具体实施方式

下面参考附图对具体示例进行详细描述。这些示例并非旨在进行限制，除非另有说明，否则没有特征是任何特定示例所必需的。此外，在以下描述中，在第二特征部上方或上面形成第一特征部可以包括第一特征部和第二特征部直接接触形成的示例以及在第一特征部和第二特征部之间形成附加特征部以使得第一特征部和第二特征部不直接接触的示例。

为了清楚起见，提供了描述取向的相对术语，例如“上面”、“下面”、“上方”、“下方”、“上”等，其并不是绝对关系。例如，如果器件的取向被翻转，则在第二元件“上面”的第一元件可以被准确地描述为在第二元件“下面”。

该说明书提供了一种半导体封装件，诸如单片微波集成电路(MMIC)封装件。该封装件包括发射器和接收器雷达天线以及带有雷达处理电路系统的集成电路管芯。该电路系统可以执行各种功能，诸如驱动控制发射器天线的信号和处理由接收器天线接收的信号。顾名思义，包括天线和控制电路系统的这类封装件可以被称为封装上天线(Antenna-On-Package(AOP))器件。将雷达天线并入与控制电路系统相同的封装件中可以避免通过印刷电路板将天线耦合到集成电路管芯的许多挑战。它还可以通过改善信号路径与发射和接收天线的耦合来降低功耗，从而提高雷达性能(例如，提高的最大范围)。它还可以极大地减小整个雷达系统的尺寸并简化雷达系统与车辆、工厂、设施或其他环境的集成。通过消除对昂贵的印刷电路板的需求，它还可以降低总体系统成本。

在一些示例中，集成电路管芯被布置在嵌入式管芯配置中，其中第一封装衬底附接到管芯的顶部并且第二封装衬底附接到管芯的底部。因此，管芯被固定并保护在衬底之间。衬底之一(例如，天线衬底)可以主要被保留以用于进出天线的射频信号，并且该衬底可以包括与管芯相对设置的天线本身。因为天线通过较薄的封装顶部而不是通过封装的块体(bulk)来辐射能量，所以可以提高天线效率并且可以减少杂散辐射。此外，该配置可以通过允许直接在管芯的顶部上形成天线来减小整体封装尺寸。作为又一个优点，该配置允许保留天线衬底的导体层级，用于以良好的隔离性和最小的路由损耗来路由进出天线的传输线。剩余的封装衬底可以被保留用于路由封装连接器与管芯之间的非射频I/O迹线。因此，也可以改进非射频迹线的路由，并且在一些示例中，I/O衬底包括比可比较示例更少的导体层，因为路由被简化。总之，该配置可以提供高天线效率、小尺寸和高效路由。

在一些示例中，天线是背腔式天线，其被定形且配置为提供良好的天线到天线隔离。在一些示例中，天线可以具有开缝的E形配置以提高天线带宽，并且可以基于期望的频率响应来调谐缝隙位置和深度。天线可以布置成阵列，并且在一些示例中，天线被布置成二维阵列以提供在不止一个维度上的波束成形。

为了将接收器天线与发射器天线隔离，该封装件可以在接收器天线和发射器天线之间并沿着封装件的边缘包括抑制表面波和杂散辐射的电磁带隙(EBG)结构。

这些优点仅作为示例提供，除非另有说明，否则对于任何特定实施例都不需要特别的优点。

参照图1和图2来描述AOP集成电路封装件100的示例。在这方面，图1是根据一些示例的AOP集成电路封装件100的一部分的截面图。图2是根据一些示例的AOP集成电路封装件100的俯视图。

集成电路封装件100可以包括若干集成电路管芯102。进而，每个集成电路管芯102可以包括形成在半导体衬底上的多个有源电路元件(例如，双极结型晶体管、场效应晶体管等)和/或无源电路元件(例如，电阻器、电容器、电感器、二极管、变压器等)。集成电路管芯102的电路元件可以执行与雷达感测相关的操作，诸如驱动雷达发射器天线以产生电磁波并且处理当反射的电磁波被雷达接收器天线接收时产生的信号。

在集成电路管芯102内，电路元件通过电互连件进行电耦合，该电互连件可以包括用于从管芯102发送和接收信号的若干键合焊盘104。为了将这些信号传送到管芯102之外，在管芯附接工艺期间通过合适的技术(诸如焊接、热超声键合、超声波键合、环氧树脂管芯附接和/或其他合适的技术)将焊盘104电耦合到封装件100的其余部分。

这些技术中的许多技术也提供一定程度的物理耦合，因为电耦合键合焊盘104的材料(例如，焊料、底部填充材料106)也将管芯102的顶部或表面物理地耦合到封装件。为了进一步固定管芯102并防止空气和/或湿气侵入，也可以将模塑料108施加到集成电路管芯102的顶部、侧面和/或底部。模塑料108可以包括具有一种或多种填料、催化剂、阻燃剂、粘合促进剂和/或其他添加剂的环氧树脂，并且可以被配置为在管芯102周围创建气密密封件。合适的模塑料108包括环氧甲酚酚醛(ECN)树脂和其他类型的树脂。

图示的封装件100是嵌入式管芯封装的示例，因为集成电路管芯102被耦合到一对封装衬底110和112，在管芯102的两侧上各有一个封装衬底。在雷达应用中，第一衬底(例如，天线衬底110)可以主要用于传送进出天线的射频信号，所述天线可以被并入天线衬底110中。第二衬底(例如，I/O衬底112)可以主要用于在管芯102和球栅阵列(BGA)之间传送非射频信号。与其他替代布置相比，管芯102在天线衬底110和I/O衬底112之间的布置提供了抗弯曲、冲击和振动的附加阻力，并且提供了对空气、湿气和灰尘侵入的改进的抵抗力。然而，嵌入式管芯布置仅是一个示例，并且可预期并提供封装件100的其他布置。

每个封装衬底110和112可以包括一个或多个介电层114-128，这些介电层提供物理支撑和隔离以及互连导体的网络。介电层的示例包括：阻焊层114、122、124和128；中间介电层116和120；以及核心介电层118和126。

在一个示例中，天线衬底110包括与管芯102相对设置的背面阻焊层114、设置在背面阻焊层114上的第一中间介电层116、设置在第一中间介电层116上的核心介电层118、设置在核心介电层118上的第二中间介电层120，以及靠近管芯102设置在第二中间介电层120上的正面阻焊层122。

在该示例中，I/O衬底112包括靠近管芯102设置的正面阻焊层124、设置在正面阻焊层124上的核心介电层126以及设置在核心介电层126上的背面阻焊层128。在进一步的示例中，封装衬底110和112可以包括其他数量的介电层。

因为它们可以形成封装件的外部，所以阻焊层114、122、124和128(也可以被称为焊料掩模层)可以包括被选择为不透空气和湿气的介电材料，以提供良好的抗裂性，并且除了提供电气隔离外，还控制焊料流动。阻焊层114、122、124和128可以形成为任何合适的厚度，并且在各种示例中，阻焊层114、122、124和128的厚度在约5μm和约30μm之间。

中间介电层116和120可以包括任何合适的介电材料，并且一些示例包括树脂层压板。中间介电层116和120可以被形成为任何合适的厚度，并且在各种示例中，厚度在约10μm和约50μm之间。

核心介电层118和126可以提供刚性的块体并且可以被相应地配置。在这方面，核心介电层118和126可以比阻焊层114、122、124和128以及中间介电层116和120更厚。在一些示例中，核心介电层118和126的厚度在约100μm和约400μm之间。核心介电层118和126可以包括任何合适的介电材料，其可以部分地基于对变形的抵抗力来选择。在各种示例中，核心介电层118和126包括树脂层压板和陶瓷。

导电迹线贯穿介电层114-128以在集成电路封装件100的器件之间传送信号和功率。这些迹线可以在主要水平延伸的导体层130-140和主要竖直延伸的导电通孔142-148之间划分。为了便于参考，天线衬底110的水平导体层130-136被称为M1层130、M2层132、M3层134和M4层136；通孔层142-146被称为V1层142、V2层144和V3层146。类似地，I/O衬底112的水平导体层138和140被称为M1层138和M2层140；并且通孔层148被称为V1层148。在进一步的示例中，天线衬底110和I/O衬底112包括其他数量的导体层。层130-148内的导电迹线可以包括任何合适的导电材料，诸如铜、铝、金、银、镍、钨和/或它们的合金。

集成电路封装件100可以包括在管芯旁边的第一组封装互连连接器150，诸如插入器、桥接器、球栅阵列、触点栅格阵列和/或针脚栅格阵列，以在天线衬底110的导电层和I/O衬底112的导电层之间传送信号和功率。封装互连连接器150可以延伸穿过模塑料108以将天线衬底110物理地和电气地耦合到I/O衬底112。

集成电路封装件100还可以包括第二组封装互连连接器152，例如球栅阵列连接器、触点栅格阵列连接器、针脚栅格阵列连接器和/或表面贴装引线，以在集成电路封装件100的器件和雷达系统的其余部分之间传送信号和功率。特别地，I/O衬底112和/或天线衬底110的导电特征部将封装互连连接器152耦合到集成电路管芯102以传送信号和功率。

AOP封装件100可以包括耦合到管芯102的电路系统的若干天线。发射器天线154和接收器天线156的示例在图2的俯视图中示出。在该特定视图中，天线衬底110的最顶部阻焊层114被省略以更好地示出包括天线衬底110的M1层130的下衬层，其用于形成一组雷达发射器天线154和一组雷达接收器天线156。在随后的图中更详细地描述天线154和156的示例结构。

取决于应用，集成电路封装件100可以包括任何数量的雷达发射器天线154和接收器天线156。这些天线可以分组为阵列，并且在一些示例中，发射器天线154和接收器天线156被布置成产生多输入多输出(MIMO)阵列。依据阵列中的天线的物理布置，MIMO阵列可以允许在不止一个平面(例如，方位平面和仰角平面)中进行波束成形。

图示的封装件100是产生具有M*N个虚拟元件的MIMO阵列的天线配置的示例，其中M表示发射器天线154的数量，而N表示接收器天线156的数量。根据应用，天线154和156可以被布置在多维阵列和/或单维阵列中。在多维阵列示例中，发射器天线154在第一方向158上偏移于一些发射器天线154并且在垂直于第一方向158的第二方向160上偏移于其他发射器天线154。类似地，在该示例中，接收器天线156在第一方向158上偏移于一些接收器天线156并且在第二方向160上偏移于其他接收器天线156。在单维阵列示例中，发射器天线154在第一方向158上对齐并且接收器天线156在相同方向158上对齐。

在这些阵列内，发射器天线154可以彼此间隔开任何合适的量，并且接收器天线156可以彼此间隔开可与发射器天线154的间隔相同或不同的任何合适的量。在一些示例中，天线154和156被配置为以一组频率发射和接收电磁波并且以基于中心频率处的电磁波的波长的中心到中心的间距布置(例如，约5毫米的波长对应于约60GHz的中心频率)。在一些此类示例中，相邻的发射器天线154以中心频率处的一个波长的间距162布置，并且相邻的接收器天线156以中心频率处的波长的约一半的间距164布置。

为了更好地将接收器天线156与发射器天线154的直接干扰隔离开，集成电路封装件100还可以包括发射器天线154与接收器天线156之间的电磁带隙(EBG)结构166。在一些示例中，EBG结构166被配置为抑制沿集成电路封装件100的表面波和其他干扰源。在各种示例中，EBG结构166已被证明将隔离度提高6dB或更多。EBG结构166还可以被配置为改善天线154和156的辐射图。EBG结构166可以包括在导体层130、132、134、142和144中的多个导电特征部，并且示例配置在下面更详细地描述。

参考图3和图4A-图4E来描述适合用作天线154和/或156之一的封装集成天线302的示例。图3是根据一些示例的包括封装集成天线302的封装件300的一部分的透视图。图4A-图4E是封装件300的一部分的特定导体层的透视图。这些导体层对应于图1和图2的天线衬底110的各层。图4A是根据一些示例的包括封装集成天线302的封装件300的M3层134的透视图。图4B是根据一些示例的包括封装集成天线302的封装件300的V2层144的透视图。图4C是根据一些示例的包括封装集成天线302的封装件300的M2层132的透视图。图4D是根据一些示例的包括封装集成天线302的封装件300的V1层142的透视图。图4E是根据一些示例的包括封装集成天线302的封装件300的M1层130的透视图。

封装集成天线302可以由其并入其中的封装件的一层或多层形成。在一些示例中，封装集成天线302包括天线衬底110的M1层130、M2层132、M3层134、V1层142、V2层144、正面阻焊层114、中间介电层116以及核心介电层118，每个层基本如上所述。在图3的透视图中，介电层是半透明的以避免遮蔽导电特征部。

首先参考图3和图4A，在M3层134中，封装件300可以包括在天线302下方延伸并延伸到天线302之外的导电材料的第一接地平面304。参考图3和图4B，在V2层144中，封装件300可以包括将第一接地平面304耦合到M2层132中的第二接地平面308的一个或多个通孔306。通孔306可以限定位于天线302的贴片316正下方的腔室的侧面。该腔室可以容纳居间介电层(例如核心介电层118、中间介电层116等)的介电材料，同时在M1层130中的天线贴片316与M3层中的第一接地平面304之间没有任何导电特征部(可能除了耦合到天线302的传输线310和通孔312A)。以此方式，所得到的天线302可被视为背腔式天线302。该配置可以提高天线302的隔离度和/或提高辐射效率。

此外，通孔306可以限定并围绕M2层132中的导电传输线310的切口。V2层144也可以包括将传输线310耦合到下层并耦合到管芯102的键合焊盘104的一个或多个通孔306A。

参考图3和图4C，在M2层132中，封装件300可以包括围绕天线302但不在其正下方延伸的第二接地平面308。以此方式，M2层132进一步限定了天线302下方的腔室。

M2层132也可以包括耦合到天线302的导电传输线310(例如，微带线或带状线)。在发射器天线154的情况下，传输线310将驱动信号从管芯102传送到天线302，这使得天线302产生电磁波。在接收器天线156的情况下，传输线310响应于反射和/或接收的电磁波将由天线302产生的信号传送到处理信号的管芯102。M2层132中的第二接地平面308可以被切掉以便不耦合到传输线310。

为了最小化损失和/或减少信号反射，天线可以与管芯102的电路系统阻抗匹配。相应地，在图4C的一些示例中，传输线310包括具有变化的迹线宽度以调谐阻抗的一个或多个部分311。在一些此类示例中，传输线310包括串联的四分之一波短截线，诸如四分之一波变压器短截线，其被配置为调整天线的阻抗以匹配管芯102上的电路系统的阻抗。

参考图3和图4D，在V1层142中，封装件300可以包括将第二接地平面308耦合到M1层130中的第三接地平面314的一个或多个通孔312。通孔312可以进一步限定天线302下方的腔室并且进一步限定用于传输线310的切口。V1层142还可以包括将传输线310耦合到M1层130中的天线贴片的一个或多个通孔312A。

参考图3和图4E，在M1层130中，封装件300可以包括第三接地平面314和天线302的贴片316。如上所述，天线302可以被配置为以一组频率发射和/或接收电磁波。在一些示例中，天线302针对60GHz雷达进行调谐并且提供从60GHz到64GHz的至少4GHz的带宽。该组频率可以操控天线的形状和结构，包括贴片316。在一些示例中，贴片316具有连续的几何形状(例如，从一端到另一端不间断地延伸的简单矩形)，但是它也可以具有任何其他合适的天线形状。因此，在一些示例中，贴片316包括中心部分318和设置在相对侧上的侧部320，这些侧部320通过在平行于贴片316的边缘的方向上部分地延伸穿过贴片316的凹槽与中心部分318部分地分开。在贴片316在第一方向上具有在约1000μm和约2000μm之间的宽度322并且在第二方向上具有在约700μm和约1300μm之间的长度324的一些示例中，凹槽可以在第二方向上在约400μm和约1250μm之间延伸进入贴片316(例如，比贴片长度324小约50μm)。在这种示例中，凹槽在第一方向上可以具有在约25μm和约150μm之间的宽度并且可以形成中心部分318和侧部320以在第一方向上具有在约200μm和约1800μm之间的宽度。中心部分318和侧部320的宽度可以彼此相同或不同。当然，可预期并提供贴片316的其他配置。

参考图5A-图5E描述适合用作天线154和/或156之一的封装集成天线502的进一步示例。图5A-图5E所示的各层对应于图1和图2的天线衬底110的层。图5A是根据一些示例的包括封装集成天线502的封装件500的M3层134的透视图。图5B是根据一些示例的包括封装集成天线502的封装件500的V2层144的透视图。图5C是根据一些示例的包括封装集成天线502的封装件500的M2层132的透视图。图5D是根据一些示例的包括封装集成天线502的封装件500的V1层142的透视图。图5E是根据一些示例的包括封装集成天线502的封装件500的M1层130的透视图。

在许多方面，封装件500基本上类似于图3-图4E的封装件300。例如，参考图5A，封装件500可以包括在M3层134中的导电材料的第一接地平面304，该第一接地平面304在天线502的正下方延伸并延伸超出天线502。参考图5B，在V2层144中，封装件500可以包括将第一接地平面304耦合到M2层132中的第二接地平面308的一个或多个通孔306。通孔306可以限定在天线502的正下方的腔室。V2层144还可以包括将传输线310耦合到下层并耦合到管芯102的键合焊盘104的一个或多个通孔306A。

参考图5C，在M2层132中，封装件500可以包括围绕天线502但不在其正下方延伸的第二接地平面308。以此方式，M2层132进一步限定了天线502下方的腔室。

M2层132还可以包括耦合到天线502的导电传输线310。为了最小化损耗和/或信号反射，天线502可以与管芯102的电路系统阻抗匹配。因此，在图5C的一些示例中，传输线310包括一个或多个短路或开路短截线504以调整天线的阻抗来匹配管芯102上的电路系统的阻抗。

参考图5D，在V1层142中，封装件500可以包括将第二接地平面308耦合到M1层130中的第三接地平面314的一个或多个通孔312。V1层142还可包括将传输线310耦合到M1层130中的天线贴片的一个或多个通孔312A。

参考图5E，在M1层130中，封装件500可以包括第三接地平面314和天线502的贴片316。贴片316可以基本上类似于上文描述的贴片并且可以被配置为以一组频率发射和/或接收电磁波。在一些示例中，贴片316包括中心部分318和设置在相对侧上的侧部320，这些侧部320通过在平行于贴片316的边缘的方向上部分地延伸穿过贴片316的凹槽与中心部分318部分地分开。

图3-图5E的天线仅是合适天线的一些示例，并且该封装件可以附加地和替代地包含其他合适的天线结构。

如图2所示，AOP封装件100可以包括设置在发射器天线154和接收器天线156之间的EBG结构166。EBG结构166可以包括彼此直接接触设置的任意数量的重复EBG单元。参考图6来描述适合用于EBG结构166中的EBG单元602的示例。图6是根据一些示例的包括EBG单元602的封装件600的透视图。相邻的EBG单元602沿着虚线边界对齐。

EBG单元大小取决于EBG单元602意图抑制的频率或频率范围。在一些示例中，它是长度和宽度在约200μm至500μm之间的方形单元，以抑制57GHz至64GHz的波。

类似于封装集成天线，EBG单元602可以由它被并入的封装件的一层或多层形成。在一些示例中，EBG单元602包括天线衬底110的M1层130、M2层132、M3层134、V1层142、V2层144、正面阻焊层114、中间介电层116和核心介电层118的特征部，每个特征部基本上如上所述。为清楚起见，介电层是透明的，以显示下衬的导体层。

在M3层134中，EBG单元602可以包括沿着整个EBG单元602延伸的底部导电特征部604。当EBG单元602被设置在EBG结构166中的另一个EBG单元602旁边时，底部导电特征部604可以跨EBG单元602耦合，使得组合的底部导电特征部604沿着整个EBG结构166延伸。特别地，组合的底部导电特征部604可以延伸越过EBG结构166以耦合到(一个或多个)天线302下方的第一接地平面304。

在M2层132中，EBG单元602可以包括中间导电特征部606。取决于EBG单元602意图抑制的频率或频率范围，中间导电特征部606可以具有任何合适的形状。在一些示例中，中间导电特征部606是长度在约200μm和约500μm之间并且宽度在约200μm和约500μm之间的矩形棱柱。中间导电特征部606的尺寸可以被设计成使得一个EBG单元602的中间导电特征部606和相邻EBG单元602的中间导电特征部606以在约20μm和约100μm之间的间隙隔开。

在V2层144中，EBG单元602可以包括将底部导电特征部604耦合到中间导电特征部606的通孔608。

在M1层130中，EBG单元602可以包括顶部导电特征部610。与中间导电特征部606一样，顶部导电特征部610可以具有任何合适的形状，这取决于EBG单元602意图抑制的频率或频率范围。在一些示例中，顶部导电特征部610是与下衬的中间导电特征部606具有基本相同尺寸和形状的矩形棱柱(例如，长度在约200μm和约500μm之间并且宽度在约200μm和约500μm之间)。顶部导电特征部610的尺寸可以被设计成使得一个EBG单元602的顶部导电特征部610和相邻EBG单元602的顶部导电特征部610以在约20μm和约100μm之间的间隙隔开。

在V1层142中，EBG单元602可以包括将中间导电特征部606耦合到顶部导电特征部610的通孔612。

当然，这些仅仅是EBG单元602的一些示例，并且可预期并提供其他合适的EBG单元602。

参考图7描述其中可以使用AOP集成电路封装件100、300、500和/或600的系统700的示例。在这方面，图7是根据一些示例的车辆雷达系统700的框图。

系统700包括一组发射器天线702、一组接收器天线704和雷达控制器706。发射器天线702可以基本类似于上文的发射器天线154，并且接收器天线704可以基本类似于上文的接收器天线156。相应地，一组发射器天线702和一组接收器天线704可以物理地并入与上文的电路封装件100、300、500和/或600基本相似的AOP集成电路封装件708中。进而，雷达控制器706可以被容纳在一个或多个管芯(诸如上文的管芯102)中并且物理地并入AOP集成电路封装件708中。

可以通过将任何数量的集成电路封装件708的实例部署在周边以检测其他车辆、部署在内部以检测乘客、和/或部署在整个车辆中的任何其他合适的位置来将系统700并入汽车或其他交通工具中。在一些示例中，系统700包括在整个车辆中部署的多达30个或更多的集成电路封装件708以用于避免碰撞。

系统700还包括控制器局域网(CAN)总线710，该CAN总线将集成电路封装件708通信地耦合到系统级控制器712、显示器714、声音警报设备716和/或自动车辆转向控制器718中的一个或多个。

在操作中，雷达控制器706生成雷达信号并且一个或多个发射器天线702辐射对应的电磁波。周围环境中的物体可以反射电磁波，导致一个或多个接收器天线704接收到反射的回波。雷达控制器706可以从接收器天线704接收对应的雷达信号并且可以处理该信号。雷达控制器706然后可以通过CAN总线710传输关于雷达信号的数字信息或雷达返回的数字信息。

系统级控制器712从CAN总线710接收信息并处理该信息。在一些示例中，系统级控制器712处理该信息以确定碰撞是否即将发生。如果是，则系统级控制器712可以发送使显示器714和/或听觉警报设备716警告驾驶员的警告或通知。附加地或替代地，系统级控制器712可以向自动车辆转向控制器718发送命令以采取行动来避免碰撞，诸如转向或刹车。可以基于来自其他AOP集成电路封装件708的输入，在系统级控制器712确定远离即将发生的碰撞的转向不会转向到不同的碰撞情况下调节这种碰撞避免转向命令。

在本文中描述的集成电路封装件可以有利地用于与汽车雷达无关的其他系统和设计中。就此而言，虽然汽车雷达MMIC是一个示例，但是这些教导对其他非汽车和非雷达应用的应用与本说明书一致并被本说明书预期。