡的印刷传输线。
依照本发明还提供了一种用于毫米波半导体裸片的电子封装，其包括由介电材料构造的并且具有顶部表面和底部表面的多层电路板，多层电路板包括适于接收半导体裸片的空腔、适于在顶部表面与底部表面之间传送低频率信号的第一多个电镀通孔、适于在顶部表面与底部表面之间形成高频率波导的至少一个第二电镀通孔，在空腔内被贴附到多层电路板的半导体裸片，由介电材料构造、具有顶部表面和底部表面、下表面被贴附到多层板的高频率电路板，高频率电路板包括波导过渡、适于将半导体裸片的高频率端口电连接到波导过渡的印刷传输线，以及被贴附到高频率电路板的顶部表面的金属封盖。
依照本发明进一步提供了一种用于毫米波半导体裸片的电子封装，其包括由介电材料构造的并且具有顶部表面和底部表面的多层电路板，多层电路板包括适于接收半导体裸片的空腔、适于在顶部表面与底部表面之间传送低频率信号的多个第一电镀通孔、适于在顶部表面与底部表面之间形成高频率波导的至少一个第二电镀通孔、适于在多层电路板的空腔与底部表面之间形成散热路径的多个第三电镀通孔，在空腔内被贴附到多层电路板的半导体裸片，由介电材料构造、具有顶部表面和底部表面、下表面被贴附到多层板的高频率电路板，高频率电路板包括波导过渡、适于将半导体裸片的高频率端口电连接到波导过渡的印刷传输线，以及被贴附到高频率电路板的顶部表面的金属封盖。
依照本发明还提供了一种用于毫米波半导体裸片的电子封装，其包括由介电材料构造的并且具有顶部表面和底部表面的多层电路板，多层电路板包括适于接收半导体裸片的空腔、在顶部表面与底部表面之间的DC和低频率电路径、在顶部表面与底部表面之间的高频率波导、在多层电路板的空腔与底部表面之间的散热路径，在空腔内被贴附到多层电路板的半导体裸片，由介电材料构造、具有顶部表面和底部表面、下表面被贴附到多层板的高频率电路板，高频率电路板包括波导过渡、适于将半导体裸片的高频率端口电连接到波导过渡的印刷传输线，以及被贴附到高频率电路板的顶部表面的金属封盖。
附图说明
本发明仅仅通过示例的方式参照附图描述于此，其中：
图1是多层电路板、利用引线键合连接的半导体芯片和高频率电路板的顶视图；
图2是包括被附接在多层电路板和高频率电路板的顶部上的封盖的电子封装的剖视图；
图3是在内部示出空腔的封盖的三维透视图；
图4是在多层电路板、高频率电路板与半导体芯片两两之间包括凸块和引线键合的混合电子封装的剖视图；
图5是在高频率电路板与半导体芯片之间包括凸块的电子封装的剖视图；
图6是使用凸块配置的高频率电路板的底面图；
图7是图示利用凸块的半导体芯片到高频率电路板过渡的示图；
图8是图示半导体芯片到高频率电路板过渡的电学模型的电路图；
图9是图示在部分接地层被移除的情况下利用凸块的半导体芯片到高频率电路板过渡的示图；
图10是图示在附加的接地层部分环绕高频率信号凸块的情况下利用凸块的半导体芯片到高频率电路板过渡的示图；
图11是图示具有微带和以接地-信号-接地样式的三个焊盘的半导体芯片的示图；以及
图12是图示具有微带、以接地-信号-接地样式的三个焊盘和金属接地简化的半导体芯片的示图。
具体实施方式
电子封装实施方式
一种用于毫米波半导体芯片的电子封装***在提供散热和机械保护环境的同时提供了毫米波半导体芯片与电路板之间的电连接。封装的配置使得能够使用标准的回流焊接工艺以用于到印刷电路板的附接。
图1中示出了多层电路板、利用引线键合连接的半导体芯片和高频率(HF)电路板的顶视图。本发明是SMT封装、波导接口以及低成本生产和装配成在消除它们的缺点的同时享有上述技术各自优点的单个设备的组合。
封装(通常引用的10)包括由诸如FR4之类的任何合适材料构造的多层电路板14、被安装在多层电路板上的半导体裸片24、在用阻焊层15帐篷状遮盖的铜焊盘20内的电镀通孔(PTH)22、将芯片连接到焊盘的引线键合26、高频率电路板16、铜接地层19、过孔18、微带传输线23、从微带到波导的匹配元件21以及用于封盖(盖子)的附接的限界环12。
图2中示出了包括被附接在多层电路板和高频率电路板的顶部上的封盖的电子封装的剖视图。该剖视图是图1中的切片11。封装通常包括三个部分。第一部分包括具有低介电损耗和优选低介电常数、并且适用于高频率信号传输的高频率电路板70(覆铜板或CCL)。高频率电路板通过引线键合42或者通过凸块(未示出)被电附接到半导体芯片44的高频率端口，并且包括用于微带49(或带线)到波导过渡的匹配元件。在一个实施方式中，高频率电路板使用具有低成本并且适用于大批量生产的标准印刷电路板(PCB)生产技术来生产。优选地，为了实现良好的电性能，应当使高频率电路板尽可能的薄(例如，4毫米厚)。
第二部分包括金属封盖40，其使用导电环氧树脂胶50被贴附到薄的高频率电路板，从而为电路板提供机械支撑。金属封盖还包括若干空腔以：(1)为芯片提供空间46(在使用引线键合连接的情况下)；(2)允许用于高频率电路板上信号递送的间隙66；以及(3)形成其充当用于RF能量的反射器的波导到微带过渡的背短(back-short)48。如果半导体芯片使用焊接凸块(图4和图5)被连接到高频率电路板，则金属封盖可以由连同高频率电路板一起被构建为多层板的匀称的FR4层压板替换。类似于高频率电路板，金属封盖具有非常低的成本并且适用于大批量生产。
第三部分包括具有顶部和底部表面的多层电路板30(例如，FR4)。顶部表面使用导电胶52被胶合到高频率电路板70并且由导电胶50被胶合到金属封盖40。底部表面被焊接到PCB 32。多层FR4包括其中半导体芯片被放置的空腔33。导热胶64将芯片连接到多层电路板。多层电路板包括形成波导的电镀通孔76，以及用于使用一个或多个过孔36从芯片44到PCB 32递送信号的附加的电镀通孔。通过使用从空腔33的底部表面延伸到多层电路板的底部表面的多个过孔38，它还形成用于从芯片44到PCB中的散热片57的散热的路径。多层电路板可操作用于将SMT和波导接口组合成单个封装，并且为封装提供它的许多好处。
通过接合在多层电路板的底部上的金属部分72、74、75与在PCB32上的金属部分的焊接62，多层电路板30被紧固到PCB 32。多层电路板被配置使得标准SMT回流焊接工艺可以被用于将多层电路板连接到PCB。通过使用标准工艺，波导76被连接到在PCB上的波导接口59，散热通道或过孔38被连接到散热片57并且一个或多个低频率信号(例如，信号、DC、接地等)从芯片被连接到PCB。
如上所述，封装由使用导电胶被装配在一起的三个主要部分构造。仅仅在部分之间存在电连接的地方要求导电胶。在仅仅存在机械连接的需要的定位中(而没有电连接的需要)，还可能使用通常较便宜的非导电胶。在不同的实施方式中，构造可以使用引线键合连接、凸块连接和混合连接(引线键合和凸块两者)。
在一个实施方式中，多层电路板30由利用FR4预浸料56层压以形成四个金属层M1、M2、M3和M4的两个FR4 CCL部分54和58构造。因为多层电路板包括空腔33和大的电镀通孔76，预浸料优选具有不流动性(有时被称为低流动性)，使得在层压阶段期间，空腔不会被填充有预浸料并且多层电路板结构在厚度方面保持均匀。
在备选实施方式中，多层电路板30由单个FR4 CCL构造，其中空腔33通过深度控制的铣削来制造。这两种不同的实施方式在成本方面是相似的，并且通常由PCB制造者根据其特定的经验作出在它们之间的选择。
半导体芯片44被放置在电镀空腔33之内，并且其底部通过导热胶64被附接到M3金属层。在电镀空腔下方，M3金属层通过填充有孔填充用环氧树脂或者焊料(优选具有厚的电镀铜)的热盲孔38被连接到M4金属层，其中所使用的材料具有高热导率。孔填充工艺为两个目的服务：(1)改善了从M3金属层(芯片的底部部分)到其被连接/配合到PCB上的散热片57的M4金属层的散热；以及(2)密封了热过孔并且从而防止导热胶流动离开芯片的空腔。
注意，在一个实施方式中，热过孔可以被铜板替换以用于高功率应用。多层电路板还包括若干电镀通孔(PTH)以将低频率信号从顶部M1金属层传送到底部M4金属层，底部M4金属层使用标准回流焊接工艺被焊接到PCB。为了防止焊料流动到PTH上，优选使用窄的PTH并且用M1金属层上的阻焊层51塞住它们。阻焊层可以通过焊料或通过环氧树脂孔填充或者通过用于塞住穿孔的任何其它方法被替换。在图2中，半导体芯片与M1层上的焊盘之间的连接使用引线键合来实现。
高频率信号(即，mmWave信号)在多层电路板内通过用作波导的电镀通孔76发送。mmWave信号的示例包含具有无论何处在60-90GHz的范围内的频率的E波段信号。波导76与半导体芯片44之间的连接通过高频率电路板70来实现。波导被钻出或以其它方式被形成以具有期望的形状和尺寸(其通常对于不同频率的信号是不同的)。例如，洞被钻出或使用其它成形工具被塑成以具有例如圆形、椭圆形、正方形或矩形形状。由于形成方角的困难，形状可以具有与所使用的特定制造工艺兼容的圆角。
高频率电路板通过导电环氧树脂胶52被附接到多层电路板的M1(即，顶部)金属层。优选使用高粘度的导电胶，以便精确限定胶的散布，而没有渗出或者胶流动到波导、芯片的空腔或M1金属层上不应该被短路到地的任何焊盘中。胶的分配优选使用自动化胶分配器来完成。此外，高频率电路板的放置优选使用自动化取放机器来完成，以实现尽可能最高的位置精度并且使得大批量、低成本的重复生产能够进行。
作为封装的装配件的一部分，芯片通过引线键合被附接到高频率电路板和多层电路板(如在图2中示出的)。芯片的空腔深度优选使得芯片表面上的焊盘和高频率电路板的顶部表面上的铜是大致相同的高度。这允许用于高频率信号的最小长度的引线键合。
高频率信号在高频率电路板上、在诸如微带或带线之类的印刷传输线49中传播，直到它到达将信号从高频率电路板发送到波导76的匹配元件。存在可以被实现在该结构中的用于将波导匹配到微带的若干熟知的方法。这些方法可以包括例如在印刷高频率电路板上的匹配元件或者作为背短48一部分的匹配元件或者两个的组合。
为了实现从半导体芯片到高频率电路板的过渡中的低***损耗，匹配元件被用于补偿引线键合的电感性质以及在半导体芯片上和在高频率电路板上的焊盘的电容性质。信号应当以接地-信号-接地配置被发送，以降低尽可能多的辐射损耗。
封装最后的部分包括封盖(盖子)以提供机械保护给半导体芯片和引线键合。图3中示出了在内部示出空腔的封盖的三维透视图。在一个实施方式中，封盖80由金属或由电镀有金属的绝缘材料(诸如FR4或塑料)构造。在示出的示例实施方式中，封盖具有四个空腔，即，(1)用于芯片和引线键合的空腔82(对应于空腔42，图2)，(2)在传输线(例如，微带)上方其创建边界以防止辐射损耗的电磁笼(空腔)84(对应于微带限界66，图2)，(3)在收容高频率电路板的空腔88上方的、用于在波导之上的背短到微带过渡的空腔86(对应于空腔48，图2)，以及(4)用于高频率电路板的空腔88。
封盖被附接到多层电路板上的限界环12(图1)(通过导电胶或者通过非导电胶)并且通过导电胶被附接到高频率电路板上的铜接地层。胶优选具有高的粘度，以防止它流动超出其预期迹线。注意，盖子中的空腔在图2(和图5)中由剖面线指示。微带限界空腔由窄的剖面线标记，而背短空腔以及芯片和引线键合空腔由较宽的剖面线标记。
在一个实施方式中，封盖包括两个部分，其中由于装配和生产中的误差，可能存在困难将封盖装配在封装上使得封盖与高频率电路板和多层电路板精确配合。在该实施方式中，第一封盖部分被放置在高频率电路板的顶部上以用作背短和微带限界，而第二封盖部分被放置在多层电路板的限界环上(并且还在第一封盖之上)以机械保护给整个封装。第一盖子可以由被层压到高频率电路板、具有与金属封盖相似形状和尺寸的多层电路板来替换。到电路板的封装附接通过回流焊接到多层电路板的M4金属层来实现。因为波导接口和低频率焊盘两者皆被定位在同一平面上，所有连接在焊接过程期间被同时做出，而不需要附加的物理连接。
M4金属层包括如下面描述的若干区域。第一区域包括被电连接到电镀通孔(PTH)36并且通过引线键合42的方式被电连接到半导体芯片的低频率(例如，信号、DC、接地等)焊盘72。这些焊盘的焊接被执行到PCB上的适当焊盘。
第二区域包括用于散热的暴露的焊盘74。该焊盘通过从M3金属层到M4金属层的盲孔38被热连接到半导体芯片44的底部。暴露的焊盘74的焊接被执行到定位在PCB 32上的散热片57。
第三区域包括波导接口76的连接。该焊盘75被电连接到波导壁77。连接通过将75焊盘焊接到PCB上的配合焊盘79来做出。
从而，在多层电路板与它被安装在其上的PCB之间做出了若干连接。连接包含(1)DC、接地和其它低频率信号连接；(2)波导连接；以及(3)到PCB上的散热片的热传递连接。连接使用标准波峰/回流焊接来做出，并且最小化了所要求部分的数目、所要求的PCB基板面和所要求连接的数目。
在备选实施方式中，封装包括到芯片的混合连接。图4中示出了在多层电路板、高频率电路板与半导体芯片两两之间包含凸块和引线键合的混合电子封装的剖视图。混合连接封装类似于引线键合连接封装(图2)，除了将高频率电路板连接到半导体芯片的方法以外。多层电路板90类似于引线键合实施方式的多层电路板，除了芯片的空腔深度优选类似于芯片的厚度使得被放置在芯片的高频率焊盘上的凸块108伸出在M1金属层平面上方，如在图4中示出的。
在混合实施方式中，低频率信号使用与图2的引线键合配置中相同的方法来连接，即经由具有阻焊层91在上表面上的PTH 94。在芯片110被放置在多层电路板90的空腔中并且使用导热胶112被贴附之后，高频率电路板98通过将其焊接到芯片上的凸块108并且由底部填充(UF)114接合它们而被装配。低频率信号使用键合引线连接96从芯片110被连接到PTH 95。高频率信号通过过孔115从高频率电路板的底部表面被发送到顶部表面，使得它不会被短路到多层电路板顶部金属，因为空腔比使用导热胶被贴附到多层电路板的芯片宽。从过孔115，高频率信号沿着传输线97(图1中的23、21)行进。多个过孔100连接从高频率电路板到多层电路板的接地。这些过孔100在图1中被指示为圆点18。在UF固化之后，高频率电路板使用导电胶102或焊料被附接到M1金属层以形成到波导接口104的电连接。
混合配置封装的剩余部分类似于引线键合配置封装的剩余部分，包含到波导104的过渡、封盖(未示出)的装配和到PCB上的安装技术。在备选实施方式中，装配通过使用金球凸块被简化。注意，金球凸块可以使用做出引线键合的相同标准球式键合器机器被放置在半导体芯片上。如在引线键合实施方式中，混合封装还包括FR4层116、120和预浸料层118以及散热片耗散盲孔122。
在备选实施方式中，电子封装通过用于电连接的凸块来构造。图5中示出了在高频率电路板与半导体芯片之间包含凸块的电子封装的剖视图。在该凸块连接实施方式中，芯片的所有焊盘通过凸块162、164和底部填充(UF)166被电附接到高频率电路板141的底面。因为高频率电路板141优选薄的以便实现良好的电性能，它在焊接过程期间可能具有高的扭曲量，从而可能造成故障。在这种情况下，通过将其附接到板或将其层压到厚的多层电路板可以提供机械支撑给高频率电路板。
凸块配置实施方式(图5)与混合配置实施方式(图4)之间的主要差别在于递送低频率信号的方法和将高频率电路板连接到多层电路板130的方法。在使用相同方法(经由凸块162)递送高频率信号的同时，低频率信号(DC、接地、信号)行进(经由凸块164)在高频率电路板141的底面上，直到它们到达外周边上较大的焊盘。多层电路板包括FR4层132、136和预浸料层134以及通过小导电胶圆点151被连接到高频率电路板的对应焊盘。这些焊盘还包括M1至M4电镀通孔153，并且从而使从芯片到PCB的低频率连接完整。
因为芯片158经由凸块162、164被接合到高频率电路板，它不能被胶合到多层电路板，从而利用粘胶热界面材料160来实现到M3金属层的热连接。
金属(或金属化的)封盖140使用导电胶146被胶合到高频率电路板141的顶面。如在图5中示出的，因为一些低频率迹线在多层电路板中移动在接地层上方，因为高频率电路板和多层电路板被胶合在一起存在将低频率信号短路到地的风险。为了克服这一风险，阻焊层161被应用在高频率电路板和多层电路板两者上，仅仅留下用于芯片和导电胶迹线150、151以及高频率电路板的底面上高频率信号的附接的开口。
图6中示出了使用凸块配置的高频率电路板的底面图。在高频率电路板170的底面上的铜迹线由阴影指示。铜迹线包含信号迹线178、导电胶圆点焊盘176、芯片位置172、用于高频率信号传输线的短迹线和过孔180、以及用于波导接口174的开口。芯片的预期定位用剖面线标记。高频率信号迹线180开始于芯片，并且结束于将信号递送到高频率电路板顶面的过孔。注意，焊盘176各自在PTH153(图5)之上通过多层电路板被居中到PCB。
芯片到电路板过渡的实施方式
在另一实施方式中，通过提供半导体芯片与高频率电路板(即，CCL)之间改善的阻抗匹配来改善高频率过渡。图7中示出了图示利用凸块的半导体芯片到高频率电路板过渡的示图。为了更加清楚，在部分半导体芯片被切掉的情况下示出过渡。高频率电路板192由介电材料214构造，并且包括接地层216、过孔206、高频率传输线210、高频率焊盘208和高频率接地204。半导体芯片190包括半导体材料212、接地层194、芯片过孔200、高频率信号迹线198和高频率焊盘196。
半导体芯片到高频率电路板的宽波段过渡使用凸块202来实现，并且具有极宽的带宽以及在芯片和高频率电路板两者上非常低的基板面消耗。注意，该过渡可以被用在混合配置实施方式以及凸块配置实施方式中，因为在那些配置实施方式中高频率设计是相同的。过渡被优化以过渡的凸块和焊盘的电感和电容性质产生共鸣。
本发明的过渡旨在于与包括若干导电层(其中这些层中的一个承载高频率信号并且其它层(多个层)承载接地电流)的半导体芯片一起被使用。这允许传输线(例如，微带传输线)的实现和接地层的优化。
首先，给出其中过渡是不匹配的并且使用凸块(如在图7中示出的)的芯片到高频率电路板过渡的模型。图8中示出了图示半导体芯片到高频率电路板过渡的电学模型的电路图。用于该过渡的适当模型(通常引用的220)包括表示凸块202的串联电感器(Ls)224，以及用于表示焊盘电容的并联电容器(Cc)226和(Cb)222。从焊盘196到半导体芯片的电容由(Cc)226表示，并且从焊盘208到板的电容由(Cb)222表示。此外，在高频率信号凸块202与高频率接地凸块(其也被包含在该模型中)之间也存在并联电容。
为了实现最佳的宽带过渡(即，没有反射)，过渡的阻抗应当匹配传输线的阻抗(通常被设定到50Ω)，使得其并联电容和其串联电感尽可能被最小化。并联电容Cc由通常比芯片之内的微带线宽得多的芯片之内的凸块焊盘相对于芯片之内的接地层来设定。并联电容Cb由PCB上的焊盘相对于PCB上的接地层来设定。因为芯片上的和PCB上的焊盘具有相似的大小并且PCB厚度比芯片之内的焊盘与芯片之内的接地层之间的距离大得多，通常的情况是Cc>>Cb，因此焦点在降低Cc上。串联电感由信号电流和芯片之内的接地电流的电流路径长度中的差别来设定。随着信号电流在微带上流动到芯片之内的信号焊盘并且从那里流动到信号凸块，接地电流在接地层上遵循完全相同的路径并且仅仅在信号焊盘上方为接地焊盘转向。因此，接地电流292具有比信号电流更长的路径，如在图11中可以看到的，其中芯片的部分(通常引用的280)包括接地层282、微带286、高频率信号焊盘288和接地焊盘288、290。注意，接地电流被指示为箭头。
通过更改芯片之内的接地层，本发明提供了用于匹配半导体芯片到高频率电路板过渡的机制。在示例实施方式中，消除了接地层在芯片之内的高频率焊盘上方的部分。用这种方式，并联电容因为接地层与高频率信号焊盘之间的距离增加而降低，然而同时串联电感减小，因为接地电流可以不再遵循凸块信号电流并且因此将做出如图12中示出的更短的路径，其中芯片的部分(通常引用的300)包括接地层302、微带306、高频率信号焊盘308和接地焊盘304、310。从而，移除部分接地层大致抵消了原来的芯片与电路板之间过渡的阻抗失配。
图9中示出了图示在部分接地层被移除的情况下利用凸块的半导体芯片到高频率电路板过渡的示图。为了更加清楚，如在图7中，在部分半导体芯片被切掉的情况下示出过渡。高频率电路板232由介电材料254构造，并且包括接地层248、过孔244、高频率传输线250、高频率焊盘252和高频率接地246。半导体芯片230包括半导体材料236、接地层234、芯片过孔236、高频率信号迹线240和高频率焊盘242。凸块238连接高频率焊盘242和252。凸块可以包括诸如铜柱(有时被称为C2)、焊料球C4、金球等之类的任何合适的材料。
图9的图图示了使用具有长度Lclear和宽度Wclear的矩形接地间隙243的匹配机制的示例实施方式。在该示例中，缺少接地的几何结构是具有长度Lclear和宽度Wclear的矩形。在备选实施方式中，接地层间隙可以包括诸如三角形、梯形、圆形、方形等之类的其它形状。移除的接地间隙的确切形状和大小可以利用熟知的3D全波电磁数值解技术和可用的软件来优化。
在一个实施方式中，用于尺寸Lclear和Wclear的值被设定使得接地简化将至少重叠整个信号焊盘，所以并联电容Cc被最小化。焊盘之间的节距越宽，接地电流路径与信号电流路径之间的差别越大，并且因此接地间隙也应当增加。
最小化辐射损耗的实施方式
在本发明的另一实施方式中，提供了机制以最小化通过高频率过渡的辐射损耗。图10中示出了图示在附加的接地层部分环绕高频率信号凸块的情况下利用凸块的半导体芯片到高频率电路板过渡的示图。电路板(通常引用的260)包括介电材料266、接地层262、接地区域264、高频率传输线272、高频率焊盘270、高频率信号凸块272和附加的凸块268。
辐射/RF限制机制是本发明的高频率过渡的另一方面。机制可操作用于将电磁场限制于凸块区域，由此降低辐射/信号损耗。在示例实施方式中，通过在高频率电路板260上增加包围高频率信号凸块272的附加的接地层264来实现对辐射的限制。从而，芯片到高频率电路板过渡包括环绕高频率信号凸块272的另外的接地层。注意，在图10中为了说明的目的芯片未出现，但是通常是存在的。
因为附加的接地层优选被定为在芯片下方，它不会增加过渡的总大小。而且，包含另外的接地层的过渡不会强制半导体芯片设计中的任何改变。在图10中示出的示例中，过渡包括两个附加的凸块。要注意的是，附加的凸块不会改善过渡的电性能，并且在有或没有它们的情况下都可以很好地定义过渡。在一个应用中，凸块在其中芯片不具有足够的凸块的情况中被使用以形成机械稳定的连接。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述特定实施方式的目的，并且不旨在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包含复数形式，除非上下文另外明确指示。应当进一步理解的是，术语“包括”和/或“其包括”在该说明书中被使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或增加。
如特别要求的，在下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等效物旨在包含用于结合其它要求的元件执行功能的任何结构、材料或动作。对本发明的描述已经为了说明和描述的目的而给出，但是不旨在是穷举式的或者限于以所公开形式的发明。因为对于本领域技术人员来说众多修改和改变将容易发生，旨在的是，本发明并不限于本文中所描述的有限数目的实施方式。据此，应当理解的是，所有合适的变化、修改和等效物可以诉诸于落在本发明的范围内。实施方式被选择和描述，以便最好地解释本发明的原理和实际应用，并且以使得本领域普通技术人员能够将用于具有各种修改的各种实施方式的本发明理解为适合于所考虑的特定用途。

Claims (15)

1.一种用于毫米波半导体裸片的电子封装，包括：
多层电路板，由介电材料构造并且具有围绕空腔、顶部表面和底部表面的至少两个层；
高频率电路板，具有底面并且由介电材料构造并且被导电胶贴附到所述多层电路板，其中所述高频率电路板包括接地层以及高频率传输线；
至少一个电镀通孔，连接所述至少两个层用于电信号连接；以及
半导体裸片，包括至少一个焊盘用于高频率信号、至少一个焊盘用于高频率接地以及多个焊盘用于直流电或控制，
其中所述半导体裸片的顶面被接地-信号-接地配置的至少两个导电凸块电附接到所述高频率电路板的底面，使得每个导电凸块被附接到一个焊盘，并且
其中所述半导体裸片的底面被热界面材料热连接到所述至少两个层中的至少一个层。
2.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述多层电路板进一步包括从所述半导体裸片到所述多层电路板的所述底部表面的散热片耗散装置。
3.根据权利要求2所述的电子封装，其中所述散热片耗散装置是至少一个盲孔。
4.根据权利要求1所述的电子封装，进一步包括被贴附在所述多层电路板、所述半导体裸片和所述高频率电路板之上并且将其包裹的封盖。
5.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述多层电路板包括FR4材料。
6.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述空腔是波导并且其中所述波导在形状方面实质上是矩形。
7.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述电子封装的装配使用标准回流焊接工艺被执行。
8.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述电子封装包括四角无引脚扁平的形状因子并且适于使得从所述半导体裸片到所述多层电路板的所述底部表面的低频率和直流电信号的传输能够进行。
9.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述空腔是波导。
10.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述多层电路板进一步包括至少一个预浸料层。
11.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述半导体裸片还被底部填充机械附接到所述高频率电路板。
12.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述至少两个层围绕多个空腔。
13.根据权利要求1所述的电子封装，其中所述半导体裸片进一步包括接地层。
14.一种用于创建毫米波半导体裸片的电子封装的方法，包括：
由接地-信号-接地配置的至少两个导电凸块将半导体裸片的顶面电附接到高频率电路板的底面，所述半导体裸片包括至少一个焊盘用于高频率信号、至少一个焊盘用于高频率接地以及多个焊盘用于直流电或控制，使得每个导电凸块被附接到一个焊盘，由此向所述半导体裸片提供电接触，其中所述高频率电路板包括接地层以及高频率传输线；
由热界面材料将所述半导体裸片的底面热附接到由介电材料构造的多层电路板的至少两个层中的至少一个层，由此向所述半导体裸片提供热接触；以及
将所述高频率电路板电附接到所述多层电路板，由此提供所述半导体裸片与所述多层电路板之间的电接触，用于将所述直流电或控制焊盘连接到所述封装的底部以及用于在单个装配工艺将所述至少一个高频率信号焊盘连接到波导。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述半导体裸片进一步包括接地层。
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