一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构的制作方法

1.本发明涉及无线芯片的新型设计和布局，涉及倒装芯片与tsv通孔的结构设计，tsv通孔将同一颗芯片一面的高频电路端口与另一面天线的馈电口连接起来，形成高频电路与天线的单片结构。


背景技术：

2.至今各种涉及电子信息系统的设备及终端，根据应用，大多需要小型化、集成化。至今为止芯片通常安装在母基板上，独立设计安装在母基板外(拉杆天线为代表)或母基板上(微带天线、表贴介质天线为代表)。但是至今为止的芯片封装、不论是普通芯片封装还是系统级封装sip(system in package)，在结构上很难将芯片和天线形成单片结构。传统的芯片与天线分离式结构方式，常常带来安装、连接和调试检测的不便外，还可能使得信号性能受外部信号干扰，出现信号传输质量下降，对设备的批量化工业生产的合格率带来不良影响。
3.此外，移动终端的空间狭小，射频单元中的芯片与天线需要尽可能紧密连接，以减少信号传输损耗。由于高频电路特点和封装树脂对信号传输的影响，现有的引线框架式的芯片树脂结构封装很难实现一体化设计。
4.例如，中国发明专利公开号cn101057327a揭示了一种用于id芯片等的天线，其天线不平坦性已被平整化；还揭示了一种具有这种带平面的天线的ic芯片。这有利于制造带天线的集成电路。通过使导电膜11、树脂膜13、集成电路12和树脂膜14叠在一起而形成的层叠体被卷了起来，使得树脂膜14在外面。然后，通过加热使树脂膜13、14软化，便使层叠体形成卷形。通过沿着使卷曲的导电膜31看起来处于横截面中的那个方向对该卷曲的层叠体进行切割，便形成了由卷曲的导电膜11构成的带天线的ic芯片。
5.再例如，中国实用新型专利公开号zl201920060815.7揭示了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构，该实用新型的意图是芯片和天线的单体化集成结构在多层基板面的表层可设计加工出所需天线结构，在多层基板的背层一部分形成凹嵌空间，使多层基板作为封装母框体，将裸芯片以点胶形式封装在凹嵌空间内；设计一种低成本的小型化载体结构，既可以实现芯片电路灵活可配置功能，又可以产生芯片天线一体化基板结构。在多层基板1
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1底面加工出一个凹嵌空间2
‑
3。把裸芯片2
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1借助芯片焊接层材料3
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1焊接在多层基板的内层基板衬底上。根据设计布线要求,通过芯片电极引线2
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2和层间连线孔1
‑
4，分别接入到信号线1
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2、多层基板接地线1
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3、底层电极1
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5和接地电极1
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6上。完成芯片装配及部件贴装后，在基板的凹嵌空间内填充封装树脂4
‑
1，并加热使树脂固化。天线1
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7设计在基板上表面，天线1
‑
7是通过天线的馈线连接孔1
‑
8传输射频信号。
6.上述第一例，中国发明专利公开号cn101057327a是针对id(身份)芯片，实现了与薄膜天线一体化制作工艺；该发明专利只适合面积极小的rfid类的一体化封装情况，无法适合绝大多数规模面积较大通用型rf芯片或soc(数模混合芯片)，也无法解决芯片散热等问题。
7.上述第二例，中国实用新型专利公开号zl201920060815.7揭示了一种基于多层凹嵌式基板的芯片天线单体化结构；该专利的通用性强，不但适合面积极小的rfid类的一体化封装情况，也适合绝大多数规模面积较大通用型rf芯片或soc(数模混合芯片)，但该类芯片与天线的一体化结构，最大的缺点是一体化结构的外型尺寸的高度相对较高，散热相对要差一些。
8.如何设计出一种针对倒装芯片，将芯片与天线之间的高频信号传输路径减小到尽可能短的距离，且满足尺寸和散热较好的集成化结构器件，是小型化、薄型化系统终端的技术背景的要求。


技术实现要素：

9.因此，本发明针对上述需求，创新性地设计一种满足终端小型化和薄型化需要、倒装芯片与天线的单芯片结构。本发明的目标是通过以下技术方案实现的。
10.具体的，根据本发明的思路，本发明公开了一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构，包括：
11.倒装芯片、连接垫板、高频电路、天线馈电点、天线、tsv通孔；
12.其中，连接垫板与高频电路电连接，天线馈电点与天线电连接，连接垫板与天线馈电点通过tsv通孔电连接；
13.所述天线与高频电路分别位于倒装芯片的相对的两个上下表面上。
14.进一步地，所述天线通过掩膜或金属溅射工艺加工成几何结构。
15.进一步地，所述几何结构为螺旋回形结构。
16.进一步地，所述倒装芯片包括装配和电极连接功能的倒装垫板，所述倒装垫板上具有焊球，用于与外接母板焊装。
17.进一步地，所述高频电路的电源、信号线、控制线和/或接地线，与倒装芯片的多个倒装垫板选择性连接。
18.进一步地，通过倒装fc工艺焊，将所述焊球与外接母板的表面电极焊接后，在倒装芯片和外接母板之间填胶，固化后形成稳定的芯片保护结构。
19.进一步地，所述天线包括基本天线单元、和含有片上电容、电感的匹配电路。
20.根据本发明的思路，本发明还公开了一种无线芯片，包括上述的含有高频电路和天线的单芯片倒装结构。
21.根据本发明的思路，本发明还公开了一种电子设备，包括上述的无线芯片。
22.本发明的优点在于：利用传统倒装芯片的特点，在芯片的上面设计出天线，通过芯片tsv通孔工艺，将芯片另一面的高频电路的前端信号出入口，与天线信号馈电点连接起来。将倒装芯片安装在母基板上后，天线设计就在芯片的上方，通过半导体金属和腐蚀等工艺，就可以实现天线设计所要求的几何尺寸。随着无线通信频率越来越高，毫米波、亚毫米波以及太赫兹频率的应用开始普及，过去利用芯片难以设计出符合传输功能的天线，本发明在毫米波、亚毫米波以及太赫兹工作频率下，天线尺寸变得很小，利用芯片结构设计出符合要求的芯片成为可能。
附图说明
23.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
24.图1为一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构示意图；
25.图2为一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构的上表面俯视示意图；
26.图3为一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构的下表面仰视示意图；
27.图4为一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构的在pcb基板的安装案例示意图。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
29.不论现在的传统单芯片集成电路塑封、系统级芯片封装(sip)和堆叠式芯片封装，都把天线作为外围器件考虑，没有充分考虑在最短距离布局天线。现代通信的频率越来越高，高频芯片的输入输出端口与天线的较远距离会带来很大的传输损耗，在毫米波以上频段的终端设备尤其要充分考虑高频芯片端口与天线馈电端口的设置。本发明提出的电路与天线的单芯片结构，是至今为止芯片的高频电路到天线馈电口最短距离，充分考虑利用倒装的上面的平面空间和tsv通孔工艺的结合，其一体化芯片在小型化(包括薄型化)、低损耗和低成本方面得显示了其独特优良功能。
30.早期通信雷达等无线传输手段使用的高频频段，大多由于芯片倒装技术和tsv通孔的不成熟的因素限制，没有产生将单片集成加工高频电路与天线的思想。随着集成电路工艺和设计的进步，本发明提出的基本条件是在含有高频电路的倒装芯片和tsv通孔工艺的基础上，在倒装芯片的另一面设计出所需天线功能结构，通过金属表面的掩膜和溅射，也可以用电镀与腐蚀工艺产生所需天线的几何尺寸结构。工艺要求tsv通孔的一端pad连接高频电路的前端信号输入输出口，通孔另一端连接天线信号的馈电点。将倒装芯片安装在母基板上后，天线设计就在芯片的上方，实现无线接收、无线发射或无线收发功能。
31.本发明涉及一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构，在含有高频电路芯片的基础上，通过采用倒装(flip chip，fc)与半导体芯片通孔(through silicon via,tsv)工艺结合的结构设计，将倒扣面高频芯片的高频信号输入输出端电极通过tsv通孔与芯片另一面天线的馈电口连接起来，形成单片集成电路结构，实现高频低损耗、小型化的芯片与天线的一体化无线收发功能。
32.该单片化结构思路是如何设计一种低成本的小型化芯片与天线一体的新型结构。如图1所示，图1是一种含有高频电路倒装芯片和天线的单芯片结构示意图，包括：倒装芯片1
‑
1、连接垫板1
‑
2、高频电路1
‑
3、天线馈电点1
‑
6、天线1
‑
7、tsv通孔1
‑
8；其中，连接垫板1
‑
2与高频电路1
‑
3电连接，天线馈电点1
‑
6与天线1
‑
7电连接，连接垫板1
‑
2与天线馈电点1
‑
6通过tsv通孔1
‑
8电连接；天线1
‑
7与高频电路1
‑
3位于倒装芯片1
‑
1相对的两个上下表面上。
33.本发明的意图是含有高频电路1
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3的倒装芯片1
‑
1中加工含有tsv通孔1
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8的工艺加工基础上，通过芯片tsv通孔1
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8将高频电路1
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3的连接垫板pad1
‑
2与天线馈电点1
‑
6连接，天线1
‑
7通过例如掩膜与金属溅射工艺加工等成设计所要求的几何结构。如图1所示，几何结构为螺旋回形结构，当然天线1
‑
7的几何结构也可以采用其他合理的结构形式，本实施例的举例并非用于限制。
34.此外，图1中倒装芯片1
‑
1含有装配和电极连接功能的倒装垫板pad1
‑
4，倒装垫板pad1
‑
4上植上焊球1
‑
5，便于与其他母板焊装。
35.本发明的一种含有高频电路和天线的单芯片倒装结构，安装图如图2和3所示，表示了含有高频电路倒装芯片和天线的单芯片结构实际在设备中的上面图和底面图。天线1
‑
7及天线馈电点1
‑
6在上倒装芯片1
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1的上表面；倒装芯片1
‑
1的底面倒装pad1
‑
4上有焊球1
‑
5，可与其他母板焊接，底面高频电路1
‑
3根据电性能和工作的实际需要，其电源、信号线及控制线以及接地线等，根据芯片和系统要求，可设计与倒装芯片的多个pad1
‑
4选择性连接。天线1
‑
7包括基本天线单元、和含有片上电容、电感的匹配电路。
36.进一步的，本发明通过倒装fc工艺焊，将焊球1
‑
5与外接母板的表面电极焊接后，在倒装芯片1
‑
1和外接母板之间填胶，固化后可以形成稳定的芯片保护结构。
37.如此，本发明利用传统倒装芯片的特点，在芯片的上面设计出天线，通过芯片tsv通孔工艺，将芯片另一面的高频电路的前端信号出入口，与天线信号馈电点连接起来。将倒装芯片安装在母基板上后，天线设计就在芯片的上方，通过半导体金属和腐蚀等工艺，就可以实现天线设计所要求的几何尺寸。随着无线通信频率越来越高，毫米波、亚毫米波以及太赫兹频率的应用开始普及，过去利用芯片难以设计出符合传输功能的天线，本发明在毫米波、亚毫米波以及太赫兹工作频率下，天线尺寸变得很小，利用芯片结构设计出符合要求的芯片成为可能。
38.实施例1
39.无线功能的设备，是离不开高频芯片和天线的。芯片需要可靠性保护的同时，天线需要尽可能直接敞开向空中发射或接收信号，目前的敞开式分离连接的安装结构，易受其他信号的辐射干扰。而本发明为此，设计出了一个倒装芯片为载体，实现芯片和天线的一体化功能，使芯片与天线的连接紧凑，信号传输损失最小的薄型化结构。
40.在本发明的系统实际设计中，含有天线和高频电路的倒装芯片在母板的安装示意图如图4所示。一种含有高频电路倒装芯片和天线的单芯片结构示意图，包括：倒装芯片1
‑
1、连接垫板1
‑
2、高频电路1
‑
3、天线馈电点1
‑
6、天线1
‑
7、tsv通孔1
‑
8；其中，连接垫板1
‑
2与高频电路1
‑
3电连接，天线馈电点1
‑
6与天线1
‑
7电连接，连接垫板1
‑
2与天线馈电点1
‑
6通过tsv通孔1
‑
8电连接；天线1
‑
7与高频电路1
‑
3位于倒装芯片1
‑
1相对的两个上下表面上。
41.此外，图4中倒装芯片1
‑
1含有装配和电极连接功能的倒装垫板pad1
‑
4，倒装垫板pad1
‑
4上植上焊球1
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5，便于与其他母板焊装。本发明将含有倒装芯片和天线的芯片1
‑
1通过倒装fc(fc,flip
‑
chip)工艺焊，与其他母基板2
‑
1的表面电极2
‑
2焊接后，在芯片1
‑
1和母板2
‑
1之间填胶3
‑
1、固化后形成稳定的芯片保护结构。
42.本发明设计出的这种针对倒装芯片，将芯片与天线之间的高频信号传输路径减小到最小，且满足了近乎极限尺寸结构。因此无树脂材料的含有天线的倒装芯片极大地满足了小型化、薄型化的要求，这是本发明的最大特点和优点。
43.根据本发明的思路，本发明还公开了一种无线芯片，包括上述的含有高频电路和天线的单芯片倒装结构。
44.根据本发明的思路，本发明还公开了一种电子设备，包括上述的无线芯片。
45.需要说明的是：
46.在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟装置或者其它设备有固有相关。各种通用装置也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类装置所要求的结构是显而易见的。此外，本技术也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本技术的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本技术的最佳实施方式。
47.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本技术的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
48.类似地，应当理解，为了精简本技术并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本技术的示例性实施例的描述中，本技术的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本技术要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本技术的单独实施例。
49.本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
50.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
51.本技术的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本技术实施例的虚拟机的创建装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本技术还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本技术的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
52.应该注意的是上述实施例对本技术进行说明而不是对本技术进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本技术可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
53.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。