可应用于毫米波频段SMT贴装的扇出型封装结构的制作方法

可应用于毫米波频段smt贴装的扇出型封装结构
技术领域
1.本发明涉及半导体毫米波芯片封装领域，尤其涉及一种可应用于毫米波频段smt贴装的扇出型封装结构。


背景技术：

2.毫米波具有波长短、频率高、带宽大等特点，在5g通信、卫星通信等领域有着广阔的应用前景；另一方面，由于具有成像分辨率高、反隐身、抗干扰、穿透能力强等特点，毫米波系统在相控阵雷达、汽车雷达、安检成像等领域也有广泛应用。除此以外，毫米波还逐渐延伸到医学检测、空间探测等专有领域。
3.毫米波开关芯片作为毫米波收发系统中的主要控制电路，具有不可替代的特点。在通信或者雷达应用方面，主要用于发射机和接收机共用天线的收发转换；在成像应用方面，主要用于发射端信号通道的切换。
4.随着毫米波开关芯片在民用市场的应用扩展，对芯片的要求更加严格，芯片的环境适应性和长期可靠性成为制约毫米波开关芯片大批量应用的关键难题；以qfn封装技术为代表的传统塑封形式，基于引线框架，具备低成本、封装简单的特点，在数字、模拟、以及逻辑芯片领域的封装应用非常广泛，但是受限于基板材料、引线键合的影响，在毫米波频段寄生影响明显、损耗过大，因此毫米波芯片基于qfn封装的应用较少；基于晶圆级先进封装技术的扇出型封装形式，没有基板框架，成本更低，采用重新布线层以及凸点制备技术，实现信号的短距离传输。封装尺寸更小，互连密度更高，无需引线键合，毫米波频段的寄生效应更小，是毫米波开关芯片的理想封装形式。因此有必要开发一种基于晶圆级先进封装技术，可应用于毫米波频段的扇出型封装结构，既可以保证毫米波开关芯片射频指标不受较大影响，同时满足用户对长期可靠性、批量使用方便的要求。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是如何提供一种工作频率范围广，能够满足长期可靠性以及smt表贴的批量装配要求的可应用于毫米波频段smt贴装的扇出型封装结构。
6.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种可应用于毫米波频段smt贴装的扇出型封装结构，其特征在于：包括毫米波芯片，所述毫米波芯片的一面形成有介质层，所述毫米波芯片的另一面形成有外壳，通过所述介质层和外壳将所述毫米波芯片进行封装，所述介质层内形成有与所述毫米波芯片的射频输入输出端口连接的重新布线层，且外侧的部分介质层上形成有金属过孔，所述金属过孔位于内侧的一端与所述重新布线层连接，所述金属过孔位于外侧的一端形成有焊球，所述毫米波芯片的射频输入输出端口通过所述重新布线层以及焊球将射频输入输出信号引出。
7.优选的，所述毫米波芯片的输入输出端口为gsg端口，端口阻抗为50欧姆。
8.优选的，所述重新布线层为金属层，靠近毫米波芯片的部分介质层起到保护毫米波芯片作用，中间金属层与上侧的介质层的金属过孔相连。
9.优选的，中间金属层走线连接射频过孔的位置设计成共面波导结构的50欧姆传输线，其余直流过孔根据扇出型布局引出。
10.优选的，所述射频输入输出端口的中间为信号压点，信号压点的两侧为接地压点，所述信号压点与所述接地压点之间形成有间隔，两者不连接，所述信号压点通过金属过孔与一个焊球连接，所述接地压点通过金属过孔与两个以上的焊球连接。
11.优选的，与所述接地压点连接的焊球设置有六个，分别位于所述信号压点的两侧。
12.优选的，与所述信号压点连接的焊球与母板上的信号压点连接，与所述接地压点连接的焊球与母板上的接地压点连接。
13.优选的，所述介质层使用树脂进行制作。
14.优选的，所述金属过孔的外侧通过凸点制备的方式形成焊球。
15.优选的，与所述信号压点的单个焊球作为信号路径，与所述接地压点连接的多个焊球围绕信号焊球构成可以传输高频信号的类同轴过渡结构。
16.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：该结构的工作频率范围覆盖1ghz
‑
40ghz，性能优良；同时基于该封装结构的毫米波开关芯片能够满足长期可靠性以及smt表贴的批量装配要求。
附图说明
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
18.图1是本发明实施例所述封装结构的剖视结构示意图；图2是本发明实施例所述封装结构与母板焊接示意图；图3是本发明实施例中输入输出驻波曲线图；图4是本发明实施例中插入损耗曲线图；其中：1、毫米波芯片；2、介质层；3、外壳；4、重新布线层；5、金属过孔；6、焊球；7、信号压点；8、接地压点；9、母板上的信号压点；10、母板上的接地压点。
具体实施方式
19.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
21.本发明实施例公开了一种可应用于毫米波频段smt贴装的扇出型封装结构，所述结构基于三维电磁场仿真技术，采用基于扇出型先进封装工艺的共面波导结构以及类同轴低损耗互联过渡结构结合的技术方案，实现芯片裸片到封装外围焊点的过渡设计，其中芯片封装工艺步骤结合rdl重新布线技术与bga植球方式最终完成封装。采用介质层和重新布线层，介质层开金属过孔实现信号导通，通过凸点制备以及植焊球完成最终封装。
22.进一步的，所述具体封装结构如图1所示，包括毫米波芯片1，所述毫米波芯片1的
一面形成有介质层2，所述毫米波芯片1的另一面形成有外壳3，通过所述介质层2和外壳3将所述毫米波芯片1进行封装；所述介质层2内形成有与所述毫米波芯片1的射频输入输出端口连接的重新布线层4，且外侧的部分介质层上形成有金属过孔5，所述金属过孔5位于内侧的一端与所述重新布线层4连接，所述金属过孔5位于外侧的一端形成有焊球6，所述毫米波芯片1的射频输入输出端口通过所述重新布线层4以及焊球6将射频输入输出信号引出。
23.毫米波芯片射频输入输出端口为常规gsg端口，端口阻抗为50欧姆，然后通过金属过孔到达重新布线层，所述重新布线层4为金属层，靠近毫米波芯片1的部分介质层2起到保护毫米波芯片1作用，中间金属层与上侧的介质层的金属过孔相连，优选的，所述介质层2使用树脂进行制作。其中中间层金属走线连接射频过孔的位置设计成共面波导结构的50欧姆传输线，其余直流过孔根据扇出型布局合理引出。重新布线层金属层走线的引出端通过第二层树脂层的金属过孔相连，金属过孔底部通过凸点制备的方式形成焊盘。
24.芯片压点引出端外围的重新布线层一般由用户自行定义，考虑到芯片射频地的连贯性，布线层也需要大面积共地。共面波导形式由于与芯片压点形式接近，匹配简单，是一种最佳的射频传输方式。
25.焊盘处采用一种基于类同轴的三维传输过渡结构设计，最终与模组的pcb母板连接。芯片封装与母板焊接示意图2所示。所述射频输入输出端口的中间为信号压点7，信号压点7的两侧为接地压点8，所述信号压点7与所述接地压点8之间形成有间隔，两者不连接，所述信号压点7通过金属过孔5与一个焊球6连接，所述接地压点8通过金属过孔5与两个以上的焊球6连接。优选的，与所述接地压点8连接的焊球设置有六个，分别位于所述信号压点7的两侧。
26.进一步的，与所述信号压点7连接的焊球与母板上的信号压点9连接，与所述接地压点8连接的焊球与母板上的接地压点10连接。
27.为了实现表贴，信号经过重新布线层共面波导传输后，还需要与底部的pcb母板焊接，一般采用bga球栅阵列，通过焊球实现，这里需要同底部的pcb母板走线联合设计，如果通过单个焊球直接传输至pcb母板，损耗会非常大。因此本申请通过单个焊球作为信号路径，多个焊球围绕信号焊球，构成可以传输高频信号的类同轴过渡结构，实现信号从布线层共面波导至母板传输线的低损耗传输。
28.基于以上设计完成的扇出型封装结构射频性能良好，1ghz
‑
40ghz频段内的输入输出驻波小于1.2，插入损耗大于
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0.25db，如图3
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图4所示；同时基于该封装结构封装的芯片长期可靠性和环境适应性良好，可批量表贴装配。并且该封装结构还可以用于除开关芯片以外的其他类型如低噪放、功放、混频、倍频等毫米波芯片。
29.该结构的工作频率范围覆盖1ghz
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40ghz，性能优良；同时基于该封装结构的毫米波开关芯片能够满足长期可靠性以及smt表贴的批量装配要求。