WO2005091437A1 - Antenna assembly and method for producing said assembly - Google Patents

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WO2005091437A1
WO2005091437A1 PCT/EP2005/001789 EP2005001789W WO2005091437A1 WO 2005091437 A1 WO2005091437 A1 WO 2005091437A1 EP 2005001789 W EP2005001789 W EP 2005001789W WO 2005091437 A1 WO2005091437 A1 WO 2005091437A1
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antenna
semiconductor chip
arrangement according
antenna arrangement
circuit
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PCT/EP2005/001789
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Rainer Kronberger
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Infineon Technologies Ag
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0087—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them

Definitions

  • the present invention relates to integrated antenna arrangements.
  • Antennas in the microwave range are usually applied as external components on microwave-compatible substrate materials or are manufactured using LTCC technology. Additional components such as switching elements, matching, tuning or filter elements for the antenna must therefore be applied to the board as discrete components or in printed form. This requires connections from the antenna to the active components of the circuit via bond wires, which cause considerable parasitic effects, especially in the high frequency range.
  • the parasitic effects include, for example, capacitive loads on the pads (pads), undefined inductivities of the bond wires, radiation of the bond wires and the associated radiation coupling to the antenna, which leads to a changed radiation diagram. Additional line losses between the antenna and the input or output stage are often considerable, particularly at higher frequencies in the microwave range.
  • such concepts are expensive to manufacture and susceptible to process inaccuracies which, for example, lead to a deterioration in the electrical properties of the structure concerned.
  • circuit components are usually mounted in closed shielding housings in order to thereby adequately protect the electronic circuit components against the electrical field strength prevailing in the environment to ensure.
  • the components are usually designed in such a way that an active circuit is mounted at a spatially distinct distance from the antenna and is therefore only exposed to a low field strength load.
  • active components on an antenna board e.g. B. on a ceramic / microwave substrate with an antenna and active components / circuit, these are often in the direct radiation field of the antenna, which can affect the electrical performance of the circuit.
  • complex shielding measures are often not possible, since the radiation from the antenna could possibly be influenced by the additional metallic component shielding.
  • the present invention is based on the knowledge that an efficient antenna arrangement can be implemented using two semiconductor chips, preferably using face-to-face technology.
  • the antenna arrangement according to the invention comprises a first semiconductor chip with an antenna control circuit and a second semiconductor chip with an antenna structure, a surface of the first semiconductor chip being connected to a surface of the second semiconductor chip, so that the antenna structure is electrically connected to the drive circuit.
  • the antenna arrangement according to the invention thus consists of two essential elements: an active circuit (antenna control circuit) as the first element (bottom chip) and the antenna structure (antenna) with additional components (second semiconductor chip, antenna chip). Additional active or passive components are embedded in the antenna chip.
  • the antenna structure is either attached to the chip or also integrated in the chip.
  • the antenna arrangement according to the invention preferably comprises two chips, the antenna chip (second semiconductor chip) having possible additional electronic components in semiconductor technology, for example in silicon technology, in silicon germanium technology or in GaAs technology, and being implemented directly in face to-face (F2F) technology is attached to the chip with the active circuit.
  • the antenna chip second semiconductor chip
  • F2F face to-face
  • Arrangements of this type appear to be very favorable, in particular in the high gigahertz frequency range, for example from 10-20 GHz, since the advantageous connection technology results in considerable advantages for the overall arrangement.
  • a conductive structure for example made of metal, is further arranged between the first semiconductor chip and the second semiconductor chip.
  • This conductive metallic separating layer between the two chips which is also simple and inexpensive to manufacture using face-to-face technology, is therefore associated with a double task.
  • it serves as a shield for the active circuit part against the radiation from the antennas or against further external electromagnetic fields.
  • it acts as an antenna reflector for the attached antenna chip.
  • FIG. 1 shows an antenna arrangement according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3a shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • 3b shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 5 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 101, which has an antenna drive circuit 103.
  • the antenna arrangement further comprises a second semiconductor chip 105, which comprises an antenna structure 107.
  • FIG. 1 An exploded view of the antenna arrangement according to the invention is shown in FIG.
  • the first surface of the first semiconductor chip (bottom chip) is connected to a surface of the second semiconductor chip (antenna chip).
  • the control circuit 103 softens, for example, a connection surface arranged at a specific geometric position, for example in the middle, for controlling the antenna structure 107.
  • On the surface of the second semiconductor chip, which faces the surface of the first semiconductor chip there is, for example, an antenna connection surface exactly above the connection surface, so that an electrical connection is ensured according to a composition.
  • the antenna connection area can be connected to the antenna structure 107, for example, by means of a plated-through hole or another metallic structure.
  • the antenna structure 107 is arranged on the chip. According to the invention, however, the antenna structure 107 can also be arranged in the chip, in which case it is an embedded antenna array. In both cases, the chip comprises a semiconductor substrate, which is, for example, silicon or GaAs.
  • the antenna arrangement 107 which is shown schematically in FIG. 1 a and is arranged on the substrate, consists of a metallization layer which has two rectangular regions which are arranged next to one another and which are connected via a conductive web are connected.
  • the rectangular antenna patches can have a side length of two millimeters or less.
  • the antenna structure 107 can have any shape and, for example, circular radiation areas (patches).
  • FIG. 1b shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the antenna arrangement shown in FIG. 1 b comprises a slot radiator for radiating or for receiving electromagnetic energy.
  • a metallization layer 109 is arranged on the surface of the second semiconductor chip and has a rectangular slot 111 in the middle.
  • slot 111 can be of any shape, e.g. round, have.
  • the arrangement according to the invention can be used both for transmitting signals and for receiving signals.
  • the drive circuit according to the invention is designed to excite the antenna arrangement in such a way that a transmission signal is emitted.
  • the drive circuit preferably comprises active circuit components, such as amplifiers, drivers, etc., in order to excite the antenna arrangement with sufficient power.
  • a transmission stage can include, for example, a transmission filter.
  • the control circuit according to the invention can further comprise an integrated mixer in order to convert an input signal into a high-frequency signal.
  • the antenna arrangement can also be used to receive signals.
  • the antenna control circuit according to the invention is a reception circuit which, in addition to a reception filter, has a preferably noise- poor amplifier in order to filter and amplify the signals detected by the antenna arrangement.
  • a receiving stage can also have a mixer in order to convert the received high-frequency signal to an intermediate frequency band in the megahertz range, for example.
  • the antenna arrangement according to the invention can be used for transmitting signals and for receiving signals, which results in great flexibility of use.
  • the antenna structure according to the invention comprises both a transmission stage and a reception stage. If information is sent out, the antenna arrangement is excited by the transmission stage. If signals are received, the receiving stage takes over the signal detection.
  • an adaptation circuit is arranged in the second semiconductor chip in order to adapt an antenna impedance to a drive circuit impedance.
  • This matching circuit consists, for example, of integrated, passive circuit elements, such as resistors, capacitors and inductors.
  • the adaptation circuit can have stub lines, for example, in order to achieve the desired adaptation.
  • the matching circuit can also be other
  • circuit structures for example filler, duplexer, diplexer or switch.
  • the first semiconductor chip comprises a matching circuit for matching the drive circuit impedance to the antenna impedance.
  • the antenna frequency range can, for example, depending on the Deten semiconductor technology by a frequency of 60 GHz or by a frequency of 10-20GHz, wherein at this frequency preferably the maximum possible efficiency is achieved.
  • the tuning circuit can be arranged in the first semiconductor chip.
  • the antenna operating frequency is 10-20GHz or it is greater than 10-20GHz and is e.g. 60 GHz.
  • the direct arrangement of the two chips in face-to-face technology enables the shortest connection between the antenna and the input / output stage (transmitting / receiving stage).
  • the antenna elements are applied to a semiconductor base material, for example silicon, or are embedded in silicon, a size dimension of the antenna is reduced due to the dielectric environment by the factor l / sqr ( ⁇ r ) in Si0 2 as approx the factor 2.
  • Antennas for a higher frequency range of 20 GHz and more, for example in a square version, as microstrip patch antennas preferably have dimensions of half a wavelength. With a shortening factor, this results in a mechanical size of approx. 2 by 2 mm and smaller, so that, for example with GaAs at 20GHz, a side length of ⁇ / 2 results.
  • passive components such as inductors or capacitors for adaptation purposes, filter structures in line technology and active electronic components such as diodes or varactors for tuning purposes (tuning circuit) can be embedded directly in the antenna chip on the antenna structure.
  • Advantages are achieved in that overall systems for wireless communication and sensor systems can be implemented in a simple manner, which thus do not require any additional external antenna components require more.
  • With the limitation of a not arbitrarily large chip area comparatively simple antenna structures with gains in the lower and middle profit range are preferably realized in this technology. However, these are sufficient for a variety of applications, such as. B. for short-range transmission, chip-to-chip communication, park control, sensors etc.
  • FIG. 2 shows a layer structure of an antenna arrangement according to the invention.
  • the antenna arrangement shown in FIG. 2 comprises an antenna structure, of which, due to the cross-sectional representation, three sections, 201a, 201b and 201c, are visible.
  • the chip also includes a substrate 203 in which further active and passive components, in particular an inductor 205, a capacitor 207, a pin diode 209 and a resistor 211 are arranged.
  • the sections 201b and 201c of the antenna structure are arranged in a first layer 213 together with a plurality of feed lines 215. Vias 219 to a 221 arranged below are arranged in a layer 217 arranged below. In the layer 221 there are also a plurality of lead sections 223 which connect the already mentioned active and passive components to one another with the aid of a plurality of through-plating.
  • the second semiconductor chip comprises a plurality of substrate layers 213, 217 and 219 as well as a plurality of feed lines and plated-through holes through which contact areas to the underlying first semiconductor chip, in which the active and passive components are arranged, are realized.
  • the antenna arrangement according to the invention comprises an between the first semiconductor chip and the second semiconductor chip arranged conductive structure. If, in particular, an arrangement consisting of an antenna with an electrically conductive flat reflector (e.g. microwave patch antenna on a substrate) is used, the active circuit components on the back of the reflector, which can also serve as an electrical ground plane, be attached. This also results in an additional shielding over the circuit, which protects it from further radiation, as has already been mentioned.
  • an electrically conductive flat reflector e.g. microwave patch antenna on a substrate
  • FIG. 3a shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 301 and a second semiconductor chip 303 arranged above it.
  • the arrangement shown in FIG. 3a is shown in an explosive manner.
  • the first semiconductor chip 301 has a layer structure with a first layer 305, a second layer 307 and a third layer 309.
  • the first semiconductor chip 301 comprises a plurality of electronic components 311, e.g. B. diodes, inductors, resistors, capacitors etc., which are arranged in the respective layers, for example in layer 305 and in layer 307.
  • a metallic layer 313 is arranged on a surface of the uppermost layer 309.
  • the metallic layer 313 is a face-to-face (F2F top metal layer) metal layer which is arranged between the first semiconductor chip 301 (bottom chip) and the second semiconductor chip 303 (antenna chip).
  • the metallic layer 313 is connected by a plurality of ground pins 315 to a ground plane arranged above it, not shown in FIG. 3a.
  • the metallic layer 313 preferably has a surface whose size corresponds to a lower surface of the second semiconductor chip 303.
  • the second semiconductor chip 303 comprises an antenna 317 which is arranged on its surface and has a rectangular shape.
  • the antenna 317 can, for example, be arranged as a further metallic layer on the surface of the second semiconductor chip 303.
  • FIG. 3a shows no structuring in the metallic 313, which is used to connect the antenna 317 to the electronic components 311.
  • the metallic layer 313 comprises a contact opening arranged in the middle thereof to the electronic components, so that an antenna contact surface arranged on the lower surface of the second semiconductor chip 303, which is designed, for example, in the center, can be electrically conductively connected to the electronic components.
  • FIG. 3b shows a composition of the arrangement shown exploded in FIG. 3a.
  • the metallic layer 313 which is arranged between the two chips, fulfills two tasks. First of all, it serves as a shield and on the other hand as a reflector or as a ground plane for the antenna 317 attached above. The shielding effect is illustrated by the arrows 319, whereas an antenna characteristic achieved on the basis of the antenna reflector 313 is indicated by, for example, one that indicates the radiation direction Arrow 321 illustrates.
  • the electrical field lines 319 of the antenna above do not reach the active circuit components.
  • patch antennas require an underlying ground surface (reflector) against which the antenna element excites becomes.
  • the direction of radiation is then, for example, orthogonal to a surface of the patch, as shown by arrow 321.
  • the radiation characteristic of the antenna arrangement thus created is determined not only by the embodiment of the active radiator of the antenna 317 or the distance from the reflector 313, but also considerably by the shape and size of the reflector or the ground plane.
  • an antenna directional characteristic for example the directivity as well as the design of the side lobe and the position of the diagram zeros, can be determined by the
  • Radiation minima are determined, are influenced.
  • the dimensions of the antennas become smaller and smaller with increasing frequencies. For example, at 60 GHz, which corresponds to a 5 mm wavelength, antenna dimensions according to the invention are already possible, the side length of which is less than 1 mm, for example.
  • the integrated antennas according to the invention can be used advantageously, for example, in short-range transmission systems (short range), in microwave sensors for parking aids (79 GHz) or also for wireless chip-to-chip communication.
  • a ground potential can preferably be applied to the conductive structure, as a result of which this becomes a ground plane.
  • the conductive structure is at the same time a shield for shielding the antenna control circuit or the matching circuit or, in general, the active and passive circuit components from electromagnetic fields.
  • this ground plane serves as an antenna reflector for influencing the antenna directivity.
  • the conductive structure can be designed as a (structured) continuous metallic layer.
  • the conductive structure be arranged as a metal grid, whereby a shielding effect and a reflecting effect can also be achieved. As is illustrated in FIGS.
  • the conductive structure can be arranged on the surface of the first semiconductor chip. According to a further aspect of the present invention, however, the conductive structure can also be arranged on a lower surface of the second semiconductor chip (antenna chip). This metallic layer can preferably be connected to ground in order to influence the antenna directional characteristic and to achieve a desired shielding effect.
  • the antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 401, a second semiconductor chip 403 arranged thereon, a metallic layer 405 in the form of an octagon being arranged between the first semiconductor chip 401 and the second semiconductor chip 403.
  • An antenna structure 407 which has a rectangular shape, is formed on a surface of the second semiconductor chip 403.
  • the metallic layer 405 (upper metal layer) of the lower chip 401 shown in FIG. 4 can be connected to a base area or the ground by means of additional highly conductive metallic webs , As a result, a shielding effect is achieved around the circuit arranged in the first semiconductor chip 401.
  • this structure serves the antenna patch 407 lying above as a required mass and reflector surface.
  • the metallic layer 405, which is shown in FIG. 4, is an adapted reflector base due to its geometrical shape in order to influence or specifically design the radiation behavior of the antenna. If the antenna chip itself is provided with a ground surface on its underside, which, for example has the same size as the chip, so the specially shaped, for example in the form of an octagon, ground surface applied to the lower chip acts as the actual reflector.
  • the antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 501, a second semiconductor chip 503 arranged thereon, a conductive structure 505 arranged therebetween and a further conductive structure 507 arranged separately from the conductive structure 505.
  • the second semiconductor chip 503 comprises an antenna structure 509 and one of the antenna structure 509 separately arranged further antenna structure 511.
  • the separated metal layer consisting of the conductive structure 505 and the conductive structure 507, in turn acts as a shield for the individual paths.
  • each partial area now acts equally as an individual reflector for the respective antenna structure arranged above it, which also improves the decoupling of the two antennas 509 and 503.
  • the antenna structure 509 is then a reception antenna and the further antenna structure 511 is a transmission antenna.
  • the antenna control circuit which is arranged in the first semiconductor chip 501 and is not shown in FIG. 4, comprises, for example, an antenna transmission circuit which is assigned to the antenna structure 509 and an antenna reception circuit which is assigned to the antenna 511.
  • the antenna drive circuit is designed as a baseband circuit and comprises, for example, a processor in which digital signal processing takes place.
  • the processor is designed, for example, to carry out beam shaping (beamforming), so that the antenna structure is controlled, for example, in such a way that the RF signals to be emitted are only emitted in certain directions, or to control the antenna structure in such a way that signals can only be received from certain directions can be detected, to name just a few radiation shaping examples.
  • beam shaping beamforming
  • control circuit can comprise sensor arrangements with sensors which are designed, for example, as radar sensors, the antenna arrangement according to the invention being arranged, for example, in a car.
  • the antenna chip (the second semiconductor chip) can have a passive antenna structure with passive elements.
  • the antenna chip comprises, for example, transmitters and receiver circuits, preamplifiers and power amplifiers or also mixers in order to transform baseband signals into bandpass signals.
  • the antenna chip according to the invention comprises only a few RF parts which, for example, are already adapted to the antenna structure used.
  • the antenna chip comprises a complete RF structure. which is particularly advantageous if the antenna drive circuit operates in the baseband, so that the base signals supplied by the antenna control circuit band signals in the antenna chip are converted into RF signals and are emitted by the antenna structure.
  • the antenna drive circuit can also have some RF components in addition to baseband components, e.g. a mixer to convert the baseband signals into anadod pass range, further RF signal processing, e.g. Gain in which antenna chip is performed.
  • baseband components e.g. a mixer to convert the baseband signals into anadod pass range
  • further RF signal processing e.g. Gain in which antenna chip is performed.
  • a first semiconductor chip with an antenna control circuit is first provided and a second semiconductor chip with an antenna structure is provided.
  • the surfaces of the first semiconductor chip and the second semiconductor chip are connected to one another, the antenna structure and the control circuit being connected electrically, for example, via contact areas in the connecting step.
  • the present invention provides one
  • Microwave sensor with an antenna arrangement as has already been discussed, the antenna arrangement being designed to transmit a sensor transmission signal and to receive a reflected sensor transmission signal.
  • the reflected sensor transmission signal can be, for example, the sensor transmission signal reflected on an object.
  • the microwave sensor according to the invention comprises an evaluation device for evaluating the reflected sensor transmission signal.
  • Such a microwave sensor can be designed, for example, as a one-chip parking sensor.
  • the present invention provides an integrated chip-to-chip transmission system for chip-to-chip communication with an antenna arrangement as discussed above for transmitting a transmission signal and with an antenna arrangement as described has been discussed above for receiving the transmission signal.
  • communication between two chips can be implemented efficiently and wirelessly, which reduces manufacturing costs and space requirements and increases connection flexibility.
  • conductive structure 511 further antenna structure

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Abstract

The invention relates to an antenna assembly consisting of a first semiconductor chip (101), which comprises an antenna control circuit and a second semiconductor chip (105), which comprises an antenna structure (107). According to the invention, one surface of the first semiconductor chip (101) is connected to one surface of the second semiconductor chip (105) in order to create an electrical connection between the antenna structure (107) and the control circuit.

Description

Beschreibungdescription
Antennenanordnung und Verfahren zum Herstellen derselbenAntenna arrangement and method of making the same
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Antennenanordnungen .The present invention relates to integrated antenna arrangements.
Antennen im Mi rowellenbereich sind üblicherweise als externe Komponenten auf mikrowellengerechten Substratmaterialien aufgebracht oder werden in LTCC-Technologie gefertigt. Zusätzliche Komponenten, wie Umschaltelemente, Anpaß-, Abstimmoder Filterelemente für die Antenne müssen deshalb als diskrete Bauelemente oder in gedruckter Form auf das Board aufgebracht werden. Hierfür sind Verbindungen von der Antenne zu den aktiven Komponenten der Schaltung über Bonddrähte erforderlich, die insbesondere im hohen Frequenzbereich erhebliche parasitäre Effekte verursachen. Zu den parasitären Effekten zählen beispielsweise kapazitive Lasten der Anschlußflächen (Pads), Undefinierte Induktivitäten der Bonddrähte, Abstrahlung der Bonddrähte und die damit verbundene Strahlungskopplung mit der Antenne, was zu einem geänderten Strahlungsdiagramm führt. Zusätzliche Leitungsverluste zwischen Antenne und Eingangs- oder Ausgangsstufe sind insbesondere bei höheren Frequenzen im Mikrowellenbereich oftmals erheblich. Darüber hinaus sind derartige Konzepte teuer in der Herstellung und anfällig gegenüber Prozeßungenauigkeiten, die beispielsweise zu einer Verschlechterung von elektrischen Eigenschaften der betroffenen Struktur führen.Antennas in the microwave range are usually applied as external components on microwave-compatible substrate materials or are manufactured using LTCC technology. Additional components such as switching elements, matching, tuning or filter elements for the antenna must therefore be applied to the board as discrete components or in printed form. This requires connections from the antenna to the active components of the circuit via bond wires, which cause considerable parasitic effects, especially in the high frequency range. The parasitic effects include, for example, capacitive loads on the pads (pads), undefined inductivities of the bond wires, radiation of the bond wires and the associated radiation coupling to the antenna, which leads to a changed radiation diagram. Additional line losses between the antenna and the input or output stage are often considerable, particularly at higher frequencies in the microwave range. In addition, such concepts are expensive to manufacture and susceptible to process inaccuracies which, for example, lead to a deterioration in the electrical properties of the structure concerned.
Befinden sich ferner aktive oder passive Schaltungskomponenten in unmittelbarer Nähe der strahlenden Antenne, so müssen diese abgeschirmt sein, um vor den von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Feldern geschützt zu sein. Üblicherweise werden derartige Schaltungskomponenten in geschlossenen Abschirmgehäusen montiert, um hierdurch einen ausreichenden Schutz der elektronischen Schaltungskomponenten gegen die in der Umgebung herrschende elektrische Feldstärke zu gewährleisten. Insbesondere im Mikrowellenbereich sind die Komponenten meist so ausgeführt, daß eine aktive Schaltung räumlich deutlich von der Antenne abgesetzt montiert ist und somit nur einer geringen Feldstärkebelastung ausgesetzt wird. Sind aktive Komponenten auf einem Antennenboard, z. B. auf einem Keramik-/Mikrowellensubstrat mit einer Antenne und aktiven Bauteilen/Schaltung, so liegen diese oftmals im direkten Strahlungsfeld der Antenne, was die elektrische Leistungsfähigkeit der Schaltung beeinflussen kann. Darüber hinaus sind aufwendige Schirmmaßnshmen oftmals nicht möglich, da durch die zusätzlichen metallischen Komponentenabschirmung die Strahlung der Antenne unter Umständen beeinflußt werden könnte.If there are also active or passive circuit components in the immediate vicinity of the radiating antenna, these must be shielded in order to be protected from the electromagnetic fields radiated by the antenna. Such circuit components are usually mounted in closed shielding housings in order to thereby adequately protect the electronic circuit components against the electrical field strength prevailing in the environment to ensure. In the microwave area in particular, the components are usually designed in such a way that an active circuit is mounted at a spatially distinct distance from the antenna and is therefore only exposed to a low field strength load. Are active components on an antenna board, e.g. B. on a ceramic / microwave substrate with an antenna and active components / circuit, these are often in the direct radiation field of the antenna, which can affect the electrical performance of the circuit. In addition, complex shielding measures are often not possible, since the radiation from the antenna could possibly be influenced by the additional metallic component shielding.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Antennenanordnungskonzept zu schaffen.It is the object of the present invention to create an efficient antenna arrangement concept.
Diese Aufgabe wird durch die Antennenanordnung gemäß Anspruch 1 oder durch ein Verfahren zum Herstellen einer Antennenan- Ordnung gemäß Anspruch 24 oder duirch einen Mikrowellensensor gemäß Anspruch 25 oder durch ein integriertes Übertragungssystem gemäß Anspruch 26 gelöst.This object is achieved by the antenna arrangement according to claim 1 or by a method for producing an antenna arrangement according to claim 24 or by a microwave sensor according to claim 25 or by an integrated transmission system according to claim 26.
Der vorliegenden Erfindung liegt cdie Erkenntnis zugrunde, daß eine effiziente Antennenanordnung mit Hilfe von zwei Halbleiterchips bevorzugt unter Verwendung der Face-to-Face- Technologie realisiert werden kann. Die erfindungsgemäße Antennenanordnung umfaßt einen ersten Halbleiterchip mit einer Antennensteuerschaltung sowie einen zweiten Halbleiter- chip mit einer Antennenstruktur, wobei eine Oberfläche des ersten Halbleiterchips mit einer Oberfläche des zweiten Halbleiterchips verbunden ist, so daß die Antennenstruktur mit der Ansteuerschaltung elektrisch verbunden ist. Die erfindungsgemäße Antennenanordnung besteht somit aus zwei wesentlichen Elementen: einer aktiven Schaltung (Antennenan- steuerschaltung) als erstes Element (Bottom-Chip) und der Antennenstruktur (Antenne) mit zusätzlichen Komponenten (zweiter Halbleiterchip, Antennenchip) . In dem Antennenchip sind zusätzliche aktive oder passive Bauelemente eingebettet. Die Antennenstruktur ist entweder auf dem Chip angebracht oder ebenfalls im Chip integriert.The present invention is based on the knowledge that an efficient antenna arrangement can be implemented using two semiconductor chips, preferably using face-to-face technology. The antenna arrangement according to the invention comprises a first semiconductor chip with an antenna control circuit and a second semiconductor chip with an antenna structure, a surface of the first semiconductor chip being connected to a surface of the second semiconductor chip, so that the antenna structure is electrically connected to the drive circuit. The antenna arrangement according to the invention thus consists of two essential elements: an active circuit (antenna control circuit) as the first element (bottom chip) and the antenna structure (antenna) with additional components (second semiconductor chip, antenna chip). Additional active or passive components are embedded in the antenna chip. The antenna structure is either attached to the chip or also integrated in the chip.
Bevorzugt umfaßt die erfindungsgemäße Antennenanordnung zwei Chips, wobei der Antennenchip (zweiter Halbleiterchip) mit möglichen zusätzlichen elektronischen Komponenten in Halbleiter-Technologie, beispielsweise in Silizium-Technologie, in Silizium-Germanium-Technologie oder in GaAs-Technologie, ausgeführt ist und unmittelbar in Face-to-Face- (F2F-) Technologie auf dem Chip mit der aktiven Schaltung angebracht wird. Derartige Anordnungen erscheinen insbesondere im hohen Gigahertz-Frequenzbereich, beispielsweise ab 10-20 GHz, als sehr günstig, da sich durch die vorteilhafte Verbindungstechnologie erhebliche Vorteile für die Gesamtanordnung ergeben. Durch die kleinen Abmessungen der erfindungsgemäßen Antennen in diesem Frequenzbereich (ca. 1 - 2 mm und kleiner) können einfache, kostengünstige und attraktive Lösungen bei kommuni- kations- oder sensorintegrierten Schaltungen (IC; IC = in- tegrated circuit) ohne zusätzliche externe Antennen realisiert werden.The antenna arrangement according to the invention preferably comprises two chips, the antenna chip (second semiconductor chip) having possible additional electronic components in semiconductor technology, for example in silicon technology, in silicon germanium technology or in GaAs technology, and being implemented directly in face to-face (F2F) technology is attached to the chip with the active circuit. Arrangements of this type appear to be very favorable, in particular in the high gigahertz frequency range, for example from 10-20 GHz, since the advantageous connection technology results in considerable advantages for the overall arrangement. The small dimensions of the antennas according to the invention in this frequency range (approx. 1 - 2 mm and smaller) enable simple, inexpensive and attractive solutions to be implemented in communication or sensor-integrated circuits (IC; IC = integrated circuit) without additional external antennas become.
Um die Antennensteuerschaltung (aktive Schaltung) abzuschir- men sowie um gleichzeitig eine gewünschte Antennenrichtcharakteristik zu erzielen, wird erfindungsgemäß ferner zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip eine leitfähige Struktur, beispielsweise aus Metall, angeordnet. Diese ebenfalls einfach und kostengünstig in Face-to-Face- Technologie herstellbare leitende metallische Trennschicht zwischen den beiden Chips ist somit mit einer doppelten Aufgabe behaftet. Zunächst dient sie als eine Abschirmung des aktiven Schaltungsteils gegen die Einstrahlung der Antennen oder gegen weitere externe elektromagnetische Felder. Gleich- zeitig wirkt sie als ein Antennenreflektor für den aufgesetzten Antennenchip. Insbesondere in einem mittleren und einem hohen Gigahertzbereich, beispielsweise ab 10 GHz, ermöglicht es der erfindungsgemäße Ansatz, die kleiner werdenden Antennen in künftigen Komplettsystemen auf kleinsten Chipflächen zu realisieren, da erfindungsgemäß auf eine einfache Weise die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie der gewünschten Abstrahlungs- oder Empfangscharakteristik (Antennenrichtcharakteristik) gezielt beeinflußt werden können, was insbesondere vorteilhaft gegenüber bisherigen Systemen, die aus einzelnen Komponenten bestehen, ist.In order to shield the antenna control circuit (active circuit) and to simultaneously achieve a desired antenna directional characteristic, a conductive structure, for example made of metal, is further arranged between the first semiconductor chip and the second semiconductor chip. This conductive metallic separating layer between the two chips, which is also simple and inexpensive to manufacture using face-to-face technology, is therefore associated with a double task. First of all, it serves as a shield for the active circuit part against the radiation from the antennas or against further external electromagnetic fields. At the same time, it acts as an antenna reflector for the attached antenna chip. Especially made possible in a medium and a high gigahertz range, for example from 10 GHz it is the approach according to the invention to realize the increasingly small antennas in future complete systems on the smallest chip areas, since according to the invention the properties of the arrangement according to the invention with regard to electromagnetic compatibility as well as the desired radiation or reception characteristics (antenna directional characteristics) can be influenced in a simple manner, which in particular is advantageous compared to previous systems that consist of individual components.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are explained in detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Antennenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfind mg;1 shows an antenna arrangement according to a first exemplary embodiment of the present invention.
Fig. 2 eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindumg;2 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 3a eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindumg;3a shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 3b eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindumg;3b shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention;
Fig. 4 eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindumg; und4 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention; and
Fig. 5 eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindumg.5 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention.
In Fig.la ist eine Antennenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Er indung darge- stellt. Die Antennenanordnung umfasst einen errsten Halbleiterchip 101, der eine Antennenansteuerschaltung 103 aufweist. Die Antennenanordnung umfasst ferner einen zweiten Halbleiterchip 105, der eine Antennenstruktur 107 umfaßt.In Fig.la an antenna arrangement according to a first embodiment according to the present invention is shown. The antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 101, which has an antenna drive circuit 103. The antenna arrangement further comprises a second semiconductor chip 105, which comprises an antenna structure 107.
Um das erfindungsgemäße Konzept zu verdeutlichen, ist in Fig. la eine Explosionszeichnung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung dargestellt. Um die Antennenstruktur an die Ansteuerschaltung elektrisch zu koppeln, ist erfindungsgemäß die erste Oberfläche des ersten Halbleiterchips (Bottom-Chip) mit einer Oberfläche des zweiten Halbleiterchips (Antennenchip) verbunden. Um eine elektrische Verbindung herzustellen, weicht die Ansteuerschaltung 103 beispielsweise eine an einer bestimmten geometrischen Position, beispielsweise in der Mitte, angeordnete Anschlussfläche zum Ansteuern der Antennenstruktur 107 auf. Auf der Oberfläche des zweiten Halblei- terchips, die der Oberfläche des ersten Halbleiterchips zugewandt ist, befindet sich beispielsweise exakt über der Anschlussfläche eine Antennenanschlussflache, so dass nach einer Zusammensetzung eine elektrische Verbindung gewährleistet ist. Die Antennenanschlussflache kann beispielsweise mit Hilfe von einer Durchkontaktierung oder einer weiteren metallischen Struktur mit der Antennenstruktur 107 verbunden sein.In order to clarify the concept according to the invention, an exploded view of the antenna arrangement according to the invention is shown in FIG. In order to electrically couple the antenna structure to the control circuit, the first surface of the first semiconductor chip (bottom chip) is connected to a surface of the second semiconductor chip (antenna chip). In order to establish an electrical connection, the control circuit 103 softens, for example, a connection surface arranged at a specific geometric position, for example in the middle, for controlling the antenna structure 107. On the surface of the second semiconductor chip, which faces the surface of the first semiconductor chip, there is, for example, an antenna connection surface exactly above the connection surface, so that an electrical connection is ensured according to a composition. The antenna connection area can be connected to the antenna structure 107, for example, by means of a plated-through hole or another metallic structure.
Wie es in Fig. la dargestellt ist, ist die Antennenstruktur 107 auf dem Chip angeordnet. Erfindungsgemäß kann die Anten- nenstruktur 107 jedoch ebenfalls in den Chip angeordnet sein, wobei es sich in dem Fall um ein eingebettetes Antennen-Array handelt. In beiden Fällen umfasst der Chip ein Halbleitersubstrat, das beispielsweise Silizium oder GaAs ist.As shown in FIG. 1 a, the antenna structure 107 is arranged on the chip. According to the invention, however, the antenna structure 107 can also be arranged in the chip, in which case it is an embedded antenna array. In both cases, the chip comprises a semiconductor substrate, which is, for example, silicon or GaAs.
Die in Fig. la schematisch dargestellte, auf dem Substrat angeordnete Antennenanordnung 107 besteht aus einer Metallisierungsschicht, die zwei nebeneinander angeordnete rechteckige Bereiche aufweist, die über einen leitfähigen Steg verbunden sind. Die rechteckförmigen Antennen-Patches können eine Seitenlänge von zwei Millimeter oder geringer aufweisen. Die Antennenstruktur 107 kann jedoch eine beliebige Form aufweisen und beispielsweise kreisrunde Strahlungsbereiche (Patches) aufweisen.The antenna arrangement 107, which is shown schematically in FIG. 1 a and is arranged on the substrate, consists of a metallization layer which has two rectangular regions which are arranged next to one another and which are connected via a conductive web are connected. The rectangular antenna patches can have a side length of two millimeters or less. However, the antenna structure 107 can have any shape and, for example, circular radiation areas (patches).
Fig. lb zeigt eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu dem in Fig. la dargestellten Ausführungsbeispiel, umfasst die in Fig. lb dargestellte Antennenanordnung einen Schlitzstrahler zu Ausstrahlen beziehungsweise zum Empfangen von elektromagnetischer Energie. Auf der Oberfläche des zweiten Halbleiterchips ist eine Metallisierungsschicht 109 angeordnet, die in der Mitte einen rechteckförmigen Schlitz 111 aufweist. Der Schlitz 111 kann jedoch eine beliebige Form, z.B. rund, aufweisen.1b shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention. In contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 1 a, the antenna arrangement shown in FIG. 1 b comprises a slot radiator for radiating or for receiving electromagnetic energy. A metallization layer 109 is arranged on the surface of the second semiconductor chip and has a rectangular slot 111 in the middle. However, slot 111 can be of any shape, e.g. round, have.
Aufgrund einer Antennendualität kann die erfindungsgemäße Anordnung sowohl zum Aussenden von Signalen als auch zum Empfangen von Signalen eingesetzt werden. Wird die erfindungsgemäße Antennenanordnung zum Aussenden von Signalen verwendet, so ist die erfindungsgemäße AnsteuerSchaltung ausgebildet, um die Antennenanordnung derart anzuregen, daß ein Sendesignal ausgestrahlt wird. Die Ansteuerschaltung umfaßt bevorzugt aktive Schaltungskomponenten, wie beispielsweise Verstärker, Treiber etc., um die Antennenanordnung mit einer ausreichenden Leistung anzuregen. Neben einem Verstärker kann eine derartige Sendestufe beispielsweise ein Sendefilter umfassen. Neben dem Sendefilter kann die erfindungsge- mäße Ansteuerschaltung ferner einen integrierten Mischer umfassen, um ein Eingangssignal in ein Hochfrequenzsignal umzusetzen.Due to an antenna duality, the arrangement according to the invention can be used both for transmitting signals and for receiving signals. If the antenna arrangement according to the invention is used for transmitting signals, the drive circuit according to the invention is designed to excite the antenna arrangement in such a way that a transmission signal is emitted. The drive circuit preferably comprises active circuit components, such as amplifiers, drivers, etc., in order to excite the antenna arrangement with sufficient power. In addition to an amplifier, such a transmission stage can include, for example, a transmission filter. In addition to the transmission filter, the control circuit according to the invention can further comprise an integrated mixer in order to convert an input signal into a high-frequency signal.
Erfindungsgemäß kann die Antennenanordnung jedoch auch einge- setzt werden, um Signale zu empfangen. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Antennensteuerschaltung eine Empfangsschaltung, die neben einem Empfangsfilter einen bevorzugt rausch- armen Verstärker aufweist, um die von der Antennenanordnung erfaßten Signale zu filtern und zu verstärken. Darüber hinaus kann eine derartige Empfangsstufe ferner einen Mischer aufweisen, um das empfangene Hochfrequenzsignal beispielsweise auf ein Zwischenfrequenzband im Megahertzbereich umzusetzen.According to the invention, however, the antenna arrangement can also be used to receive signals. In this case, the antenna control circuit according to the invention is a reception circuit which, in addition to a reception filter, has a preferably noise- poor amplifier in order to filter and amplify the signals detected by the antenna arrangement. In addition, such a receiving stage can also have a mixer in order to convert the received high-frequency signal to an intermediate frequency band in the megahertz range, for example.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die erfindungsgemäße Antennenanordnung zum Aussenden von Signalen und zum Empfangen von Signalen eingesetzt werden, wodurch sich eine große Einsatz- flexibilität ergibt. In diesem Fall umfaßt die erfindungsgemäße Antennenstruktur sowohl eine Sendestufe als auch eine Empfangsstufe. Sollten Informationen ausgesendet werden, so wird die Antennenanordnung von der Sendestufe angeregt. Sollten Signale empfangen werden, so übernimmt die Empfangs- stufe die Signaldetektion.According to a further aspect, the antenna arrangement according to the invention can be used for transmitting signals and for receiving signals, which results in great flexibility of use. In this case, the antenna structure according to the invention comprises both a transmission stage and a reception stage. If information is sent out, the antenna arrangement is excited by the transmission stage. If signals are received, the receiving stage takes over the signal detection.
Zum Anpassen einer Antennenimpedanz an eine Ansteuerschal- tungsimpedanz ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung in dem zweiten Halbleiterchip eine Anpassungs- Schaltung angeordnet. Diese Anpassungsschaltung besteht beispielsweise aus integrierten, passiven Schaltungselementen, wie Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten. Darüber hinaus kann die Anpassungsschaltung beispielsweise Stichleitungen aufweisen, um die gewünschte Anpassung zu erreichen. Die Anpassungsschaltung kann ferner auch andereAccording to a further aspect of the present invention, an adaptation circuit is arranged in the second semiconductor chip in order to adapt an antenna impedance to a drive circuit impedance. This matching circuit consists, for example, of integrated, passive circuit elements, such as resistors, capacitors and inductors. In addition, the adaptation circuit can have stub lines, for example, in order to achieve the desired adaptation. The matching circuit can also be other
Schaltungsstrukturen aufweisen, beispielsweise Filier, Duple- xer, Diplexer oder Schalter.Have circuit structures, for example filler, duplexer, diplexer or switch.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt der erste Halbleiterchip eine Anpassungsschaltung zum Anpassen der Ansteuerschaltungsimpedanz an die Antennenimpedanz.According to a further aspect of the present invention, the first semiconductor chip comprises a matching circuit for matching the drive circuit impedance to the antenna impedance.
Zum Abstimmen der Antennenstruktur auf einen gewünschten Antennenfrequenzbereich ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung in dem zweiten Halbleiterchip eineAccording to a further aspect of the present invention, there is one in the second semiconductor chip for tuning the antenna structure to a desired antenna frequency range
Abstimmungsschaltung zum Abstimmen angeordnet. Der Antennenfrequenzbereich kann beispielsweise, abhängig von der verwen- deten Halbleiter-Technologie durch eine Frequenz von 60 GHz oder durch eine Frequenz von 10-20GHz vorgegeben werden, wobei bei dieser Frequenz bevorzugt ein maximal möglicher Wirkungsgrad erzielt wird.Voting circuit arranged for voting. The antenna frequency range can, for example, depending on the Deten semiconductor technology by a frequency of 60 GHz or by a frequency of 10-20GHz, wherein at this frequency preferably the maximum possible efficiency is achieved.
Alternativ kann die Abstimmungsschaltung in dem ersten Halbleiterchip angeordnet sein. Beispielsweise beträgt auch in diesem Fall die Antennenbetriebsfrequenz 10-20GHz oder sie ist größer als 10-20GHz und beträgt z.B. 60 GHz.Alternatively, the tuning circuit can be arranged in the first semiconductor chip. For example, in this case too, the antenna operating frequency is 10-20GHz or it is greater than 10-20GHz and is e.g. 60 GHz.
Wie es in Fig. la und in Fig. lb verdeutlicht ist, ermöglicht die unmittelbare Anordnung der beiden Chips in Face-to-Face- Technologie die kürzeste Verbindung zwischen Antenne und Eingangs-/Ausgangsstufe (Sende-/Empfangsstufe) . Dadurch, daß die Antennenelemente auf einem Halbleiter-Basismaterial, beispielsweise Silizium, aufgebracht sind oder in Silizium eingebettet sind, reduziert sich eine Größenabmessung der Antenne aufgrund der dielektrischen Umgebung um den Faktor l/sqr(εr), in Si02 als ca. um den Faktor 2. Bei GaAs ist εr=12.9, so daß sqr(εr)=3.6, wodurch auch tielere Frequenzen, z.B. 10-20 GHz, erzielt werden können. Antennen für einen höheren Frequenzbereich von 20 GHz und mehr in z.B. quadratischer Ausführung als Mikrostrip-Patch-Antennen weisen bevorzugt Abmessungen der Größe einer halben Wellenlänge. Mit einem Verkürzungsfaktor resultiert hieraus eine mechanische Größe von ca. 2 mal 2 mm und kleiner, so daß sich z.B. bei GaAs bei 20GHz eine Seitenlänge von λ/2 ergibt.As is illustrated in FIG. 1 a and in FIG. 1 b, the direct arrangement of the two chips in face-to-face technology enables the shortest connection between the antenna and the input / output stage (transmitting / receiving stage). Because the antenna elements are applied to a semiconductor base material, for example silicon, or are embedded in silicon, a size dimension of the antenna is reduced due to the dielectric environment by the factor l / sqr (ε r ) in Si0 2 as approx the factor 2. With GaAs, ε r = 12.9, so that sqr (ε r ) = 3.6, which also allows lower frequencies, eg 10-20 GHz, to be achieved. Antennas for a higher frequency range of 20 GHz and more, for example in a square version, as microstrip patch antennas preferably have dimensions of half a wavelength. With a shortening factor, this results in a mechanical size of approx. 2 by 2 mm and smaller, so that, for example with GaAs at 20GHz, a side length of λ / 2 results.
Im Antennenchip können unmittelbar an die Antennenstruktur weitere passive Bauelemente, wie Induktivitäten oder Kapazitäten zu Anpassungszwecken, Filterstrukturen in Leitungstechnik sowie aktive elektronische Bauelemente wie Dioden oder Varaktoren zu Abstimmungszwecken (Abstimmschaltung) eingebettet sein. Vorteile werden dadurch erzielt, daß sich hierdurch auf einfache Art und Weise Gesamtsysteme für die drahtlose Kommunikation und auch Sensorsysteme realisiert werden können, die somit keine bislang zusätzlichen externen Antennen- komponenten mehr erfordern. Unter Einschränkung einer nicht beliebige großen Chipfläche werden in dieser Technologie bevorzugt vergleichsweise einfache Antennenstrukturen mit Gewinnen im unteren und mittleren Gewinnbereich realisiert. Diese sind jedoch für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ausreichend, wie z. B. für Short-Range-Übertragung, Chip-to- Chip-Kommunikation, Park-Control, Sensoren etc.Further passive components, such as inductors or capacitors for adaptation purposes, filter structures in line technology and active electronic components such as diodes or varactors for tuning purposes (tuning circuit) can be embedded directly in the antenna chip on the antenna structure. Advantages are achieved in that overall systems for wireless communication and sensor systems can be implemented in a simple manner, which thus do not require any additional external antenna components require more. With the limitation of a not arbitrarily large chip area, comparatively simple antenna structures with gains in the lower and middle profit range are preferably realized in this technology. However, these are sufficient for a variety of applications, such as. B. for short-range transmission, chip-to-chip communication, park control, sensors etc.
Fig. 2 zeigt einen Schichtaufbau einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung.2 shows a layer structure of an antenna arrangement according to the invention.
Die in Fig. 2 dargestellte Antennenanordnung umfaßt eine Antennenstruktur, von der, bedingt durch die Querschnittsdarstellung, drei Abschnitte, 201a, 201b und 201c, sichtbar sind. Der Chip umfaßt ferner ein Substrat 203, in dem weitere aktive und passive Bauteile, insbesondere eine Induktivität 205, eine Kapazität 207, eine Pin-Diode 209 sowie ein Widerstand 211 angeordnet sind.The antenna arrangement shown in FIG. 2 comprises an antenna structure, of which, due to the cross-sectional representation, three sections, 201a, 201b and 201c, are visible. The chip also includes a substrate 203 in which further active and passive components, in particular an inductor 205, a capacitor 207, a pin diode 209 and a resistor 211 are arranged.
Aufgrund des in Fig. 2 dargestellten Schichtaufbaus sind die Abschnitte 201b und 201c der Antennenstruktur in einer ersten Schicht 213 zusammen mit einer Mehrzahl von Zuleitungen 215 angeordnet. In einer darunter angeordneten Schicht 217 sind Durchkontaktierungen 219 zu einer darunter angeordneten 221 angeordnet. In der Schicht 221 befinden sich ferner mehrere Zuleitungsabschnitte 223, die mit Hilfe von einer Mehrzahl von Durchkontaktierungen die bereits erwähnten aktiven und passiven Bauelemente miteinander verbinden. Somit umfaßt der zweite Halbleiterchip neben der Antennenstruktur eine Mehr- zahl von Substratschichten 213, 217 und 219 sowie eine Mehrzahl von Zuleitungen und Durchkontaktierungen, durch die Kontaktflächen zu dem darunterliegenden ersten Halbleiterchip, in dem die aktiven und passiven Bauelemente angeordnet sind, realisiert werden.Due to the layer structure shown in FIG. 2, the sections 201b and 201c of the antenna structure are arranged in a first layer 213 together with a plurality of feed lines 215. Vias 219 to a 221 arranged below are arranged in a layer 217 arranged below. In the layer 221 there are also a plurality of lead sections 223 which connect the already mentioned active and passive components to one another with the aid of a plurality of through-plating. Thus, in addition to the antenna structure, the second semiconductor chip comprises a plurality of substrate layers 213, 217 and 219 as well as a plurality of feed lines and plated-through holes through which contact areas to the underlying first semiconductor chip, in which the active and passive components are arranged, are realized.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die erfindungsgemäße Antennenanordnung eine zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip angeordnete leitfähige Struktur. Verwendet man insbesondere eine Anordnung bestehend aus einer Antenne mit elektrisch leitendem flächig ausgeführten Reflektor (z. B. Mikrowellen-Patch- Antenne auf einem Substrat) , so können die aktiven Schaltungskomponenten auf der Rückseite des Reflektors, welcher auch als eine elektrische Massefläche dienen kann, angebracht werden. Dadurch wird gleichzeitig eine zusätzliche Abschirmung über der Schaltung erzielt, die diese vor weiterer Einstrahlung schützt, wie es bereits erwähnt worden ist.According to a further aspect of the present invention, the antenna arrangement according to the invention comprises an between the first semiconductor chip and the second semiconductor chip arranged conductive structure. If, in particular, an arrangement consisting of an antenna with an electrically conductive flat reflector (e.g. microwave patch antenna on a substrate) is used, the active circuit components on the back of the reflector, which can also serve as an electrical ground plane, be attached. This also results in an additional shielding over the circuit, which protects it from further radiation, as has already been mentioned.
Fig. 3a zeigt eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenanordnung umfaßt einen ersten Halbleiterchip 301 sowie einen darüber angeordneten zweiten Halbleiterchip 303. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die in Fig. 3a dargestellte Anordnung explosionsartig gezeichnet.3a shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention. The antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 301 and a second semiconductor chip 303 arranged above it. For the sake of clarity, the arrangement shown in FIG. 3a is shown in an explosive manner.
Der erste Halbleiterchip 301 weist einen Schichtaufbau auf mit einer ersten Schicht 305, einer zweiten Schicht 307 sowie einer dritten Schicht 309. Darüber hinaus umfaßt der erste Halbleiterchip 301 eine Mehrzahl von elektronischen Komponenten 311, z. B. Dioden, Induktivitäten, Widerstände, Kapazitäten etc., die in den jeweiligen Schichten, beispielsweise in der Schicht 305 sowie in der Schicht 307, angeordnet sind.The first semiconductor chip 301 has a layer structure with a first layer 305, a second layer 307 and a third layer 309. In addition, the first semiconductor chip 301 comprises a plurality of electronic components 311, e.g. B. diodes, inductors, resistors, capacitors etc., which are arranged in the respective layers, for example in layer 305 and in layer 307.
Auf einer Oberfläche der obersten Schicht 309 ist eine metallische Schicht 313 angeordnet. Bei der metallischen Schicht 313 handelt es sich um eine Face-to-Face- (F2F top metal layer) Metallschicht, die zwischen dem ersten Halbleiterchip 301 (Bottom-Chip) und dem zweiten Halbleiterchip 303 (Antennenchip) angeordnet ist. Die metallische Schicht 313 ist durch eine Mehrzahl von Massestiften 315 mit einer darüber angeordneten, in Fig. 3a nicht eingezeichneten, Masseebene verbunden. Bevorzugt weist die metallische Schicht 313 eine Oberfläche auf, deren Größe einer unteren Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 303 entspricht. Der zweite Halbleiterchip 303 umfaßt eine auf dessen Oberfläche angeordnete Antenne 317, die eine rechteckige Form aufweist. Die Antenne 317 kann beispielsweise als eine weitere metallische Schicht auf der Oberfläche des zweiten Halblei- terchips 303 angeordnet sein.A metallic layer 313 is arranged on a surface of the uppermost layer 309. The metallic layer 313 is a face-to-face (F2F top metal layer) metal layer which is arranged between the first semiconductor chip 301 (bottom chip) and the second semiconductor chip 303 (antenna chip). The metallic layer 313 is connected by a plurality of ground pins 315 to a ground plane arranged above it, not shown in FIG. 3a. The metallic layer 313 preferably has a surface whose size corresponds to a lower surface of the second semiconductor chip 303. The second semiconductor chip 303 comprises an antenna 317 which is arranged on its surface and has a rectangular shape. The antenna 317 can, for example, be arranged as a further metallic layer on the surface of the second semiconductor chip 303.
In Fig. 3a sind aus Übersichtlichkeitsgründen keine Strukturierungen in der metallischen 313 dargestellt, die zum Verbinden der Antenne 317 mit den elektronischen Komponenten 311 dienen. Beispielsweise umfaßt die metallische Schicht 313 eine in deren Mitte angeordnete Kontaktöffnung zu den elektronischen Komponenten, so daß über eine an der unteren Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 303 angeordnete Antennen- kontaktflache, die beispielsweise mittig ausgeführt ist, elektrisch leitend an die elektronischen Komponenten angeschlossen werden kann.For reasons of clarity, FIG. 3a shows no structuring in the metallic 313, which is used to connect the antenna 317 to the electronic components 311. For example, the metallic layer 313 comprises a contact opening arranged in the middle thereof to the electronic components, so that an antenna contact surface arranged on the lower surface of the second semiconductor chip 303, which is designed, for example, in the center, can be electrically conductively connected to the electronic components.
Fig. 3b zeigt eine Zusammensetzung der in Fig. 3a explosionsartig dargestellten Anordnung. Erfindungsgemäß erfüllt die metallische Schicht 313, die zwischen den beiden Chips angeordnet ist, zwei Aufgaben. Zunächst dient sie als eine Abschirmung und zum anderen als ein Reflektor bzw. als eine Massefläche für die darüber angebrachte Antenne 317. Die Abschirmwirkung ist dabei durch die Pfeile 319 verdeutlicht, wohingegen eine aufgrund des Antennenreflektors 313 erzielte Antennencharakteristik durch beispielsweise einen die Ab- strahlungsrichtung anzeigenden Pfeil 321 verdeutlicht.FIG. 3b shows a composition of the arrangement shown exploded in FIG. 3a. According to the invention, the metallic layer 313, which is arranged between the two chips, fulfills two tasks. First of all, it serves as a shield and on the other hand as a reflector or as a ground plane for the antenna 317 attached above. The shielding effect is illustrated by the arrows 319, whereas an antenna characteristic achieved on the basis of the antenna reflector 313 is indicated by, for example, one that indicates the radiation direction Arrow 321 illustrates.
Durch eine Anwendung der Face-to-Face-Technologie kann mit dem F2F-Top-Layer 313 auf dem aktiven Chip eine doppelteBy using face-to-face technology, a double can be achieved with the F2F top layer 313 on the active chip
Wirkung erzielt werden. In Verbindung mit zusätzlichen vertikalen metallischen Stegen 315 kann eine abschirmende Wirkung der Schaltung erreicht werden, die elektrischen Feldlinien 319 der darüberliegenden Antenne erreichen nicht die aktiven Schaltungskomponenten. Patch-Antennen erfordern zum eigentlichen Antennenstrahler 317 (Patch) eine darunterliegende Massefläche (Reflektor) , gegen die das Antennenelement erregt wird. Die Abstrahlrichtung ist dann beispielsweise orthogonal zu einer Fläche des Patches, wie es durch den Pfeil 321 dargestellt ist. Insbesondere wird die Strahlungscharakteristik der so entstandenen Antennenanordnung nicht nur durch die Ausführungsform des aktiven Strahlers der Antenne 317 oder dem Abstand zum Reflektor 313 bestimmt, sondern auch erheblich durch die Form und Größe des Reflektors bzw. der Massefläche. Hierdurch kann eine Antennenrichtcharakteristik, beispielsweise die Richtwirkung als auch die Gestaltung der Nebenkeule und die Lage der Diagrammnullstellen, durch dieEffect can be achieved. In conjunction with additional vertical metallic webs 315, a shielding effect of the circuit can be achieved, the electrical field lines 319 of the antenna above do not reach the active circuit components. For the actual antenna radiator 317 (patch), patch antennas require an underlying ground surface (reflector) against which the antenna element excites becomes. The direction of radiation is then, for example, orthogonal to a surface of the patch, as shown by arrow 321. In particular, the radiation characteristic of the antenna arrangement thus created is determined not only by the embodiment of the active radiator of the antenna 317 or the distance from the reflector 313, but also considerably by the shape and size of the reflector or the ground plane. In this way, an antenna directional characteristic, for example the directivity as well as the design of the side lobe and the position of the diagram zeros, can be determined by the
Abstrahlungsminima festgelegt werden, beeinflußt werden. Mit steigenden Frequenzen werden die Abmessungen der Antennen immer kleiner. Beispielsweise bei 60 GHz, was 5 mm Wellenlänge entspricht, sind bereits erfindungsgemäße Antennenabmes- sungen möglich, deren Seitenlänge beispielsweise geringer als 1 mm ist. Durch eine Anwendung dieser Technik in Verbindung mit weiteren aktiven Komponenten im Antennenchip lassen sich somit äußerst verlustarme Gesamtsysteme für eine Vielzahl von möglichen Anwendungen realisieren. Die erfindungsgemäßen integrierten Antennen können beispielsweise vorteilhaft eingesetzt werden bei Kurzstreckenübertragungssystemen (Short Range) , bei Mikrowellensensoren für Parkhilfen (79 GHz) oder auch für drahtlose Chip-to-Chip-Kommunikation.Radiation minima are determined, are influenced. The dimensions of the antennas become smaller and smaller with increasing frequencies. For example, at 60 GHz, which corresponds to a 5 mm wavelength, antenna dimensions according to the invention are already possible, the side length of which is less than 1 mm, for example. By using this technology in conjunction with other active components in the antenna chip, extremely low-loss overall systems can be implemented for a large number of possible applications. The integrated antennas according to the invention can be used advantageously, for example, in short-range transmission systems (short range), in microwave sensors for parking aids (79 GHz) or also for wireless chip-to-chip communication.
Um eine Abschirmwirkung zu erzielen und um die gewünschteTo achieve a shielding effect and the desired one
Richtcharakteristik zu erhalten, ist an die leitfähige Struktur bevorzugt ein Massepotential anlegbar, wodurch diese zu einer Masseebene wird. So ist die leitfähige Struktur gleichzeitig eine Abschirmung zum Abschirmen der Antennensteuer- Schaltung oder der Anpassungsschaltung oder, generell, der aktiven und passiven Schaltungskomponenten, vor elektromagnetischen Feldern. Zusätzlich dient diese Massefläche als ein Antennenreflektor zum Beeinflussen der Antennenrichtcharakteristik. Wie es in Fig. 3a und 3b dargestellt ist, kann die leitfähige Struktur als eine (strukturierte) durchgehende metallische Schicht ausgebildet sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die leitfähige Struk- tur als ein Metallgitternetz angeordnet sein, wodurch ebenfalls eine Schirmwirkung und eine Reflektionswirkung erzielt werden kann. Wie es in Fig. 3a und 3b verdeutlicht ist, kann die leitfähige Struktur auf der Oberfläche des ersten Halb- leiterchips angeordnet sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die leitfähige Struktur jedoch auch auf einer unteren Oberfläche des zweiten Halbleiterchips (Antennenchip) angeordnet sein. Bevorzugt ist diese metallische Schicht mit Masse verbindbar, um die Antennenrichtcha- rakteristik zu beeinflussen und um eine gewünschte Abschirm- wirkung zu erzielen.To obtain the directional characteristic, a ground potential can preferably be applied to the conductive structure, as a result of which this becomes a ground plane. Thus, the conductive structure is at the same time a shield for shielding the antenna control circuit or the matching circuit or, in general, the active and passive circuit components from electromagnetic fields. In addition, this ground plane serves as an antenna reflector for influencing the antenna directivity. As shown in FIGS. 3a and 3b, the conductive structure can be designed as a (structured) continuous metallic layer. According to a further aspect of the present invention, the conductive structure be arranged as a metal grid, whereby a shielding effect and a reflecting effect can also be achieved. As is illustrated in FIGS. 3a and 3b, the conductive structure can be arranged on the surface of the first semiconductor chip. According to a further aspect of the present invention, however, the conductive structure can also be arranged on a lower surface of the second semiconductor chip (antenna chip). This metallic layer can preferably be connected to ground in order to influence the antenna directional characteristic and to achieve a desired shielding effect.
In Fig. 4 ist eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Die Antennenan- Ordnung umfaßt einen ersten Halbleiterchip 401, einen darauf angeordneten zweiten Halbleiterchip 403, wobei zwischen dem ersten Halbleiterchip 401 und dem zweiten Halbleiterchip 403 eine metallische Schicht 405 in Form eines Achtecks angeordnet ist. Auf einer Oberfläche des zweiten Halbleiterchips 403 ist eine Antennenstruktur 407, die eine rechteckige Form hat, ausgebildet .4 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment. The antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 401, a second semiconductor chip 403 arranged thereon, a metallic layer 405 in the form of an octagon being arranged between the first semiconductor chip 401 and the second semiconductor chip 403. An antenna structure 407, which has a rectangular shape, is formed on a surface of the second semiconductor chip 403.
Wie es im Zusammenhang mit dem in Fig. 3a und 3b dargestellten Ausführungsbeispiel diskutiert worden ist, kann die in Fig. 4 dargestellte metallische Schicht 405 (obere Metallage) des unteren Chips 401 durch zusätzliche gut leitende metallische Stege mit einer Grundfläche oder dem Ground verbunden sein. Hierdurch wird um die im ersten Halbleiterchip 401 angeordnete Schaltung herum eine Abschirmwirkung erzielt. Gleichzeitig dient diese Struktur dem darüberliegenden Antennen-Patch 407 als eine erforderliche Masse und Reflektorfläche. Bei der metallischen Schicht 405, die in Fig. 4 dargestellt ist, handelt es sich aufgrund deren geometrischen Form um eine angepaßte Reflektorgrundfläche, um hierdurch das Strahlungsverhalten der Antenne zu beeinflussen bzw. gezielt zu gestalten. Ist der Antennenchip auf seiner Unterseite selbst mit einer Massefläche versehen, welche beispielsweise die gleiche Größe aufweist wie der Chip, so wirkt dennoch die auf dem unteren Chip aufgebrachte und speziell geformte, beispielsweise in Form eines Achtecks, Massefläche als der eigentliche Reflektor.As has been discussed in connection with the exemplary embodiment shown in FIGS. 3a and 3b, the metallic layer 405 (upper metal layer) of the lower chip 401 shown in FIG. 4 can be connected to a base area or the ground by means of additional highly conductive metallic webs , As a result, a shielding effect is achieved around the circuit arranged in the first semiconductor chip 401. At the same time, this structure serves the antenna patch 407 lying above as a required mass and reflector surface. The metallic layer 405, which is shown in FIG. 4, is an adapted reflector base due to its geometrical shape in order to influence or specifically design the radiation behavior of the antenna. If the antenna chip itself is provided with a ground surface on its underside, which, for example has the same size as the chip, so the specially shaped, for example in the form of an octagon, ground surface applied to the lower chip acts as the actual reflector.
Fig. 5 zeigt eine Antennenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Antennenanordnung umfaßt einen ersten Halbleiterchip 501, einen darauf angeordneten zweiten Halbleiterchip 503, eine dazwi- sehen angeordnete leitfähige Struktur 505 sowie eine von der leitfähigen Struktur 505 getrennt angeordnete weitere leitfähige Struktur 507. Der zweite Halbleiterchip 503 umfaßt eine Antennenstruktur 509 sowie eine von der Antennenstruktur 509 getrennt angeordnete weitere Antennenstruktur 511.5 shows an antenna arrangement according to a further exemplary embodiment of the present invention. The antenna arrangement comprises a first semiconductor chip 501, a second semiconductor chip 503 arranged thereon, a conductive structure 505 arranged therebetween and a further conductive structure 507 arranged separately from the conductive structure 505. The second semiconductor chip 503 comprises an antenna structure 509 and one of the antenna structure 509 separately arranged further antenna structure 511.
Zum Zweck einer besseren Entkopplung in einem Transceiver können z. B. der Sende- und der Empfangspfad HF-mäßig (HF = Hochfrequenz) getrennt werden. Die aufgetrennte Metallschicht, bestehend aus der leitfähigen Struktur 505 sowie der leitfähigen Struktur 507, wirkt hierbei wiederum als eine Schirmung für die Einzelpfade. Durch die Auftrennung wirkt nun gleichermaßen jede Teilfläche als ein Einzelreflektor für die jeweilige, darüber angeordnete Antennenstruktur, was darüber hinaus auch eine Entkopplung der beiden Antennen 509 und 503 verbessert. Beispielsweise handelt es sich dann bei der Antennenstruktur 509 um eine- Empfangsantenne und bei der weiteren Antennenstruktur 511 um eine Sendeantenne. Um beide Pfadsignale verarbeiten zu können, umfaßt die dem ersten Halbleiterchip 501 angeordnete, in Fig. 4 nicht dargestellte, Antennensteuerschaltung beispielsweise eine Antennensende- schaltung, die der Antennenstruktur 509 zugeordnet ist, und eine Antennenempfangensschaltung, die der Antenne 511 zugeordnet ist.For the purpose of better decoupling in a transceiver, e.g. B. the transmission and reception path HF-like (HF = high frequency) are separated. The separated metal layer, consisting of the conductive structure 505 and the conductive structure 507, in turn acts as a shield for the individual paths. As a result of the separation, each partial area now acts equally as an individual reflector for the respective antenna structure arranged above it, which also improves the decoupling of the two antennas 509 and 503. For example, the antenna structure 509 is then a reception antenna and the further antenna structure 511 is a transmission antenna. In order to be able to process both path signals, the antenna control circuit, which is arranged in the first semiconductor chip 501 and is not shown in FIG. 4, comprises, for example, an antenna transmission circuit which is assigned to the antenna structure 509 and an antenna reception circuit which is assigned to the antenna 511.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist die Antennenansteuerschaltung als eine Basisbandschaltung ausgelegt und umfasst beispielsweise einen Prozessor, in dem eine digitale Signalverarbeitung stattfindet. Der Prozessor ist beispielsweise ausgebildet, um eine Strahlenformung (Beamforming) durchzuführen, so dass die Antennenstruktrur beispielsweise derart angesteuert wird, dass die auszusendenden RF-Signale nur in bestimmte Richtungen ausgestrahlt werden, beziehungsweise um die Antennenstruktur derart anzusteuern, dass nur aus bestimmten Richtungen empfangbare Signale detektiert werden, um nur einige wenige Strahlungs- formungsbeispiele zu nennen.According to a further aspect of the present invention, the antenna drive circuit is designed as a baseband circuit and comprises, for example, a processor in which digital signal processing takes place. The processor is designed, for example, to carry out beam shaping (beamforming), so that the antenna structure is controlled, for example, in such a way that the RF signals to be emitted are only emitted in certain directions, or to control the antenna structure in such a way that signals can only be received from certain directions can be detected, to name just a few radiation shaping examples.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Ansteuerschaltung Sensoranordnungen mit Sensoren umfassen, die beispielsweise als Radarsensoren ausgebildet sind, wobei die erfindungsgemäße Antennenanordnung beispielsweise in einem PKW angeordnet ist.According to a further aspect of the present invention, the control circuit can comprise sensor arrangements with sensors which are designed, for example, as radar sensors, the antenna arrangement according to the invention being arranged, for example, in a car.
Wie es bereits erwähnt worden ist, kann der Antennenchip (der zweite Halbleiterchip) eine passive Antennenstruktur mit passiven Elementen aufweisen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, umfasst der Antennenchip beispielsweise Sender und Empfängerschaltungen, Vor- und Endverstärker oder auch Mischer, um Basisbandsignale in Bandpasssignale zu transformieren. Mit anderen Worten ausgedrückt, umfasst der Antennenchip aktive Schaltungskomponenten, die zu einer Realisierung von RF-Signalen (RF = Radio Frequency) benötigt werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, umfasst der erfindungsgemäße Antennenchip nur einige wenige RF- Teile, die beispielsweise bereits an die verwendete Antennenstruktur angepasst sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Antennenchip jedoch eine komplette RF-Struktur,. was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Antennenansteuerschaltung im Basisband arbeitet, so dass die von der Antennensteuerschaltung gelieferten Basis- bandsignale in dem Antennenchip in RF-Signale überführt werden und von der Antennenstruktur ausgestrahlt werden.As has already been mentioned, the antenna chip (the second semiconductor chip) can have a passive antenna structure with passive elements. According to a further aspect of the present invention, the antenna chip comprises, for example, transmitters and receiver circuits, preamplifiers and power amplifiers or also mixers in order to transform baseband signals into bandpass signals. In other words, the antenna chip comprises active circuit components that are required to implement RF signals (RF = Radio Frequency). According to one aspect of the present invention, the antenna chip according to the invention comprises only a few RF parts which, for example, are already adapted to the antenna structure used. According to a further aspect of the present invention, however, the antenna chip comprises a complete RF structure. which is particularly advantageous if the antenna drive circuit operates in the baseband, so that the base signals supplied by the antenna control circuit band signals in the antenna chip are converted into RF signals and are emitted by the antenna structure.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Antennenansteuerschaltung neben Basisbandkomponenten auch einige RF-Komponenten aufweisen, z.B. einen Mischer, um die Basisbandsignale in einen Bancdpaßbereich umzusetzen, wobei eine weitere RF-Signalverarbeitung, z.B. Verstärkung, in dem Antennenchip durchgeführt wird.According to a further aspect of the present invention, the antenna drive circuit can also have some RF components in addition to baseband components, e.g. a mixer to convert the baseband signals into a bancd pass range, further RF signal processing, e.g. Gain in which antenna chip is performed.
Bei einer Herstellung der erfindungsgemäßen Antennenanordnung wird zunächst ein erster Halbleiterchip mit einer Antennen- steuerschaltung bereitgestellt und es wird ein zweiter Halbleiterchip mit einer Antennenstruktur bereitgestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Oberflächen des ersten Halbleiterchips und des zweiten Halbleiterchips miteinander verbunden, wobei in dem Schritt des Verbindens die Antennenstruktur und die Ansteuerschaltung beispielsweise über Kontaktflächen elektrisch verbunden werden. Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung einenWhen the antenna arrangement according to the invention is manufactured, a first semiconductor chip with an antenna control circuit is first provided and a second semiconductor chip with an antenna structure is provided. In a further method step, the surfaces of the first semiconductor chip and the second semiconductor chip are connected to one another, the antenna structure and the control circuit being connected electrically, for example, via contact areas in the connecting step. In another aspect, the present invention provides one
Mikrowellensensor mit einer Antennenanordnung, wie sie bereits diskutiert worden ist, wobei die Antennenanordnung ausgebildet ist, um ein Sensorsendesignal auszusenden und um ein reflektiertes Sensorsendesignal zu empfangen. Bei dem reflektierten Sensorsendesignal kann es sich beispielsweise um das an einem Objekt reflektierte Sensorsendesignal handeln. Darüber hinaus umfaßt der erfindungsgemäße Mikrowellensensor eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten des reflektierten Sensorsendesignals. Ein derartiger Mikrowellensensor kann beispielsweise als ein Ein-Chip-Park-Sensor ausgeführt werden.Microwave sensor with an antenna arrangement, as has already been discussed, the antenna arrangement being designed to transmit a sensor transmission signal and to receive a reflected sensor transmission signal. The reflected sensor transmission signal can be, for example, the sensor transmission signal reflected on an object. In addition, the microwave sensor according to the invention comprises an evaluation device for evaluating the reflected sensor transmission signal. Such a microwave sensor can be designed, for example, as a one-chip parking sensor.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein integriertes Chip-zu-Chip—Übertragungssystem für eine Chip-zu-Chip-Kommunikation mit einer Antennenanordnung, wie sie obenstehend diskutiert worden ist, zum Aussenden eines Übertragungssignals und mit einer Antennenanordnung, wie sie obenstehend diskutiert worden ist, zum Empfangen des Übertragungssignals. Auf diese Weise kann effizient und drahtlos eine Kommunikation zwischen zwei Chips realisiert werden, wodurch Herstellungskosten und Platzbedarf reduziert sowie eine Verbindungsflexibilität erhöht wird. According to a further aspect, the present invention provides an integrated chip-to-chip transmission system for chip-to-chip communication with an antenna arrangement as discussed above for transmitting a transmission signal and with an antenna arrangement as described has been discussed above for receiving the transmission signal. In this way, communication between two chips can be implemented efficiently and wirelessly, which reduces manufacturing costs and space requirements and increases connection flexibility.
Bezugszeichenreference numeral
101, 301, 401, 501: erster Halbleiterchip 105, 303, 403, 503: zweiter Halbleiterchip101, 301, 401, 501: first semiconductor chip 105, 303, 403, 503: second semiconductor chip
107, 201a, 201b, 201c, 317, 407, 509, 503: Antennenstruktur107, 201a, 201b, 201c, 317, 407, 509, 503: antenna structure
103: Antennenansteuerschaltung103: Antenna drive circuit
109 Metallisierungsschicht109 metallization layer
111 Schlitz 201a, 201b und 201c: Abschnitte111 slot 201a, 201b and 201c: sections
203: Substrat203: substrate
205: Induktivität205: inductance
207: Kapazität207: capacity
209: Pin-Diode 211: Widerstand209: pin diode 211: resistor
305: erste Schicht305: first layer
307: zweite Schicht307: second layer
309: oberste Schicht309: top layer
311: elektronischen Komponenten 315: Massestifte311: electronic components 315: ground pins
312: Pfeil312: arrow
405: metallische Schicht405: metallic layer
505: leitfähige Struktur505: conductive structure
507: leitfähige Struktur 511: weitere Antennenstruktur 507: conductive structure 511: further antenna structure

Claims

Patentansprüche claims
1. Antennenanordnung mit folgenden Merkmalen:1. Antenna arrangement with the following features:
einem ersten Halbleiterchip (101; 301; 401; 501) mit einer Antennensteuerschaltung;a first semiconductor chip (101; 301; 401; 501) with an antenna control circuit;
einen zweiten Halbleiterchip (105; 303; 403; 503) mit einer Antennenstruktur (107; 201a, 201b, 201c; 317; 407; 509, 503);a second semiconductor chip (105; 303; 403; 503) with an antenna structure (107; 201a, 201b, 201c; 317; 407; 509, 503);
wobei eine Oberfläche des ersten Halbleiterchips mit einer Oberfläche des zweiten Halbleiterchips verbunden ist, so daß die Antennenstruktur mit der Ansteuerschaltung elektrisch verbunden ist.wherein a surface of the first semiconductor chip is connected to a surface of the second semiconductor chip, so that the antenna structure is electrically connected to the drive circuit.
2. Antennenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei in dem zweiten Halbleiterchip (105; 303; 403; 503) aktive oder passive Schaltungselemente angeordnet sind.2. Antenna arrangement according to claim 1, wherein active or passive circuit elements are arranged in the second semiconductor chip (105; 303; 403; 503).
3. Äntennenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Antennenstruktur in dem zweiten Halbleiterchip integriert ist oder auf dem zweiten Halbleiterchip angeordnet ist.3. Antenna arrangement according to claim 1 or 2, in which the antenna structure is integrated in the second semiconductor chip or is arranged on the second semiconductor chip.
4. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1-3, bei der der zweite Halbleiterchip (105; 303; 403; 503) aus einem4. Antenna arrangement according to one of claims 1-3, wherein the second semiconductor chip (105; 303; 403; 503) from one
Halbleitermaterial ist.Is semiconductor material.
5. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Antennenstruktur eine rechteckige Metallisierungs- schicht umfaßt.5. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the antenna structure comprises a rectangular metallization layer.
6. Antennenanordnung gemäß Anspruch 5, bei der eine Seitenlänge der rechteckigen Metallisierungsschicht gleich oder kleiner als 2 mm ist.6. Antenna arrangement according to claim 5, wherein a side length of the rectangular metallization layer is equal to or less than 2 mm.
7 . Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der in dem zweiten Halbleiterchip eine Anpassungsschaltung zum Anpassen einer Antennenimpedanz an eine Ansteuerschal- tungsimpedanz angeordnet ist.7. Antenna arrangement according to one of Claims 1 to 6, in which an adaptation circuit is provided in the second semiconductor chip is arranged to match an antenna impedance to a drive circuit impedance.
8. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der in dem ersten Halbleiterchip eine Anpassungsschaltung zum8. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 6, in which in the first semiconductor chip an adaptation circuit for
Anpassen einer Ansteuerschaltungsimpedanz an eine Antennenimpedanz angeordnet ist.Matching a drive circuit impedance to an antenna impedance is arranged.
9. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der in dem zweiten Halbleiterchip eine Abstimmungsschaltung zum Abstimmen der Antennenstruktur auf eine Antennenbetriebs- frequenz angeordnet ist.9. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 8, in which a tuning circuit for tuning the antenna structure to an antenna operating frequency is arranged in the second semiconductor chip.
10. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der in dem ersten Halbleiterchip eine Abstimmungsschaltung zum Abstimmen der Antennenstruktur auf eine Antennenbetriebsfrequenz angeordnet ist.10. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 8, in which a tuning circuit for tuning the antenna structure to an antenna operating frequency is arranged in the first semiconductor chip.
11. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Antennenstruktur eine Antennenbetriebsfrequenz aufweist, die gleich oder größer als 10-20 GHz ist.11. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 10, wherein the antenna structure has an antenna operating frequency that is equal to or greater than 10-20 GHz.
12. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der zwischen dem ersten Halbleiterchip und dem zweiten Halbleiterchip eine leitfähige Struktur angeordnet ist.12. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 10, in which a conductive structure is arranged between the first semiconductor chip and the second semiconductor chip.
13. Antennenanordnung gemäß Anspruch 13, bei der die leitfähige Struktur ein Metallgitternetz ist.13. Antenna arrangement according to claim 13, wherein the conductive structure is a metal grid.
14. Antennenanordnung gemäß Anspruch 13, bei der die leitfähige Struktur eine metallische Schicht ist.14. Antenna arrangement according to claim 13, wherein the conductive structure is a metallic layer.
15. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der an die leitfähige Struktur ein Massepotential anleg- bar ist, wobei die leitfähige Struktur gleichzeitig eine15. Antenna arrangement according to one of claims 12 to 14, in which a ground potential can be applied to the conductive structure, the conductive structure simultaneously being a
Abschirmung zum Abschirmen der Antennensteuerschaltung vor elektromagnetischen Feldern und ein Antennenreflektor zum Beeinflussen einer Antennenrichtcharakteristik ist.Shield to shield the antenna control circuit electromagnetic fields and an antenna reflector for influencing an antenna directional characteristic.
16. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die leitfähige Struktur auf der Oberfläche des ersten16. Antenna arrangement according to one of claims 12 to 15, wherein the conductive structure on the surface of the first
Halbleiterchips angeordnet ist.Semiconductor chips is arranged.
17. Antennenanordnung gemäß Anspruch 16, bei der die leitfähige Struktur durch leitfähige Stege (315) mit einer unter- halb des ersten Halbleiterchips angeordneten leitfähigen17. Antenna arrangement according to claim 16, in which the conductive structure by conductive webs (315) with a conductive arranged below the first semiconductor chip
Massefläche verbunden ist, um eine Abschirmwirkung zu erhöhen.Ground area is connected to increase a shielding effect.
18. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der auf der Oberfläche des zweiten Halbleiterchips eine metallische Schicht angeordnet ist, wobei die metallische Schicht mit einer Masse verbindbar ist, und wobei die metallische Schicht ausgebildet ist, um eine Antennenrichtcharakteristik zu beeinflussen.18. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 17, in which a metallic layer is arranged on the surface of the second semiconductor chip, the metallic layer being connectable to a ground, and the metallic layer being designed to influence an antenna directional characteristic.
19. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der der zweite Halbleiterchip (503) eine weitere Antennenstruktur (511) aufweist, die von der Antennenstruktur19. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 18, in which the second semiconductor chip (503) has a further antenna structure (511) that of the antenna structure
(509) getrennt angeordnet ist.(509) is arranged separately.
20. Antennenanordnung gemäß Anspruch 19, bei der im Bereich der weiteren Antennenstruktur (511) zwischen dem ersten Halbleiterchip (501) und dem zweiten Halbleiterchip (503) eine leitfähige Struktur (507) angeordnet ist.20. Antenna arrangement according to claim 19, in which a conductive structure (507) is arranged in the region of the further antenna structure (511) between the first semiconductor chip (501) and the second semiconductor chip (503).
21. Antennenanordnung gemäß Anspruch 20, bei der die zwischen dem ersten Halbleiterchip (501) und dem zweiten Halbleiterchip (503) im Bereich der weiteren Antennenstruktur (511) angeordnete leitfähige Struktur (507) von der leitfähi- gen Struktur (505) getrennt angeordnet ist. 21. Antenna arrangement according to claim 20, in which the conductive structure (507) arranged between the first semiconductor chip (501) and the second semiconductor chip (503) in the region of the further antenna structure (511) is arranged separately from the conductive structure (505) ,
22. Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei der die weitere Antennenstruktur (511) eine Empfangsantenne ist und wobei die Antennenstruktur (507) eine Sendeantenne ist.22. Antenna arrangement according to one of claims 19 to 21, in which the further antenna structure (511) is a receiving antenna and wherein the antenna structure (507) is a transmitting antenna.
23. Antennenanordnung gemäß Anspruch 22, bei der der erste Halbleiterchip (501) eine Antennenempfangsschaltung umfaßt.23. Antenna arrangement according to claim 22, wherein the first semiconductor chip (501) comprises an antenna receiving circuit.
24. Verfahren zum Herstellen einer Antennenanordnung mit folgenden Schritten:24. A method for producing an antenna arrangement comprising the following steps:
Bereitstellen eines ersten Halbleiterchips mit einer AntennensteuerSchaltung;Providing a first semiconductor chip with an antenna control circuit;
Bereitstellen eines zweiten Halbleiterchips mit einer Antennenstruktur;Providing a second semiconductor chip with an antenna structure;
Verbinden einer Oberfläche des ersten Halbleiterchips mit einer Oberfläche des zweiten Halbleiterchips, wobei in dem Schritt des Verbindens die Antennenstruktur und die Ansteuerschaltung über Kontaktflächen elektrisch miteinander verbunden werden.Connecting a surface of the first semiconductor chip to a surface of the second semiconductor chip, the antenna structure and the drive circuit being electrically connected to one another via contact areas in the connection step.
25. Mikrowellensensor mit folgenden Merkmalen:25. Microwave sensor with the following features:
einer Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Antennenanordnung ausgebildet ist, um ein Sensorsendesignal auszusenden und um ein reflektiertes Sensorsendesignal zu empfangen; undAn antenna arrangement according to one of claims 1 to 22, wherein the antenna arrangement is designed to transmit a sensor transmission signal and to receive a reflected sensor transmission signal; and
einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten des reflektierten Sensorsendesignals .an evaluation device for evaluating the reflected sensor transmission signal.
26. Integriertes Übertragungssystem für eine Chip-zu-Chip- Kommunikation mit folgenden Merkmalen: einer Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 zum Aussenden eines Übertragungssignals; und26. Integrated transmission system for chip-to-chip communication with the following features: an antenna arrangement according to one of claims 1 to 22 for transmitting a transmission signal; and
einer Antennenanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22 zum Empfangen des Übertragungssignals. an antenna arrangement according to one of claims 1 to 22 for receiving the transmission signal.
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