全玻璃超高频整体解决方案:全新的技术,全新的生产方式

中等规模企业和过程计量公司为了在物联网领域保持竞争力,也需要将传感器电路越来越多的集成到ASICs(专用集成电路解决方案)中。目前,半导体行业面临着低的开发周期成本以及订单体量不大的问题。在芯片封装行业,大多亚洲封装服务商是通过大体量订单从而压低成本价格, 但需要单独封装的ASICs会因订单体量不大而给他们带来较大风险。包括LPKF在内的七家产业和研究机构分工合作组成的联盟提出了全玻璃超高频整体解决方案。

用于工业和过程计量的雷达传感器, 如由BMBF德国联邦教育及研究部(德语:Bundesministerium für Bildung und Forschung) 所赞助的“实现用于高频应用的高度集成电子系统的玻璃中介板技术“(Glass Interposer Technology for Implementing Highly Compact Electronic Systems for High-frequency Applications)GlaRA项目就是一个符合前文描述需求的典型案例。由于频率超过100GHz—这是远高于当前移动通信的使用频率--—目前的标准封装产品无法工作, 故而需要更加特殊的新型封装技术, 新的封装技术需要适用于这些专用ASIC,并且能够在生产数量级中等的情况下保持价格竞争力。

为此,该联盟开发了一种使用高可靠性中介板的系统级封装(SiP)技术,这种基于玻璃材料的毫米波模块可用于频率高于100GHz的传感器和通讯。该技术平台促成了传感器封装技术革新:与目前的技术水平相比,它使用了多种波导概念,高密度微布线,隔气或真空密封来增加多种集成功能。另外,由于高水平的加工精度和材料质量让使用频率增加到了300GHZ, 所有这些通过优异的波导性能,高精度的微加工等在单一材料系统(玻璃)内实现。

使用带有导电通孔的玻璃中介板提供的密封封装,能够将芯片等元器件封装在两片玻璃中介板之间,采用晶圆级封装工艺, 使用直径最大12英寸(300mm)的玻璃晶圆制造完成。由于晶圆级封装中的多种器件同时加工特性,封装成本受控,且各种器件的对准精度被控制在符合射频技术的微小误差之内。玻璃晶圆级封装适用于最初加工硅晶圆工艺的标准系统,极大的加速了其商业化实现。玻璃也可以大型面板的形式供应,大批量生产被大大简化。

结果表明,这项由BMBF(德国联邦教研部)赞助开发的项目取得了巨大的成功,该联盟展示了一个极其紧凑的雷达前端,成品由Endress+Hauser AG开发成为未来使用雷达检测固体或液位的装载程度传感器,其工作频率在160Ghz.这个玻璃封装体积仅仅5.9 x 4.4 x 0.8 mm³, 内部包括一个由锗化硅技术的雷达ASIC,所有与外部电路的电气连接,表征测试结构,以及一个可以用透镜天线作集成主发射极的波导连接。这种未来的满载程度传感器具有远距离分辨率,高测量精度,波束聚焦紧凑等特点。因此,智能过程测量系统的日益微小化和模块化,引起了人们的极大兴趣。

此样品是由全新的工艺制作完成,起始工艺是LPKF 激光电子股份有限公司(LPKF Laser & Electronics AG)革命性的激光诱导深度蚀刻(LIDE)技术, 该工艺可以在玻璃中加工微结构且加工过程中避免对于材料的损伤,这对于可控的密封的玻璃封装是必须的要求。
Fraunhofer可靠性和微集成研究所( Fraunhofer Institute for Reliability and Micro-Integration)开发提供了一套针对高纵横比玻璃通孔工业应用的金属化制程,晶圆键合制程用来密封封装,并完成元器件的组装,两片玻璃晶圆键合在一起,每一片晶圆上都有通孔和空腔。

PacTech GmbH 承担了玻璃基板上的导电结构的成型和金属化处理, 使用PacTech’s SB² 工艺, 一种激光支持的连续植球工艺,焊料被沉积在没有外电路电流产生的接触面上。不同的合金用于在不同的焊接温度下进行交错组装。

MSG Lithoglas GmbH对LPKF-LIDE 技术生产的中介板,玻璃腔体等键合组装固定ASIC ,最终实现高频封装。另外,其使用低温镀膜技术来生产高精度玻璃垫片。

乌尔姆大学微波技术研究所(Institute for Microwave Technology of Ulm University)开发了这个高频概念,雷达信号—旦高于100GHz—既可以通过主波束穿过透镜,又可以通过柔性介质波导低损耗的引导到独立的天线。封装发射雷达信号的不同选择可应用与不同应用场景。

Sentronics Metrology GmbH 已经开发出一种层分辨率达亚纳米级别的3D 高速传感器用于质量控制。在其他用途中,该传感器经权威机构审核后,具备了检测密封泄露, 检测玻璃真空密封的资质。

行业合作伙伴对该技术未来的商业实用性非常感兴趣,因为他们看到了许多其他应用领域的潜力,如压力测量技术、液体分析、光子学、MEMS、医疗技术和后5G时代的通信技术。

“GlaRA” 项目由BMBF德国联邦教研部于2017年8月至2021年3月赞助,参考编号:16ES0687K。同时也是TechSys会议(国际科学会议:工程,技术和系统)的选题。

 

 

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