专利名称：倒装芯片功率放大器和阻抗匹配网络的制作方法
技术领域：
本公开的实施例总体上涉及电路领域，并且更具体地涉及ー种倒装芯片功率放大器和阻抗匹配网络。
背景技术：
在给定实际的供应电压和天线阻抗的情况下，在功率放大器的输出要求具有大变压比的阻抗匹配网络。这些变压比通常超过12:1。这样的阻抗匹配网络通过层压载体中的表面安装器件(SMD)(如电容器)与导电元件(如电感器)的组合来实现。层压载体上的SMD和层压载体中的导电元件在制造方面具有显著的可变性并且占据功率放大器的占地面积的相当大的部分。
在附图的图中，通过示例的方式而不是通过限制的方式示出了实施例，其中，相似的附图标记表示相似的元件，并且在附图中图I示出了根据ー些实施例的射频功率放大器模块的截面视图。图2示出了根据ー些实施例的射频功率放大器模块的顶视图。图3示出了根据ー些实施例的射频功率放大器模块的顶视图。图4是根据一些实施例的射频功率放大器模块的电路图。图5是描绘了根据ー些实施例的组装射频功率放大器模块的处理的流程图。图6是根据本公开的ー些实施例的示例性无线通信设备。
具体实施例方式将使用本领域技术人员通常所使用的术语来对说明性实施例的各个方面进行描述，以将实施例的效果的实质传达给本领域技术人员。然而，本领域技术人员将明白，可以仅以所描述的方面中的若干方面实践替选实施例。出于说明的目的，阐述了具体的器件和配置，以提供对说明性实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将明白，可以在没有具体细节的情况下实践替选实施例。在其它示例中，省略或简化了公知的特征以不会使说明性实施例难理解。此外，进而按照最有助于理解本公开的方式将各种操作描述为多个分开的操作；然而，不应将描述的顺序理解为暗示这些操作必须是顺序相关的。具体地，这些操作不需要按照呈现的顺序来执行。重复使用短语“在一个实施例中”。该短语通常不是指同一个实施例；然而，该短语可以指同一个实施例。除非上下文另外指出，术语“包括(comprising)”,具有”和“包括(including)” 是同义的。在为可以结合各个实施例使用的语言提供某种清楚的上下文时，短语“A/B”以及“A和/或B”表示(A)、(B)或(A和B);并且短语“A、B和/或C”表示(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A 和 C)、(B 和 C)或(A、B 和 C)。本文中，可以使用术语“与…耦接”及其派生词。“耦接”可以表示下文中的ー个或更多个。“耦接”可以表示两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦接”也可以表示两个或更多个元件彼此间接接触，但是仍彼此合作或交互，并且“耦接”可以表示将ー个或更多个其它元件耦接或连接在被认为彼此耦接的元件之间。图I示出了根据各个实施例的射频(RF)功率放大器(PA)模块100的截面视图。RF PA模块100包括与载体基底112耦接的有源晶片(die)104和无源晶片108。如本文中所使用的，有源晶片可以指包括ー个或更多个集成有源部件 的晶片。有源部件是能够提供某种功率増益的部件，如晶体管。有源晶片104的有源部件可以形成RF功率放大器116，该RF功率放大器116被设计成对在RF PA模块100的输入118处接收的RF信号进行放大。可以在例如娃或神化嫁(GaAs)基底上实现有源晶片104。如本文中所使用的，无源晶片可以指严格地包括集成无源部件的晶片。无源部件是不能够提供功率増益的无功部件，如电感器、电容器、电阻器和/或传输线部件。无源晶片108的无源部件可以形成阻抗匹配网络120，该阻抗匹配网络120至少实现RF PA模块100的RF功率放大器116与输出122之间的大部分阻抗匹配。在一些实施例中，阻抗匹配网络120的无源部件中的一个或更多个无源部件可以被布置在载体基底112中，其余无源部件被布置在无源晶片108中。可以在例如低损耗基底(如高电阻率硅、玻璃或机械GaAs基底)上实现无源晶片108。有源晶片104和无源晶片108可以通过金属柱124和焊料帽128的阵列与载体基底112倒装芯片耦接。在一些实施例中，金属柱124可以是铜柱，并且焊料帽128可以是锡帽和/或银帽。金属柱124和焊料帽128可以将有源晶片104和无源晶片108与载体基底112机械和电耦接。载体基底112可以包括将RF功率放大器116与阻抗匹配网络120电耦接的迹线132。迹线132还可以将RF功率放大器116与输入118电耦接；以及将阻抗匹配网络120与输出122电耦接。载体基底112可以是层压载体，例如印刷电路板(PCB)。在一些实施例中，载体基底112可以是附接到另ー个更大的基底(例如，PCB)的一个或更多个引线框。例如，所有金属柱124可以具有至少约50微米(iim)的相等的高度。这样的高度可以在晶片(如有源晶片104和无源晶片108)与载体基底112之间提供期望的电隔离。在没有实现该期望的电隔离的情况下，载体基底112中的接地面134对晶片中的电路的电场会有不利影响。至少约50 iim的高度也可以有助于金属柱124周围以及金属柱124之间的环氧树脂和填料颗粒136的流动。可以将环氧树脂和填料颗粒136注入到模具中，使得其覆盖晶片并且保护晶片免受湿气和/或机械应カ。如果金属柱124小于约50 u m,则由于环氧树脂和填料颗粒136内的颗粒的尺寸，可以将环氧树脂和填料颗粒136的流动限制在晶片和载体基底112之间。在无源晶片108中实现阻抗匹配网络120以及将无源晶片108和有源晶片104 ニ者倒装芯片耦接到载体基底112可以提供大量优点。与现有技术的RF PA模块相比，ー个这样的优点是通过载体基底112从RF功率放大器116到阻抗匹配网络120的电气路径中的相对低的寄生电阻的实现。
现有技术的RF PA模块可以具有通过线键合与晶片外(off-die)阻抗匹配网络耦接的有源晶片。将有源晶片与晶片外阻抗匹配网络耦接的线键合将具有可变的环路长度，该可变的环路长度向其间的电气路径添加了寄生电阻并且增加了制造可变性。由于在RF功率放大器的输出处的低阻抗，例如2欧姆，所以电气路径中的过多的寄生电阻与显著的性能成本相关联。另ー方面，可以以非常高的晶片放置精确度来完成本公开中的晶片的倒装芯片耦接。该高的晶片放置精确度连同金属柱124的低的电阻和电感可以导致RF功率放大器116与阻抗匹配网络120之间的电气路径的低寄生电阻。进而，这甚至在有源晶片104的RF功率放大器116的相对低的输出阻抗的情况下有助于无源晶片108中的阻抗匹配网络120的实现。还通过组装过程中的降低的可变性提高了制造产量。
在无源晶片108中实现阻抗匹配网络120的电感器和电容器而不依赖于SMD，也可以降低对互连路径和安装垫的需要。这可以降低RF PA模块100的布线损失和整体占地面积。此外，通过避免在载体基底112中并入关键的磁或传输线结构，RF PA模块100避免了制造的显著变化以及与批处理相关联的大的关键尺寸。反而，可以使用照相平版印刷控制的处理来可靠地构造阻抗匹配网络120的集成无源部件。与在有源晶片104、载体基底112中提供无源部件或提供无源部件作为附接到载体基底112的表面的SMD相比，将无源部件集成在无源晶片108中也可以提供显著的成本优点。由于无源晶片108上彼此追踪的部件变化(例如，所有电容器的电容沿着相同的方向移动)，将无源部件集成在无源晶片108中仍可以进ー步提供性能优点。这与ー个部件在其公差范围的高端处而另一个部件在低端处的情况(这在SMD的情况下常常发生)相比导
致较高的产量。图2是根据一些实施例的RF PA模块100的顶视图。图2中示出了 RF PA模块100，其中没有环氧树脂和填料颗粒136。除了有源晶片104和无源晶片108之外，RF PA模块100可以包括大量旁路电容器204。旁路电容器204可以设置成跨接在电カ线上，并且可以操作为降低会出现在电カ输送系统中的噪声。虽然RF PA模块100被示出为具有与一个阻抗匹配网络(即阻抗匹配网络120)耦接的ー个RF功率放大器(即RF功率放大器116)，但是其它实施例可以具有包括在RF PA模块中的其它数目的RF功率放大器和/或阻抗匹配网络。图3示出了一个这样的示例。图3是根据一些实施例的RF PA模块300的顶视图。RF PA模块300可以类似于RF PA模块100，其中相似命名的部件基本上可以互換。然而，RF PA模块300可以包括两个有源晶片，例如有源晶片304和有源晶片308 ；以及两个无源晶片，例如无源晶片312和无源晶片316。RF PA模块300可以是双频带RF PA模块，其具有在有源晶片304中实现的、用于在第一频带(例如相对高的频带)中操作的第一 RF功率放大器320。RF PA模块300还可以包括在有源晶片308中实现的、用于在第二频带(例如相对低的频带)中操作的第二 RF功率放大器324。第一 RF功率放大器320可以与第一输入328电耦接，而第二 RF功率放大器324可以与第二输入332电耦接。第一 RF功率放大器320还可以与在无源晶片312中实现的第一阻抗匹配网络336电耦接。类似地，第二 RF功率放大器324还可以与在无源晶片316中实现的第二阻抗匹配网路340电耦接。第一阻抗匹配网络336还可以与第一输出344电耦接，并且第二阻抗匹配网络340还可以与第二输出348电耦接。类似于RF PA模块100,RF PA模块300也可以包括ー个或更多个旁路电容器352。虽然图3示出了每个阻抗匹配网络在其自身的无源晶片中实现，但是其它实施例可以包括在一个无源晶片中实现的多于ー个的阻抗匹配网络。类似地，虽然图3示出了每个RF功率放大器在其自身的有源晶片中实现，但是其它实施例可以包括在ー个有源晶片中实现的多于ー个的RF功率放大器。在一些实施例中，可以按照通过使用无源晶片上的集成无源 部件协助实现的方式选择阻抗匹配网络的架构。例如，格状匹配网络可以提供特别适合于无源晶片上的实现的紧凑架构。图4是根据各个实施例的RF PA模块400的电路图。RF PA模块400可以类似于RF PA模块100和/或RF PA模块300，并且与RF PA模块100和/或RF PA模块300基本上可互換。RF PA模块400包括正交RF功率放大器404，正交RF功率放大器404具有以正交方式(即以90度的相位增量)操作的第一 PA 408和第二 PA 412。第一 PA 408和第二 PA412可以在有源晶片416中实现。RF PA模块400还可以包括与正交RF功率放大器404电耦接的正交格状匹配网络420。正交格状匹配网络420可以在无源晶片422中实现，并且可以提供三端ロ无功网络中的正交相位结合和阻抗匹配。正交格状匹配网络420可以包括具有串联电感器428和分路电感器432的第一路径424以及具有串联电容器440和分路电容器444的第二路径436。如所示出的，两个并联路径424和436的输出可以结合到输出节点448处的单端输出。电阻器452可以表示输出负载。正交格状匹配网络420的紧凑架构可适合于无源晶片422上的全实现，同时仍在输出节点448上提供大量期望的阻抗匹配特性，如负载不灵敏度、低插入损失、低成本以及减小的电压驻波比(VSWR)。虽然图4示出了在本公开的实施例中会是特别有效的格状匹配网络的架构，即正交格状匹配网络420，但是其它实施例可以使用其它格状匹配网络，诸如在2011年3月23日提交的题为“QUADRATURE LATTICE MATCHING NETWORK (正交格状匹配网络)”的美国专利申请13/070, 424中示出和描述的格状匹配网络中的任ー个，该美国专利申请的全部内容通过引用合并到本文中。在其它实施例中，可以采用除了格状匹配网络之外的阻抗匹配网络。图5是描绘了根据各个实施例的组装RF PA模块的处理的流程图500。在块504中，“将金属柱附接到半导体晶圆”，组装处理可以包含将金属柱附接到半导体晶圆。如本文中所使用的，可以通过大量可能的微细加工处理中的任ー处理来实现ー个部件到另ー个部件的附接。可以根据要附接的材料和其它处理可变量选择具体的微细加工处理。这样的微细加工处理可以包含诸如但不限于沉积(或生长)、图案化和蚀刻的技木。在块508处，“将焊料帽附接到金属柱”，组装处理可以包含将焊料帽附接到金属柱中的每个金属柱。在块512处，“使半导体晶圆变薄”，组装处理可以包含减小半导体晶圆的厚度。在块512之前，会期望半导体晶圆具有特定厚度以增加机械稳定性并且避免高温处理步骤期间的翘曲。在一些实施例中，对于这些处理步骤，硅晶圆的厚度可以为大约750 iim。然而，最終封装的尺寸可以显著更小，因而可以在块512处减小半导体晶圆的厚度。在一些实施例中，半导体晶圆的厚度可以减小为小于250 u m。在块516处，“将晶片与半导体晶圆分离”，组装处理可以包含将晶片与半导体晶圆分离，晶片可以包括有源晶片和/或无源晶片。在一些实施例中，可以将半导体晶圆安装在切割胶带上，该切割胶带具有黏性背衬以在晶片分离后将晶片保持在合适的位置处。可以通过切割裂片、利用切割锯切割、或利用激光器切削来执行晶片的分离。在块520处，“将晶片与载体基底倒装芯片耦接”，组装处理可以包含将晶片(即有源晶片和无源晶片)与载体基底倒装芯片耦接。可以将附接有金属柱和焊 料帽的晶片放置在基底载体上的适当位置处。可以以非常高的精确度紧密地控制晶片的放置。如以上所讨论的，与依赖于线键合和/或SMD的现有技术的RF PA模块相比，晶片的精确放置可以有助于RFPA模块的提高的性能。一旦晶片被放置，可以将载体基底和晶片加热到以下温度该温度是至少与焊料帽相关联的回流温度并且小干与金属柱相关联的回流温度。然后，焊料帽将回流以将晶片与载体基底机械和电耦接。在块524处，“将附接的晶片二次成型(overmold)”，可以在晶片上放置一个或更多个模具并且可以将环氧树脂和填料颗粒放入模具中。环氧树脂可以固化并且可以移除模具。如以上所讨论的，固化的环氧树脂可以用于保护载体基底上的晶片免受湿气和机械应力。根据ー些实施例，在图6中示出了合并有RF PA模块604的示例性无线通信设备600的框图，RF PA模块604与RF PA模块100、300和/或400类似。除了 RF PA模块604之外，无线通信设备600可以具有至少如所示出的彼此耦接的天线结构614、双エ器618、收发器622、主处理器626和存储器630。虽然无线通信设备600被示出为具有发送和接收能力，但是其它实施例可以包括仅具有发送能力或仅具有接收能力的设备。在各个实施例中，无线通信设备600可以是但不限于移动电话、分页设备、个人数字助理、文本消息设备、便携式计算机、台式计算机、基站、用户站、接入点、雷达、卫星通信设备、或能够无线地发送/接收RF信号的任何其它设备。主处理器626可以执行存储在存储器630中的基本操作系统程序，以控制无线通信设备600的整体操作。例如，主处理器626可以通过收发器622控制信号的接收和信号的发送。如执行处理所期望的，主处理器626可以能够执行存在于存储器630中的其它处理和程序，并且可以将数据移入或移出存储器630。收发器622可以从主处理器626接收输出数据(例如，语音数据、网页数据、电子邮件、信令数据等)，可以生成RFin信号以表示输出数据，并且将RFin信号提供给RF PA模块604。收发器622还可以控制RF PA模块604，以在所选频带中且以全功率模式或回馈(backoff)功率模式操作。如本文中所描述的，RF PA模块604可以放大RFin信号以提供RFrat信号。可以将RFout信号转发给双エ器618并且然后发送给天线结构614用于空中(over-the-air, OTA)传输。以类似的方式，收发器622可以通过双エ器618从天线结构614接收输入的OTA信号。收发器622可以处理输入信号并将输入信号发送给主处理器626用于进一歩处理。
在各个实施例中，天线结构614可以包括一个或更多个定向天线和/或全向天线，包括例如偶极天线、单极天线、贴片天线、环形天线、微带天线、或适于RF信号的OTA发送/接收的任何其它类型的天线。本领域技术人员将认识到无限通信设备600是通过示例的方式而给出的，并且为了简洁和清楚，仅示出和描述了理解实施例所需要的无线通信设备600的结构和操作。根据具体需要，各个实施例考虑执行与无线通信设备600相关联的任何适当的任务的任何适当的部件或部件的组合。此外，应理解，无线通信设备600不应被理解为限制可以实现实施例的这些类型的设备。
虽然已根据上面示出的实施例描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解，在不背离本公开的范围的情况下，用以实现相同目的而设想的各种替选实现方式和/或等同实现方式可以代替所示出和描述的具体实施例。本领域技术人员将容易理解，可以在各个实施例中实现本公开的教导。该描述g在被认为是说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种装置，包括 载体基底； 第一晶片，所述第一晶片具有形成射频RF功率放大器的多个集成有源器件，其中，所述第一晶片通过第一组多个金属柱与所述载体基底倒装芯片耦接；以及 第二晶片，所述第二晶片具有形成阻抗匹配网络的多个集成无源器件，所述阻抗匹配网络通过所述载体基底与所述RF功率放大器电耦接，其中，所述第二晶片通过第二组多个金属柱与所述载体基底倒装芯片耦接。
2.根据权利要求I所述的装置，其中，所述第一组多个金属柱和所述第二组多个金属柱具有相等的闻度。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述相等的高度为大约50微米或更大。
4.根据权利要求I或3所述的装置，其中，所述第一组多个金属柱和所述第二组多个金属柱包括铜柱。
5.根据权利要求I所述的装置，其中，所述第一晶片通过第一组多个焊料帽与所述载体基底倒装芯片耦接，所述第一组多个焊料帽耦接到所述第一组多个金属柱中的各个金属柱，并且所述第二晶片通过第二组多个焊料帽与所述载体基底倒装芯片耦接，所述第二组多个焊料帽分别与所述第二组多个金属柱耦接。
6.根据权利要求I所述的装置，其中，所述载体基底是层压载体基底。
7.根据权利要求I所述的装置，其中，所述载体基底是一个或更多个引线框。
8.根据权利要求I所述的装置，其中，所述第二晶片不包含任何有源器件。
9.根据权利要求I所述的装置，其中，所述多个集成无源器件包括电感器和电容器。
10.根据权利要求I所述的装置，其中，所述阻抗匹配网络还包括所述载体基底中的一个或更多个无源器件。
11.根据权利要求I所述的装置，其中，所述阻抗匹配网络包括格状匹配网络。
12.根据权利要求I所述的装置，其中，所述RF功率放大器是正交功率放大器，并且所述阻抗匹配网络是正交格状匹配网络。
13.根据权利要求I所述的装置，其中，所述RF功率放大器是被配置成在第一频带中操作的第一 RF功率放大器，所述阻抗匹配网络是第一阻抗匹配网络，并且所述装置还包括 第三晶片，所述第三晶片具有被配置成在第二频带中操作的第二 RF功率放大器，其中，所述第三晶片通过第三组多个金属柱与所述载体基底倒装芯片耦接；以及 第二阻抗匹配网络，所述第二阻抗匹配网络通过所述载体基底与所述第二 RF功率放大器电耦接。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第二阻抗匹配网络被布置在所述第二晶片中或与所述载体基底倒装芯片耦接的第四晶片中。
15.—种方法,包括 将第一阵列的金属柱附接到有源晶片，所述有源晶片具有形成射频RF功率放大器的多个集成有源器件； 将第二阵列的金属柱附接到无源晶片，所述无源晶片具有形成阻抗匹配网络的多个集成无源器件； 将焊料帽附接到所述第一阵列的金属柱和所述第二阵列的金属柱中的各个金属柱；以及 将所述第一晶片和所述第二晶片与载体基底倒装芯片耦接，以将所述RF功率放大器与所述阻抗匹配网络电耦接。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括 将一个或更多个模具放置在所述第一晶片和所述第二晶片上；以及 将环氧树脂和填料颗粒放入所述一个或更多个模具中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一阵列的金属柱和所述第二阵列的金属柱具有为大约50微米或更大的相等的高度。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一阵列的金属柱和所述第二阵列的金属柱包括铜柱。
19.一种系统,包括 收发器，所述收发器被配置成生成射频RF信号； 射频RF功率放大器模块，所述射频功率放大器模块与所述收发器耦接，并且被配置成放大所述RF信号以提供放大的RF信号，其中，所述RF功率放大器模块包括 载体基底； 有源晶片，所述有源晶片具有射频RF功率放大器，其中，所述有源晶片通过第一组多个金属柱与所述载体基底倒装芯片耦接； 无源晶片，所述无源晶片具有阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络通过所述载体基底与所述RF功率放大器电耦接，其中，所述无源晶片通过第二组多个金属柱与所述载体基底倒装芯片耦接；以及天线，所述天线用以在空中发送所述放大的RF信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第一组多个金属柱和所述第二组多个金属柱包括铜柱。
全文摘要
公开了用于倒装芯片功率放大器和阻抗匹配网络的电路、装置和系统的实施例。可以描述和要求其它实施例。
文档编号H03H11/28GK102769434SQ20121013736
公开日2012年11月7日 申请日期2012年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者彼得·V·赖特 申请人:特里奎恩特半导体公司