封裝天線技術(shù)最新進展

摘要：封裝天線（AiP）是基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能的一門技術(shù)。 AiP技術(shù)順應(yīng)了硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的潮流，為系統(tǒng)級無線芯片提供了良好的天線與封裝解決方案。最新權(quán)威市場分析報告斷言：AiP技術(shù)會是毫米波5G通信與汽車?yán)走_芯片必選的一項技術(shù)，所以AiP技術(shù)最近受到廣泛重視，取得了許多重要進展。嘗試全方位總結(jié)AiP技術(shù)在過去不到1年的時間內(nèi)所獲得的最新成果，內(nèi)容包括新材料、新工藝、新設(shè)計、新測試等方面。

關(guān)鍵詞：封裝天線；毫米波；無線通信；汽車?yán)走_；物聯(lián)網(wǎng)

作者于2017年發(fā)表的《封裝天線技術(shù)發(fā)展歷程回顧》一文講述了封裝天線（AiP）技術(shù)早期與藍牙無線技術(shù)一起萌芽，中期與60 GHz無線技術(shù)及毫米波雷達一起成長，近期助力太赫茲、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和5G移動通信發(fā)展歷程 [1]。時間跨度從20世紀(jì)90年代末到2017年10月底，約20年。在文中作者指出：AiP技術(shù)開發(fā)正圍繞著IoT及毫米波5G移動通信與汽車?yán)走_芯片如火如荼地展開。到目前為止，已不斷有新的成果出現(xiàn)。本文嘗試全方位總結(jié)從2017年10月以后到現(xiàn)在，AiP技術(shù)在材料、工藝、設(shè)計、測試等方面的新進展。

1 AiP的材料

封裝天線介質(zhì)材料主要有陶瓷、有機、模塑化合物3種，導(dǎo)體材料有金、銀、銅3種。陶瓷材料是低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝必用的，典型代表是Ferro A6系列。最近，中國量子匯景公司屬下晶材科技開發(fā)的陶瓷材料MG60介電常數(shù)為5.9±0.2，損耗角正切大約0.002，具有可與Ferro A6相媲美的特性，但是價格卻相對低廉。MG60 的生瓷帶標(biāo)準(zhǔn)厚度約為120 μm， 標(biāo)準(zhǔn)寬幅規(guī)格為15.24 cm（6英寸），20.32 cm（8英寸）；可依據(jù)客戶要求進行定制。卷料、裁剪好的方形片料可供客戶選擇[2]。

有機材料在高密度互連（HDI）工藝中得到廣泛應(yīng)用，它的種類很多，例如：玻璃纖維環(huán)氧樹脂（FR4）、液晶聚合物（LCP）、陶瓷填充聚四氟乙烯（RO4000）等[3-5]。在這些有機材料中，LCP具有良好的介質(zhì)特性，標(biāo)稱介電常數(shù)為2.9，損耗角正切為0.003，非常適合于設(shè)計封裝天線，而FR4則具有成本低廉的優(yōu)勢。

模塑化合物是晶圓級扇出式封裝（FOWLP）工藝中再造晶圓的必用材料，近期也被嘗試用于封裝天線的設(shè)計上[6-8]。表1是2種模塑化合物的介電常數(shù)及損耗角正切：第1種模塑化合物的相關(guān)值是通過諧振法在24～36 GHz頻段提取出來的；第2種模塑化合物在不同頻段相關(guān)值是通過自由空間法所得到。從表1中可以看出：模塑化合物介電常數(shù)基本不隨頻率變化而變化，損耗角正切則隨頻率升高而增加。此外，在晶圓級扇出式封裝工藝中還需用到聚合物介質(zhì)，它的介電常數(shù)與模塑化合物相近，但損耗角正切一般高一個量級。

最近，無機材料如玻璃也逐漸嘗試著被用在HDI工藝中作為封裝天線的核心層介質(zhì)材料。玻璃標(biāo)稱介電常數(shù)為3，損耗角正切很小。研究發(fā)現(xiàn)：玻璃不僅比傳統(tǒng)的核心層有機介質(zhì)材料更加穩(wěn)固，不易翹曲，而且可以做得更?。?0～100 μm）、更光滑[9]。這樣的特性非常有利于其支撐的其他電路層來實現(xiàn)更加良好的電性能。

2 AiP的工藝

AiP工藝主要有LTCC、HDI及FOWLP3種。LTCC工藝是由IBM公司于20世紀(jì)70年代初為其大型計算機芯片封裝而開發(fā)的，后來經(jīng)過多家公司歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，中國有多家公司及研究所提供LTCC加工服務(wù)。

HDI工藝已被許多公司用于開發(fā)毫米波封裝天線[1]。圖1[10]所示的是IBM公司為毫米波5G通信系統(tǒng)開發(fā)的、基于HDI工藝的AiP結(jié)構(gòu)剖面圖。它由1個核心層與上下對稱的各5個介質(zhì)層及6個金屬層相互疊加構(gòu)成，厚度為1.61 mm。此外，LG與高通公司也分別發(fā)表了它們基于HDI工藝為毫米波5G通信系統(tǒng)開發(fā)的封裝天線。LG公司的AiP由1個核心層與上下對稱的各4個介質(zhì)層及4個金屬層相互疊加構(gòu)成，厚度為0.8 mm[11]。高通公司的AiP由1個核心層與上下對稱的各3個介質(zhì)層及4個金屬層相互疊加構(gòu)成，厚度略小于1.1 mm[12]。

如圖1所示，傳統(tǒng)HDI工藝核心層采用有機介質(zhì)材料，為了防止整個結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲，核心層厚度最少需要400 μm。線寬與線距（L/S）取決于介質(zhì)層及金屬層的厚度，目前典型值L/S = 50/50 μm。美國佐治亞理工學(xué)院系統(tǒng)級封裝卓越研究中心研究人員建議核心層采用無機介質(zhì)材料玻璃，厚度100 μm就可以，而且在上下疊加層中金屬線寬與線距可以做得更細(xì)，傳輸損耗可以更小。圖2所示的是核心層采用玻璃及上下疊加層中金屬走線的剖面圖及實物照片[9]。

再如圖1所示，傳統(tǒng)HDI工藝為了防止整個結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲，在核心層上下實行平衡式布局疊加層。矽品公司工程師建議增加核心層厚度實現(xiàn)疊加層非平衡式布局以利于低成本量產(chǎn)毫米波5G通信用戶終端AiP。圖3是矽品公司毫米波汽車?yán)走_AiP剖面圖實物顯微照片。如圖3所示，AiP由4層金屬及3層介質(zhì)構(gòu)成。金屬層1—4分別用來實現(xiàn)被動微帶天線片、主動微帶天線片、封裝天線地及封裝天線饋電網(wǎng)絡(luò)。饋電網(wǎng)絡(luò)與主動微帶天線片互連通過盲孔實現(xiàn)[13]。

FOWLP工藝不同于LTCC或HDI工藝，它不再需要疊層基片，轉(zhuǎn)而用模塑化合物、重新配置金屬與介質(zhì)層代替。 FOWLP工藝最早是由英飛凌公司研發(fā)的，被稱為嵌入式晶圓級封裝工藝（eWLB）。圖4所示的是焊接在系統(tǒng)印制電路板（PCB）板上的eWLB工藝可以實現(xiàn)的封裝結(jié)構(gòu)。一般情況下，裸芯片被嵌入在厚度為450 μm，介電常數(shù)為3.2，損耗角正切為0.004的模塑化合物中。保護層厚度為35 μm，介電常數(shù)為3.2，損耗角正切為0.004。在裸芯片的扇入?yún)^(qū)以及封裝的扇出區(qū)涂有介質(zhì)層D1，起到保護裸芯片的作用，D1層的厚度為6.5 μm，介電常數(shù)為3.2，損耗角正切為0.035。重新配置的導(dǎo)體層（RDL）是沉積厚度為7.5 μm的銅，用于實現(xiàn)連接線或天線。阻焊掩模層D2用于定義焊球的著落焊盤，其厚度為9.5 μm，介電常數(shù)為3.2，損耗角正切為0.035。目前使用的焊球直徑為0.3 mm，間距為0.5 mm。谷歌公司的60 GHz手勢雷達第1以及第2版的芯片都采用了基于eWLB工藝設(shè)計的AiP。

顯然eWLB工藝因為僅有1層金屬，不利于AiP天線設(shè)計。為了使得FOWLP工藝適合于AiP設(shè)計，臺灣積體電路制造股份有限公司（簡稱為臺積電）開發(fā)出的InFO-AiP技術(shù)在模塑化合物上面增加了一層金屬。如圖5所示，微帶天線輻射片由模塑化合物上面增加的那一層金屬實現(xiàn)，微帶天線地、饋線及耦合槽則在RDL金屬層來實現(xiàn)[16]。

新加坡微電子研究院（IME）在eWLB的基礎(chǔ)上增加了一層模塑化合物、一層金屬及穿過原來模塑化合物與RDL相連的盲孔（TMV）實現(xiàn)毫米波AiP設(shè)計。圖6展示了在eWLB的基礎(chǔ)上增加的工藝流程及實現(xiàn)了的AiP實物剖面顯微照片[17]。

日月光集團開發(fā)的低成本先進的單邊基片（aS3-AiP）工藝強調(diào)采用普通封裝設(shè)備及超薄雙層金屬基片取代FOWLP介質(zhì)及RDL層[18]。這樣不僅成本較低，而且過度損耗可與FOWLP媲美，在77 GHz汽車?yán)走_應(yīng)用方面具有價格與性能優(yōu)勢。

3 AiP的設(shè)計

AiP設(shè)計需要考慮到系統(tǒng)、電路、天線、封裝、互連等多個方面。限于篇幅，本節(jié)僅介紹AiP設(shè)計中的天線部分，并且主要講述最新發(fā)展出的疊層微帶天線設(shè)計與優(yōu)化方法。

疊層微帶天線可以設(shè)計成雙頻帶或?qū)掝l帶天線。雙頻帶設(shè)計由LONG S A等人于1978年發(fā)表在《1978天線與傳播國際會議論文集》上[19]。寬頻帶設(shè)計[20]由HALL P S等人于1979年發(fā)表在《電子學(xué)快報》中。后續(xù)對疊層微帶天線的研究主要集中在進一步擴展寬頻帶疊層微帶天線的帶寬，例如：WATERHOUSE R B透露了高低介電常數(shù)基板搭配等增加帶寬的設(shè)計技巧[21]。劉章發(fā)等人[22]給出了簡單計算上下疊層貼片諧振頻率的公式及增加帶寬的方法。高式昌等人[23]發(fā)明了新的雙線極化槽耦合疊層微帶天線，實現(xiàn)了寬帶、高極化隔離度、低交叉極化及低后向輻射的良好性能。

疊層微帶天線具有頻帶寬、波束寬、頻域濾波、靈活實現(xiàn)單或雙極化、方便靜電保護、易于滿足多層結(jié)構(gòu)金屬化密度要求及利于散熱等優(yōu)點，因而在AiP設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。最早將疊層微帶天線引入到封裝天線設(shè)計的是李融林等人[24]，他們提出的疊層微帶天線設(shè)計指導(dǎo)原則對封裝天線設(shè)計具有很高的參考價值。

疊層微帶天線的上下層貼片分別和地之間構(gòu)成了2個諧振頻率不同的微帶天線。一般通過選擇尺寸有稍微差異的上下層貼片，產(chǎn)生較為接近的2個諧振頻率，達到拓寬頻帶的效果。此外，研究還發(fā)現(xiàn)疊層微帶天線在離開工作頻帶高段不遠處的一個頻點上，會出現(xiàn)電流在上下層貼片流向正好相反的狀況，從而導(dǎo)致遠場區(qū)的輻射在此頻點上互相抵消，輻射效率頻譜曲線上出現(xiàn)了一個“傳輸”零點，疊層微帶天線也就成為了一個名不副實的濾波器。

疊層微帶天線可以更準(zhǔn)確地被稱為疊層微帶濾波天線，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7中的輻射體2與1分別代表上下層貼片。饋電探針提供了源（S）與輻射體1之間的外部耦合，而源和負(fù)載（L）之間由于探針功率的外泄也存在微弱的耦合。輻射體1與2的輻射分別提供了它們到負(fù)載之間的耦合。輻射體1和輻射體2是通過它們之間的間隙進行耦合。

疊層微帶天線設(shè)計常常遇到的問題是如何調(diào)控上下層貼片的諧振頻率及二者間的耦合。文獻[22]中給出的上下疊層貼片諧振頻率的公式較好地解決了計算諧振頻率的問題，但是上下疊層貼片之間耦合的問題一直困擾著設(shè)計者，沒有能得到很好地解決。設(shè)計者通常都還是通過參數(shù)掃描來確定諧振頻率與耦合，這樣做存在著很大盲目性，常會遇到在2個諧振頻率附近|S11|遠低于-10 dB，但是在2個諧振頻率中間某個頻段|S11|不論如何調(diào)，總是高于-10 dB。目前，這一困擾天線設(shè)計者多時的耦合問題由上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團隊的吳林晟博士指導(dǎo)研究生利用濾波器耦合矩陣?yán)碚摻鉀Q了[25]。吳林晟等人將疊層微帶濾波天線看作一個二階帶通濾波器，天線的輸入口當(dāng)作濾波器的一個端口，天線遠場輻射當(dāng)作濾波器的另一個端口。眾所周知二階帶通濾波器有一套成熟的設(shè)計方法，診斷與調(diào)試通過觀測耦合矩陣來實現(xiàn)。那么現(xiàn)在的問題是如何獲取疊層微帶濾波天線的耦合矩陣？方法如下：

（1）通過全波仿真軟件得到了疊層微帶天線S11和可實現(xiàn)輻射效率信息hrad；

（2）去除S11的群時延與相位加載之后在歸一化的頻域范圍內(nèi)用矢量擬合的方法得到S11的表達式[26-27]；

（3）通過優(yōu)化擬合hrad可得到S21的一組零點解。這樣另外2Nz-1組零點也能得到，其中Nz是S21分子的階數(shù)，暫時先選取其中一組解去進行后續(xù)的分析；

（4）使用文獻[25]中公式得到S22的留數(shù)，同時滿足不等式時找到S22常數(shù)項的范圍，在所有可能的解中找到最接近于1的解；

（5）從2Nz組解中找到最終的結(jié)果，把S22和S21的相位加載效應(yīng)去掉；

（6）把二端口的散射矩陣轉(zhuǎn)換成導(dǎo)納矩陣，然后得到耦合矩陣；

（7）計算出靈敏度矩陣，然后得到濾波天線新的幾何尺寸；

（8）重復(fù)步驟（1）—（7），直到獲得我們想要的頻率響應(yīng)。

圖8是基于Ferro A6M LTCC 材料與工藝設(shè)計的45o極化疊層微帶天線結(jié)構(gòu)。設(shè)計要求天線應(yīng)具有2 GHz的帶寬，以覆蓋5G通信的27.5～29.5 GHz頻段。設(shè)計時的初始值選取參考了文獻[24]中的數(shù)據(jù)，診斷與調(diào)試根據(jù)上述方法來執(zhí)行。我們發(fā)現(xiàn)一般經(jīng)過3～5個循環(huán)就可以達到設(shè)計目標(biāo)。表2是具體的設(shè)計尺寸。

圖9是45o極化疊層微帶天線實物照片及設(shè)計與測試的S11與增益頻譜曲線。如圖9所示，設(shè)計與測試結(jié)果吻合得非常好，這表明新方法不僅正確，而且可以提高設(shè)計效率[28]。

上面提出的方法目前只用于二階的上下疊層微帶濾波天線，而實際的應(yīng)用中可能面對更嚴(yán)苛的要求，比如：需要三階的上中下疊層微帶濾波天線，然而隨著階數(shù)的升高，S21分子的選擇可能性就會呈現(xiàn)指數(shù)式的增長，所以對S21分子零點的選取應(yīng)該找一些更有力的依據(jù)，使其最好只能選取一種情況。同時對于S22常數(shù)項的選取方法也需要一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

為了進一步提高AiP技術(shù)天線部分設(shè)計通用性及效率，上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團隊成功地將蝙蝠優(yōu)化算法在Matlab中實現(xiàn)，而且通過Script鏈接到高頻電磁結(jié)構(gòu)仿真軟件（HFSS）對天線進行自動優(yōu)化調(diào)試，取得了非常令人滿意的結(jié)果。 同樣基于Ferro A6M LTCC 材料與工藝，二階的上下疊層微帶濾波天線經(jīng)過優(yōu)化實現(xiàn)了6 GHz的帶寬，覆蓋5G通信的24～30 GHz頻段。

4 AiP的測試

測試是AiP技術(shù)非常重要的一環(huán)，目前AiP測試的重點已經(jīng)由研發(fā)環(huán)境下仔細(xì)深入地測試與表征向生產(chǎn)階段快速功能測試與系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)評估方面轉(zhuǎn)移。研發(fā)環(huán)境下的AiP測試技術(shù)相對成熟，一般都采用在小型天線暗室中搭建的探針式測試平臺上完成。圖10是上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團隊建成的集成天線遠場自動測試平臺照片。該測試平臺可以完成從18～32 5GHz（為適應(yīng)THz頻段天線測試可擴展到500 GHz或更高）片上天線及封裝天線阻抗及輻射特性測試。平臺支持探針及波導(dǎo)饋電，110 GHz以下也可用同軸饋電，性能達到世界先進水平。平臺自建成后，利用率相當(dāng)高，已為中國多家科研院所的研究項目及公司產(chǎn)品開發(fā)提供了測試服務(wù)，極大地助進了中國在片上天線及封裝天線方面的研究與發(fā)展。

但是，圖10所示的測試平臺并不適用于生產(chǎn)線上快速測試的要求。生產(chǎn)階段快速測試與生產(chǎn)線所采用的封裝工藝緊密相關(guān)。如果AiP采用HDI工藝制造，那么AiP本身可以進行獨立的傳導(dǎo)及空中下載技術(shù)（OTA）測試，芯片封裝好以后還可以進行OTA 測試。如果AiP采用FOWLP工藝制造，那么AiP本身已與芯片融為一體，僅可以進行OTA測試。生產(chǎn)線上AiP測試至少需要測試儀、操作儀、接觸器、探頭及天線暗室等儀器設(shè)備。測試儀與操作儀可以在已有的半導(dǎo)體封測設(shè)備上添加或擴充，天線暗室可以直接定制；但是在接觸器與探頭方面仍然面臨許多挑戰(zhàn)。美國Xcerra公司最近在為毫米波汽車?yán)走_AiP測試方面開發(fā)接觸器與探頭方面取得進展，接觸器工作頻率可以到100 GHz，適用于球形焊點陣列間距最小到0.3 mm封裝。 此外，該公司也一直嘗試將微帶天線嵌入到接觸器中進行無線測量[29]。

系統(tǒng)級指標(biāo)評估是AiP已經(jīng)安裝在整機內(nèi)，需要按照系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)所進行的測試。目前這一方面的測試系統(tǒng)與方法已取得顯著進展，這里不再贅述。

5 結(jié)束語

2018年注定是商用毫米波通信與雷達發(fā)展史上重要的一年，也會是毫米波5G通信發(fā)展里程碑式的一年，更會是奏響AiP技術(shù)進入海量應(yīng)用序曲的一年。

我們發(fā)現(xiàn)開發(fā)適用于毫米波5G通信用戶終端的AiP技術(shù)是目前大家最關(guān)注的熱點。一些大公司正在不斷地投入大量人力、物力開發(fā)適合于AiP設(shè)計的新材料和新工藝，旨在實現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。反觀傳統(tǒng)的天線公司，由于缺乏芯片與封裝方面的能力，正在考慮或嘗試著看如何介入。我們還重點介紹了AiP技術(shù)在材料、工藝、設(shè)計、測試等方面的新進展：在材料方面，模塑化合物與玻璃受到關(guān)注。在HDI工藝方面，增加核心層厚度來實現(xiàn)非平衡式疊加層布局，證明有利于低成本量產(chǎn)毫米波5G通信用戶終端AiP；在FOWLP工藝方面，我們注意到為了更加靈活地實現(xiàn)高性能AiP，金屬層在增加。設(shè)計方面是大學(xué)研究生可以著力的地方。上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團隊最近在AiP設(shè)計方法上取得了新成果，成功地將蝙蝠優(yōu)化算法在Matlab中實現(xiàn)，而且通過Script鏈接到HFSS對天線進行自動優(yōu)化。測試是AiP技術(shù)非常重要的一環(huán)，目前AiP測試的重點已經(jīng)由研發(fā)環(huán)境下深入細(xì)致地測試與表征向生產(chǎn)階段快速功能測試與系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)評估方面轉(zhuǎn)移，將微帶天線嵌入到接觸器中進行無線測量是令人耳目一新及有意義的嘗試。

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