具有rfic和天線系統的rf系統的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 本申請要求2014年12月23日提交的美國臨時申請第62/096421號的權益、2015年 08月06日提交的美國臨時申請第62/201895號的權益、2015年09月22日提交的美國臨時申 請第62/222058號的權益，其整體內容通過引用并入本文。
[0002] 相關申請的交叉引用
[0003] 本專利申請進一步涉及以下共同待決的以及共同轉讓的美國專利申請:2015年11 月30 日提交的、申請號為14/954,395、題目為"RF System with an RFIC and Antenna System"（代理人案號2014 P52192 US01)和2015年11月30日提交的、申請號為14/954,256、 題目為"System and Method for Radar"（代理人案號2015P 51802US01)，這些申請整體內 容通過引用并入本文。
技術領域
[0004] 本公開總體上涉及一種電子設備，并且更具體地涉及具有射頻（RF)集成電路 (RFIC)和天線系統的RF系統。
【背景技術】
[0005] 由于在諸如硅鍺（SiGe)和精細幾何形狀互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝的低 成本半導體技術上的快速進步，在過去的幾年中，毫米波頻率區域系統中的應用獲得了重 大關注。高速雙極型晶體管和金屬氧化物半導體(M0S)晶體管的可用性導致了對60GHz、 77GHz和80GHz還有超過100GHz的mm波應用的集成電路的需求增長。這種應用包括例如汽車 雷達系統和多千兆位通信系統。
[0006] 在一些雷達系統中，雷達和對象之間的距離通過發射頻率調制信號、接收頻率調 制信號的反射以及基于頻率調制信號的發射和接收之間的時間延遲和/或頻率差異確定 距離。因此，一些雷達系統包括用于發射RF信號的發射天線、用于接收RF的接收天線以及用 于生成發射信號和接收RF信號的相關聯的RF電路。在一些情況下，使用相控陣列技術，多天 線可以用于實施定向波束。

【發明內容】

[0007] 根據實施例，封裝的射頻(RF)電路包括布置在基板上的射頻集成電路(RF IC)，該 射頻集成電路具有耦合到在RFIC的第一邊緣處的接收端口的多個接收器電路以及耦合到 RFIC的第二邊緣處的第一發射端口的第一發射電路。封裝的RF電路還包括布置在與RFIC的 第一邊緣相鄰的封裝基板上的接收天線系統以及布置在與RFIC的第二邊緣相鄰的封裝基 板上并且電耦合到RFIC的第一發射端口的第一發射天線。接收天線系統包括多個接收天線 元件，多個接收天線元件均電親合到對應的接收端口。
【附圖說明】
[0008] 為了更完整地理解本發明及其優點，現在參考結合附圖的以下描述，其中：
[0009]圖1包括實施例雷達系統；
[001 0]圖2，其包括圖2a-圖2c，圖示了實施例RF系統/天線封裝和對應的電路板；
[0011 ]圖3圖示了實施例RF系統/天線封裝的平面圖；
[0012]圖4,其包括圖4a、圖4b和圖4c，圖示了進一步的實施例RF系統/天線封裝和對應的 電路板；
[0013]圖5圖示了由實施例貼片天線系統生成的天線圖案；
[0014]圖6,其包括圖6a和圖6b，圖示了實施例射頻集成電路(RFIC)的示意圖和布局；
[0015]圖7圖示了實施例雷達系統的框圖；
[0016] 圖8,其包括圖8a、圖8b、圖8c和圖8d，提供了圖示頻率調制連續波(FMCW)雷達系 統的操作的示圖；
[0017]圖9,其包括圖9a、圖％、圖9c和圖9d，圖示了實施例雷達系統的框圖和實施例天線 配置；
[0018] 圖10,其包括圖10a、圖10b、圖10c和圖10d，圖示了各種實施例雷達系統的電路板；
[0019] 圖11圖示了實施例雷達控制器的框圖；
[0020] 圖12圖示了實施例自動觸發操作模式的流程圖；
[0021]圖13圖示了實施例手動觸發操作模式的流程圖；以及 [0022]圖14圖示了實施例處理系統的框圖。
[0023] 除非另有指示，不同附圖中的對應附圖標記一般指代對應的部分。為了清楚地圖 示優選的實施例的相關方面而繪制附圖，并且附圖不一定成比例。為了更加清楚地圖示某 些實施例，指示相同結構、材料或過程步驟的變化的字母可以跟隨附圖號。
【具體實施方式】
[0024] 在下文中詳細地討論目前的優選實施例的制作和使用。然而，應當理解本發明提 供了可以在眾多特定情境中實施的許多可應用的發明構思。所討論的具體的實施例僅僅說 明制作和使用本發明的特定方式并不限制本發明的范圍。
[0025] 將在用于雷達系統的系統和方法的特定情境中結合優選實施例描述本發明，這種 雷達系統諸如用于相機感測系統和便攜式消費設備的雷達系統。本發明還可以被應用于其 他系統和應用，諸如通用雷達系統和無線通信系統。
[0026]在本發明的實施例中，包括RF電路和天線的高頻RF系統在單個球柵陣列(BGA)封 裝中實施。RF系統包括具有在芯片的第一邊緣上的接收接口和在芯片的相鄰或相對邊緣上 的發射接口的集成電路。多元件貼片天線被布置在與芯片的第一邊緣相鄰的封裝的表面上 并且在芯片的第一邊緣處耦合到多個接收通道接口。相似地，用于發射信號的貼片天線被 布置在與發射接口相鄰的芯片的相鄰邊緣或相對邊緣上的封裝的再分布層上。在一個實 施例中，至少一個發射通道可以被用于選擇性地發射入射雷達信號或數據信號。在本發明 的其他實施例中，集成電路可以被直接安裝在與布置在電路板上的多元件貼片天線相鄰的 電路板上。
[0027]為了在發射天線和接收天線之間提供隔離，接地壁被布置在與第一邊緣相鄰的封 裝中。該接地壁可以使用在再分布層中的接地層和/或通過使用接地的焊球的陣列實施。此 外，可以使用偽(dummy)焊球向在扇出區域中的封裝(特別是在與貼片天線相鄰的封裝的區 域中）提供機械穩定性。
[0028] 在實施例中，在雷達系統中廣泛使用的波束賦形概念可以用于向RF信號的發射和 接收賦予波束控制和方向性。這種實施例可以被應用到例如汽車雷達、相機系統、便攜式系 統、可穿戴設備、TV機、平板電腦和其他應用。例如，在相機系統中，雷達系統可以用于確定 到拍攝物體的距離以便確定焦距和曝光設置。該距離可以使用具有在大約2GHz和8GHz之間 的帶寬（例如7GHz帶寬）的實施例60GHz雷達系統可以精確地并且高精度地確定。這種距離 信息可以用于將雷達測距數據與相機數據合并的智能感測系統。
[0029] 實施例波束賦形概念還可以被用于實施手勢識別系統。過去，使用光學相機、壓力 傳感器、PAL和其他設備實施手勢識別系統。通過使用實施例雷達系統，手勢識別系統在方 便地隱藏在由塑料或其他堅固的材料組成的不透明覆蓋物之后的同時，還可以執行精確的 距離測量。
[0030] 圖1圖示了根據本發明的實施例的雷達系統100。如圖所示，雷達收發器設備102被 配置成經由發射天線120a和/或發射天線120b向物體132發射入射的RF信號以及經由包括 接收天線122a-122d的天線陣列接收反射的RF信號。雷達收發器設備102包括耦合到接收天 線122a-122d的接收器前端112、耦合到發射天線120a的第一發射器前端104和耦合到發射 天線120b的第二發射器前端110。雷達電路106提供將要被發射到第一發射器前端104和第 二發射器前端110的信號并且接收和/或處理由接收器前端112接收的信號。
[0031] 在實施例中，經由通過開關109代表的電路，到第二發射器前端110的輸入可以在 雷達電路106的輸出和通信電路108的輸出之間選擇。當第二發射器前端110從雷達電路106 接收輸入時，可以使用第一發射器前端104和第二發射器前端110兩者以構建全息雷達。另 一方面，當第二發射器前端110從通信電路108接收它的輸入時，第一發射器前端104向發射 天線102a提供雷達信號并且第二發射器前端110向發射天線120b提供通信信號。該通信信 號可以是載波調制信號。在一個示例中，第二發射器前端110可以向衛星雷達設備130發射 包含數據的雙極相移鍵控(BPSK)調制信號。在一些實施例中，雷達收發器102和衛星雷達設 備130之間的數據鏈路可以用于協調雷達收發器設備102和衛星雷達設備130之間的RF發射 和接收以實施相控陣列波束控制。在一些實施例中，衛星雷達設備130還可以能夠進行數據 發射，并且雷達收發器設備102可以被配置成經由天線122a-122d從衛星雷達設備130接收 數據。
[0032] 在實施例中，雷達收發器設備102或雷達收發器設備102的包含第一發射器前端 104、第二發射器前端110、接收器前端112以及發射天線120a和120b和接收天線122a-122d 的部分可以在封裝中實施。圖2a圖示了球柵陣列(BGA)封裝的橫截面，該球柵陣列(BGA)封 裝包括雷達電路106和用于實施天線120a、120b和122a-122d的貼片天線208。在備選的實施 例中，除貼片天線之外可以使用其他天線元件，例如可以使用八木天線從封裝芯片和天線 模塊的側面提供感測。如圖所示，封裝的芯片和天線模塊202經由焊球210耦合到電路板 204〇
[0033] 在實施例以及本文公開的其他實施例中，雷達系統100的操作的頻率在大約57GHz 和大約66GHz之間。備選地，實施例系統還可以在該范圍以外的頻率處操作。
[0034]圖2b圖示了封裝的芯片和天線模塊202的平面圖。如圖所示，RF芯片206布置在封 裝再分布層220上并且具有布置在RF芯片206的第一邊緣上的接收器前端112、耦合到與RF 芯片206的第一邊緣相鄰的第二邊緣的第一發射器前端104和耦合到也與雷達電路106的第 一邊緣相鄰的第三邊緣的第二發射器前端110。備選地，發射器電路還可以耦合到與RF芯片 206的第一邊緣相對的第四邊緣。
[0035]接收貼片天線222被定位在與RF芯片206的第一邊緣相同的一側上，但是被接地壁 212分離，接地壁212在接收貼片天線222和RF芯片206之間以及在接收貼片天線222和發射 貼片天線214和貼片天線216之間提供隔離。可以例如使用接地的焊球210g和/或經由封裝 再分布層220內的接地的導電層實施接地壁212。如圖所示，發射貼片天線214耦合到第一發 射器前端104并且布置成與RF芯片206的與第一發射器前端104相同的邊緣相鄰。相似地，發 射貼片天線216耦合到第一發射前端104并且被布置成與RF芯片206的與第一發射器前端 104相同的邊緣相鄰。
[0036]偽焊球210d被布置在與接收貼片天線222相鄰的封裝的扇出區域中并且向封裝的 芯片和天線模塊202提供機械穩定性。相似地，當封裝的芯片和天線模塊202被安裝并焊接 到印刷電路板(PCB)上時，角部焊球210c向封裝提供機械穩定性以及向封裝再分布層220的 角部提供支撐。在一些實施例中，偽焊球210d和角部焊球210c減弱向RF芯片206提供電連接 的連接焊球210r上的機械應力，因此允許封裝再分布層220承受各種機械應力，諸如重復的 溫度循環。
[0037]圖2c圖示了實施例雷達收發器設備250,雷達收發器設備250包括布置在再分布層 或基板253上的RF芯片251。發射接收貼片天線252