W波段砷化镓单片集成电路三维系统级封装垂直互连结构

摘要

本发明公开了一种W波段砷化镓单片集成电路三维系统级封装垂直互连结构，该垂直互连结构包括GaAs单片集成电路自身的50欧姆微带传输线，硅基板过孔和倒装焊料球构成的类同轴线结构，硅基板上带电容补偿的50欧姆平面类同轴传输线结构；GaAs单片集成电路正装在衬底介质基板上，倒装在上层硅基板上；硅基板上50欧姆平面类同轴传输线结构具有阻抗匹配结构。本发明能够实现GaAs单片集成电路在天馈一体化三维垂直互连系统级封装架构中毫米波信号的宽频带传输，通过该垂直互连结构可以有效地将GaAs单片集成电路集成到小型化的天馈一体化三维微系统中，极大地丰富了W波段系统及封装可选芯片的种类和性能。

说明书

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，具体涉及一种W波段砷化镓单片集成电路三维系统级封装垂直互连结构。

背景技术

随着半导体工艺技术的不断进步，军民用无线前端系统也正朝着高频化方向发展。目前基于砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)以及磷化铟(InP)等工艺的单片集成电路工作频率已高至1THz；毫米波模块组件的工作频率也正在朝THz频段延伸。

针对导弹武器系统的精确制导、安防领域的安检成像以及超宽带星间通信，工作于W波段(94GHz)的毫米波前端系统备受世界范围内各国研究人员的青睐，这方面的发展主要体现在如下三个方面：(1)以片上系统为代表的毫米波前端，即在半导体圆片上直接集成整个前端系统，该方法由于成本和开发时间周期因素仅适用于特定的应用背景，且片上由于采用一种半导体制程工艺，各部件的性能也往往受到一定的限制，片上天线的辐射效率也是其发展制约因素之一；(2)传统波导腔体的W波段前端模块组件，其受到机械加工精度的制约不适合大规模量产，且需要成熟工艺人员特殊的金丝键合操作，产品的批次一致性得不到很好的保障，笨重的体积及重量也是其缺陷之一；(3)结合半导体和基板加工工艺的系统级封装，即通过各类基板和互连将现有各个芯片模块有机集成在一起，构成具有一定性能的封装模块。

在W波段系统级封装中，倒装工艺是其中的关键互连工艺之一，然而目前除锗硅(SiGe)芯片可以倒装到衬底基板上外，传统微带线工艺的GaAs芯片仍然需要通过金丝键合到衬底基板上，也有少数采用共面波导和输入输出背孔工艺的GaAs芯片适合倒装工艺，但是需要专门开发相应功能的GaAs芯片，成本较大，性能也受到一定限制，不适合目前W波段系统级封装的应用发展。另外一方面，W波段系统级封装目前天线和收发通道的集成基本还是采取平面二维的方式，虽然垂直三维系统级封装的概念早已提出，但由于缺少垂直互连结构，限制了GaAs芯片在这类三维系统级封装中的应用和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种W波段砷化镓单片集成电路三维系统级封装垂直互连结构，实现GaAs芯片在天馈一体化三维垂直互连系统级封装架构中毫米波信号的宽频带传输。

实现本发明目的的技术方案为：一种W波段砷化镓单片集成电路三维系统级封装垂直互连结构，包括衬底介质基板、硅基板上BCB介质、硅基板、衬底介质基板中金属化柱、第一焊料球、衬底介质基板中金属化柱阵列、GaAs芯片衬底、GaAs芯片上50欧姆微带传输线BCB介质表面金属平面、衬底介质基板上表面金属、BCB介质中金属化柱、BCB介质中50欧姆平面类同轴传输线的中心导体和第二焊料球；BCB介质设置在衬底介质基板和硅基板之间，GaAs芯片衬底设置在BCB介质和衬底介质基板之间，第一焊料球用于连接BCB介质表面金属和衬底介质基板上表面金属，第二焊料球用于连接中心导体和GaAs芯片上50欧姆微带传输线。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

本发明的W波段砷化镓单片集成电路三维系统级封装垂直互连结构，能够有效解决传统微带线制作的GaAs芯片的接地问题以及GaAs芯片和垂直天线的互连问题，相比于需要专门设计共面波导传输线的GaAs芯片或者输入输出背孔工艺的GaAs芯片，采用本发明的三维互连可以将目前商业化得GaAs芯片应用于三维系统级封装集成中，降低了成本，极大地丰富了W波段系统及封装可选芯片的种类的性能。

附图说明

图1为本发明新型W波段GaAs芯片三维集成系统级封装垂直互连结构的三维示意图。

图2为本发明新型W波段GaAs芯片三维集成系统级封装垂直互连结构关键部分设计参数标注图。

图3为本发明新型W波段GaAs芯片三维集成系统级封装垂直互连结构的仿真结果图。

具体实施方式

结合图1，一种W波段砷化镓单片集成电路三维系统级封装垂直互连结构，包括衬底介质基板1、硅基板上BCB介质2、硅基板3、衬底介质基板中金属化柱4、第一焊料球5、衬底介质基板中金属化柱阵列6、GaAs芯片衬底7、GaAs芯片上50欧姆微带传输线8BCB介质表面金属平面9、衬底介质基板上表面金属11、BCB介质中金属化柱12、BCB介质中50欧姆平面类同轴传输线的中心导体13和第二焊料球15；BCB介质2设置在衬底介质基板1和硅基板3之间，GaAs芯片衬底7设置在BCB介质2和衬底介质基板1之间，第一焊料球5用于连接BCB介质表面金属和衬底介质基板上表面金属11，第二焊料球15用于连接中心导体13和GaAs芯片上50欧姆微带传输线8。

中心导体13上设置电容补偿片14，中心导体13包括外导体和内导体，外导体和内导体通过电容补偿片14连接，内导体通过第二焊料球15和GaAs芯片上50欧姆微带传输线8连接，外导体通过衬底介质基板中金属化柱4和衬底介质基板下表面的地连接。

GaAs芯片上50欧姆微带传输线8的地通过衬底介质基板中金属化柱阵列6和衬底介质基板下表面的地相连。

BCB介质表面金属平面9在第二焊料球15位置处设有圆形开槽10。

互连结构用于75至100GHz整个W全频段范围内的宽频带互连。

中心导体13与GaAs芯片上微带传输线8轴线平行。

BCB介质中金属化柱12关于中心导体13对称设置。

衬底介质基板为LTCC工艺用Ferro A6M，介电常数为5.9，厚度为0.1mm。硅基板厚度为250um，BCB介质的厚度为20um。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种新型W波段GaAs芯片三维集成系统级封装垂直互连结构，如图1所示，包括衬底介质基板1，硅基板上BCB介质2，硅基板3，衬底介质基板中金属化柱4，BCB表面金属和衬底介质基板表面金属互连的第一焊料球5，衬底介质基板中金属化柱阵列6，GaAs芯片衬底7，GaAs芯片上50欧姆微带线8，BCB介质上下表面金属平面9，BCB介质上下表面金属平面上圆形开槽10，衬底介质基板上表面金属11，BCB介质中金属化柱12，BCB介质中50欧姆平面类同轴传输线的中心导体13，BCB介质中50欧姆平面类同轴传输线的中心导体上的电容补偿片14，BCB介质中传输线和GaAs芯片上微带传输线连接的第二焊料球15。中心导体13包括外导体和内导体，外导体和内导体通过电容补偿片14连接。

BCB介质中50欧姆平面类同轴传输线的外导体通过衬底介质基板中金属化柱和衬底介质基板下表面的地相连，GaAs芯片上50欧姆微带线的地也通过衬底介质基板中金属化柱阵列和衬底介质基板下表面的地相连，BCB介质中50欧姆平面类同轴传输线的内导体则通过第二焊料球和GaAs芯片上50欧姆微带线互连。

图2为本实施例垂直互连结构的关键转换结构尺寸，BCB介质中同一边金属化柱的间距为p，BCB介质中对称两边金属化柱的间距为w₃，BCB介质中50欧姆平面类同轴传输线的中心导体上的电容补偿片长和宽分别为w₁和w₂，电容补偿片距末端一对金属柱中心线的距离为d₁，末端一对金属柱中心线距第二焊料球中心的距离为d₂，第二焊料球中心距圆形开槽边缘间距为r₁，第二焊料球中心距连接处类同轴线金属柱中心间距为r₂，BCB介质金属柱的半径为r₃。

衬底介质基板为LTCC工艺用Ferro A6M，介电常数为5.9厚度为0.1mm，硅基厚度可以选择250um左右的衬底，硅基上BCB介质的厚度为20um。其单元结构参数为：p＝0.18mm,w₁＝0.08mm，w₂＝0.04mm，w₃＝0.2mm，d₁＝0.04mm，d₂＝0.16mm，r₁＝0.07mm，r₂＝0.12mm，r₃＝0.03mm。

图3是本实施例的仿真结果，可以看到在90-100GHz频率范围内5mm插入损耗小于3dB，回波损耗优于-18.5dB。