一种高频器件集成模块和模组的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种高频器件集成模块和模组。


背景技术：

2.随着通讯与信息处理技术的快速发展，越来越多的高频电子器件模块被集成，并应用在复杂的电子系统中。对高频电子器件模块的集成，通常是将高频器件放在高频pcb(printed circuit board，印刷电路板)基板上或氧化铝陶瓷基板上，使用微带线或金属通孔，将高频电子器件模块在高频pcb基板或氧化铝陶瓷基板上进行互连和集成。然而，使用相关技术对高频器件进行互连集成后，高频信号在传输过程中会产生严重的信号畸变和信号失真。


技术实现要素：

3.本技术实施例通过提供一种高频器件集成模块，解决了现有技术中对高频器件进行互连集成后，高频信号在传输过程中会产生严重的信号畸变和信号失真的技术问题，实现了降低高频信号在传输过程中发生信号畸变和信号失真的程度的技术效果。
4.第一方面，本技术提供了一种高频器件集成模块，模块包括：
5.衬底晶圆；
6.两个待集成高频器件，设置在衬底晶圆上，两个待集成高频器件之间通过微同轴传输结构连接；
7.封盖晶圆，设置有空腔，且设置有空腔的一侧覆盖在衬底晶圆上以形成气密空间，使两个待集成高频器件置于气密空间内；
8.其中，衬底晶圆和/或封盖晶圆设置有第一导电通孔，待集成高频器件通过第一导电通孔与外部附属器件连接，外部附属器件处于气密空间之外。
9.进一步地，微同轴传输结构包括筒状的外导体和设置在外导体内部的内导体，外导体与内导体之间绝缘。
10.进一步地，模块还包括：
11.连接导体，设置在内导体和待集成高频器件之间，用于连接内导体和待集成高频器件。
12.进一步地，模块还包括：
13.植球，设置在内导体与连接导体之间，用于焊接内导体和连接导体。
14.进一步地，第一导电通孔包括套筒导体和柱状导体，柱状导体设置在套筒导体的中轴线上，套筒导体与柱状导体之间绝缘。
15.进一步地，模块还包括：
16.加高部件，设置在封盖晶圆与衬底晶圆之间，用于增大气密空间。
17.进一步地，加高部件包括第二导电通孔，第二导电通孔与封盖晶圆和/或衬底晶圆的第一导电通孔连接。
18.进一步地，微同轴传输结构的形状为预设形状。
19.进一步地，模块包括：
20.吸气薄膜，设置在封盖晶圆的空腔内。
21.第二方面，本技术提供了一种高频器件集成模组，包括两个集成模块，两个集成模块之间通过第一导电通道连接，集成模块通过第一导电通道与外部附属器件连接。
22.本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
23.本技术在晶圆级上实现高频器件的集成，具体是将待集成高频器件设置在衬底晶圆上，将带有空腔的封盖晶圆覆盖在衬底晶圆上，使得待集成高频器件置于空腔形成的气密空间内。在气密性较好的气密空间内传输高频信号，能够显著降低射频/毫米波等高频电磁波传输的插入损耗，又能较好地解决高频数字(脉冲)信号传输中的信号畸变和信号失真等问题。其中，处于气密空间内的待集成高频器件之间通过微同轴传输结构互连，进而可以避免发生高频信号的插入损耗过高、隔离度低的问题。在衬底晶圆和/或封盖晶圆上设置有第一导电通孔，导电通孔可以使气密空间内的待集成器件模块与气密空间外的外部附属器件进行电连接，可以加强高频器件的集成度。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本技术提供的一种高频器件集成模块的结构示意图；
26.图2为本技术提供的微同轴传输结构的截面示意图；
27.图3为本技术提供的微同轴传输结构的立体结构示意图；
28.图4为本技术提供的另一种微同轴传输结构的立体结构示意图；
29.图5为本技术提供的包含植球的一种高频器件集成模块的结构示意图；
30.图6为本技术提供的包含加高部件的一种高频器件集成模块的结构示意图；
31.图7为本技术提供的另一种高频器件集成模块的结构示意图；
32.图8和图9为本技术提供的一种第一导电通孔的横截面结构示意图；
33.图10为本技术提供的另一种高频器件集成模块的结构示意图；
34.图11为本技术提供的一种高频器件集成模组的结构示意图。
35.附图标记：
[0036]1‑
衬底晶圆，2
‑
加高部件，3
‑
封盖晶圆，4
‑
气密空间，5
‑
顶层导体，6
‑
底层导体，7
‑
内导体，8
‑
介质条，9,10
‑
第三导体，11,12
‑
第二导体，13,14
‑
第一导体，15,16
‑
第一导电通孔，17
‑
第二导电通孔，18
‑
封盖晶圆，19
‑
衬底晶圆，20,21，22,23
‑
第一导电通孔，24
‑
外部附属器件，25,26,27
‑
侧壁导体，28
‑
外部附属器件。
具体实施方式
[0037]
本技术实施例通过提供一种高频器件集成模块，解决了现有技术中对高频器件进行互连集成后，高频信号在传输过程中会产生严重的信号畸变和信号失真的技术问题。
[0038]
本技术实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
[0039]
一种高频器件集成模块，模块包括：衬底晶圆；两个待集成高频器件，设置在衬底晶圆上，两个待集成高频器件之间通过微同轴传输结构连接；封盖晶圆，设置有空腔，且设置有空腔的一侧覆盖在衬底晶圆上以形成气密空间，使两个待集成高频器件置于气密空间内；其中，衬底晶圆和/或封盖晶圆设置有第一导电通孔，待集成高频器件通过第一导电通孔与外部附属器件连接，外部附属器件处于气密空间之外。
[0040]
本实施例则是在晶圆级上实现高频器件的集成，具体是将待集成高频器件设置在衬底晶圆1上，将带有空腔的封盖晶圆3覆盖在衬底晶圆1上，使得待集成高频器件置于空腔形成的气密空间4内。在气密性较好的气密空间内传输高频信号，能够显著降低射频/毫米波等高频电磁波传输的插入损耗，又能较好地解决高频数字(脉冲)信号传输中的信号畸变和信号失真等问题。
[0041]
其中，处于气密空间4内的待集成高频器件之间通过微同轴传输结构互连，进而可以避免发生高频信号的插入损耗过高、隔离度低的问题。在衬底晶圆1和/或封盖晶圆3上设置有第一导电通孔，导电通孔可以使气密空间4内的待集成器件模块与气密空间4外的外部附属器件进行电连接，可以加强高频器件的集成度。
[0042]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0043]
首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0044]
相关技术中，采用引线键合的方式在平面上进行微同轴传输结构与高频器件的互连集成，或者，采用分立的引线键合和表面贴装的方式对微同轴结构和高频器件进行三维集成，然而，使用上述相关技术进行高频器件模块互连集成时，高频/超高频信号的插入损耗/传输损耗比较严重，高频信号的隔离度也比较低；对高频数字(脉冲)信号的传输，会产生严重的信号畸变和信号失真。这些难题都亟待解决。
[0045]
为了解决上述技术问题，本实施例提供了如图1所示的一种高频器件集成模块，模块包括衬底晶圆1、两个待集成高频器件(本实施例中所提及的两个待集成高频器件是指可以只包含两个待集成高频器件，也可以包含两个以上的待集成高频器件，待集成高频器件的具体数量可以根据实际需求进行确定)和封盖晶圆3(图1以两个待集成高频器件为例给出了高频器件集成模块的结构图，两个待集成高频器件分别是高频器件a和高频器件b)。至少两个待集成高频器件设置在衬底晶圆1上，在衬底晶圆1上的两个待集成高频器件之间可以通过微同轴传输结构连接，除了通过微同轴传输结构实现连接以外，还可以包含其他连接结构实现连接。封盖晶圆3设置有空腔，且设置有空腔的一侧覆盖在衬底晶圆1上以形成气密空间4，使至少两个待集成高频器件置于气密空间4内。
[0046]
在封盖晶圆3上制作空腔结构，该空腔结构为高频器件提供容纳空间，形成气密空间4。封盖晶圆3与衬底晶圆1两部分进行键合，为高频器件模块完成了立体的气密集成。为了进一步加强气密空间4的气密性，可以在封盖晶圆3的空腔内设置吸气薄膜。
[0047]
首先，对微同轴传输结构进行说明。如图2和图3所示，图2是微同轴结构的截面示意图，图3是微同轴结构的立体结构示意图。微同轴传输结构是一种基于mems(micro
‑
electro
‑
mechanical system，微电子机械系统)表面微机械加工工艺或liga(lithographie
‑
光刻，galvanoformung
‑
电铸，abformung
‑
注塑)加工工艺的三维电磁波传输结构。微同轴传输结构包括筒状的外导体和设置在外导体内部的内导体7，外导体与内导体7之间绝缘。其中，内导体7是实心的。外导体的横截面可以是方形的，也可以是圆形的，也可以是不规则的形状，可以根据实际情况进行设定。内导体7可以是圆柱，也可以是方柱，也可以是不规则的柱状结构，可以根据实际情况进行设定。
[0048]
实际上，微同轴传输结构中的内导体7是悬空的，即外导体和内导体7不接触，且内导体7的大部分表面积都直接与空气接触。为了使内导体7不与外导体接触，且大部分表面积直接与空气接触，在外导体的内部架设有介质条8，介质条8的轴向与外导体的轴向垂直。一个外导体内部可以设置多个介质条8，内导体7则直接放置在介质条8上，内导体7的轴向与外导体的轴向重合或平行。外导体和内导体7均采用金属制成，例如铜，介质条8采用绝缘材料制成。
[0049]
如图2和图3所示，外导体可以是通过多层导体堆叠形成的，外导体包括底层导体6、侧壁导体25,26,27和顶层导体5，底层导体6和顶层导体5分别是一块板型导体，侧壁导体25,26,27包括三层导体(两侧的侧壁一共是6块导体构成的)，通过底层导体6、侧壁导体25,26,27和顶层导体5的搭建，构成横截面为方形的筒状结构。介质条8桥在两侧的侧壁导体25,26,27之间，用于承载内导体7。
[0050]
如图4所示，也是一种微同轴传输结构，相比于图2和图3所示的微同轴结构，图4所示的微同轴传输结构更加复杂。由此可见，本实施例提供的微同轴传输结构的形状可以是任意的预设形状，预设形状可以根据实际情况进行设定。图4中的release holes是指释放孔。
[0051]
微同轴传输结构的内部场为tem波(transverse electromagnetic wave，横向电磁波)。tem波理论上在任意频段都没有色散，可保证无失真的宽带信号传输。微同轴传输结构中的介质部分主要由空气构成，这使其容性损耗达到最小化，所以微同轴传输结构具有接近最优的理想低损耗特性。微同轴传输结构可以看作是封闭的同轴波导，其对内外电磁场的隔离度都很高。由此可见，矩形微同轴传输结构能够解决高频器件互连集成时，插入损耗和传输损耗大，以及高频信号隔离度低，信号相互干扰并失真严重的问题。
[0052]
由于微同轴传输结构中外导体的屏蔽作用，使微同轴传输结构的传输特性与微同轴传输结构外部相关的衬底材料特性相对独立。因此，可以将基于微同轴传输结构制作的rf mems(radio frequency micro
‑
electro
‑
mechanical system，射频集成系统，例如rf天线及阵列)，与高频器件进行集成，也可以将微同轴传输结构作为互连结构，在高频器件之间进行互连，以便于进一步的集成。
[0053]
微同轴传输结构可以是在制作完成后剥离其制作基底，重新焊接或放置在晶圆衬底1上，也可以直接在晶圆衬底1进行制作。微同轴传输结构还可以是高频传输线，工分器，多工器，耦合器，天线及天线阵列等器件模块和器件模块的阵列。
[0054]
其次，对处于气密空间4内的连接导体进行说明。连接导体，设置在内导体7和待集成高频器件之间，用于连接内导体7和待集成高频器件。连接导体的数量与待集成高频器件的数量匹配。
[0055]
连接导体可以是由一个导体构成，也可以由多个导体构成。如图1所示，连接导体
可以包括第二导体11,12和第三导体9,10，第二导体11,12为平块导体，第三导体9,10为立柱导体，内导体7两端则分别放置在第三导体9和第三导体10的顶端，第三导体9的底端与第二导体11的右端连接，第二导体11的左端与高频器件a连接；第三导体10的底端与第二导体12的左端连接，第二导体11的右端与高频器件b连接。第二导体11,12和第三导体9,10，可以使用一种相同材质的金属制作而成，例如，可以采用铜进行制作。
[0056]
如图1所示，衬底晶圆1上设置有第一导电通孔15,16，在第一导电通孔15上设置有第一导体13，在第一导电通孔16上设置有第一导体14。第一导体13,14是平块导体。第一导电通道15,16与气密空间4接触的一端设置的第一导体13,14有两个作用，作用之一是保证气密空间4的气密性，即覆盖在第一导电通孔15,16靠近气密空间4的一端。作用之二是使第一导电通道15,16与待集成高频器件能够实现电连接。
[0057]
如图5所示，在待集成高频器件与第一导体13,14之间，以及在待集成高频器件与连接导体之间还设置有植球，用于焊接内导体7和连接导体。
[0058]
然后，对封盖晶圆3与衬底晶圆1之间的加高部件2进行说明。加高部件2设置在封盖晶圆3与衬底晶圆1之间，用于增大气密空间4。当气密空间4内需要容纳的部件体积较大时，而气密空间4无法满足待容纳部件所需要占用的空间，此时，可以在封盖晶圆3与衬底晶圆1之间增加加高部件2，以扩大气密空间4。如图6所示，在衬底晶圆1的边缘上增加加高部件2，扩大加密空间。衬底晶圆1、加高部件2和封盖晶圆3三部分键合在一起。衬底晶圆1、加高部件2和封盖晶圆3可以是半导体、绝缘体或者导体，可以根据电气绝缘和电气散热，视具体情况而定。例如，可以选择常用的玻璃，硅/锗/碳化硅，iii
‑
v族化合物半导体(砷化镓，氮化镓等)，和金属等。
[0059]
最后，对衬底晶圆1和/或封盖晶圆3上的第一导电通孔进行说明。衬底晶圆1和/或封盖晶圆3设置有第一导电通孔，至少两个待集成高频器件通过第一导电通孔与外部附属器件连接，外部附属器件处于气密空间4之外。
[0060]
衬底晶圆1可以设置一个或多个第一导电通道，如图7中的第一导电通道20,21，封盖晶圆3也可以设置一个或多个第一导电通道，如图7中的第一导电通道22,23。第一导电通孔包括套筒导体和柱状导体，柱状导体设置在套筒导体的中轴线上，套筒导体与柱状导体之间绝缘，柱状导体用于传输高频信号，套筒导体用于屏蔽和接地。更具体地，如图8所示，为第一导电通孔的横截面结构示意图，第一导电通孔中的柱状导体e与套筒导体g之间设置有隔离介质f，隔离介质f是绝缘体，可以是空气或真空，也可以采用部分镂空的方式。如图9所示，为另一种第一导电通孔的横截面结构示意图，区域f2就是实体的绝缘体，区域f1就是空气或真空。在套筒导体g的外部还设置有外围衬底介质h，外围衬底介质h起机械支撑作用。
[0061]
隔离介质f不仅在图9所示的横截面上可以是镂空的，还可以在沿套筒导体g的轴向上实现镂空设置(此部分内容没有提供结构示意图)。
[0062]
在图1中，仅在衬底晶圆1上设置了两个第一导电通道，即第一导电通道15,16，封盖晶圆3上未设置第一导电通道。高频器件a可以通过第一导电通孔15与外部附属器件连接，高频器件b可以通过第一导电通孔16与外部附属器件连接。
[0063]
如图7所示，在衬底晶圆1和封盖晶圆3上都设置了两个第一导电通道，衬底晶圆1上包括第一导电通道20,21，封盖晶圆3上包括第一导电通道22,23。图7中示出的两个待集
成高频器件包括高频器件c和高频器件d，高频器件c可以通过左侧的第一导电通道22与外部附属器件24连接，高频器件d可以通过右侧的第一导电通道20与外部附属器件连接。衬底晶圆1和封盖晶圆3还设置有相互贯通的第一导电通道21和23，相互贯通的第一导电通道21和23可以将处于衬底晶圆1底部的外部附属器件与处于封盖晶圆3顶部的外部附属器件进行连接，还可以实现高频器件d与处于封盖晶圆3顶部的外部附属器件28进行连接，传输线路依次为高频器件d、第一导电通道20、连接件(图7中未示出)、第一导电通道21和第一导电通道23。
[0064]
衬底晶圆1上的第一导电通孔的制作要考虑其高频传输性能，优选导电良好的导体填充或部分填充在导电通孔内，同时，要求制作的导电通孔侧壁的导体与衬底晶圆1的材料之间具有极好的绝缘性能，这样的导电通孔结构具备优良的高频传输特性。
[0065]
如图10所示，当衬底晶圆1与封盖晶圆3之间设置有加高部件2，且衬底晶圆1与封盖晶圆3上有相互贯通的第一导电通道21,23时，加高部件2包括第二导电通孔17，第二导电通孔17与封盖晶圆3和/或衬底晶圆1的第一导电通孔21,23连接。第二导电通孔的结构与第一导电通孔的结构相同，此处不再赘述。
[0066]
本实施例中所指得高频器件是高频器件，特别是有源元件。高频器件几乎都是iii
‑
v族半导体制成的，而衬底晶圆1一般为硅材料或玻璃材料，因此，本实施例所制造得到的高频器件集成模块是一种晶圆级、异质异构的集成。
[0067]
综上所述，本实施例则是在晶圆级上实现高频器件的集成，具体是将待集成高频器件设置在衬底晶圆1上，将带有空腔的封盖晶圆3覆盖在衬底晶圆1上，使得待集成高频器件置于空腔形成的气密空间4内。在气密性较好的气密空间内传输高频信号，能够显著降低射频/毫米波等高频电磁波传输的插入损耗，又能较好地解决高频数字(脉冲)信号传输中的信号畸变和信号失真等问题。
[0068]
其中，处于气密空间4内的待集成高频器件之间通过微同轴传输结构互连，进而可以避免发生高频信号的插入损耗过高、隔离度低的问题。在衬底晶圆1和/或封盖晶圆3上设置有第一导电通孔，导电通孔可以使气密空间4内的待集成器件模块与气密空间4外的外部附属器件进行电连接，可以加强高频器件的集成度。
[0069]
把微同轴传输结构做在衬底晶圆1上，或者贴装在衬底晶圆1上，进行平面方向的高频器件模块间的互连，另外通过在垂直方向构建导电性能极佳且与周围进行了良好电隔离的导电通孔技术，进行垂直方向的互连堆叠，从而实现高频器件模块的互联集成。
[0070]
本实施例中的待集成高频器件可以是高频mems(微机电系统)模块、高频asic(专用集成电路)模块、高频dsp(数字信号处理器)高速运算的多核模块、射频前端系统中的高频器件模块(例如lna低噪声放大器和射频滤波器/双工器/多工器等)、射频/毫米波，太赫兹超高频电磁波器件模块等。当然，在实际应用时，待集成高频器件也可以是其他非高频器件。
[0071]
总之，通过竖直方向的导电通孔的晶圆级键合互连，和水平方向的微同轴在高频器件模块(包括多核高速数字处理器)之间的晶圆级集成互连，实现高频器件的三维晶圆级异质异构气密集成，既能解决高速数字信号在的信号畸变和误码失真的困扰，又可以满足射频/微波/毫米波等高频电磁波低插损，高隔离度传输的需求。
[0072]
本实施例根据上述提供的高频器件集成模块可以构建如图11所示的一种高频器
件集成模组。需要注意的是，图11只是将两个集成模块进行集成，构建得到集成模组，还可以采用多个不同或相同的集成模块构成不同形式的模组，构建的模组的具体形式可以根据实际情况进行设定。
[0073]
一种高频器件集成模组包括两个集成模块(本实施例中所提及的两个集成模块是指可以只包含两个集成模块，也可以包含两个以上的集成模块，集成模块的具体数量可以根据实际需求进行确定)，两个集成模块之间通过第一导电通道连接，集成模块通过第一导电通道与外部附属器件连接。
[0074]
如图11所示，一种高频器件集成模组包括两个集成模块(两个集成模块是指以衬底晶圆1与封盖晶圆18之间的界面的上下两个集成模块，记为上集成模块和下集成模块)，两个集成模块之间通过各自的第一导电通道连接，两个集成模块中的任意的集成模块通过第一导电通道与外部附属器件连接。
[0075]
现对图11所示的模组结构进行如下说明：
[0076]
上集成模块包括封盖晶圆3、加高部件2、衬底晶圆1、高频器件a、高频器件b以及高频器件a和高频器件b之间的微同轴传输结构，还包括衬底晶圆1上的第一导电通道15,16。下集成模块包括封盖晶圆18、衬底晶圆19、高频器件c、高频器件d以及高频器件c和高频器件d之间的微同轴传输结构，还包括衬底晶圆19上的第一导电通道20,21，封盖晶圆18上的第一导电通道22,23。
[0077]
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本技术实施例中信息处理的方法所采用的电子设备，故而基于本技术实施例中所介绍的信息处理的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本技术实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本技术实施例中信息处理的方法所采用的电子设备，都属于本技术所欲保护的范围。
[0078]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0079]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。