[发明专利]一种硅基三维异构集成的射频微系统及其制造方法

说明书

本发明公开了一种硅基三维异构集成的射频微系统及其制造方法，本发明中的系统包括第一硅衬底层、第二硅衬底层、第三硅衬底层、第四硅衬底层、射频功放芯片、射频低噪放芯片、射频滤波器和射频开关，硅衬底层均为高阻硅晶圆，射频芯片和器件为采用不同衬底材料不同工艺制成；其中，把射频芯片和器件微组装在第一硅衬底层、第三硅衬底层内预先蚀刻好的腔体中，且第一硅衬底层、第二硅衬底层、第三硅衬底层和第四硅衬底层做低温晶圆级键合堆叠在一起，并通过硅通孔垂直互连，形成三维异构集成的射频微系统。本发明将异构射频芯片和器件进行三维集成，从而减小射频系统的体积，提高射频系统的封装密度，降低互连线的传输损耗，增强射频系统的性能。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种硅基三维异构集成的射频微系统及其制造方法。

背景技术

目前传统多芯片模块封装技术（Multi Chip Module，MCM）是高密度电子封装技术中代表性技术，它可以方便的实现有源/无源电路、基带/射频电路的集成，在电子系统中得到广泛应用。由于MCM只能通过衬底来实现立体化的高密度互连，互连线条的特征尺寸受工艺制约只能做到数十微米到数百微米，芯片采取水平化的排布方式，其在互连占用面积、信号传输长度与延迟将随着芯片数量和I/O引脚数的增加而迅速变大，难以满足未来射频微系统/电子模块在高密度、高速互连、具有紧凑外观、集成多种类型器件的技术需求。

随着电子产品不断向小型化、轻重量和多功能方向的推进，三维封装集成技术发展迅速。三维集成微系统采用硅通孔（TSV）技术，把RF前端、信号处理、数据存储、传感、控制甚至能量源等多种功能垂直堆叠在一起，以达到缩小尺寸、提高密度、改善层间互联、提高系统功能的目的。具有硅通孔结构的转接板作为2.5D/3D封装集成的核心结构，通过硅通孔提供垂直互连大大缩短了连线长度，同时其热膨胀系数与芯片较好匹配，并兼容多层金属布线工艺和圆片级工艺，可实现无源器件、MEMS、腔体、微流道、多芯片的高性能异构集成。

硅基三维异构集成的射频微系统，把不同衬底材料不同工艺的射频芯片和器件进行三维集成封装，可以缩小微系统尺寸，提高封装密度，减轻整体重量，增强微系统可靠性。硅基三维异构集成的射频微系统的制造方法，采用硅通孔技术、硅转接板技术、微组装技术和晶圆级键合技术，可以实现微系统的批量生产，获得更好的性能一致性。

发明内容

针对上述现有多芯片模块封装技术的不足，本发明提出了一种硅基三维异构集成的射频微系统及其制造方法，把不同衬底材料不同工艺的射频芯片和器件进行三维集成封装，缩小射频微系统尺寸，提高封装密度，减轻整体重量。

一种硅基三维异构集成的射频微系统，包括第一硅衬底层、第二硅衬底层、第三硅衬底层、第四硅衬底层、射频功放芯片、射频低噪放芯片、射频滤波器和射频开关；第一硅衬底层和第三硅衬底层的正面，第二硅衬底层和第四硅衬底层的背面，均蚀刻有腔体；第一硅衬底层、第二硅衬底层、第三硅衬底层和第四硅衬底层，均设有硅通孔；第一硅衬底层、第二硅衬底层、第三硅衬底层和第四硅衬底层，正面和背面均设有互连线；射频功放芯片、射频滤波器和射频开关位于第一硅衬底层的腔体中，射频低噪放芯片和射频滤波器位于第三硅衬底层的腔体中，所述射频功放芯片、射频低噪放芯片、射频滤波器和射频开关通过引线与硅衬底层上的互连线连接；第一硅衬底层、第二硅衬底层、第三硅衬底层和第四硅衬底层堆叠连接进行三维集成；第一硅衬底层的背面设有焊接金属球，以便在应用过程中与其它基板连接。

优选地，所述第一硅衬底层、第二硅衬底层、第三硅衬底层和第四硅衬底层为高阻硅衬底，电阻率大于1000Ω·cm。

优选地，所述射频功放芯片为氮化镓芯片、射频低噪放芯片为砷化镓芯片、射频滤波器为体声波器件和射频开关为砷化镓芯片。

优选地，所述硅衬底层中的硅通孔用于实现三维集成结构中的垂直互连；所述射频功放芯片底部的硅通孔用于散热和接地，所述射频低噪放芯片和射频开关底部的硅通孔用于接地。