[发明专利]晶圆级封装中球栅阵列毫米波宽带匹配结构及设计方法

说明书

晶圆级封装中球栅阵列毫米波宽带匹配结构及设计方法，属于微波与毫米波封装电路系统技术领域，所述的微波介质基板上表面沿着x轴正方向依次连接的第一枝节信号线、多级阶梯阻抗谐振器、前端电路传输线；中心信号BGA焊球连接结构输出的毫米波信号，经过第一枝节信号线传输至多级阶梯阻抗谐振器实现宽带匹配，再由多级阶梯阻抗谐振器传输至前端电路传输线输出，实现了中心信号BGA焊球连接结构与前端电路传输线的宽带匹配，解决了三维晶圆级封装中硅通孔BGA互连阻抗补偿结构中的由于BGA焊球底部大小大于微波介质基板前端电路的信号线宽度而导致的硅通孔BGA互连阻抗补偿结构与前端电路信号线之间的阻抗的不匹配的问题。

技术领域

本发明属于微波与毫米波封装电路系统技术领域，具体涉及晶圆级封装中球栅阵列毫米波宽带匹配结构及设计方法。

背景技术

随着现代通信技术和雷达技术的快速发展，电路系统向高集成度、高速度、小型化、低功耗的方向发展，连接芯片与基板的互连结构的尺寸在高频微波条件下已与信号波长属同一量级，这使得信号在传输线上呈现波动效应，对信号传输产生不利影响。因此，封装已成为制约高频集成电路发展的关键因素。先进的三维晶圆级封装互连为小型化高性能的射频集成系统的快速发展为解决所带来的瓶颈提供了一个可行的技术方案。得益于芯片倒装技术，芯片内部硅通孔(Through Silicon Via，TSV)经过芯片端口通过球栅阵列(BallGrid Array,BGA)焊球垂直键合到与微波介质基板的方式形成三维堆叠结构。三维集成不仅实现了多层封装系统在垂直方向上的互连，也实现了相邻层之间的电学连接。显而易见，三维晶圆级封装技术能够大大的提高系统集成度，显著减少了长互连线的使用，提高了信号传输质量，进而降低了系统功耗。

首先，随着5G通信和汽车雷达等领域的迅速发展，人们对高速率和高分辨率的射频封装系统的需求不断提高，封装中射频电路的工作频率也不断提升，频段升高至毫米波频段，从而使得三维晶圆级封装中互连结构带来的阻抗不连续性变大，由于硅通孔与BGA的功能是连接芯片层到微波介质基板层的互连结构，其特征阻抗与板上信号线阻抗的失配会导致高频信号在封装系统中传输产生信号反射，进而损坏了信号的传输质量，增加了系统的功耗，减弱了系统的性能，因此如何消除BGA互连结构带来的高频寄生效应，实现封装系统中互连结构阻抗匹配变得越来越重要。

其次，针对高性能、小型化的高频射频封装系统，封装系统工作频率升高至毫米波频段，除了解决三维晶圆级封装中互连结构带来的芯片到微波介质基板的阻抗不匹配问题，互连结构与微波射频基板前端电路的匹配结构同样重要。

现有技术中，Wang Chun Long提出了一个基于局部匹配倒装芯片封装设计。该结构减去了互连结构中共面波导地平面多余横向导体，通过选择适当的横向变化，实现良好的互连结构阻抗匹配，但该CPW到CPW的互连结构不适用于三维晶圆级封装的具有硅通孔和球栅阵列的先进封装工艺；日本的Young K.Song提出了一种新型的倒装芯片共面带状线互连结构，该结构测得频率在35GHz时插入损耗小于3dB和频率在29GHz时回波损耗高于15dB，互连结构损耗较大；Young Seek Cho提出了一种局部匹配倒装芯片的互连结构，该结构在传统倒装芯片互连模型上通过添加微机械特性的空气囊和凹槽来实现更好的传输特性，但增大了互连结构的加工复杂度和厚度，不适用于高性能小型化的毫米波射频封装系统。

针对高性能、小型化的高频射频封装系统，封装系统工作频率升高至毫米波频段，除了解决三维晶圆级封装互连结构带来的芯片到微波介质基板的阻抗不匹配问题，互连结构与微波射频基板前端电路的匹配结构同样重要。

随频率升高至毫米波频段，BGA焊球底部大小已经大于微波介质基板前端电路的信号线宽度，较宽的硅通孔BGA互连阻抗补偿结构与较窄的前端电路信号线间需要经匹配结构实现宽度与阻抗的匹配。