CN107548232A - 毫米波雷达芯片和天线的集成封装件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种毫米波雷达芯片和天线的集成封装件及其制备方法，使用了包括：毫米波雷达裸芯片、印刷电路板和天线等元件，将毫米波雷达用裸芯片通过焊球阵列倒扣互连在印刷电路板表面，并通过印刷电路板的金属走线与天线连接。减少了倒扣次数，用以较低成本解决了封装技术中的系统损耗问题。该封装件制成的电子器件可用于汽车的ADAS或无人驾驶系统、无人机、工业物位计毫米波雷达感应器或安检成像探测器中。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种毫米波雷达芯片和天线的集成封装。
背景技术
毫米波雷达是工作在毫米波波段(millimeter wave)探测的雷达。通常毫米波是指30～300GHz频域(波长为1～10mm)的电磁波。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。
汽车和无人机中使用的毫米波雷达是指利用波长为毫米级(主要使用24GHz、77GHz或79GHz)的雷达，其可以快速准确获取汽车和无人机周围信息如相对距离、相对速度、角度、是否有物体、运动方向等，并根据所探知的信息，进行目标追踪、目标识别分类，并作出相应警示或决策。毫米波雷达具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。与红外、激光等光学导引头相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候(大雨天除外)、全天时的特点。
在物位测量领域，困扰用户的是一些大型固体料仓的物位测量，高频的调频雷达技术尤其适合这种大型固体料仓的物位测量，如工作在K波段(24～26GHz)的毫米波雷达物位计。雷达的工作频率越高其电磁波波长越短，越容易在倾斜的固体表面有更好的反射，并具有较窄的波束宽度，可有效避开障碍物，高的频率还可使雷达使用更小的天线。
毫米波雷达制成的传感器还可以用于安防系统中，主要用于高端安防系统，如机场防入侵检测、监狱周界安防、室内入侵报警、毫米波雷达/视觉融合探测、军事区域防护、海岛安防、油库安防系统、电网安防系统、立体车库生命探测等。
毫米波雷达主要包括天线、射频收发前端、基带处理模块和报警模块。其中，射频收发前端采用单片微波集成电路(MMIC)技术，可以大大减小收发组件体积，适合于大批量生产，具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。单片微波集成电路包括多种功能电路，如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、移相器、开关、甚至整个收发系统。
目前市场上的毫米波雷达产品中的射频收发前端和天线的集成方式主要是倒扣封装。倒扣封装技术(flip-chip)是使用位于芯片的多个接合焊盘上的多个凸点(bumps)与封装介质直接互连。芯片通过最短路径面向接合封装介质。该技术不仅可应用于单芯片封装，也可应用于更高整合水平的尺寸较大的封装，以及可容纳几个芯片以形成较大功能单元的更加精密的基板。倒扣封装使用区域阵列，具有实现与装置的互连密度最高与封装的互连电感较低的优点。目前市场上一种典型的毫米波雷达产品中的射频收发前端和天线的集成方式为：首先利用倒扣技术将有关的裸芯片(die)封装在一个基片(substrate)上，同时通过基片上的走线，将芯片的管脚调整为间距较大的焊球阵列(BGA)。最终将这种封装好的BGA阵列芯片倒扣在印刷电路板(PCB)上，然后通过印刷电路板上的金属走线与天线相连接。但是，这种集成方式要经过二次倒扣，一方面会增加系统的插入损耗，降低系统性能；另外一方面还可能会增加集成成本。
为了克服二次倒扣产生的问题，新的封装技术将裸芯片直接安装在印刷电路板或其他基板上，称为直接芯片安装(DCA)技术，又称无封装组装。与封装器件相比，DCA的显著优点是：因为减少了一次倒扣，射频天线的插入损耗会明显降低，提高系统性能。同时它占有的基板面积最小，小到只占芯片面积的大小，从而以最小的空间提供最高的I/O互连，大大提高了组装密度，缩短了IC芯片的I/O引线，有利于达到高频、高速性能，可满足小型化的电子整机越来越高的要求，且总的成本会降低。目前，还没有发现在毫米波雷达产品的集成封装中采用此项技术。
发明内容
本发明提供一种包括毫米波雷达裸芯片、印刷电路板和天线的毫米波雷达集成封装件及其制备方法，其中通过倒扣封装技术，直接将毫米波雷达裸芯片与印刷电路板互连，用以较低成本解决封装技术中的系统损耗问题。
本发明提供了一种毫米波雷达集成封装件，包括：毫米波雷达裸芯片(1)、印刷电路板(4)和天线(7)，其特征在于：毫米波雷达用裸芯片(1)通过焊球阵列(2)倒扣互连在印刷电路板(4)表面，并通过印刷电路板(4)的金属走线与天线(7)连接。
本发明另提供一种毫米波雷达的集成封装方法，将毫米波雷达用裸芯片(1)采用焊球阵列(2)技术，倒扣互连在印刷电路板(4)表面，并通过印刷电路板(4)的金属走线与天线(7)连接。
其中，印刷电路板(4)为单面板、双面板或多层电路板，其中多层电路板包含三层以上金属层(5)，并包含至少一个通孔(6)。普通线路板分单面走线和双面走线，俗称单面板和双面板，但是因产品空间设计因素制约，除表面布线外，内部可以叠加多层线路，生产过程中，制作好每一层线路后，再通过光学设备定位，压合，让多层线路叠加在一片线路板中。俗称多层线路板。凡是大于两层的线路板，都可以称之为多层线路板。多层线路板又可分为，多层硬性线路板，多层软硬线路板，多层软硬结合线路板。多层线路板每两层之间是介质层，介质层可以做的很薄。多层电路板至少有三层导电层，其中两层在外表面，而剩下的一层被合成在绝缘板内。它们之间的电气连接通常是通过电路板横断面上的镀通孔实现的。印刷电路板的介质层材质并没有特殊限定，可以选择电木板、玻璃纤维板，以及各式的塑胶板。
其中所述的倒扣耦合采用BGA即“焊球阵列”技术制成。它是在基板的上面按阵列方式排列倒扣焊盘，通过焊球阵列，在基板上面装配芯片，是芯片用的一种表面安装型封装。它的出现解决了QFP等周边引脚封装长期难以解决的高I/O引脚数的问题。
常见的倒扣耦合结构包括：焊球阵列(2)和倒扣焊盘(3)，倒扣焊盘(3)分别位于毫米波雷达裸芯片(1)和印刷电路板(4)表面，并通过焊球阵列(2)连接。
其中所述的焊球也可以采用焊柱代替。例如采用10％Sn-90％Pb焊柱代替焊球，焊柱较之焊球可降低封装部件和印刷电路板连接时的应力。这种封装具有清洗容易、耐热性能好和可靠性高的特点。
毫米波雷达产品一般包括天线、射频收发前端、基带处理模块和报警模块。其中，射频收发前端采用单片微波集成电路(MMIC)技术，可以大大减小收发组件体积，适合于大批量生产，具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。单片微波集成电路包括多种功能电路，如低噪声放大器(LNA)、功率放大器、混频器、上变频器、检波器、调制器、移相器、开关、甚至整个收发系统。
其中所述的毫米波雷达裸芯片(1)的个数可以是一个或者多个。所述的毫米波雷达裸芯片(1)的个数为一个时，可以是包含射频收发前端芯片和基带处理芯片的集成芯片，也可以是单独的射频收发前端芯片。当所述毫米波雷达裸芯片(1)的个数为两个以上时，其中一个为射频收发前端芯片，另外的毫米波雷达裸芯片可以选自基带处理芯片、报警芯片中的一种或多种。
其中所述的毫米波雷达裸芯片(1)包含发射和接收管脚，通过焊球阵列(2)、倒扣焊盘(3)和印刷电路板(4)的金属走线与天线(7)连接。
其中所述的印刷电路板(4)上还可以互连有封装基片，封装基片为一个或多个。所述的封装基片可以是基带处理模块封装芯片，或者是其他功能芯片，例如报警模块封装芯片。
其中所述的天线(7)可以选择本领域常见的天线，如喇叭天线、反射阵天线、微带天线阵、透镜天线等。天线可以集成在印刷电路板上，也可以独立设置。天线(7)为一组或多组。天线(7)的收发和接收可以采用同一条天线，也可以分别设置。其中优选微带贴片天线，进一步优选集成在印刷电路板上。
本发明另提供一种毫米波雷达集成电路组件，包括所述的封装件。
本发明另提供一种汽车用毫米波雷达感应器，包括所述的封装件。
本发明另提供一种无人机用毫米波雷达感应器，包括所述的封装件。
本发明另提供一种工业物位计用毫米波雷达感应器，包括所述的封装件。
本发明另提供一种安检用毫米波雷达成像探测器，包括所述的封装件。
本发明另提供一种所述的毫米波雷达集成封装件的在汽车中用途，用于汽车的ADAS或无人驾驶系统、无人机、工业物位计毫米波雷达感应器或安检成像探测器中。
本发明的有益效果是：
(1)相对于传统的天线集成方式需要两次倒扣，本发明提供的封装件只需要一次倒扣，减小了倒扣引起的插入损耗；提高系统性能；
(2)对于高频信号，每次一倒扣都要进行一次复杂的匹配设计；因此传统的集成方式中，需要进行两次匹配设计。提出的结构只需要进行一次倒扣匹配设计，减小了设计复杂度；降低了设计成本；
(3)少了一次倒扣的工序，减小了系统的物料成本。
附图说明
图1所示为传统的集成方案剖面图。
图2所示为传统的集成方案俯视图。
图3所示为依据实施例1的集成封装件的剖面图。
图4所示为依据实施例1的集成封装件的俯视图。
具体实施方式
以下借由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本发明的范围不限于所公开的实施方式，而是还包括所公开的实施方式的组合，以及对所公开的实施方式的修改。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所公开的内容，以供本领域普通技术人员的了解与阅读，并非用于限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所公开的技术内容得能涵盖的范围内。
主要元件符号说明：毫米波雷达裸芯片1、焊球阵列2、倒扣焊盘3、印刷电路板4、金属层5、通孔6、天线7、封装基片8、封装毫米波雷达裸芯片的绝缘介质9。
实施例1
一种毫米波雷达产品中的芯片和天线的集成封装件，包含一个毫米波雷达裸芯片1、焊球阵列2、倒扣焊盘3、印刷电路板4、金属层5、通孔6、天线7，其中毫米波雷达裸芯片1为射频收发前端芯片和基带处理芯片的集成芯片，被颠倒并通过倒扣焊盘3将焊球阵列2重熔而被附接到封装件的印刷电路板4上，使得它们在印刷电路板4表面上附接到对应倒扣焊盘3。芯片在印刷电路板上为颠倒取向。通过印刷电路板4的金属走线，将毫米波雷达裸芯片1的发射和接收管脚和天线7相连接。其中印刷电路板4包含多个金属层5，并包含至少一个通孔6。
实施例2
一种毫米波雷达产品中的芯片和天线的集成封装件，包含两个毫米波雷达裸芯片1，分别为射频收发前端芯片和基带处理芯片，其中射频收发前端芯片通过焊球阵列2、倒扣焊盘3和印刷电路板4的金属走线与天线7连接。其余组件与实施例1相同。
实施例3
一种毫米波雷达产品中的芯片和天线的集成封装件，包含一个毫米波雷达裸芯片1，为单独的射频收发前端芯片，其中射频收发前端芯片通过焊球阵列2、倒扣焊盘3和印刷电路板4的金属走线与天线7连接。其余组件与实施例1相同。
实施例4
一种毫米波雷达产品中的芯片和天线的集成封装件，包含一个毫米波雷达裸芯片1，为单独的射频收发前端芯片，并包含有一个封装基片，为基带处理封装芯片。其中射频收发前端芯片通过焊球阵列2、倒扣焊盘3和印刷电路板4的金属走线与天线7连接。封装基片通过倒扣技术与印刷电路板连接。其余组件与实施例1相同。
实施例5-8
一种毫米波雷达产品中的芯片和天线的集成封装件，将焊球阵列2中的焊球替换为焊柱。其余组件分别与实施例1-4相同。
Claims (10)
1.一种毫米波雷达集成封装件，包括：毫米波雷达用裸芯片(1)、印刷电路板(4)和天线(7)，其特征在于：毫米波雷达用裸芯片(1)通过焊球阵列(2)倒扣互连在印刷电路板(4)表面，并通过印刷电路板(4)的金属走线与天线(7)连接。
2.如权利要求1所述的毫米波雷达集成封装件，其中印刷电路板(4)为多层板，包含两层以上的金属层(5)，并包含至少一个通孔(6)。
3.如权利要求1所述的毫米波雷达集成封装件，其中所述的倒扣互连结构还包括：倒扣焊盘(3)，分别位于毫米波雷达用裸芯片(1)和印刷电路板(4)表面，并通过焊球阵列(2)连接。
4.如权利要求3所述的毫米波雷达集成封装件，其中所述的毫米波雷达用裸芯片(1)包含发射和接收管脚，通过焊球阵列(2)、倒扣焊盘(3)和印刷电路板(4)的金属走线与天线(7)连接。
5.如权利要求1-4任一项所述的毫米波雷达集成封装件，所述的焊球阵列(2)替换为焊柱阵列。
6.如权利要求1-4任一项所述的毫米波雷达集成封装件，其中所述的毫米波雷达用裸芯片(1)为射频收发前端芯片和基带处理芯片的集成芯片。
7.如权利要求1-4任一项所述的毫米波雷达集成封装件，其中所述的毫米波雷达用裸芯片(1)为射频收发前端芯片。
8.如权利要求7任一项所述的毫米波雷达集成封装件，其中所述的印刷电路板(4)上还互连另外的毫米波雷达用裸芯片，选自基带处理芯片、报警芯片中的一种或多种。
9.如权利要求7所述的毫米波雷达集成封装件，其中所述的印刷电路板(4)上还互连有封装基片，选自基带处理模块封装基片、报警模块封装基片中的一种或多种。
10.如权利要求1-4任一项所述的毫米波雷达集成封装件，其中所述的天线(7)为一组或多组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100098 room 721, 2 building, 18 hospital, North Third Ring Road, Haidian District, Beijing (721, seat E, Zhong Kun Plaza) Applicant after: BEIJING WEIDU XINCHUANG TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 100089 4, 0503, Wang Zhuang Road, Haidian District, Beijing, 0503 Applicant before: BEIJING WEIDU XINCHUANG TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100098 room 721, 2 building, 18 hospital, North Third Ring Road, Haidian District, Beijing (721, seat E, Zhong Kun Plaza) Applicant after: Zhuhai Weidu Xinchuang Technology Co.,Ltd. Address before: 100098 room 721, 2 building, 18 hospital, North Third Ring Road, Haidian District, Beijing (721, seat E, Zhong Kun Plaza) Applicant before: BEIJING WEIDU XINCHUANG TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Zhuhai Weidu Xinchuang Technology Co.,Ltd. Person in charge of patents Document name: Notice of First Examination Opinion |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Luo Jun Document name: Notice of Qualified Procedures |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180105 |