毫米波电路及天线的3D集成和封装：新的机遇和挑战

在相同的情况下，大约 20 年前引入了陶瓷封装以满足关键系统的需求，得益于其化学稳定、机械可靠性和密封组件等性能。陶瓷加工可以制作各种过孔和型腔结构，并可装配外部电容和电感。标准多层陶瓷封装的垂直分辨率大约是 50µm。目前采用的两种主要的多层陶瓷工艺是低温共烧陶瓷（LTCC）和高温共烧陶瓷（HTCC），其各自的最大共烧温度分别是约 900℃和 1600℃。而 HTCC 工艺可为封装提供很好的物理稳定性，只有高熔点金属如钨（Tf=3422℃）和钼（Tf= 2623℃）才可用于内层的布线。不幸的是，这些金属表现出相对低的电导率（分别为 8.9 × 106 和18.7 × 106 S/m），而用于 LTCC 的铜、钛 / 金合金或银，在高频时具有较低的导电损耗。在文献中可以找到一些来自工业界的令人信服的贡献，如IBM 的 60 GHz 的 LTCC 模块，它具有一个MLO封装（RO4000和LCP）。

其中增长最快的封装技术之一，嵌入式晶圆级球栅阵列（eWLB）是一种晶圆级封装方法，它结合了先进的再分配层处理与基片成型转移技术。成型聚合物起到了保护集成电路和支持风扇布线的双重作用。eWLB工艺（包括凸块下金属化）是从硅微加工线继承来的。由于使用了低应力成型聚合物，eWLB 封装可适用于大型封装的天线阵列，同时保证走线 /空间的临界尺寸约 15µm。毫米波集成天线封装的一些示范可以在文献中找到，重点放在 Linz 大学和 DICEGmbH 所描述的雷达应用中 （文献6,7）。由于采用穿透封装互连实现了封装上封装（POP），这种最新的技术为三维集成提供了光明的前景。

今天的硅后道生产线提供了大量的微加工技术来实现封装内系 统（SiP）， 如微加工、光刻、离子和激光刻蚀以及大量的沉积和层压技术。标准硅工艺可以轻松达到微米分辨率，满足毫米波甚至亚太赫兹系统的要求。在过去五年中，有机的和硅材料的中介层封装已在 ASIC 和存储器应用中普遍推广，但异构集成的最近趋势表明，更多的射频功能示范和引入玻璃可作为高频应用的潜在候选。

中介层：硅与玻璃的对比

如前所述，由于无与伦比的分辨率及成熟、标准的后道工艺，硅微加工特别适合于毫米波应用。相对于陶瓷材料（σ< 20 W · m-1 · K-1）和PCB 材 料（σ< 1 W · m-1 · K-1）， 硅封装提供了优良的导热性能（25℃时σ ≈ 150 W · m-1 · K-1 ）。对于外部功率放大器与收发器芯片组装在一起的典型场景 , 这是很重要的。

对 2.5D 和 3D 玻璃中介层以及它们提供的新的整合机会，近年来被越来越多地关注。众所周知，玻璃基板的介电性能优良、介电常数低（εr ≈4 到 6，取决于组成和工艺）、损耗也低，这使其成为射频封装和无源集成的良好候选材料。表 1 对玻璃和硅中介层进行了比较。采用大面板置换晶片有利于大规模生产，而且已在玻璃过孔（TGV）的钻孔和填充以及重分布层（RDL）处理方面有了重大进展。当今的玻璃中介层特别工作组由制造商和供应商如 Asahi、CorningGlass 和 3D Glass Solutions 以及学术研究机构如 Georgia Tech 发起，形成国际中介层联盟。然而，玻璃平板及加工设备的供应链不像硅、有机、陶瓷和 eWLB 技术那样得到很好的定义。2.5D/3D 玻璃中介层技术更有可能随着下一代三维集成器件达到完全成熟 ；目前，它足以满足小众应用，比如高性能计算和数据中心，那里较少关注成本（文献8）。

CEA-Leti 开发的第一个全功能的中介层封装基于高电阻率（ρ>1kΩ · cm）、120µm 厚的硅衬底，有两个正面和一个背面铜的再分配层。中介层的每一侧都有一个金属化内凸点，分别用于 RFIC 倒装芯片（使用铜支柱或微凸点）和主 PCB 板上采用球栅阵列（BGA）焊料球的封装零件（文献9）。中介层芯片的两侧采用铜填充的直径 60µm（宽高比为 2:1）的硅通孔（TSV）内插接口进行互连。中介层的总面积是 6.5 mm × 6.5 mm，是迄今报道的最紧凑的带集成天线的60 GHz 收发器。图 3a 所示为带中介层、射频芯片和成型的聚合物的模块的非比例截面，用于确保装配的完整性。60 GHz RFIC 收发器采用 65 nmCMOS 技术。两个折叠偶极天线（发送和接收）安装在上部前侧 RDL 层。一个由铜条制成的保护环和 TSV 阵列用来减轻两背腔天线之间的表面波耦合（参见图 3b）。

这个模块是一个 2.5D 集成方案的典型示范，其中 RFIC 安装在中介层的顶部并与天线保持一定距离。垂直互连使用 Leti 的自定义 TSV ViaLast工艺来实现。图 4 给出了 TSV的一个横截面和 SEM 图像。在收发器中 TSV 互连的主要功能是驱动低频和基带信号，测试车辆包括了额外的测试特征，探讨它们对毫米波穿过封装布线和背部天线馈电的适应性。TSV 的电气性能已得到研究，通过采用 RF 探针测量和适当的去嵌入技术来提取单个 GSG 通道（transition）跨越 DC 到 67GHz 的宽带响应 11。通道（transitions） 在 60 GHz 的插入损耗约 0.6 dB，50Ω端的阻抗失配是一个主要因素，即0.46dB（见图 5）。除了宽带特性，采用频域响应的逆傅立叶变换研究了基带信号的完整性。一个 5 Gbps 伪随机二进制序列（PRBS）的瞬态眼图分析表明眼图开启度为 96%。