[發明專利]W波段砷化鎵單片集成電路三維系統級封裝垂直互連結構

有效

• 申請號: 201710830761.3
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107731796B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 施永榮;張君直
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十五研究所
• 主分類號: H01L25/00
• 分類號: H01L25/00;H01L23/66;H01L23/538;H01L23/498
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種W波段砷化鎵單片集成電路三維系統級封裝垂直互連結構，該垂直互連結構包括GaAs單片集成電路自身的50歐姆微帶傳輸線，硅基板過孔和倒裝焊料球構成的類同軸線結構，硅基板上帶電容補償的50歐姆平面類同軸傳輸線結構；GaAs單片集成電路正裝在襯底介質基板上，倒裝在上層硅基板上；硅基板上50歐姆平面類同軸傳輸線結構具有阻抗匹配結構。本發明能夠實現GaAs單片集成電路在天饋一體化三維垂直互連系統級封裝架構中毫米波信號的寬頻帶傳輸，通過該垂直互連結構可以有效地將GaAs單片集成電路集成到小型化的天饋一體化三維微系統中，極大地豐富了W波段系統及封裝可選芯片的種類和性能。

技術領域

本發明屬于電磁場與微波技術領域，具體涉及一種W波段砷化鎵單片集成電路三維系統級封裝垂直互連結構。

背景技術

隨著半導體工藝技術的不斷進步，軍民用無線前端系統也正朝著高頻化方向發展。目前基于砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)以及磷化銦(InP)等工藝的單片集成電路工作頻率已高至1THz；毫米波模塊組件的工作頻率也正在朝THz頻段延伸。

針對導彈武器系統的精確制導、安防領域的安檢成像以及超寬帶星間通信，工作于W波段(94GHz)的毫米波前端系統備受世界范圍內各國研究人員的青睞，這方面的發展主要體現在如下三個方面：(1)以片上系統為代表的毫米波前端，即在半導體圓片上直接集成整個前端系統，該方法由于成本和開發時間周期因素僅適用于特定的應用背景，且片上由于采用一種半導體制程工藝，各部件的性能也往往受到一定的限制，片上天線的輻射效率也是其發展制約因素之一；(2)傳統波導腔體的W波段前端模塊組件，其受到機械加工精度的制約不適合大規模量產，且需要成熟工藝人員特殊的金絲鍵合操作，產品的批次一致性得不到很好的保障，笨重的體積及重量也是其缺陷之一；(3)結合半導體和基板加工工藝的系統級封裝，即通過各類基板和互連將現有各個芯片模塊有機集成在一起，構成具有一定性能的封裝模塊。

在W波段系統級封裝中，倒裝工藝是其中的關鍵互連工藝之一，然而目前除鍺硅(SiGe)芯片可以倒裝到襯底基板上外，傳統微帶線工藝的GaAs芯片仍然需要通過金絲鍵合到襯底基板上，也有少數采用共面波導和輸入輸出背孔工藝的GaAs芯片適合倒裝工藝，但是需要專門開發相應功能的GaAs芯片，成本較大，性能也受到一定限制，不適合目前W波段系統級封裝的應用發展。另外一方面，W波段系統級封裝目前天線和收發通道的集成基本還是采取平面二維的方式，雖然垂直三維系統級封裝的概念早已提出，但由于缺少垂直互連結構，限制了GaAs芯片在這類三維系統級封裝中的應用和發展。

發明內容

本發明的目的在于提供一種W波段砷化鎵單片集成電路三維系統級封裝垂直互連結構，實現GaAs芯片在天饋一體化三維垂直互連系統級封裝架構中毫米波信號的寬頻帶傳輸。

實現本發明目的的技術方案為：一種W波段砷化鎵單片集成電路三維系統級封裝垂直互連結構，包括襯底介質基板、硅基板上BCB介質、硅基板、襯底介質基板中金屬化柱、第一焊料球、襯底介質基板中金屬化柱陣列、GaAs芯片襯底、GaAs芯片上50歐姆微帶傳輸線BCB介質表面金屬平面、襯底介質基板上表面金屬、BCB介質中金屬化柱、BCB介質中50歐姆平面類同軸傳輸線的中心導體和第二焊料球；BCB介質設置在襯底介質基板和硅基板之間，GaAs芯片襯底設置在BCB介質和襯底介質基板之間，第一焊料球用于連接BCB介質表面金屬和襯底介質基板上表面金屬，第二焊料球用于連接中心導體和GaAs芯片上50歐姆微帶傳輸線。

與現有技術相比，本發明的顯著優點為：

本發明的W波段砷化鎵單片集成電路三維系統級封裝垂直互連結構，能夠有效解決傳統微帶線制作的GaAs芯片的接地問題以及GaAs芯片和垂直天線的互連問題，相比于需要專門設計共面波導傳輸線的GaAs芯片或者輸入輸出背孔工藝的GaAs芯片，采用本發明的三維互連可以將目前商業化得GaAs芯片應用于三維系統級封裝集成中，降低了成本，極大地豐富了W波段系統及封裝可選芯片的種類的性能。

附圖說明