芯片间无线互连的天线系统及其制造方法

1.本公开涉及半导体器件技术领域，具体地，涉及一种芯片间无线互连的天线系统及其制造方法。


背景技术：

2.随着半导体器件特征尺寸的进一步等比例缩小，传统的半导体器件将达到尺寸的极限。三维集成已经成为集成电路重要发展方向之一。目前，在芯片集成和封装中，通常采用传统的金属有线互连方式。但随着片上晶体管数量的增加、整体芯片尺寸的增加及芯片的通信距离增加，采用金属有线互连方式将导致芯片功耗、串扰以及平面内和平面外导体布线相关的复杂程度明显增加。并且，金属有线互连由于寄生电感和电容的存在限制了芯片间的高速通信。


技术实现要素：

3.本公开的目的是提供一种芯片间无线互连的天线系统及其制造方法，该芯片间无线互连的天线系统及其制造方法采用设置在pcb板内的天线实现芯片间的无线互连，替代金属有线互连，以解决采用金属有线互连造成的导致芯片功耗、串扰以及平面内和平面外导体布线相关的复杂程度明显增加及限制芯片间高速通信的问题。
4.为了实现上述目的，本公开提供一种芯片间无线互连的天线系统，应用于芯片间无线互连，所述天线包括：pcb板和天线，所述pcb板从顶到底依次包括第一屏蔽层、第一介质层、第二屏蔽层、第二介质层和第三屏蔽层，其中，所述第二屏蔽层的尺寸小于所述第一介质层和第二介质层的尺寸；
5.所述天线贯穿所述第一介质层和第二介质层，且不与所述第二屏蔽层接触，所述天线是通过在所述第一介质层和第二介质层内的第一通孔里填充导电物质形成的。
6.可选地，所述天线系统还包括：贯穿所述第一介质层和第二介质层的屏蔽墙，所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层和第二介质层的沟槽里填充电磁屏蔽物质形成的，或所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层和第二介质层的多个第二通孔里填充电磁屏蔽物质形成的。
7.可选地，所述屏蔽墙包括第一屏蔽墙和第二屏蔽墙，所述第一屏蔽墙和第二屏蔽墙在所述第一介质层的顶面和所述第二介质层的底面的投影均呈八字形，且所述天线在所述第一介质层的顶面和所述第二介质层的底面的投影在所述八字形内。
8.可选地，所述天线系统还包括：分别位于所述天线顶部和底部的第一导电圆盘和第二导电圆盘；
9.所述第一导电圆盘位于所述第一介质层的顶面，且与所述第一屏蔽层同层但不相接；
10.所述第二导电圆盘位于所述第二介质层的底面，且与所述第三屏蔽层同层但不相接。
11.可选地，所述第一导电圆盘的直径大于所述天线的顶部直径，所述第二导电圆盘的直径大于所述天线的底部直径。
12.可选地，所述天线系统还包括：与所述第一导电圆盘连接的传输线，所述传输线位于所述第一介质层顶面，与所述第一屏蔽层同层但不相接，且所述第二屏蔽层位于所述传输线的正下方。
13.可选地，所述天线和第一通孔为锥形，所述天线的顶部直径小于底部直径。
14.本公开还提供一种芯片间无线互连的天线系统的制造方法，所述方法包括：
15.提供一pcb板，所述pcb板从顶到底依次包括第一屏蔽层、第一介质层、第二屏蔽层、第二介质层和第三屏蔽层，其中，所述第二屏蔽层的尺寸小于所述第一介质层和第二介质层的尺寸；
16.在所述第一介质层和第二介质层内形成第一通孔，并在所述第一通孔里填充导电物质以形成天线，其中所述第一通孔不与所述第二屏蔽层接触。
17.可选地，所述方法还包括：在所述第一介质层和第二介质层内形成屏蔽墙；
18.其中，所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层和第二介质层的沟槽里填充电磁屏蔽物质形成的，或所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层和第二介质层的多个第二通孔里填充电磁屏蔽物质形成的。
19.可选地，在所述第一介质层和第二介质层内形成屏蔽墙包括：
20.在所述第一介质层和第二介质层内形成第一屏蔽墙和第二屏蔽墙，所述第一屏蔽墙和第二屏蔽墙在所述第一介质层的顶面和所述第二介质层的底面的投影均呈八字形，且所述天线在所述第一介质层的顶面和所述第二介质层的底面的投影在所述八字形内。
21.通过上述技术方案，该芯片间无线互连的天线系统利用在第一介质层和第二介质层的第一通孔内填充导电物质作为发射天线和/或接收天线，电磁波在第一介质层和第二介质层中传播，实现了芯片与芯片之间无线互连。因此，本公开提供的技术方案，采用设置在第一介质层和第二介质层内的天线实现芯片间的无线互连，替代金属有线互连，以解决采用金属有线互连造成的导致芯片功耗、串扰以及平面内和平面外导体布线相关的复杂程度明显增加及限制芯片间高速通信的问题。并且，通过设置第一屏蔽层、第二屏蔽层和第三屏蔽层，可以屏蔽外界信号对天线信号的干扰，及提高天线的信号方向性。
22.本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
23.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
24.图1是根据本公开一种实施方式提供的芯片间无线互连的天线系统的结构示意图。
25.图2是图1中芯片间无线互连的天线系统与芯片的连接示意图。
26.图3是图1中pcb板的爆炸示意图。
27.图4是根据本公开一种实施方式提供的芯片间无线互连的天线系统的制造方法的流程图。
28.图5是根据本公开一种实施方式提供的天线制造方法制造第一屏蔽层、第一导电
圆盘和传输线的示意图。
29.图6是根据本公开一种实施方式提供的天线制造方法制造第三屏蔽层和第二导电圆盘的示意图。
具体实施方式
30.以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
31.需要说明的是，本公开中所有获取信号、信息或数据的动作都是在遵照所在地国家相应的数据保护法规政策的前提下，并获得由相应装置所有者给予授权的情况下进行的。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本公开的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“顶面”、“底面”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.本公开提供一种芯片间无线互连的天线系统，应用于芯片间无线互连。图1为根据本公开一种实施方式提供的芯片间无线互连的天线系统的结构图(为了看得更清楚，图1中所有部件由实线表示)。图2为图1中天线系统与芯片12的连接示意图。请结合参阅图1和图2，所述天线系统包括：pcb板和天线6。如图3所示，所述pcb板从顶到底依次包括第一屏蔽层1、第一介质层2、第二屏蔽层3、第二介质层4和第三屏蔽层5。其中，所述第二屏蔽层3的尺寸小于所述第一介质层2和第二介质层4的尺寸。所述天线6贯穿所述第一介质层2和第二介质层4，且不与所述第二屏蔽层3接触，所述天线6是通过在所述第一介质层2和第二介质层4内的第一通孔里填充导电物质形成的。
34.其中，第一屏蔽层1、第一介质层2、第二屏蔽层3、第二介质层4和第三屏蔽层5紧密压合，形成pcb板。所述第一介质层2和第二介质层4采用常用的pcb板衬底材料制成，如所述第一介质层2和第二介质层4采用rogers ro4003制成。所述导电物质可以是铜、铝、锡、金、铂金、银等。在本公开的一种实施方式中，所述导电物质为铜。所述第一屏蔽层1、第二屏蔽层3和第三屏蔽层5可以是由铜、铝、锡、金、铂金、银等金属材料中的至少一种材料制成。所述第一屏蔽层1、第一介质层2、第二屏蔽层3、第二介质层4和第三屏蔽层5的厚度根据需求进行设计，例如所述第一介质层2的厚度为161μm，第二介质层4的厚度的为644μm，第一屏蔽层1、第二屏蔽层3和第三屏蔽层5的厚度均为25μm。
35.通过上述技术方案，该芯片间无线互连的天线系统利用在第一介质层2和第二介质层4的第一通孔内填充导电物质作为发射天线和/或接收天线，电磁波在第一介质层2和第二介质层4中传播，实现了芯片与芯片之间无线互连。因此，本公开提供的技术方案，采用设置在第一介质层2和第二介质层4内的天线6实现芯片间的无线互连，替代金属有线互连，以解决采用金属有线互连造成的导致芯片功耗、串扰以及平面内和平面外导体布线相关的复杂程度明显增加及限制芯片间高速通信的问题。并且，通过设置第一屏蔽层1、第二屏蔽
层3和第三屏蔽层5，可以屏蔽外界信号对天线6信号的干扰，及提高天线6的信号方向性。
36.可选地，所述天线系统还包括：贯穿所述第一介质层2和第二介质层4的屏蔽墙，所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层2和第二介质层4的沟槽里填充电磁屏蔽物质形成的，或所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层2和第二介质层4的多个第二通孔里填充电磁屏蔽物质形成的。
37.所述沟槽可以是立方体形，则其形成的屏蔽墙也是立方体形。相同条件下，该立方体形的屏蔽墙的长度越长，天线6发射信号的方向性越好，屏蔽效果越好。例如，该立方体形的屏蔽墙的长度可以在200μm至5mm之间。在本公开的一种实施方式中，该立方体形的屏蔽墙的长度为2.5mm。相同条件下，该立方体形的屏蔽墙的宽度越厚，屏蔽效果越好。例如，该立方体形的屏蔽墙的宽度可以在50μm至2mm之间。在本公开的一种实施方式中，该立方体形的屏蔽墙的宽度为200μm。所述屏蔽墙的深度(高度)可以根据锥形天线6和第二屏蔽层3的深度(高度)设计，例如与天线6与第二屏蔽层3的深度和(高度和)相同。例如，所述屏蔽墙的深度(高度)可以在100μm至2mm之间。在本公开的一种实施方式中，所述屏蔽墙的深度(高度)为830μm左右。
38.类似地，根据电磁屏蔽原理，屏蔽墙也可以是多个填充有电磁屏蔽物质的第二通孔组成的。所述第二通孔可以是圆柱形的。在本公开的一种实施方式中，所述第二通孔的直径可以是500μm，深度(高度)可以与天线6与第二屏蔽层3的深度和(高度和)相同，为830μm左右。
39.通过上述技术方案，在第一介质层2和第二介质层4内设置屏蔽墙，可以进一步屏蔽外界信号对天线6信号的干扰，及提高天线6的信号方向性。
40.可选地，所述屏蔽墙包括第一屏蔽墙7和第二屏蔽墙8，所述第一屏蔽墙7和第二屏蔽墙8在所述第一介质层2的顶面和所述第二介质层4的底面的投影均呈八字形，且所述天线6在所述第一介质层2的顶面和所述第二介质层4的底面的投影在所述八字形内。
41.通过上述技术方案，设置第一屏蔽墙7和第二屏蔽墙8，使得被第一屏蔽墙7和第二屏蔽墙8“包围”的天线6传输方向性更好，同时也屏蔽外界信号对天线6信号的干扰。
42.可选地，所述天线系统还包括：分别位于所述天线6顶部和底部的第一导电圆盘9和第二导电圆盘10。所述第一导电圆盘9位于所述第一介质层2的顶面，且与所述第一屏蔽层1同层但不相接。所述第二导电圆盘10位于所述第二介质层4的底面，且与所述第三屏蔽层5同层但不相接。
43.其中，所述第一导电圆盘9和第二导电圆盘10可以是由铜、铝、锡、金、铂金、银等金属材料中的至少一种材料。所述第一导电圆盘9和第二导电圆盘10的材料可以分别与第一屏蔽层1和第三屏蔽层5的材料相同。例如，第一导电圆盘9、第二导电圆盘10、第一屏蔽层1和第三屏蔽层5的材料都是铜。在制造时，可以通过在第一屏蔽层1的顶面涂覆光刻胶并出露出第一圆环图案(天线6的顶部)，在第三屏蔽层5的底面涂覆光刻胶并出露出第二圆环图案(天线6的底部)，并用铜刻蚀液刻蚀第一圆环图案和第二圆环图案的铜，再去除光刻胶，即可得到第一屏蔽层1、第一导电圆盘9、第三屏蔽层5和第二导电圆盘10。可选地，所述第一圆环图案和第二圆环图案的外径在200μm至2mm之间，外径与内径之间的差值在100μm至300μm之间。在本公开的一种实施方式中，所述第一圆环图案和第二圆环的外径为600μm，内径为500μm；相应地，形成的第一导电圆盘9和第二导电圆盘10的直径为500μm，第一导电圆盘9
与第一屏蔽层1的间距为100μm，第二导电圆盘10与第三屏蔽层5的间距为100μm。
44.可选地，所述第一导电圆盘9的直径大于所述天线6的顶部直径，所述第二导电圆盘10的直径大于所述天线6的底部直径。
45.通过上述技术方案，在天线6的顶部和底部设置第一导电圆盘9和第二导电圆盘10可以增大天线6电流，提高天线6发射信号强度。
46.可选地，所述天线系统还包括：与所述第一导电圆盘9连接的传输线11，所述传输线11位于所述第一介质层2顶面，与所述第一屏蔽层1同层但不相接，且所述第二屏蔽层3位于所述传输线11的正下方。
47.其中，所述传输线11可以是由铜、铝、锡、金、铂金、银等金属材料中的至少一种材料。所述传输线11的材料可以与第一屏蔽层1和第一导电圆盘9的材料相同。在制造时，可以通过在第一屏蔽层1的顶面(天线6顶部)涂覆光刻胶并出露出第一圆环图案和传输线11图案，并用铜刻蚀液刻蚀第一圆环图案和传输线11图案的铜，再去除光刻胶，即可得到第一屏蔽层1、第一导电圆盘9和传输线11。可选地，所述传输线11的宽度根据流过该传输线11的电流大小设计，例如可以在1μm至300μm之间。在本公开的一种实施方式中，所述传输线11的宽度为200μm。此时，第二屏蔽层3主要用于屏蔽传输线11对天线6信号的干扰，因此第二屏蔽层3的长度和宽度与传输线11的长度和宽度有关。第二屏蔽层3的长度和宽度可以略大于传输线11的长度和宽度，以更好的屏蔽传输线11对天线6信号的干扰。在本公开的一种实施方式中，所书第二屏蔽层3的长度为3mm,宽度为5mm。
48.通过上述技术方案，设置传输线11用以连接芯片12，可以便于芯片12布局，如图2所示。同时通过设置第二屏蔽层3，不仅可以提高天线6的信号方向性，还可以屏蔽传输线11对天线6信号的干扰。
49.可选地，所述屏蔽墙包括第三屏蔽墙和第四屏蔽墙，所述第三屏蔽墙和第四屏蔽墙在所述第一介质层2顶面的投影分别位于所述传输线11的两侧，且与所述传输线11平行。
50.通过上述技术方案，设置第三屏蔽墙和第四屏蔽墙可以进一步增加天线6信号的方向性及减小在传输线11上的信号流失。
51.可选地，所述天线6和第一通孔为锥形，所述天线6的顶部直径小于底部直径。
52.在相同条件下，锥形的天线6的顶部直径和底部直径越大，能承载的电流强度越大；内阻越小，在相同电压下电流强度也越大；发射的信号强度越强，传输距离越远。根据实验室模拟，锥形的天线6的顶部直径和底部直径的比值在2/3附近，传输效果更好。因此，锥形的天线6的顶部直径和底部直径可以根据实际需求灵活设置。例如，锥形的天线6的顶部直径可以在100μm至1mm之间，底部直径可以在200μm至1mm之间。在本公开的一种实施方式中，锥形的天线6的顶部直径为200μm，底部直径为350μm。
53.基于上述构思，本公开还提供一种芯片间无线互连的天线系统的制造方法。图4为根据本公开提供的一种芯片间无线互连的天线系统的制造方法的流程图。如图4所示，所述方法包括：
54.步骤s11,提供一pcb板，所述pcb板从顶到底依次包括第一屏蔽层、第一介质层、第二屏蔽层、第二介质层和第三屏蔽层，其中，所述第二屏蔽层的尺寸小于所述第一介质层和第二介质层的尺寸。
55.步骤s12,在所述第一介质层和第二介质层内形成第一通孔，并在所述第一通孔里
填充导电物质以形成天线。
56.其中，所述第一通孔不与所述第二屏蔽层接触。
57.可选地，所述方法还包括：
58.在所述第一介质层和第二介质层内形成屏蔽墙。
59.其中，所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层和第二介质层的沟槽里填充电磁屏蔽物质形成的，或所述屏蔽墙是通过在贯穿所述第一介质层和第二介质层的多个第二通孔里填充电磁屏蔽物质形成的。
60.可选地，在所述第一介质层和第二介质层内形成屏蔽墙包括：
61.在所述第一介质层和第二介质层内形成第一屏蔽墙和第二屏蔽墙，所述第一屏蔽墙和第二屏蔽墙在所述第一介质层的顶面和所述第二介质层的底面的投影均呈八字形，且所述天线在所述第一介质层的顶面和所述第二介质层的底面的投影在所述八字形内。
62.可选地，所述方法还包括：
63.在所述天线顶部和底部分别形成第一导电圆盘和第二导电圆盘。
64.其中，所述第一导电圆盘位于所述第一介质层的顶面，且与所述第一屏蔽层同层但不相接。所述第二导电圆盘位于所述第二介质层的底面，且与所述第三屏蔽层同层但不相接。
65.可选地，述第一导电圆盘的直径大于所述天线的顶部直径，所述第二导电圆盘的直径大于所述天线的底部直径。
66.可选地，所述方法还包括：、
67.在所述第一介质层顶面形成与所述第一导电圆盘连接的传输线。
68.其中，所述传输线与所述第一屏蔽层同层但不相接，且所述第二屏蔽层位于所述传输线的正下方。
69.可选地，在所述第一介质层和第二介质层内形成屏蔽墙还包括：
70.在所述第一介质层和第二介质层内形成第三屏蔽墙和第四屏蔽墙。
71.所述第三屏蔽墙和第四屏蔽墙在所述第一介质层顶面的投影分别位于所述传输线的两侧，且与所述传输线平行。
72.可选地，所述天线和第一通孔为锥形，所述天线的顶部直径小于底部直径。
73.需要说明的是，上述方法的各步骤的实施顺序不做限定，可以根据情况灵活设计。由于上述方法的各步骤的具体实施方式有多种，只要能形成图1所示的天线系统的结构即可，例如，可以采用如下方式：
74.提供一pcb板。请再次参阅图3，所述pcb板由第一屏蔽层1、第一介质层2、第二屏蔽层3、第二介质层4和第三屏蔽层5紧密压合形成的。所述第一介质层2和第二介质层4采用常用的pcb板衬底材料制成，如所述第一介质层2和第二介质层4采用rogers ro4003制成。所述第一屏蔽层1、第二屏蔽层3和第三屏蔽层5可以是由铜、铝、锡、金、铂金、银等金属材料中的至少一种材料制成，例如由铜制成。所述第一屏蔽层1、第一介质层2、第二屏蔽层3、第二介质层4和第三屏蔽层5的厚度根据需求进行设计，例如所述第一介质层2的厚度为161μm，第二介质层4的厚度的为644μm，第一屏蔽层1、第二屏蔽层3和第三屏蔽层5的厚度均为25μm。主要用于屏蔽传输线11对天线6信号的干扰，因此第二屏蔽层3的长度和宽度与传输线11的长度和宽度有关。第二屏蔽层3的长度和宽度可以略大于传输线11的长度和宽度，以更好
的屏蔽传输线11对天线6信号的干扰。在本公开的一种实施方式中，所书第二屏蔽层3的长度为3mm,宽度为5mm。
75.使用钻孔机器在pcb板上屏蔽墙对应的位置刻出屏蔽墙沟槽的图案，所述沟槽可以是立方体形，则其形成的屏蔽墙也是立方体形。该立方体形的屏蔽墙的长度可以在200μm至5mm之间，例如为2.5mm；宽度可以在50μm至2mm之间，例如为200μm；深度(高度)可以在100μm至2mm之间，例如为830μm左右。或者直接用激光在pcb板上屏蔽墙对应的位置刻出屏蔽墙沟槽的图案。采用与刻蚀屏蔽墙沟槽相同的方式，刻蚀出锥形的第一通孔。该锥形的第一通孔的顶部直径可以在100μm至1mm之间，例如为200μm；底部直径可以在200μm至1mm之间，例如为350μm。
76.使用化学沉铜的方法，在第一通孔、屏蔽墙、第一屏蔽层1中沉积铜金属。
77.如图5所示，在第一屏蔽层1的顶面(天线6顶部)涂覆光刻胶并出露出第一圆环图案和传输线11图案，并用铜刻蚀液刻蚀第一圆环图案和传输线11图案的铜，再去除光刻胶，即可得到第一屏蔽层1、第一导电圆盘9和传输线11。可选地，所述第一圆环图案的外径在200μm至2mm之间，外径与内径之间的差值在100μm至300μm之间。在本公开的一种实施方式中，所述第一圆环图案的外径为600μm，内径为500μm；相应地，形成的第一导电圆盘9的直径为500μm，第一导电圆盘9与第一屏蔽层1的间距为100μm。可选地，所述传输线11的宽度根据流过该传输线11的电流大小设计，例如可以在1μm至300μm之间。在本公开的一种实施方式中，所述传输线11的宽度为200μm。
78.如图6所示，在第三屏蔽层5的底面涂覆光刻胶并出露出第二圆环图案(天线6的底部)，并用铜刻蚀液刻蚀第二圆环图案的铜，再去除光刻胶，即可得到第三屏蔽层5和第二导电圆盘10。所述第二圆环图案的外径在200μm至2mm之间，外径与内径之间的差值在100μm至300μm之间。在本公开的一种实施方式中，所述第二圆环的外径为600μm，内径为500μm；相应地，形成的第二导电圆盘10的直径为500μm，第二导电圆盘10与第三屏蔽层5的间距为100μm。
79.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
80.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
81.此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。