一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构制造技术

本发明专利技术公开了一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，包括传输线、金属焊盘、介质、Bump，在金属焊盘、Bump互连结构处添加介质，该介质的电容效应抵消Bump的电感效应，降低阻抗失配，提高垂直互连结构的传输性能，在频段0.1GHz～100GHz，插入损耗小于0.55dB，回波损耗优于‑20dB。本发明专利技术具有信号传输损耗小、互连路径短(缩短20％)、集成度高(提高40％)、隔离度好等优点，解决了毫米波频段芯片互连结构体积大、重量大、隔离与散热差的问题；该垂直互连结构具有结构简单、易于实现等优点，在毫米波频段有源器件、无源器件的互连设计中具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构
本专利技术涉及毫米波频段芯片封装
，尤其涉及多芯片封装垂直互连结构。
技术介绍
毫米波波段(30-300GHz)，具有频带宽、波束窄、信息容量大等优点，在物理、卫星通信、雷达、电子对抗、生命科学和医学等基础研究领域有着广泛应用。在微波毫米波系统的高度集成化趋势下，三维封装可有效改善设备小型化，提高集成度以及系统的可靠性。与传统结构相比，开发周期短、成本低、集成度高，工艺相对简单，因此三维垂直互连技术成为集成系统发展的关键技术。重布线层(RDL)、球栅阵列(BGA)、硅通孔(TSV)等作为第五代主流互连结构可以实现三维集成电路垂直层面的互连。上述的垂直互连结构相对于平面互连可缩短路径，减小互连线占用面积小，可使系统的尺寸和重量降低为传统封装的1/40至1/50，同时垂直互连结构具有传输带宽更宽、功耗低等突出优点，可提高芯片传输性能，目前国内外研究工作者都在开展相关研究。但是毫米波频段的芯片封装互连技术仍存在许多挑战，由于半导体材料在高频段分布参数效应突出，电感、电抗的存在引起寄生效应，导致阻抗不匹配，恶化信号完整性，这对射频信号产生巨大的损耗，严重影响系统的性能。所以，垂直互连结构目前仅被广泛应用于数字电路或低频电路的高密度封装中，在高频段(70GHz～100GHz)鲜少应用。例如，向伟玮等人在文章“BGA在微系统宽带射频互联中的应用”仿真并测试在0.5～30GHz频带的BGA垂直互连结构电性能参数，分析了其信号的传输性能；郑钰等人在文章“基于BGA的子阵板间垂直互连研究”中设计准同轴BGA垂直结构，该设计结构仅在0.1～30GHz范围内实现微波信号的良好传输；刘巍巍等人在文章“基于BGA技术的毫米波垂直互连设计”中设计了基于低温共烧陶瓷技术制作的多层系统封装的BGA垂直互连结构，频率范围也仅为DC～40GHz。垂直互连在微波高频段(75GHz～300GHz)性能恶化剧烈，到目前为止，仍未大批量使用，该技术仍是各国的研究重点领域之一。目前仅有少数工作者在高频率(w波段)选择垂直互连，中国专利(申请公布号CN107731796A)公开了一种w波段三维系统封装垂直互连结构，该结构在硅基板上传输线设计电容补偿片，使得传输线结构具有阻抗匹配作用，该结构增大了互连结构路径，不利于芯片封装小型化。垂直互连结构不连续造成阻抗不匹配是3D封装中的难点，尤其当Bump尺寸很大的时候，Bump相当于一根辐射天线，像四周发射电磁波，Bump的电感效应降低过渡结构的截止频率，引起阻抗失配，增大信号传输损耗，从而恶化微波性能，因此需要补偿电容来匹配Bump的电感效应，降低Bump产生的电磁辐射。因此，目前毫米波频段芯片互连结构体积大、重量大、隔离与散热差的技术问题。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，解决毫米波频段芯片封装互连结构由于Bump的电感效应及不连续造成的阻抗失配带来的传输性能差的缺点，使得芯片封装结构向高传输性能、高集成度、轻型化方向发展，该互连结构具有结构简单、易于实现等优点。为实现上述目的，本专利技术技术解决方案之一：一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，该结构自上而下分别包括第一传输线、第一金属焊盘、第一介质、Bump、第二介质、第二金属焊盘、第二传输线，在第一、二金属焊盘与Bump的互连结构处之间分别添加第一、第二介质，第一、第二介质与金属焊盘、Bump之间产生电容效应，第二介质与金属焊盘、Bump之间产生电容效应，抵消Bump的电感效应，降低阻抗失配，提高信号的传输性能。本专利技术技术解决方案之二：一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，自上至下分别包括第一传输线、第一金属焊盘、Bump、第二金属焊盘、第二传输线，所述Bump周围包介质，介质位于第一金属焊盘和第二金属焊盘之间；介质、金属焊盘、Bump之间产生电容效应，抵消Bump的电感效应，降低阻抗失配，提高信号传输性能。所述的解决方案之一的垂直互连结构的介质形状包括但不限制于圆柱体、多面体等，介质介电常数包括但不限制于1～40，第一介质和第二介质的介电常数包括相同或不相同，介质可以为陶瓷、云母等。第一介质和第二介质为单层或多层。单层的介质，介质厚度为d，d＝ε0εrSw2L，其中ε0为真空介电常数，εr介质的相对介电常数，S为金属焊盘面积，w为垂直互连结构的工作角速度，L为Bump的电感常量。多层的介质，每层介质的介电常数相同或不相同，多层介质为不同介电常数的绝缘材料的组合，或者金属、绝缘材料的组合。介质直径与金属焊盘相同或不相同。介质的电容特性匹配Bump的电感效应，可以提高垂直互连结构的截止频率，降低信号传输损耗，减小Bump产生的电磁辐射，提高垂直结构的传输性能。所述的解决方案之二的垂直互连结构的在Bump周围包介质，介质形状包括但不限制于扁球体、圆柱体、孔等，介质介电常数包括但不限制于1～40，介质层数为单层或多层，多层介质的介电常数每层相同或不相同，多层介质为介电常数相同或不同的绝缘材料的组合，或者金属、绝缘材料的组合，介质的电容特性匹配Bump的电感效应，降低信号传输损耗，提高垂直结构的传输性能。进一步地，所述的Bump，位于传输线地平面上与信号线上的形状、尺寸包括但不限制相同，信号线上Bump的个数包括但不限制于1个，地线上Bump个数为n(n≥1)，地线上多个Bump可以增大到地电容，保证接地性能良好，同时阻止信号Bump产生的电磁辐射，抑制射频信号谐振。进一步地，所述的传输线结构，包括但不限于共面波导-背面导体-孔结构，传输线结构自下而上包括但不限制于钝化层、背面导体、衬底、孔、共面波导、钝化层，衬底材料包括但不限制于硅、玻璃、环氧树脂等，钝化层材料包括但不限制于聚酰亚胺，金属材料包括但不限制于铜。另外，传输线横截面积比较小，包括但不限于100um*5um，可使传输信号由介质表面引导而不会向外辐射；进一步地，所述传输线结构的孔，该形状包括但不限制于金属化圆柱体，孔沿信号传播方向排列，孔中心到信号线中心的距离包括但不限制于0.05mm+孔的半径+信号线宽度/2。另外，孔连接背面导体与共面波导地平面，可起到屏蔽作用，能够更有效地将射频信号聚集在内部介质层进行传输，防止信号传输过程中激励高次模、谐波、信号耦合，降低信号外部空间的辐射损耗，提高信号传输性能。进一步地，所述的金属焊盘，金属焊盘形状包括但不限制于圆柱体，金属焊盘包括但不限制于两层，两层金属焊盘直径包括但不限制于不同，Bump形状包括但不限制于球、圆柱体、孔等结构，Bump材料包括但不限制于有铅(Sn63Pb37)或无铅(SAC305)。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术通过在垂直互连结构的金属焊盘与Bump互连处添加介质，介质的电容效应抵消Bump的电感效应，降低阻抗失配，提高信号的传输性能(频段0.1GHz～100GHz，插入损耗最小0.55dB，回波损耗优于-20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，其特征在于：自上至下分别包括第一传输线、第一金属焊盘、第一介质、Bump、第二介质、第二金属焊盘、第二传输线；所述垂直互连结构在第一金属焊盘、第二金属焊盘与Bump的互连结构处之间分别添加第一介质、第二介质；第一介质、第二介质与金属焊盘、Bump之间产生电容效应，抵消Bump的电感效应，降低阻抗失配，提高信号传输性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，其特征在于：自上至下分别包括第一传输线、第一金属焊盘、第一介质、Bump、第二介质、第二金属焊盘、第二传输线；所述垂直互连结构在第一金属焊盘、第二金属焊盘与Bump的互连结构处之间分别添加第一介质、第二介质；第一介质、第二介质与金属焊盘、Bump之间产生电容效应，抵消Bump的电感效应，降低阻抗失配，提高信号传输性能。


2.根据权利要求1所述的用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，其特征在于：所述第一介质和第二介质的介电常数相同或不同。


3.根据权利要求1所述的用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，其特征在于：所述第一介质和第二介质为单层或多层，多层为不同介电常数的绝缘材料的组合，或者金属与绝缘介质的组合。


4.根据权利要求1或3所述的用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，其特征在于：所述第一介质和第二介质为单层时，单层介质厚度d，d＝ε0εrSw2L，其中ε0为真空介电常量，εr为介质的相对介电常数，S为金属焊盘面积，w为垂直互连结构的工作角速度，L为Bump的电感常量。


5.根据权利要求1或3所述的用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，其特征在于：所述第一介质和第二介质的直径相同或不相同；所述第一介质和第二介质的直径与金属焊盘的直径相同或不相同。


6.根据权利要求1所述的用于毫米波频段芯片封装的垂直互连结构，其特征在于：所述第一传输线、第二传输线是结构为共面波导-背面导体-孔；所述共面波导-背面导体-孔传输线自下至上分别包括钝化层、背面导体、衬底、共面波导和孔；共面波导在垂直互连处采用宽度渐变...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙陈红，林福江，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34