用于增强微波和毫米波系统的电感减小的互连

摘要

根据本发明的一个实施例，微波或毫米波模组包括电介质层，其具有基本形成通过电介质层的凹入。电介质附装到金属衬底。凹入具有基本竖直侧壁。集成电路布置在凹入中。集成电路的相对侧基本平行于凹入的侧壁。互连将集成电路电耦合到布置在电介质层的外表面上的焊盘。互连具有最小化以使得半导体器件的电感减小的长度。

说明书

技术领域

本发明一般地涉及封装微波和毫米波器件，并更具体而言，涉及用于增强微波和毫米波系统性能的电感减小的互连。

背景技术

雷达系统通常包括发射和接收模组/元件(其可以被称为辐射片(radiator fin))的阵列，其电耦合到相关的集成微波电路的阵列。通常，每个辐射片经由通过互连的电信道来耦合到相关的集成电路。虽然雷达系统通常以处于10至35千兆赫量级的频率的X到K波段工作，但是在一些应用中，期望雷达以更高的工作频率工作。然而，为了使雷达以高频工作，雷达必须包括每平方英寸更多数量的辐射片。因此，必须减小雷达系统内的部件尺寸。

但是，将各个辐射片耦合到集成电路的互连的长度是开发高频雷达系统的限制因素，这是因为在器件之间非常小的电感的互连对于高频应用是非常重要的。由于倒装芯片具有在有源集成电路与周围衬底之间较短的接合连接，所以已经使用倒装芯片技术来应对该问题。但是，倒装芯片具有其缺点。微波倒装芯片管芯需要嵌入式的微波条或共面波导发射线来互连半导体管芯上的无源元件，以实现设计功能。这导致复杂的制造处理和/或性能上的折中。此外，形成在集成电路的表面上以用于将倒装的集成电路接合到衬底的突起的制造较为昂贵并需要复杂的组装技术。此外，因为在倒装芯片设计中从半导体表面去除了用于从集成电路散热的冷却剂流，所以结合有倒装芯片的雷达系统具有由于有源器件散热的低效和低能导致的热故障问题。对于倒装芯片封装需要在半导体管芯内结合热棒的复杂冷却系统。高工作温度导致了倒装芯片以及支撑倒装芯片的衬底的性能降低。

发明内容

根据本发明，提供了用于减小互连的电感的系统和方法，基本去除了或显著减少了与传统微波模组相关的缺点和问题。

根据本发明的一个实施例，微波或毫米波模组包括：电介质层，其具有形成穿过电介质层的凹入。凹入具有基本竖直侧壁。集成电路布置在凹入中。集成电路的相对侧部基本平行于凹入的侧壁。互连将集成电路耦合到布置在电介质层的外表面上的焊盘。互连具有最小化以使得半导体器件的电感减小的长度。

本发明的特定示例可以提供一个或多个技术优点。本发明一个示例性实施例的技术优点是集成电路可以布置在凹入中。结果，集成电路的顶表面可以与其中嵌入集成电路的电介质材料的顶表面基本共面。另一个技术优点可以是，可以减小将集成电路耦合到电介质衬底的互连的长度。结果，可以减小集成系统的电感并可以提高电路的性能。另一个技术优点可以是集成电路直接支撑在金属层上使得可以通过金属层从半导体系统移除由集成电路所产生的热。

另一个技术优点可以是，可以减小雷达系统中信道之间的信道分离距离以允许高频工作并满足设计需要。结果，可以实现更高密度的信道并可以增大雷达系统中存在的每平方英寸的辐射片的数量。因此，可以提高雷达系统的工作频率。例如，在具体实施例中，雷达系统可以以超过95千兆赫的W波段频率工作，并可以形成为在单个单晶片封装中包括32或更多个信道。

根据其中包括的附图、说明书和权利要求书，对于本领域的技术人员，其他技术优点将变得清楚。示例中的一些或全部可以提供这些技术优点，示例中也可以不提供这些技术优点。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其特征和优点，现在将结合附图进行以下说明，在附图中相似标号用于表示相似元件，其中：

图1A-1E是示出根据本发明的一个实施例在微波或毫米波衬底的外表面上形成多个层的剖视图；并且

图2是根据本发明的一个实施例的雷达系统的俯视图。

具体实施方式

为了形成雷达系统或者其他微波或毫米波系统，通常在合适的热衬底或其他非热衬底上形成各种导体和非导体层。图1A-1E是在金属层14的外表面上形成多个层过程中示例性的微波和/或毫米波结构(“微波/毫米波结构”)的剖视图。半导体微波/毫米波结构10可以用作形成各种微波/毫米波器件(例如，结合在导弹或其他航空平台中的雷达系统或者其他高频通信系统中的雷达系统)的基体。在本说明书中的具体示例和规定的尺寸仅为示例性的目的，而并不意图限制本公开的范围。而且，图1A-1E中的图示并非按比例绘制。如以下将更详细讨论的，用于形成基于半导体的器件的传统微波模组制造技术通常包括将集成电路导线接合到其他导体特征部或器件。导线接合形成互连。在集成电路被支撑在电路板衬底的顶表面的情况下，互连可以具有足够的长度，而导致更大的电感以及在高频应用中降低的性能。但是，根据各种实施例，可以显著地减少或基本避免这种缺陷。

图1A是在金属层14上形成多个层之后的微波/毫米波结构10的剖视图。金属层14可以包括在制造微波结构中使用的任何合适的材料。例如，在具体实施例中，金属层14可以包括铜、铜钼、合金46、科瓦铁镍钴合金(KOVAR)、铝或者其他导体材料。在其他实施例中，金属层14可以被诸如氧化铝、氮化铝、氧化铍和硅之类的陶瓷衬底代替。因为金属层14具有导热性，所以金属层14可以通过增强从支撑在金属层14上的发热部件到更冷的环境的散热来用作散热器。因此，在各种实施例中，金属层14的主要目的可以是将微波/毫米波结构10的温度维持在由器件制造者规定的最高允许温度以下，并用作电接地面。虽然金属层14被描述为包括金属材料，但是，认为其他合适的散热材料也可以用于支撑被形成为产生微波/毫米波结构10的各个层。例如，在具体实施例中，金属层14可以被以金属面作为顶层的印刷电路板或陶瓷层代替。

在所示实施例中，粘接金属层16形成在金属层14的外表面18的外侧。在具体实施例中，粘接金属层16可以包括溅射在微波/毫米波结构10的外表面18上的钛、钨、铬、金、铜、镍或其他金属材料或者材料的组合。粘接金属层16可以是0.05至1微米(μm)量级的厚度。粘接金属层16的主要目的是将任何随后形成的层粘接到金属层14，并提供用于电镀膜的成核层。在示例性实施例中，也可以使用种晶层16作为电镀材料的接触体。粘接金属层16可以包括下管芯冶金(UDM)并可以包括金属和/或金属合金的层叠。可使用的示例金属包括钛、钨、铜、镍、钒、钴、铬、金或以上金属的合适组合。因此，可以对金属层14的形成进行许多修改和替换。例如，金属层14可以被具有作为顶层的金属面的印刷电路板或陶瓷层代替。全部这些修改和替换都落在本发明的范围和精神内。

图1B是在粘接金属层16的外表面22上形成电介质层20之后微波/毫米波结构的剖视图。电介质层20可以包括二氧化硅、氮化硅、砷化镓、氧化铝、氮化铝、聚酰亚胺、诸如特富龙(teflon)之类的各种聚合物、诸如液晶聚合物之类的热塑材料、或者其组合形成的一个或多个层。在其他实施例中，电介质层20可以包括其他类型的电介质(例如高k电介质)。根据用于形成电介质层20的材料和所采用的制造处理，可以使用各种处理的任一种来形成电介质层20。例如，在一个示例性的实施例中，可以通过生长氧化物或氮氧化物层来形成电介质层20。另外，在电介质层20包括聚合物的情况下，可以通过旋转涂覆并固化一层电介质液来形成电介质层20。可选地，可以使用高压容器或其他合适设备来附装电介质膜。电介质膜可以经历各种温度、压力处理、和/或汽相沉积。

电介质层20的厚度与半导体微波/毫米波结构10将最终工作的频率范围相关。微波/毫米波结构10工作的频率越高，电介质层20越薄。例如，在半导体微波/毫米波结构10以高于10千兆赫的频率工作时，根据介电常数的值，电介质层20可以具有在约1至10密耳的量级的厚度。作为另一个示例，在半导体微波/毫米波结构10以30-35千兆赫的量级的频率工作时，电介质层20可以具有在约2至4密耳的量级的厚度。作为又一个示例，在半导体微波/毫米波结构10以高于95千兆赫的频率工作时，电介质层20可以具有在约1至2密耳的量级的厚度。

在形成电介质层20之后，可以在层20的表面的至少一部分中形成凹入。图1C是在电介质层20的外表面23中形成凹入24之后的半导体微波/毫米波结构10的剖视图。在所示的示例性实施例中，凹入24形成为将金属粘接层16的外表面22的至少一部分曝露。凹入24可以包括具有基本竖直侧壁的凹入24。因此，可以使用激光烧蚀(其是无掩模直接写入处理)来形成凹入24。用于形成凹入24的激光烧蚀处理可以去除传统的光刻步骤，例如抗蚀剂涂覆、曝光、显影、刻蚀以及抗蚀剂剥离。在其他实施例中，可以使用包括干法刻蚀、等离子刻蚀、等离子辅助刻蚀或湿法刻蚀在内的刻蚀处理来形成凹入24。对于构成电介质层20的材料可以选择刻蚀，使得通过刻蚀处理去除电介质层20的一部分。

如以下将更详细描述的，凹入24形成在电介质层20的表面中以容纳集成电路。于是，凹入24的尺寸与将要布置在凹入24中的集成电路的尺寸相关。例如，在集成电路具有3至100密耳量级的宽度的情况下，凹入24可以具有在约5至102密耳量级的宽度，并且在一些示例实施例中可以达到约100密耳的宽度。类似地，在集成电路具有在约1至9密耳量级的深度的情况下，凹入24可以形成为在约2至10密耳量级的深度，并在一些示例实施例中达到约6密耳的深度。虽然凹入24通常大于容纳在凹入24内的集成电路，但是通常期望集成电路与凹入24的侧壁之间的间隙最小化。本发明的另一个目的是将集成电路嵌入在凹入24内，使得集成电路的外表面与层20的外表面23基本共面。如将在以下针对图1E更详细描述的，这种构造减小了互连(即，形成为将集成电路连接到相关接合焊盘的互连)的长度。结果，最小化了互连的固有电感。本发明的教导认为可以通过精确地定位凹入24，精确地形成凹入24的尺寸，精确地控制凹入24的壁的竖直坡度，并/或通过精确地控制集成电路的尺寸，来缩短前述长度。根据本实施例，凹入24的壁的坡度不超过0.8密耳/密耳，并在一个具体实施例中，该坡度是约0.3密耳/密耳。

在形成凹入24以后，可以使用激光微机械处理以及清洁处理来实现凹入24的期望侧壁结构。激光微机械处理可以包括使用350纳米的频率的三倍频钇铝镓(YAG)激光器。激光器微机械处理能够单步制造大宽高比的凹入24。具体而言，凹入24的侧壁可以是基本竖直的，而不是斜坡的，并可以与集成电路的侧部基本平行。此外，凹入24的尺寸可以更精确地与将要嵌入在凹入24中的集成电路的尺寸相对应。结果，可以减小嵌入的集成电路与凹入24的侧壁之间的空间量，并且焊盘可以更接近地位于集成电路附近。因此，传统技术带来了集成电路与布置在电介质层20的表面上的焊盘之间约20密耳的最小空间，而激光微机械处理可以带来集成电路的每侧与电介质层20的相应侧壁之间约1至2密耳的空间。作为另一个优点，激光微机械处理允许凹入24通过约4密耳厚的电介质而具有低至约0.5的直径/高度比，其中凹入的直径对应于宽度，而凹入的高度对应于凹入在层20中的长度。通过对于损耗发射的射频/微波设计来确定形成凹入24的电介质的厚度。通过半导体管芯尺寸来确定凹入的直径。

在形成凹入24之后，可以将环氧化物施加到凹入24内的曝露表面22的部分。图1D是在凹入24内形成环氧化物层32之后半导体微波/毫米波结构的剖视图。环氧化物层32可以散布在凹入24中。在具体实施例中，环氧化物层32包括诸如ablebond 360、ablebond 8390、和ablebond 8340之类的导电环氧化物，或者其他半导体粘接剂。如将在以下更详细描述的，环氧化物层32的目的是将集成电路粘接到粘接金属层16的外表面22，使得集成电路基本嵌入在凹入24中。

在所示实施例中，环氧化物层32涂覆曝露表面22。但是，凹入24的基本竖直侧壁仍然保留为基本未涂覆。为了防止对凹入24的侧壁的涂覆，可以小心地控制环氧化物的量，使得使用最小量。最小量可以带来集成电路底部周界周围形成薄的环氧化物片。将在图1E中更容易地理解这种构造的优点，图1E是在集成电路34被置于凹入24中并形成互连36之后的半导体微波/毫米波结构10的剖视图。集成电路34包括尚未封装的单片半导体晶片。在具体实施例中，集成电路34包括可工作以执行雷达信号处理功能的集成电路，例如，在具体实施例中，集成电路34可以包括具有合适电路的集成电路，所述电路用于进行对由雷达部件引起的电磁辐射的发射和接收，并用于对与电磁辐射相关的这些信号进行处理。

对于集成电路34，一个或多个焊盘38可以位于电介质层20上。接合焊盘38可以包括位于凹入24附近的金或其他导体材料的层，使得互连36可以形成为将集成电路34耦合到焊盘38。在具体实施例中，焊盘38可以具有2至10密耳量级的横向尺寸，并可以位于距凹入24的侧壁之一约0至4密耳的距离，并且在具体实施例中，可以是距凹入24的侧壁之一约1密耳的距离。更小尺寸的焊盘38用于最小化电容效应，其可能降低高频器件的效能。

焊盘38使用互连36连接到集成电路34。在具体实施例中，互连36包括由1至3密耳量级的直径的带制成的接合导线。可以用15gm力至90gm力的力来热声接合互连36。但是，应当施加最小量的超声波能量，以获得可靠的接合。在具体实施例中，互连36可以作为微波条互连工作。为了减小电感，理想地最小化互连36的长度。因此，接合焊盘38可以尽可能地靠近凹入24。结果，互连36可以包括小于15密耳的接合导线。在更具体的实施例中，此长度可以从3到15密耳，例如，约3或4密耳的长度。

因为集成电路34的宽度小于凹入24的宽度，所以在每个互连36下方存在空洞(未清楚示出)。空气填充的电介质空洞带来了互连36的提高的性能。为此，当形成环氧化物层32时，最小量的环氧化物是理想的。在使用过多环氧化物材料并且环氧化物层32向上蔓延到凹入24的侧壁表面时，可能增大接地层金属层14与互连36之间的电容。在雷达应用中实施半导体微波/毫米波结构10的情况下，互连36的失效或故障可能引起雷达系统的故障。

图2是结合有根据本发明的一个实施例的半导体微波/毫米波结构10的雷达、通信或其他微波和/或毫米波系统100的俯视图。雷达系统100包括多个嵌入式的集成电路34、多个发射线或者发射线/发射结构(launchstructure)102、以及多个辐射器104。在具体实施例中，雷达系统100以高于10千兆赫的高频范围工作。于是，雷达系统100能够在30和35千兆赫之间的Ka波段中工作。可选地或者附加地，雷达系统100能够在处于超过95千兆赫的频率的W波段中工作。因此，所构思的是，雷达系统100可以在1至200千兆赫量级的范围内的多个频率中的任一个来工作。在各种实施例中，雷达或通信系统100可以包括用于发射和接收电磁辐射的固态电路，以用于检测物体、航空器、航天器、轮船或基于地面的目标。

雷达系统100中的多个辐射器104包括位于定相阵列中的发射和接收元件两者。每个辐射器通过发射线/发射结构102耦合到相关的集成电路34。通过传统的光刻处理在电介质层20上形成发射线/发射结构102。然后，每个发射线/发射结构102可以利用如上参考图1E所述构造的互连36通过电介质层20来电耦合到集成电路34。注意，在图2的实施例中，即使电介质层20布置在发射线/发射结构102与辐射器104之间，发射线/发射结构102也可以电耦合到辐射器104。

包括在具体的雷达系统中的辐射器104的数量和相对尺寸与雷达系统工作的波长频率相关。例如，在X波段频率中工作的雷达系统可以具有每平方英寸约2.6个辐射片104。作为比较，在K波段频率中工作的雷达系统可以具有每平方英寸约32个辐射片104，在W波段频率中工作的雷达系统可以具有每平方英寸约250个辐射片104。因此，可以理解的是，随着雷达系统的工作频率的升高，需要对雷达系统100的辐射片104和其他部件增大其数量而减小其尺寸。结果，每个发射线/发射结构102之间的信道分离间距106已经称为限制传统雷达系统的工作频率的因素。

但是，因为可以通过将集成电路104嵌入在凹入204中来形成雷达系统100，并且可以最小化互连36的长度，所以雷达系统100能够以比传统雷达系统更高的频率工作。例如，如上参考图1A-1E所述，凹入24(包括使用传统刻蚀技术和激光微机械处理形成在电介质层20的表面中的激光烧蚀的凹入)，与传统传统雷达系统相比，接合焊盘38可以更靠近集成电路34。结果，互连36可以更短，并且每个集成电路34之间的距离可以减小以帮助更高频率的工作。在具体实施例中，例如，信道分离距离106可以在0.03至1.0英寸的量级。在集成电路34之间的距离减小的情况下，每个辐射器104之间的距离也可以减小。作为直接相关的对象，信道分离距离106也可以减小，并且可以实现更高的工作频率。例如，在示例性实施例中，雷达系统100可以在超过96千兆赫的频率下工作。

虽然已经详细描述了本发明，但是应该理解，可以在不偏离仅由所附权利要求界定的本发明的精神和范围的情况下对此处公开的教导进行各种改变、修改和替换。