(57)【要約】      （修正有）【課題】ミリ波アプリケーションのための一体化された受動構成部品をもつＳｉベース・パッケージを提供する。【解決手段】アンテナ構造体２２の一部のためのキャビティを有し、導体貫通ビア３を有するインターポーザ１と、相互接続配線７２，７３，７４を有し、そこに集積回路チップ２１を電気的に取り付けるためのパッドを有する上部Ｓｉ部分６と、を組み込んだ装置が説明され、ここで上部Ｓｉ部分は、インターポーザと電気的に及び機械的に結合される。インターポーザ及び上部Ｓｉ部分は、機能単位のＳｉベース・パッケージを提供するようスケーリングすることができる。信号周波数が１から１００ＧＨｚであるＳｉベース・パッケージにおいて高効率アンテナと集積回路チップとを組み合わせる際の問題、及びアンテナに近接する構成部品を遮蔽する際の問題を克服し、ＴＣＥの不整合により生じる歪みを減少させる。【選択図】図１
2008042904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面及び下面を有する基板を含むインターポーザであって、前記上面はアンテナ構造体の一部を形成するための少なくとも１つのキャビティを有し、前記インターポーザは前記上面から前記下面への導電性貫通ビアを含んでおり、前記下面における前記導電性貫通ビアが電気信号源及び電圧源に連結するようになっている、インターポーザと、
下面に相互接続配線を有し、集積回路チップを電気的に取り付けるための第１パッドを有する、上部Ｓｉ部分と、
を含み、
前記上部Ｓｉ部分は、前記インターポーザの前記上面における複数の前記導電性貫通ビアと結合する前記下面の第２パッドと、前記上部Ｓｉ部分が前記インターポーザと結合されるときに前記アンテナ構造体を形成するための前記キャビティ上に位置決めされるアンテナと、を有する、
Ｓｉベース・パッケージ。
【請求項２】
前記インターポーザおよび前記上部Ｓｉ部分のそれぞれはＳｉ及び石英からなる群から選択され、前記上部Ｓｉ部分の熱膨張係数が前記インターポーザの熱膨張係数と適合する、請求項１に記載のＳｉベース・パッケージ。
【請求項３】
前記上部Ｓｉ部分は、前記アンテナの信号伝播を収束させるように、前記アンテナ構造体上にレンズを形成するように成形された誘電材料領域を含む、請求項１に記載のＳｉベース・パッケージ。
【請求項４】
前記キャビティは、前記インターポーザの前記上面に対してある角度で傾斜した平坦な底面を有する、請求項１に記載のＳｉベース・パッケージ。
【請求項５】
前記キャビティは、前記アンテナ信号伝播を収束させるように湾曲した底面を有する、請求項１に記載のＳｉベース・パッケージ。
【請求項６】
前記アンテナは、一端から他端にかけて両者間の間隔が大きくなる２つの離間した電極を含み、前記間隔が前記電極の面内で最大となる場所で、アンテナ信号の伝播が前記離間した電極から生じるようになっている、請求項１に記載のＳｉベース・パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｉベースのパッケージに関し、具体的には、保護対象のＲＦＩＣ（無線周波数集積回路）チップ、Ｉ／Ｏ信号用貫通ビア、アンテナ及び必要なＲＦ受動部品（レジスタ、キャパシタ、インダクタ、フィルタ、スイッチ等）の全てを、１つのＳｉベース・インターポーザ内に組み合わせることができる高周波用途を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
無線電子機器産業における小型化への傾向が続く状況で、ミリメートル波（ミリ波）システムの性能、サイズ及び費用は、選択されるパッケージング技術によって制限されることが多い。選択されるパッケージング手法は、機械的な支持を提供するとともに、種々のマイクロ波構成部品を電気的に接続しなければならない。重要な構成部品としては、ＲＦＩＣチップ、高効率アンテナ、伝送ライン、キャパシタ、インダクタ、レジスタ、ＭＥＭＳデバイス、及び種々の種類のフィルタが挙げられる。ＲＦＩＣチップは、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣＭＯＳ又はＳｉＧｅのような種々の半導体技術を用いて製造され、パッケージ内に取り付けることができる。
【０００３】
１から１００ＧＨｚで動作するミリ波トランシーバ用途のためのパッケージでは、アンテナは無線機として完全に機能するように組み込まなければならない。現在、いずれかのアンテナ構造体を好適なパッケージに一体化するための最大の課題は、適当なアンテナ効率を保証することである。Ｓｉのような材料は、アンテナ性能を妨害するために、高周波数においては従来から避けられるか又は慎重に使用される。従来の唯一の選択肢は、高度に複雑で費用のかかるパッケージは高価な低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板を用いることであった。最近では、単一チップ・ソリューションの場合に低費用のプラスチック・パッケージの可能性が報告されているが、このパッケージを大量生産に用いるのは困難である。さらに、ビーム操作に使用されるフェーズド・パッケージ、及び、焦点面イメージング・パッケージは、ミリ波ＲＦＩＣチップ、ＲＦ受動構成部品及びアンテナの低費用でのウエハ・レベルにおける一体化が求められる多数のピクセル（各々が１つのアンテナによって表わされる）を必要とする。
【０００４】
所与のＲＦアプリケーションに必要なＲＦＩＣチップ、遮蔽物及び受動構成部品を含む、いわゆるシステム・イン・パッケージ（ＳｉＰ）を製造するために種々の手法が提案されているが、最も頻繁に用いられる手法は、個々のデバイスを単純に共通基板上に組み合わせるものである。これは、単一のパッケージ・システム／サブシステムが１つ又は複数のＩＣ（又はＲＦＩＣ）及び／又は組み込み受動構成部品を一体化するＲＦ  ＳｉＰとして知られるものである。いくつかの代表的な用途としては、トランシーバＳｉＰ、フル・ラジオＳｉＰ、ＦＥＭ（フロント・エンド・モジュール）ＳｉＰ、ＡＳＭ（アンテナ・スイッチ・モジュール）ＳｉＰ、及びＰＡＭ（パワー・アンプ・モジュール）ＳｉＰが挙げられる。しかしながら、これらの用途は全て共通して、基板の一体的な部分ではないために共通基板に取り付けるか又は接続する必要がある個々のデバイスを有する。この手法は、いくつかのＩＣチップが相互接続層を含むカスタム設計の共通基板上で互いに接続されたマルチ・チップ・モジュール（ＭＣＭ）として知られるものに非常によく似ている。
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開番号第２００６０００１５７２号
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１３（２００３）、Ｓ１３９−Ｓ１６３にて発行されたＪ．Ａ．Ｃ．Ｔｉｌｍａｎｓ他による「ＭＥＭＳ  ｆｏｒ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：’ｆｒｏｍ  ＲＦ−ＭＥＭＳ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ｔｏ  ＲＦＭＥＭＳ−ＳｉＰ’」という表題の刊行物
【非特許文献２】Ｊ．Ｗｕ他によるＧａａｓｍａｎｔｅｃｈ  ２００４「ＲＦ  ＳｉＰ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ」という表題の刊行物
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
さらに、多層薄膜ＭＣＭ基板に対する機能強化は、レジスタ、インダクタ及びキャパシタなどの、相互接続層内に組み込まれる単純なＲＦ受動部品を含むことが示された。次いで、こうした基板はさらに、ＲＦ  ＳｉＰを製造するための基本的な構成要素としての機能を果たし、ここでは能動デバイス（ＲＦＩＣチップ）及び個々の受動構成部品（ＰＩＮダイオード、バラクタ・ダイオードなど）の両方を表面に取り付けて組み立て、配線又はフリップ・チップ接合のいずれかを用いて接続することができる。受動構成部品を含むＲＦ−ＭＥＭ−ＳｉＰモジュールの形態でのパッケージングは、非特許文献１に説明される。従って、パッケージング技術のプラットフォームとして、ＳｉＰは、パッケージ・アーキテクチャ、特にＲＦ用途のためのパッケージ・アーキテクチャにおいて、高度の融通性を可能にする。ＲＦ  ＳｉＰは、非特許文献２に説明される。これらのパッケージ（ＳｉＰ及びＭＣＭ）に対する最大の課題は、共通キャリア基板に取り付けられる種々の構成部品間の熱的な不整合である。第２に、高周波用途に関しては、能動回路と受動デバイス（例えばアンテナ）との間に設定される物理的距離がＲＦ回路の最適化に大きな課題をもたらすことである。
【０００７】
アンテナをパッケージに一体化し、同時に適当なアンテナ効率を保証するために、プリント回路基板と共にフリップ・チップ取り付けアンテナを用いる相対的に複雑なパッケージング手法が、２００６年１月５日に発行された特許文献１に説明される。この手法は、自動化された組み立てに可能な手段を示すが、このパッケージング手法では、大量生産手法による費用節約の特長を活用できない。さらに、この手法を用いた構成部品の気密封止は困難であり、現実的に実行可能なものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、高周波数アプリケーションを対象とした保護ＲＦＩＣと共に、Ｉ／Ｏ信号用貫通ビアと、受動構成部品と、アンテナと、を全て１つのモジュールに組み合わせたシリコン・ベースのパッケージを提供する。こうしたパッケージはまた、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ、インダクタ、固定又は可変キャパシタのようなその他の受動デバイスを含むことができると同時に、最小設置面積を保証する。周囲からの保護が必要となり得るデバイスに関しては、ＲＦＩＣチップ及びＭＥＭＳデバイスの両方の気密封止が、ウエハ接合プロセス中に生じる金属間接合を用いて得られる。
【０００９】
本発明はさらに、
上面及び下面を有する基板を含むインターポーザであって、上面がアンテナ構造体の一部を形成するための少なくとも１つのキャビティを有し、インターポーザは上面から下面への導電性貫通ビアを含んでおり、下面における導電性貫通ビアが電気信号源及び電圧源に連結するようになっている、インターポーザと、
下面に相互接続配線を有し、集積回路チップを電気的に取り付けるための第１パッドを有する、上部Ｓｉ部分と、
を含み、
上部Ｓｉ部分は、インターポーザの上面における複数の導電性貫通ビアと結合する下面上の第２パッドと、上部Ｓｉ部分がインターポーザと結合されるときにアンテナ構造体を形成するためのキャビティ上に位置決めされるアンテナと、を有する、装置を提供する。
【００１０】
本発明はさらに、従来のＩＣ製造又は表面マイクロマシン加工を用いて製造されるＲＦ受動部品及び一体化されたアンテナを用いるミリ波システムのための改善されたパッケージを提供する。
【００１１】
本発明はさらに、ＲＦ受動部品を、ＲＦＩＣチップから、相互接続技術の融通性について複数の選択肢をもつパッケージに移すために提供される。
【００１２】
本発明はさらに、ＲＦＩＣチップと使用されるパッケージ材料との間に通常存在するＴＣＥ不整合問題を克服する際に極めて役立つ、基本的に全てがＳｉ材料のパッケージを提供してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のこれら及びその他の特徴、目的及び利点は、図面と併せて本発明の以下の詳細な説明を考慮することにより明らかになるであろう。
【００１４】
本発明の第１の実施形態においては、マイクロマシン加工技術を用いて製造されたＲＦＩＣチップ、ＲＦＩＣチップ・キャビティ、アンテナ・キャビティ、貫通ビア、アンテナ及び受動デバイスを含むシリコンから製造された２つ又はそれ以上の部品を１つのパッケージに組み合わせる。これら２つの部品は、次いで互いに接合されて、図１に示されるような全てを含んだＳｉベースのミリ波パッケージを製造する。パッケージの下方部分は、ＲＦＩＣチップ２１及びアンテナ構造体２２のためのエッチングされたキャビティと、電源電圧及び制御電圧などの外部Ｉ／Ｏ接続のための貫通ビア３とをもつ、Ｓｉから製造されたインターポーザ１からなる。適当なアンテナ効率及び望ましい性能を保証するために、アンテナ構造体２２の下方のキャビティには金属被覆４１が施される。キャビティ底部を被覆する金属被覆４１は、アンテナ放射をアンテナ構造体２２に戻すように反射し、金属被覆４１のキャビティ壁４２は、放射された信号がインターポーザ１に伝播しないようにすることを保証して、他の能動構成部品に対する電磁放射を効率よく減少させ、アンテナ構造体２２の効率も改善する。同様に、ＲＦＩＣチップ２１のためのキャビティも遮蔽性を促進するように金属被覆４３を有することができる。目的とする用途に応じて、折り返しダイポールのように単純であるか、又は、フェーズド・アンテナ・アレイのように複雑なアンテナ５を使用することができる。プリント回路基板の取り付けのためには、Ｃ４又はＢＧＡパッド３１のいずれかを貫通ビア３と共に使用する。インターポーザ１は、４５０から５００マイクロメートルまでの範囲の厚さを有するものとすることができる。貫通ビア３は、Ｃｕ又はＷを含む環状とすることができ、１２５から１７５マイクロメートルまでの範囲の直径を有するものとすることができ、１５０マイクロメートルの直径が好ましい。金属被覆４１及び４３はＣｕとすることができる。組み立てられたパッケージ（インターポーザ１及び上部Ｓｉ部分６）及びアンテナ構造体２２は、１から１００ＧＨｚまでの範囲、好ましくは３０から１００ＧＨｚまでの範囲の周波数で動作することができる。インターポーザ１及び上部Ｓｉ部分６のためのＳｉ材料に加えて、石英材料を使用することができる。インターポーザ１の熱膨張係数に上部Ｓｉ部分６の熱膨張係数が適合していることが好ましい。
【００１５】
上部Ｓｉ部分６は、誘電体１２の上部にはめ込まれた又は製造された相互接続配線７２ないし７４と、ＭＥＭＳデバイス８と、アンテナ５とを含む。上部Ｓｉ部分６は、１５０から４５０マイクロメートルまでの範囲の厚さを有する薄くしたＳｉ基板であってもよい。相互接続配線７２ないし７４及び／又は誘電体１２は、５から１０マイクロメートルまでの範囲の厚さを有するものとすることができる。相互接続配線７２ないし７４は、チップ上に形成される集積回路チップ配線又は後工程（ＢＥＯＬ）配線と同じ方法により製造されてもよい。大部分のＲＦアプリケーションにおいては、アンテナ放射を改善し、導電性Ｓｉ層に放散する電磁放射線に関連する損失を減少させるように、上部Ｓｉ部分６に高抵抗Ｓｉを用いることが望ましい場合がある。インターポーザ１及び上部Ｓｉ部分６を接合する前に、ＲＦＩＣチップ９は従来のＣ４バンプ取り付けを用いて又はマイクロバンプ１０を用いて、上部部分にフリップ・チップ接合される。所望の場合には、接合パッド３２に使用される金属と同じ接合金属からなるシール・リング１１を用いて、ＲＦＩＣチップ９及びＭＥＭＳデバイス８の両方の共用の気密封止を得ることができ、これは貫通ビア３から上部Ｓｉ部分６上の接合パッド７１に信号を伝播するのに用いられる。ＭＥＭＳデバイス８のみが気密封止を必要とする場合には、別個の接合、又は、例えば金スズからなるシール・リング１１１を用いることができる。
【００１６】
図１の実施形態は、接合されたインターポーザ及び上部Ｓｉ部分のパッケージを並べて示す他の実施形態とすることができ、そのような場合でも、以下の他の実施形態では、インターポーザ１がパッケージ全体にわたり共通して例示され、上部Ｓｉ部分６（図３を除く）もパッケージ全体にわたり共通して例示される。パッケージはこの場合、複数のアンテナ構造体、複数のアンテナ、複数の集積回路チップ（ＲＦ−ＩＣ）、及び複数の相互接続配線のそれぞれの部分を形成するための複数のキャビティを有する。
【００１７】
図２に示される第２の実施形態においては、ＲＦＩＣ９チップは、インターポーザ１のキャビティに組み込まれるのではなく、上部Ｓｉ部分６の背面にある相互接続層７５に接合される。こうした手法は、ＲＦＩＣがさらなる冷却を必要とする場合がある高出力用途に有益なものとなる可能性がある。
【００１８】
図３に示されるさらに別の実施形態においては、より厚い従来の非高抵抗上部Ｓｉ部分又は基板６１を使用することができ、適当なアンテナ性能を保証し向上させるのに適した誘電材料１３１を含むことができる。
【００１９】
図４は、アンテナ信号の信号伝播を収束させるのに用いられるレンズ状のはめ込み誘電体（１３２）を含む上部Ｓｉ部分（又は基板）６を示す。
【００２０】
さらに別の実施形態においては、アンテナ構造体２２は図５に示されるように成形されたリフレクタ・キャビティを有する。リフレクタ・キャビティは、アンテナ信号伝播を方向付けるようにインターポーザ１の上面に対して横方向の角度で傾斜した平坦な底面を有する。図６においては、キャビティは、アンテナ信号エネルギーを収束するようにインターポーザ１の上面に対して湾曲した凹状の底面を有する。
【００２１】
図７及び図８は、縁部が立ち上がったアンテナ５が用いられた別の実施形態を示す。図８に示されるように、アンテナ５は、一端から他端にかけて両者間の間隔が大きくなる２つの離間した電極を含み、前記間隔が前記電極の面内で最大となる場所で、アンテナ信号の伝播が前記離間した電極から生じるようになっている。
【００２２】
説明される実施形態は、気密パッケージ内で組み合わされるＭＥＭＳスイッチ及びアンテナのみを示すが、このＳｉベース・パッケージはさらに、ＲＦ周波数（１から１００ＧＨｚ）において一般に使用される受動構成部品のほとんどすべての所望の組を含むことができる。例えば、他の用途として、大きい値又は小さい値のデカップリング／バイパス・キャパシタ、高Ｑファクターと大きいインダクタンス値とをもつインダクタ、レジスタ、共振器及びフィルタ（マイクロマシン加工されたもの、圧電性、キャビティ、又はＬＣ）並びに高性能相互接続部を挙げるができ、これらは全て、Ｓｉベース・パッケージ内に一体化することができる。種々の半導体技術を用いて製造された能動ＲＦＩＣチップをＳｉベース・パッケージに取り付けることができる。
【００２３】
従来のパッケージと比較した本手法の別の利点は、大部分の又は全ての構成部品がＳｉ材料から製造されるため、熱膨張の不整合による応力が回避されることである。第２に、Ｓｉマイクロマシン加工と共に集積回路（ＩＣ）加工技術を用いることにより、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板、ＰＣＢ又はその他のプラスチック・パッケージを用いて構成されるデバイスと比較して、はるかに厳しい設計誤差をもつＲＦ受動部品の製造が可能になる。
【００２４】
ＲＦＩＣチップ、相互接続配線、貫通ビア、ＭＥＭＳデバイス及びアンテナを含むＳｉベース・パッケージについて説明し、例示したが、当業者であれば、特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである本発明の広い範囲から逸脱することなく、修正及び変形が可能であることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ＲＦＩＣ、一体化されたＭＥＭＳ送信／受信スイッチ、及びアンテナを含む完全な低プロファイルＳｉベース・パッケージの断面図である。この図は縮尺通りのものではない。
【図２】ＲＦＩＣチップがパッケージ内に含まれていないＲＦＩＣ、一体化されたＭＥＭＳ送信／受信スイッチ、及びアンテナを含む完全なＳｉベース・パッケージの断面図である。こうした手法は、外部冷却方法を用いて冷却される高出力ＲＦＩＣデバイスを可能にすることができる。この図は縮尺通りのものではない。
【図３】アンテナ上方の領域／区域が、望ましいＲＦ特性をもつ、Ｓｉとは異なる好適な材料で埋め戻されたＳｉベース・パッケージの断面図である。これにより、機械的により強固な、より厚いアンテナ基板の使用が可能になる。
【図４】アンテナ上方の領域／区域が、アンテナ上方にレンズを製造するように好適な誘電材料で埋め戻されたＳｉベース・パッケージの断面図である。
【図５】伝播されるアンテナ信号の方向に角度をつけるのに用いられる望ましい幾何学的形状の成形リフレクタをもつＳｉベース・パッケージの断面図である。
【図６】アンテナ伝播信号を収束させるのに用いられる成形アンテナ・リフレクタをもつＳｉベース・パッケージの断面図である。
【図７】縁部が立ち上がったアンテナ構造体をもつＳｉベース・パッケージの断面図である。この手法は、アンテナ・キャビティの底部にリフレクタを必要としない。
【図８】図７に示される縁部が立ち上がったアンテナの平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：インターポーザ
３：貫通ビア
５：アンテナ
６：上部Ｓｉ部分
８：ＭＥＭＳデバイス
９：ＲＦＩＣチップ
１０：マイクロバンプ
１１：接合金属
１２：誘電体
２１：ＲＦＩＣチップ・キャビティ
２２：アンテナ構造体
【図１】
2008042904.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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