專利名稱：具有由封裝引線形成的天線的集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于整體封裝半導(dǎo)體IC (集成電路)芯片的裝 置和方法，所述半導(dǎo)體IC芯片具有使用芯片封裝引線形成的天線結(jié)構(gòu)，從而提供用于毫米波應(yīng)用的高度集成無線電/無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在無線系統(tǒng)和設(shè)備中的技術(shù)創(chuàng)新促使了用于無線PAN (個(gè)域 網(wǎng))、無線LAN (局域網(wǎng))、無線WAN (廣域網(wǎng))、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和其 它類型無線通信系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣泛發(fā)展。為了能夠在無線網(wǎng) 絡(luò)中的設(shè)備之間無線通信，所述設(shè)備必須配備有可以向/從網(wǎng)絡(luò)中的其 它設(shè)備有效發(fā)射/接收信號的接收器、發(fā)射機(jī)或收發(fā)器以及天線。通常，使用單獨(dú)包裝和/或以低集成度設(shè)置在印刷電路板上的分 立元件構(gòu)成傳統(tǒng)無線電通信系統(tǒng)。例如，圖l示意性示出傳統(tǒng)無線電 通信系統(tǒng)(10)。系統(tǒng)(10)包括有引線芯片封裝(11)，其具有 集成電路芯片(12)和突出封裝引線(13)。封裝引線(13)連接至 例如在PCB (印刷電路板)或印刷接線板上形成的互連結(jié)構(gòu)(14)。 互連結(jié)構(gòu)(14)提供與發(fā)射機(jī)或接收器天線(15)(例如，形成在板 級上的印刷天線結(jié)構(gòu))的電連接。通常，使用昂貴和大量波導(dǎo)和/或封 裝級或板級微帶結(jié)構(gòu)建立電互連(14)。然而，對于具有集成發(fā)射機(jī)/接收器/收發(fā)器和天線系統(tǒng)的更緊湊 無線電系統(tǒng)的市場需求正逐漸增加，這種系統(tǒng)提供了高性能、高數(shù)據(jù) 傳輸率、高容量、低功耗、低成本和輕量級的解決方案。當(dāng)然，當(dāng)前 的通信系統(tǒng)需要用以提供例如寬帶寬、高增益和高效率運(yùn)行特征的高 性能天線系統(tǒng)。隨著運(yùn)行頻率的增加，傳統(tǒng)波導(dǎo)前端的制造和組裝變 得更加困難。在這點(diǎn)上，與更高運(yùn)行頻率需求相關(guān)的在半導(dǎo)體制造和封裝技術(shù)上的創(chuàng)新使得將天線與RF集成電路的集成以提供高度集成 的無線電通信系統(tǒng)變得實(shí)際可行。發(fā)明內(nèi)容概括地，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括用于將半導(dǎo)體IC (集成電 路)芯片與天線整體封裝的裝置和方法，其中所述天線是通過將芯片 封裝引線用作輻射元件而形成的，從而提供了用于毫米波應(yīng)用的高度 集成無線電/無線通信系統(tǒng)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中， 一種電子裝置，包括IC(集成電路) 芯片；和天線系統(tǒng)，其中所述IC芯片和天線系統(tǒng)一起整體封裝在有 引線的芯片級封裝中。所述天線系統(tǒng)包括天線，所述天線具有由封裝 引線形成的輻射元件。例如，所述輻射元件是直線引線、具有至少一 個(gè)彎曲部分的引線、或倒置翼形引線。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，所 述天線包括由配置在所述輻射元件附近的封裝引線形成的調(diào)諧元件。 在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述裝置還包括集成天線饋電網(wǎng)絡(luò)，所述 集成天線饋電網(wǎng)絡(luò)包括在所述IC芯片的有源表面上形成的芯片上 饋電結(jié)構(gòu)；以及將所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)與所述輻射元件的一端連接的 引線接合件。所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)包括CPW(共面波導(dǎo))，所述CPW 包括與所述天線的所述輻射元件引線接合連接的中心導(dǎo)體，以及配置 在所述中心導(dǎo)體的相對邊上并與其分開的第一和第二接地元件。所述 天線還包括由配置在所述輻射元件附近的引線形成的調(diào)諧元件，其中 所述調(diào)諧元件與所述CPW的所述第一和第二接地元件中的一個(gè)引線 接合。在另 一個(gè)示例性實(shí)施例中，所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)包括平衡差分饋 電線，其包括第一和第二共面饋電線，其中將所迷天線的輻射元件與 所述第一饋電線引線接合。所述天線還包括與所述第二饋電線引線接 合的第二輻射元件，其中所述第一和第二輻射元件形成例如雙引極的 平衡天線結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述天線可以包括由配置在所述 輻射元件附近的引線形成的調(diào)諧元件，其中所述調(diào)諧元件與所述第二饋電線引線接合。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供一種無線通信裝置，包括印刷 電路板；和安裝于所述印刷電路板的芯片封裝。所述芯片封裝包括一 起整體封裝在有引線的芯片級封裝中的IC (集成電路)芯片和天線系 統(tǒng)，其中所述天線系統(tǒng)包括天線，所述天線具有由封裝引線形成的輻 射元件。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述印刷電路板包括金屬接地結(jié)構(gòu)，該 金屬接地結(jié)構(gòu)用作天線接地元件、輻射反射器、或兩者。在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，所述輻射元件可以是直線引線，其基 本上平行于金屬接地元件并與該金屬接地元件分開地延伸，或者所述 輻射元件可以是具有與所述金屬接地元件連接的彎曲部分的封閉引 線，或者所述輻射元件可以是配置在所述金屬接地元件上的開放的倒 置翼形引線。在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例中，所述天線可以包括配 置在一個(gè)或多個(gè)輻射元件附近的一個(gè)或多個(gè)封閉和/或開放的調(diào)諧元件。本發(fā)明的這些和其它示例性實(shí)施例、方面、目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將 被描述或根據(jù)示例性實(shí)施例的以下詳細(xì)描述將變得清楚，結(jié)合附圖來 說明本發(fā)明示例性實(shí)施例。


圖1示意性示出傳統(tǒng)無線電通信系統(tǒng)。圖2是根據(jù)本發(fā)明示意性實(shí)施例的用于整體封裝IC芯片和天線 的裝置的高度示意性示圖，其中所述天線是由一個(gè)或多個(gè)封裝引線形 成的。圖3A和3B示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的電子封裝裝 置，其用于整體封裝IC芯片和由一個(gè)或多個(gè)封裝引線形成的天線結(jié)構(gòu)o圖4A和4B示出在圖3A和3B中所述的電子封裝裝置的尺度， 其用于構(gòu)成在大約60GHz的基頻下運(yùn)行的集成無線電通信系統(tǒng)。圖5A和5B示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖6A示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成天線系統(tǒng)。 圖6B用曲線示出圖6A的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗。 圖6C用曲線示出圖6A的示例性天線系統(tǒng)的模擬輻射效率。 圖7A示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的集成天線系統(tǒng)。圖7B用曲線示出圖7A的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗。圖8A示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成天線系統(tǒng)。圖8B用曲線示出圖8A的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗。圖9A示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成天線系統(tǒng)。圖9B用曲線示出圖9A的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗。圖10A和10B示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成天線系統(tǒng)。圖IOC用曲線示出圖IOA、 10B的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗。
具體實(shí)施方式
圖2是根據(jù)本發(fā)明示意性實(shí)施例的用于整體封裝IC芯片和天線 的裝置的高度示意性示圖。具體地，圖2示出裝置(20)，其包括芯 片級封裝結(jié)構(gòu)(21)，該結(jié)構(gòu)具有IC芯片(22)和天線(23)，所 述天線(23)是由所述封裝(21)的引線框架的一個(gè)或多個(gè)封裝引線 形成的。IC芯片(22)可包括芯片上無線電通信系統(tǒng)，其具有以毫米 波頻率(例如，20GHz和更高頻率)運(yùn)行的集成接收器、發(fā)射機(jī)或收 發(fā)器系統(tǒng)。IC芯片(22)可包括其它集成RF有源或無源器件/電路， 例如天線饋電裝置、傳輸線、低噪音放大器、濾波器等。根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例，可使用多種引線封裝技術(shù)來形成具有 一個(gè)或多個(gè)封裝引線的引線框架結(jié)構(gòu)，其中對所述引線設(shè)置大小，定 形和/或配置以形成天線結(jié)構(gòu)。 一般地，引線芯片封裝通?；谝€的 形狀命名，例如翼形引線、J引線、C引線或直線I引線。在芯片封 裝處理期間，封裝引線通常在封裝模塑(molding)處理之后定形。封裝引線首先形成直線，其通過附加在組件本體的金屬環(huán)機(jī)械支撐， 這防止了引線在處理期間損壞。隨后，使用適當(dāng)?shù)墓ぞ咔谐h(huán)，并使 用常用的整齊和成形設(shè)備對封裝引線定形?？梢岳斫?，在引線形成處理期間，可對一個(gè)或多個(gè)引線設(shè)置大小， 定形和/或配置以形成具有期望天線特征(例如諧振運(yùn)行頻率、輻射效 率、增益、運(yùn)行帶寬等)的天線結(jié)構(gòu)?？蓪⒁€設(shè)計(jì)成具有給定長度， 從而大部分引線從用于形成封裝模具(或包裝)的有損耗絕緣材料突 出，并且不被該材料覆蓋。當(dāng)然，引線可被定形和設(shè)置大小成從封裝 結(jié)構(gòu)突出的輻射元件，從而大部分天線區(qū)域被空氣圍繞。在更詳細(xì)描述的其它示例性實(shí)施例中，如果必要，可以以與板級 接地平面和/或接地連接相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)具有引線天線元件的天線 結(jié)構(gòu)。具體地，根據(jù)應(yīng)用，引線天線元件可以在具有開口或短路的板 級上終止，以提供所需的邊界條件。板級接地平面可用作用于天線引 線元件的接地終端，可作為用于單極輻射器的天線接地平面運(yùn)行，以 及可作為反射表面運(yùn)行，以將輻射指引到給定方向上。在更詳細(xì)描述的其它示例性實(shí)施例中，可通過使用 一個(gè)或多個(gè)接地或末端開放(叩en-ended)引線元件(調(diào)諧元件)形成天線結(jié)構(gòu)， 所述一個(gè)或多個(gè)接地或末端開放引線元件(調(diào)諧元件)配置在輻射引 線元件的附近用于對天線進(jìn)行調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn)期望的天線屬性?？蓪σ?線調(diào)諧元件設(shè)定大小、定形并將其配置用于控制天線阻抗，增加天線 帶寬，控制天線輻射模式等。圖3A和3B示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的電子封裝裝 置(30)，其用于整體封裝IC芯片和由一個(gè)或多個(gè)封裝引線形成的 天線結(jié)構(gòu)。圖3A是裝置(30)的頂視平面圖，圖3B是裝置(30)的 沿圖3A中的線3B-3B的側(cè)視圖。裝置(30)包括封裝模具(31) (或封裝包裝)、承載基板(32)(或封裝框結(jié)構(gòu))、IC芯片(33)、 多個(gè)封裝引線(34)、 (35)、 (36)和引線接合連接件(37) 、 (38)。 將電子封裝(30)描述為安裝于PCM(印刷電路板)(39),在其 表面上具有金屬接地平面(39a)。金屬接地平面(39a)可用作天線接地平面和/或輻射反射器。承載基板(32 )和引線(34 ) 、 ( 35 )和(36 )是使用已知技術(shù) (例如，蝕刻、沖壓)形成的金屬引線框架結(jié)構(gòu)的一部分。管芯支架 (die paddle) (32)用于在封裝制造期間機(jī)械支撐IC芯片(33 )。 使用已知技術(shù)，在管芯裝配處理期間將IC芯片(33)背面安裝于基 板(32) 。 IC芯片(33)(或管芯)可包括集成無線電通信系統(tǒng)(例 如，接收器、發(fā)射機(jī)、收發(fā)器等)。在引線接合處理期間，引線(34)、 (35)和(36)通過引線接合件(37)和(38)連接至芯片(33)的 有源表面上的適當(dāng)接合焊盤。引線(34)在PCM (39)上的外部布 線/焊盤和IC芯片(33)的有源表面上的BEOL (后段工藝)烊盤/ 布線之間提供I/O連接和電源連接。此外，在圖3A和3B的示例性實(shí)施例中，形成封裝引線(36)， 以作為天線結(jié)構(gòu)的輻射元件運(yùn)行。將封裝引線(36)定形成倒置翼形 引線，但這僅是示例性的，并且其它引線形狀也可以形成天線輻射元 件。在本發(fā)明的其它示例性實(shí)施例中，可形成多個(gè)引線，作為輻射元 件，以構(gòu)成包括例如天線陣列或多頻天線等的各種類型天線結(jié)構(gòu)。如上所述，可通過使用 一個(gè)或多個(gè)接地或末端開放引線元件形成 根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的天線結(jié)構(gòu)，所述一個(gè)或多個(gè)接地或末端開 放引線元件配置在輻射引線元件的附近用于對天線進(jìn)行調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn) 期望的天線屬性。例如，在圖3A/3B的示例性實(shí)施例中，可將引線(35 ) 用作天線調(diào)諧元件，其配置在輻射元件(36)的每一側(cè)，并連接至PCB (39)的接地平面(39a)。對引線元件(35)設(shè)定大小、定形并將 其配置用于控制天線阻抗，增加天線帶寬，控制天線輻射模式等。在 圖3A/3B的示例性實(shí)施例中，以與PCM (39)上形成的板級接地平 面(39a)相連接的方式形成具有輻射元件(36)和調(diào)諧元件(35) 的天線結(jié)構(gòu)，其中輻射元件(36)相對于接地平面(39a)開放，并 且調(diào)諧元件(35)具有與接地平面(39a)(或接地焊盤/接觸件)短 路的終端。同樣地，形成天線結(jié)構(gòu)的引線可以在具有開口或短路的板 級上終止，以提供所需的邊界條件。以下將參照例如圖6A、 7A、 8A、9A和10A所述的示例性實(shí)施例來討論根據(jù)利用板級接地結(jié)構(gòu)的本發(fā) 明其它示例性實(shí)施例的天線結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，通過饋電網(wǎng)絡(luò)以阻抗控制方式實(shí)現(xiàn)集 成的芯片與天線連接，其中所述饋電網(wǎng)絡(luò)通過接合線和芯片上饋電結(jié) 構(gòu)構(gòu)成，以提供期望的天線輸入阻抗。例如，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施 例的天線饋電網(wǎng)絡(luò)包括芯片上饋電結(jié)構(gòu)，例如CPW(共面波導(dǎo))、 差動饋電線等，它們作為IC芯片的BEOL金屬化的一部分而形成； 和接合線，用于將芯片上饋電結(jié)構(gòu)與引線天線元件連接。以下將參照 例如圖6A、 7A、 8A、 9A和10A所示的示例性實(shí)施例來討論才艮據(jù)本 發(fā)明示例性實(shí)施例的集成天線系統(tǒng)，其具有由芯片上饋電結(jié)構(gòu)和接合 線形成的芯片上饋電系統(tǒng)。圖4A和4B示出在圖3A和3B中所示的電子封裝裝置(30 )的 尺度，其用于構(gòu)成在大約60GHz的基頻下運(yùn)行的集成無線電通信系 統(tǒng)。在示例性實(shí)施例中，將封裝模具(31 )表示為具有l(wèi)mm的厚度、 5mm的長度和IOO微米的封裝偏移。優(yōu)選地，封裝模具(3i)可以由具有相對低的介電常數(shù)和相對低的介電損失的材料(塑膠、環(huán)氧樹脂) 形成。引線元件(34) 、 (35)和(36)由銅(或其它適合的金屬材 料)形成，并且具有300微米的厚度，而接合線(37)的厚度是50 微米。在PCB (39)的表面上形成的接地平面(39a)配置在天線引 線元件(35)和(36)下方。引線元件(35)和(36)的總長度是 2.2亳米，并且分開500微米的距離。元件(36)的上彎曲部分(36a) 的長度(具有600微米的示例性長度)影響諧振頻率。在上彎曲部分 (36a)和接地平面(39a)之間的1.2毫米的間隔影響天線的帶寬。 天線引線元件(35) 、 (36)連接至由接合線(37)和芯片(33)的 有源表面上的芯片上饋電結(jié)構(gòu)(例如CPW)形成的天線饋電網(wǎng)絡(luò)。圖5A和5B示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的天線饋電結(jié) 構(gòu)。具體地，圖5A和5B示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的用于實(shí)現(xiàn)不 均衡饋電網(wǎng)絡(luò)的共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)，所述不均衡饋電網(wǎng)絡(luò)用于向 由封裝引線形成的天線結(jié)構(gòu)供電。圖5A是包括與一對接地元件(50b,50c)分開的中心導(dǎo)體(50a)的CPW饋電結(jié)構(gòu)(50)的平面圖。CPW (50)的元件(50a， 50b和50c)共面(形成在相同平面上)。CPW (50)可作為BEOL互連結(jié)構(gòu)的上金屬層的一部分形成在芯片上。圖 5B示意性示出在電介質(zhì)(51)的中心平面區(qū)域(50，)中嵌入的CPW 饋電結(jié)構(gòu)。電介質(zhì)(51)配置在PCB (59)的接地平面(59a)上方。 對具有圖5A和5B所示的示例性結(jié)構(gòu)尺度的CPW饋電結(jié)構(gòu)執(zhí) 行計(jì)算機(jī)模擬，以提供75歐姆CPW。在圖5A的示例性實(shí)施例中， 將中心導(dǎo)體(50a)定義為具有500微米的長度和IOO微米的寬度。 將接地元件(50b)和(50c)定義為具有類似尺度，500微米x500 微米的長度x寬度。將中心導(dǎo)體(50a)與每一個(gè)接地元件(50b)和 (50c )分開50微米。在圖5B中，將電介質(zhì)(51)定義為具有1毫 米的厚度，并且與接地平面(59a)分開IOO微米。將CPW饋電結(jié)構(gòu) 與接地平面(59a)分開600微米的距離。將電介質(zhì)(51)定義為由 介電常數(shù)為2.7和損耗因數(shù)為0.04的材料形成?？梢岳斫猓鐖D5A所示的CPW結(jié)構(gòu)和引線接合一起可用于形 成天線饋電網(wǎng)絡(luò)，其用于對引線元件形成的天線不均衡供電。例如， 將參照圖6A、 7A、 8A和9A的示例性實(shí)施例討論通過由CPW饋電 網(wǎng)絡(luò)供電的開放和接地引線天線元件所設(shè)計(jì)的各種天線系統(tǒng)。為了確 定圖6A、 7A、 8A和9A的示例性CPW供電天線結(jié)構(gòu)的電性能、屬 性和特征，基于用于大約60GHz的基本運(yùn)行頻率的在圖6A、 7A、 8A 和9A中所示的天線元件和饋電結(jié)構(gòu)的示例性尺度執(zhí)行計(jì)算機(jī)模擬。 將參照圖6B、 6C、 7B、 8B和9B討論計(jì)算機(jī);漠?dāng)M的結(jié)果。對于每一 個(gè)計(jì)算機(jī)模擬，假設(shè)在圖6A、 7A、 8A和9A中的天線CPW饋電結(jié) 構(gòu)嵌入在電介質(zhì)中，并按照如參照圖5B所述的示例性尺度和介電性 能與接地平面間隔開。圖6A示意性示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的集成天線系統(tǒng)。具 體地，圖6A示出天線饋電網(wǎng)絡(luò)(60)，其包括CPW結(jié)構(gòu)(61)和 引線接合件(62),所述天線饋電網(wǎng)絡(luò)(60)向包括輻射元件(65) 的天線結(jié)構(gòu)供電。在示例性實(shí)施例中，輻射元件(65)是與接地平面(64) 平行配置并且與其分開的直線、開放的封裝引線。CPW結(jié)構(gòu) (61)包括中心導(dǎo)體(61a)和鄰近的接地元件(61b)和(61c)。引線接合件(62)在CPW (60)的中心導(dǎo)體(61a)和引線輻射元件(65) 的一端(供電端)之間提供電連接。將天線饋電網(wǎng)絡(luò)(60)和 輻射元件(65)的供電端嵌入在電介質(zhì)(63)中。圖6A示出為用于大約60GHz運(yùn)行頻率的圖6A的天線系統(tǒng)的計(jì) 算機(jī)模擬所定義的示例性布局和結(jié)構(gòu)尺度。在圖6A中，將天線元件 (65)定義為具有2050微米的長度。在示例性實(shí)施例中，將長度L1 (其包括引線接合件(62)和元件(65)的嵌入電介質(zhì)(63)的一部 分)選擇為運(yùn)行頻率的大約四分之一波長，將長度L2選擇為運(yùn)行頻 率的大約一半波長。將CPW結(jié)構(gòu)(61)的元件定義為具有如參照圖 5A所討論的相同平面尺度，其中將CPW結(jié)構(gòu)(61)配置在距離電介 質(zhì)(63)的側(cè)邊1500微米。將電介質(zhì)(63)定義為具有如圖5B所述 的上述厚度和間隔尺度。圖6B和6C示出用于圖6A的示例性天線系統(tǒng)的模擬結(jié)果。具體 地，圖6B用曲線示出標(biāo)準(zhǔn)化為31歐姆的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗， 具體地，對于頻率范圍50-70GHz的以dB為單位的模擬回波損耗 (Sll)。圖6B中的模擬結(jié)果示出至少4GHz的帶寬，其中基于Sn 被測量為大約-10dB或更好的頻率范圍定義帶寬。圖6C用曲線示出 在頻率范圍50-70GHz上圖6A的示例性天線系統(tǒng)的模擬輻射效率。 模擬的結(jié)果示出在頻率范圍59-64GHz上輻射效率為80%或更好。圖7A示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的集成天線系 統(tǒng)。具體地，圖7A示出天線饋電網(wǎng)絡(luò)(70)，其包括CPW結(jié)構(gòu)(71) 和引線接合件(72)，所述天線饋電網(wǎng)絡(luò)(70)向包括輻射元件(75) 的天線供電。在示例性實(shí)施例中，輻射元件(75)是具有長度L的直 線部分和非饋電(終止)端的接地引線，所述直線部分配置為與接地 平面(74 )平行并且與其分開，所述非饋電(終止)端向接地平面(74 ) 彎曲并且與其連接。CPW結(jié)構(gòu)(71)包括中心導(dǎo)體(71a)和鄰近的 接地元件(71b)和(71c)。引線接合件(72)在CPW (70)的中心導(dǎo)體(71a)和引線輻射元件(75)的一端之間提供電連接。將天 線饋電網(wǎng)絡(luò)(70)和輻射元件(75)的饋電端部分嵌入電介質(zhì)(73) 中。與其中輻射模式僅具有水平一個(gè)極化的圖6A中的天線結(jié)構(gòu)不同， 圖7A的天線具有水平和垂直兩個(gè)極化。圖7A示出為用于大約60GHz運(yùn)行頻率的圖7A的天線系統(tǒng)的計(jì) 算機(jī)模擬所定義的示例性布局和結(jié)構(gòu)尺度。在圖7A中，將天線元件(75)定義為具有3050微米的長度L。在示例性實(shí)施例中，將長度 Ll (其包括線接合(72)和元件(75)的嵌入電介質(zhì)(73)的一部分) 選擇為運(yùn)行頻率的大約四分之一波長，將長度L2選擇為運(yùn)行頻率的 大約四分之三波長。將CPW結(jié)構(gòu)(71 )定義為配置在距離電介質(zhì)(73 ) 的側(cè)邊1500微米，但是(相比于圖6A的CPW結(jié)構(gòu)(60)的1200 微米)具有600微米的更窄尺度。將電介質(zhì)(73 )定義為具有如圖5B 所述的示例性厚度和間隔尺度。圖7B示出用于圖7A的示例性天線系統(tǒng)的模擬結(jié)果。具體地， 圖7B用曲線示出標(biāo)準(zhǔn)化為37歐姆的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗，具體 地，對于頻率范圍50-70GHz的以dB為單位的模擬回波損耗(S11)。 圖7B中的模擬結(jié)果示出至少2.5GHz的帶寬，其中基于Su被測量為 大約-10dB或更好的頻率范圍定義帶寬。圖8A示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的集成天線系 統(tǒng)。具體地，圖8A示出天線饋電網(wǎng)絡(luò)(80)，其包括CPW結(jié)構(gòu)(81) 和引線接合件(82)和(87)，所迷天線饋電網(wǎng)絡(luò)(80)向天線結(jié)構(gòu) 供電，所述天線結(jié)構(gòu)包括由封裝引線形成的輻射元件(85)和調(diào)諧元 件(86) 。 CPW結(jié)構(gòu)(81)包括中心導(dǎo)體(81a)和鄰近的接地元件(81b )和(81c )。引線接合件(82 )在CPW ( 80 )的中心導(dǎo)體(81a ) 和輻射元件(85 )的一端之間提供電連接。引線接合件(87 )在CPW(80)的接地元件(81b)和調(diào)諧元件(86)之間提供電連接。將天 線饋電網(wǎng)絡(luò)(80)和輻射與調(diào)諧元件(85)和(86)的饋電端嵌入電 介質(zhì)(83)中。在圖8A的示例性實(shí)施例中，輻射元件(85)是開放的、直線封裝引線，其配置為與接地平面(84)平行并且與其分開。此外，調(diào)諧 元件(86)是開放的、直線封裝引線，其平行于接地平面(84)和天 線輻射元件(85)，并且與它們分開。與圖6A的天線系統(tǒng)相比，圖 8A的天線系統(tǒng)包括配置在輻射元件(85)附近的調(diào)諧元件(86)， 作為用以調(diào)節(jié)由于天線元件(85)和(86)之間的電磁(EM)耦合 引起的天線共振頻率和阻抗的裝置。圖8A示出為用于大約60GHz運(yùn)行頻率的圖8A的天線系統(tǒng)的計(jì) 算機(jī)模擬所定義的示例性布局和結(jié)構(gòu)尺度。在圖8A中，將天線輻射 元件(85)定義為具有2050微米的長度，將天線調(diào)諧元件(86)定 義為具有1500微米的長度。此外，CPW結(jié)構(gòu)(81)的接地元件(81b ) 和(81c)的尺度不同，與調(diào)諧天線元件(86)連接的接地元件(81b) 比接地元件(81c)更寬。將電介質(zhì)(83)定義為具有如圖5B所述的 示例性厚度和間隔尺度。圖8B示出用于圖8A的示例性天線系統(tǒng)的模擬結(jié)果。具體地， 圖8B用曲線示出標(biāo)準(zhǔn)化為31歐姆的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗，具體 地，對于頻率范圍50-70GHz的以dB為單位的模擬回波損耗(Sll)。 圖8B中的模擬結(jié)果示出至少4GHz的帶寬，其中基于Sn被測量為大 約-10dB或更好的頻率范圍定義帶寬。將圖6B和8B中所示的模擬結(jié) 果相比較，可以看出，配置在輻射元件(85)附近的附加引線調(diào)諧元 件(86)導(dǎo)致天線共振頻率和阻抗的偏移。圖9A示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的集成天線系 統(tǒng)。具體地，圖9A示出天線饋電網(wǎng)絡(luò)(90)，其包括CPW結(jié)構(gòu)(91) 和引線接合件(92) 、 (97)和(99)，所述天線饋電網(wǎng)絡(luò)(卯)向 天線結(jié)構(gòu)供電，所述天線結(jié)構(gòu)包括由封裝引線形成的輻射元件(95) 和調(diào)諧元件(96)和(98) 。 CPW結(jié)構(gòu)(91)包括中心導(dǎo)體(91a) 和鄰近的接地元件(91b )和(91c )。引線接合件(92 )在CPW ( 91) 的中心導(dǎo)體(91a)和輻射元件(95)的一端之間提供電連接。引線 接合件(97 )在CPW ( 91 )的接地元件(91b )和調(diào)諧元件(96 )之 間提供電連接。引線接合件(99)在CPW (91)的接地元件(91c)和調(diào)諧元件(98)之間提供電連接。將天線饋電網(wǎng)絡(luò)(90)和輻射與 調(diào)諧元件(95) 、 (96)和(98)的饋電端嵌入電介質(zhì)(93)中。在圖9A的示例性實(shí)施例中，輻射元件(95)是由開放的、直線 封裝引線形成的，其配置為與接地平面(94)平行并且與其分開。此 外，調(diào)諧元件(96)和(98)是由開放的、直線封裝引線形成的，它 們平行于接地平面(94)并且在天線輻射元件(95)的相對端。與圖 8A的天線系統(tǒng)相比，圖9A的天線系統(tǒng)包括配置在輻射元件(95)附 近，并且配置在相對端的多個(gè)調(diào)諧元件(96)和(98)，作為用以調(diào) 節(jié)由于天線元件(95)和(96)和(98)之間的電磁耦合引起的天線 共振頻率和阻抗的裝置。圖9A示出為用于大約60GHz運(yùn)行頻率的圖9A的天線系統(tǒng)的計(jì) 算機(jī)模擬所定義的示例性布局和結(jié)構(gòu)尺度。在圖9A中，將天線輻射 元件(95)定義為具有2050微米的長度，將天線調(diào)諧元件(96)和 (98 )定義為具有1500微米的長度。此外，類似地定義CPW結(jié)構(gòu)(91) 的接地元件(91b)和(91c)的尺度。將電介質(zhì)(93)定義為具有如 圖5B所述的示例性厚度和間隔尺度。圖9B示出用于圖9A的示例性天線系統(tǒng)的模擬結(jié)果。具體地， 圖9B用曲線示出標(biāo)準(zhǔn)化為31歐姆的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波損耗，具體 地，對于頻率范圍50-70GHz的以dB為單位的模擬回波損耗(Sll)。 圖8B中的模擬結(jié)果示出至少2.5GHz的帶寬，其中基于Sn被測量為 大約-10dB或更好的頻率范圍定義帶寬。將圖6B、 8B和9B中所示的 模擬結(jié)果相比較，可以看出，配置在輻射元件(92)附近的附加引線 調(diào)諧元件(99)導(dǎo)致天線共振頻率和阻抗的偏移。圖10A和10B示意性示出根據(jù)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例的集成 天線系統(tǒng)。具體地，圖IOA示出天線饋電網(wǎng)絡(luò)(IOOO)，其包括平衡 差分饋電線(1001)和引線接合件(1002)和(1007)，所述天線饋 電網(wǎng)絡(luò)(IOOO)向天線結(jié)構(gòu)供電，所述天線結(jié)構(gòu)包括由封裝引線形成 的輻射元件(1005)和調(diào)諧元件(1006)。差分饋電結(jié)構(gòu)(1001)包 括兩個(gè)共面的饋電線(1001a)和(1001b)。引線接合件(1002)在差分線(1001a)和輻射元件(1005)的一端之間提供電連接。引線 接合件(1007)在差分線(1001b)和調(diào)諧元件(1006)之間提供電 連接。將天線饋電網(wǎng)絡(luò)(1000)和輻射與調(diào)諧元件(1005)和(1006) 的饋電端嵌入電介質(zhì)(1003 )中。圖IOB是圖10A的示例性天線結(jié)構(gòu)的透視圖。在圖IOB的示例 性實(shí)施例中，輻射元件(1005)是開放的封裝引線，其定形為具有直 線部分(1005a)和彎曲部分(1005b)和(1005c)的倒置翼形引線。 此外，調(diào)諧元件(1006 )是具有直線部分(1006a)的封閉的封裝引 線，其與輻射元件(1005)的接地平面(1004)和部分(1005a)兩 者平行，并且與它們分開。此外，調(diào)諧元件(1006 )具有彎曲部分 (1006b),其從直線部分(1006a)的端部朝向接地平面(1004)向 下延伸，并與接地平面(1004)接觸。圖IOA和IOB示出為用于大約60GHz運(yùn)行頻率的天線系統(tǒng)的計(jì) 算機(jī)^^莫擬所定義的示例性布局和結(jié)構(gòu)尺度。在圖10A中，將天線輻射 元件(1005 )定義為具有1300 + 200 + 200微米的長度(在x方向上)， 將天線調(diào)諧元件(1006 )定義為具有1300 + 200微米的長度(在x方 向上)。此外，平衡饋電線(1001a， 1001b)分開150微米的距離分 開(其中可修改所述距離，以調(diào)諧所述饋電線阻抗)。將示例性偏移 距離定義為175微米?？筛淖冞@種偏移距離，以調(diào)節(jié)在(1005 )和(1006 ) 之間的分開距離，從而調(diào)整天線性能。將饋電線(1001 )和引線(1005， 1006 )之間的引線接合件(1002)和(1007)在"x"方向之間的示 例性長度定義為400微米(可變化所述長度，以改變天線共振頻率)。 將電介質(zhì)(1003 )定義為具有如圖5B所述的示例性厚度和間隔尺度。圖10C示出用于圖IOA和10B的示例性天線系統(tǒng)的模擬結(jié)果。 具體地，圖IOC用曲線示出標(biāo)準(zhǔn)化為150歐姆的天線結(jié)構(gòu)的模擬回波 損耗，具體地，對于頻率范圍50-70GHz的以dB為單位的模擬回波 損耗(Sll)。圖10C中的模擬結(jié)果示出至少6GHz的帶寬，其中基 于Sn被測量為大約-10dB或更好的頻率范圍定義帶寬。將圖6B、 7B、 8B、 9B和10C中所示的模擬結(jié)果相比較，可以看出，主要由于在輻射元件(1005)和接地平面(1004 )之間的相對大的分開距離，所以 差分饋電天線結(jié)構(gòu)提供了相對更寬的運(yùn)行帶寬。在本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例中，可修改圖10A和10B的天線 構(gòu)架，從而使得元件(1006 )不接地，而是將元件(1005 )和(1006 ) 形成在由平衡差分線供電的平衡天線結(jié)構(gòu)(例如，偶極子天線)中。 例如，可以將引線(1005)和(1006)在y方向上以彼此相反方向彎 曲并分開，以形成半波長偶極子輻射器。上文討論的集成天線系統(tǒng)僅是用以示出使用封裝引線形成天線 結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例?；谶@里的教導(dǎo)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以容 易地想象出其它實(shí)施例，在這些實(shí)施例中可形成一個(gè)或多個(gè)引線以作 為天線輻射元件運(yùn)行，從而形成包括例如天線陣列和多帶天線結(jié)構(gòu)的 天線結(jié)構(gòu)，以及在這些實(shí)施例中可形成一個(gè)或多個(gè)封裝引線以作為用 于控制天線阻抗的天線調(diào)諧元件運(yùn)行，從而增加天線帶寬或控制天線 輻射模式。上文討論的示例性天線結(jié)構(gòu)用以示出具有引線的天線設(shè)計(jì) 的靈活性，并且不應(yīng)該理解為對于由權(quán)利要求所主張的本發(fā)明范圍的 限制。例如，在圖8A和9A的示例性實(shí)施例中，可形成調(diào)諧元件代 替能夠進(jìn)行多帶運(yùn)行的具有共振頻率的輻射元件。通過具體實(shí)例，在 圖8A中，元件(85)和(86)可以是用于提供雙帶運(yùn)行的在不同頻 帶中具有共振頻率的單獨(dú)輻射元件，以及圖9A中的元件(95)、 (96)和(98)可以是用于提供三帶運(yùn)行的在不同頻帶中具有共振頻率的單 獨(dú)輻射元件。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解與根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的天線和集 成天線封裝相關(guān)的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，使用已知技術(shù)的封裝引線整體形 成的示例性天線設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)高容量天線制造能力。此外，根據(jù)本發(fā)明 示例性實(shí)施例的集成IC封裝使得天線與IC芯片(例如收發(fā)器芯片) 整體封裝，從而提供在收發(fā)器和天線之間具有很低損耗的緊湊設(shè)計(jì)。 此外，根據(jù)本發(fā)明使用集成天線/IC芯片封裝節(jié)省了很大的空間、尺 寸、成本和重量，這對于實(shí)質(zhì)上任意商業(yè)或軍事應(yīng)用都是具有優(yōu)勢的。盡管為了說明的目的在這里參照附圖描述了示例性實(shí)施例，但是可以理解，本發(fā)明不限于這些精確的實(shí)施例，并且在不脫離本發(fā)明范 圍的情況下，可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進(jìn)行各種其它改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種電子裝置，包括IC(集成電路)芯片；和天線系統(tǒng)，其中所述IC芯片和天線系統(tǒng)一起整體封裝在有引線的芯片級封裝中，并且其中所述天線系統(tǒng)包括天線，所述天線具有由封裝引線形成的輻射元件。
2. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述輻射元件是直線引線。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所迷輻射元件是具有至少一 個(gè)彎曲部分的引線。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所迷輻射元件是倒置翼形引線。
5. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述天線包括由配置在所述 輻射元件附近的封裝引線形成的調(diào)諧元件。
6. 如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括集成天線饋電網(wǎng)絡(luò)，所述 集成天線饋電網(wǎng)絡(luò)包括在所述IC芯片的有源表面上形成的片上饋 電結(jié)構(gòu)；以及將所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)與所述輻射元件的一端連接的引 線接合件。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)包括 CPW(共面波導(dǎo))，所述CPW包括與所述天線的所述輻射元件引線 接合連接的中心導(dǎo)體，以及配置在所述中心導(dǎo)體的相對邊上并與其分 開的第 一和第二接地元件。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述天線還包括由配置在所 述輻射元件附近的引線形成的調(diào)諧元件，其中所述調(diào)諧元件與所述 CPW的所述第一和第二接地元件中的一個(gè)引線接合。
9. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)包括平 衡差分饋電線，所述平衡差分饋電線包括第一和第二共面饋電線，其中所迷天線的輻射元件與所述第 一饋電線引線接合。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述天線還包括與所述第二 饋電線引線接合的第二輻射元件，其中所述第一和第二輻射元件形成 例如偶極子的平衡天線結(jié)構(gòu)。
11. 如權(quán)利要求9所迷的裝置，其中所述天線包括由配置在所述 輻射元件附近的引線形成的調(diào)諧元件，其中所述調(diào)諧元件與所述第二 饋電線引線接合。
12. —種無線通信裝置，包括 印刷電路板；和安裝于所述印刷電路板的芯片封裝，其中所述芯片封裝包括一起 整體封裝在有引線的芯片級封裝中的IC(集成電路)芯片和天線系統(tǒng)， 其中所述天線系統(tǒng)包括天線，所述天線具有由封裝引線形成的輻射元 件。
13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述印刷電路板包括金屬 接地結(jié)構(gòu)，所述金屬接地結(jié)構(gòu)用作天線接地元件、輻射反射器、或兩 者。
14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述輻射元件是直線引線， 其基本上平行于金屬接地元件并與所述金屬接地元件分開地延伸。
15. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述輻射元件是具有與所 述金屬接地元件連接的彎曲部分的引線。
16. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述輻射元件是配置在所 述金屬接地元件上的開放的倒置翼形引線。
17. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述天線包括由配置在所 述輻射元件附近的封裝引線形成的調(diào)諧元件，其中所述調(diào)諧元件的至 少 一部分與所述輻射元件的 一部分基本上平行地延伸。
18. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述調(diào)諧元件具有與所述 金屬接地元件連接的彎曲部分。
19. 如權(quán)利要求12所述的裝置，還包括集成天線饋電網(wǎng)絡(luò)，所 述集成天線饋電網(wǎng)絡(luò)包括在所述IC芯片的有源表面上形成的芯片上饋電結(jié)構(gòu)；以及將所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)與所述輻射元件的一端連接 的引線接合件。
20. 如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)包括 CPW(共面波導(dǎo))，所述CPW包括與所述天線的所述輻射元件引線 接合連接的中心導(dǎo)體，以及配置在所述中心導(dǎo)體的相對邊上并與其分 開的第一和第二接地元件。
21. 如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述芯片上饋電結(jié)構(gòu)包括 平衡差分饋電線，其包括第一和第二共面饋電線，其中所述天線的輻 射元件與所述第一饋電線引線接合。
22. —種用于構(gòu)成電子封裝裝置的方法，包括將IC芯片和天 線一起整體封裝在有引線的芯片級封裝中，其中所述天線由一個(gè)或多 個(gè)封裝引線形成。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，包括形成具有多個(gè)引線的引線框架結(jié)構(gòu)；和 對至少一個(gè)引線定形，以形成天線輻射元件。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，還包括對至少一個(gè)引線定形， 以形成配置在所述天線輻射元件附近的天線調(diào)諧元件。
全文摘要
公開一種用于將半導(dǎo)體IC(集成電路)芯片與天線整體封裝的裝置和方法，所述天線具有由封裝引線形成的一個(gè)或多個(gè)輻射元件和調(diào)諧元件，對所述封裝引線進(jìn)行適當(dāng)定形和設(shè)置，以形成用于毫米波應(yīng)用的天線結(jié)構(gòu)。在一個(gè)方面中，一種電子裝置(20)，包括IC(集成電路)芯片(22)；和天線系統(tǒng)(23)，其中將所述IC芯片(22)和天線系統(tǒng)(23)一起整體封裝在有引線的芯片級封裝(21)中，并且其中所述天線系統(tǒng)(23)包括天線，所述天線具有由封裝引線形成的輻射元件。
文檔編號H01L23/48GK101336475SQ200680051805
公開日2008年12月31日 申請日期2006年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月26日
發(fā)明者B·P·高謝爾, T·M·茲維克, U·R·費(fèi)弗, 劉兌現(xiàn) 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司