基于高密度有機基板工藝的Ka 波段天線設(shè)計與制造

龐影影，周立彥，王劍峰，王波

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，便攜式消費電子產(chǎn)品成為主力軍，順應(yīng)了半導(dǎo)體工藝集成度提高的趨勢，其關(guān)鍵技術(shù)主要由系統(tǒng)級芯片（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SiP）來實現(xiàn)[1]。天線作為無線通信系統(tǒng)的重要組件，在SiP 中應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)天線與射頻前端的集成占據(jù)的空間較大，阻礙了無線通信系統(tǒng)的小型化發(fā)展，片上天線技術(shù)（AoC）可以最大限度地縮小天線尺寸，但受到半導(dǎo)體工藝制程一致性的限制，成本和性能都難以滿足常規(guī)的應(yīng)用需求，因此，業(yè)界提出了封裝天線（AiP）的概念[2]。封裝天線將天線、饋電網(wǎng)絡(luò)和射頻收發(fā)芯片集成到一起，組成一個標準的表面貼裝器件[3-4]，可以實現(xiàn)異質(zhì)異構(gòu)的微型化集成，并根據(jù)目標頻段實現(xiàn)高性能的天線設(shè)計。芯片盡可能靠近天線，以減小寄生效應(yīng)[5]，通過倒裝芯片與引線鍵合技術(shù)最終實現(xiàn)芯片和天線的一體化封裝。

封裝天線采用的工藝有低溫共燒陶瓷（LTCC）、高密度互連（HDI）、嵌入式晶圓級球柵陣列封裝（eWLB）和PCB 等工藝，其中LTCC 工藝最早被采用。2013 年，韓國三星公司基于FR4 材料與HDI 工藝設(shè)計了60 GHz 的相控陣天線，如圖1 所示[6]。天線尺寸為20.000 mm×20.000 mm×0.838 mm，相較于IBM 公司設(shè)計的基于LTCC 工藝的天線[7]，性能相差不大，但整體尺寸更小。2015 年，谷歌公司基于eWLB 工藝設(shè)計了60 GHz 的六通道微帶天線[8]，如圖2 所示，其將芯片和收發(fā)天線集成在整體尺寸僅為14.000 mm×14.000 mm×0.800 mm 的晶圓上，可用于便攜式穿戴設(shè)備。2022 年，中國電子科技集團有限公司第二十九研究所的李秀梅等采用低損PCB 工藝設(shè)計了工作于Ka波段的封裝天線[9]，可用于衛(wèi)星通信。

圖1 60 GHz 相控陣天線

圖2 60 GHz 的六通道微帶天線

毫米波相控陣封裝天線將相控陣天線與封裝工藝相結(jié)合，可用于軍事、衛(wèi)星通信、車載雷達、安檢成像等領(lǐng)域[10]。相控陣天線是將陣列天線的輻射單元有序地排布，通過控制相位實現(xiàn)波束掃描，再將芯片倒裝在天線基板上，以形成相控陣天線封裝體，最終實現(xiàn)相控陣天線系統(tǒng)的高密度無引線集成，因此，要實現(xiàn)具有高性能、高可靠性的相控陣封裝天線，輻射單元的設(shè)計十分重要。

本文采用高密度基板工藝，開展工作于Ka 波段的毫米波微帶貼片天線的設(shè)計與制造。此天線不僅可以與射頻系統(tǒng)集成，通過有機基板內(nèi)埋設(shè)計實現(xiàn)貼片與芯片的一體化封裝，還可作為相控陣天線的輻射單元進行陣列設(shè)計。有機基板作為天線的介質(zhì)材料，可實現(xiàn)其小型化、高集成度、低成本的設(shè)計目標。有機基板提升了封裝天線的可靠性，使其大規(guī)模量產(chǎn)成為可能，可以在毫米波應(yīng)用場景下被廣泛使用。

1 有機基板天線的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1.1 微帶貼片天線的設(shè)計

1953 年，DESCHAMPS[11]提出了微帶天線的概念，微帶天線由頂層輻射貼片、介質(zhì)基板、底層地平面3 部分組成，矩形貼片微帶天線模型如圖3 所示，貼片微帶天線的尺寸應(yīng)基于襯底材料的特性和目標輻射頻段進行估算[12]。

圖3 矩形貼片微帶天線模型

矩形貼片的寬度W 的計算公式為

其中，c 為光速，εr為介質(zhì)基板的介電常數(shù)，f0為中心頻率。

有效介電常數(shù)εe的計算公式為

其中，h 為介質(zhì)基板的厚度。

波導(dǎo)波長λg的計算公式為

輻射貼片長度L 的計算公式為

等效輻射縫隙長度的計算公式為

在仿真工具中基于估算值建模后，對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)最優(yōu)的天線性能。

1.2 基于有機基板的微帶貼片天線設(shè)計

本設(shè)計所用基板為本單位自主研發(fā)的高密度樹脂型封裝基板，可實現(xiàn)4～12 層的布線設(shè)計，其核心層（Core 層）采用有機介質(zhì)材料，為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲，Core 層采用上下對稱式布局。

本設(shè)計中包含10 層基板，在Core 層以下的金屬層中填充了大塊的金屬地，可以作為反射板，在Core層以上的部分金屬層中，利用接地的金屬環(huán)設(shè)計了天線腔體結(jié)構(gòu)，通過改變金屬環(huán)的尺寸來調(diào)節(jié)天線的諧振頻率。對于毫米波天線來說，由于其輻射體和饋電線能被天線的地平面分開，因此可以選擇利用同軸饋電的微帶天線饋電。

圖4 為基于高密度有機基板工藝的天線結(jié)構(gòu)剖面圖，該天線包含3 部分：Core 層、上層走線層、下層走線層。上層走線層和下層走線層分別由5 層金屬構(gòu)成，金屬層間有介質(zhì)層。Core 層以上的金屬地平面有3 層（TM1～TM3），Core 層 以 下 的 金 屬 地 平 面 有5 層（BM1～BM5）。天線包含雙層輻射貼片，TM4 層為下層貼片結(jié)構(gòu)，其作為天線的饋電層，周圍有接地的金屬環(huán)（Metal Rings），TM5 層為上層貼片結(jié)構(gòu)。同軸饋線從BM5 層穿過，經(jīng)過具有反焊盤的地平面到達TM4層，為天線饋電。地平面之間通過地孔（Via）相連，除了BM1 層為中間挖空的金屬環(huán)結(jié)構(gòu)，其余地平面均為完整的金屬地結(jié)構(gòu)。由于受到加工尺寸的限制，同軸饋電口的阻抗小于50 Ω，需要調(diào)整同軸饋電的位置和輻射貼片的尺寸來實現(xiàn)阻抗匹配。

圖4 基于高密度有機基板工藝的天線結(jié)構(gòu)剖面圖

本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖5 所示，天線整體采用疊層貼片設(shè)計，上下兩層貼片尺寸相近，其諧振頻率非常接近，可以起到拓展帶寬的作用。Core 層厚度為400 μm，金屬銅層厚度為15 μm，通孔高度為30 μm，整體基板尺寸為5.500 mm×5.500 mm×0.820 mm，TM4層貼片單元的尺寸為2.250 mm×2.500 mm×0.015 mm，TM5 層貼片單元的尺寸為2.250 mm×2.250 mm×0.015 mm。

圖5 天線結(jié)構(gòu)

2 天線制備工藝與在線測試

2.1 半加成法制備天線

工藝技術(shù)路線為增層膜疊層+半加成法布線技術(shù)。半加成法工藝（SAP）是指在基板上進行圖形電鍍，然后去除為了電鍍圖形涂的各類膠材，最后進行蝕刻得到所需要的圖形，加工流程如圖6 所示。由于金屬銅層和介質(zhì)材料的結(jié)合強度差，需要選用穩(wěn)定性高、與銅的結(jié)合力好、適合SAP 的介質(zhì)材料，如增層膜材料。

圖6 半加成法工藝加工流程

高密度基板制作流程如下：選用增層膜作為介質(zhì)材料，在覆銅板上下進行雙面壓膜（覆銅板結(jié)構(gòu)如圖7所示），然后對增層膜進行研磨，磨到金屬銅柱露出，進行第1 層再布線（RDL）和植柱，以實現(xiàn)電氣連接。完成第1 層后，重復(fù)上述步驟進行下一層的制作，加工完成后對基板進行化鍍、切割、測試，高密度基板的制作流程如圖8 所示。圖9 為Ka 波段天線實物圖，天線整體尺寸僅為5.500 mm×5.500 mm×0.820 mm。

圖7 覆銅板結(jié)構(gòu)

圖8 高密度基板制作流程

圖9 Ka 波段天線實物圖

2.2 天線參數(shù)測試

S 參數(shù)即散射參數(shù)，反映入射信號與反射信號之間的相位和幅度關(guān)系。使用電磁仿真軟件HFSS 進行天線仿真分析，使用由探針臺和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的測試平臺進行天線的S 參數(shù)測試，仿真和實測結(jié)果如圖10 所示。在－10 dB 以下的帶寬范圍內(nèi)，天線仿真和實測結(jié)果相當接近，仿真結(jié)果為35.4～36.4 GHz，實測結(jié)果為35.6～36.6 GHz。

圖11 為天線方向圖，天線增益最高為2.1 dBi。在微波暗室搭建的測試平臺上進行天線各方向的輻射特性測試，測試平臺如圖12 所示，使用喇叭天線不僅可以進行待測天線的校準，還可將其作為增益測試的通用標準，通過測試得到天線的各方向增益。

圖11 天線方向圖

圖12 測試平臺

3 Ka 波段有機基板天線的應(yīng)用

天線和芯片的垂直互連結(jié)構(gòu)如圖13（a）所示，天線和芯片通過凸點實現(xiàn)互連，天線與其他結(jié)構(gòu)之間的耦合給天線設(shè)計帶來一定的難度。天線和芯片的水平互連結(jié)構(gòu)如圖13（b）所示，通過倒裝芯片或引線鍵合技術(shù)實現(xiàn)天線和芯片的互連。本文設(shè)計的Ka 波段有機基板天線可通過垂直互連結(jié)構(gòu)與芯片實現(xiàn)一體化集成封裝，與傳統(tǒng)的天線和芯片在分離設(shè)計后再進行組裝的方法相比，該設(shè)計方式縮短了天線與芯片的互連長度，降低了互連損耗，節(jié)省了排布空間，可應(yīng)用于5G/6G 毫米波通信領(lǐng)域。采用本單位研發(fā)的有機基板工藝，有望實現(xiàn)該天線的量產(chǎn)加工，最終達到高性能、低成本的設(shè)計目標。

圖13 兩種互連結(jié)構(gòu)

圖14 為相控陣天線封裝示意圖，芯片內(nèi)埋于封裝基板中，與相控子陣模組集成，最后通過球柵陣列（BGA）集成到綜合母版上。相較于單天線設(shè)計，相控陣天線可通過調(diào)節(jié)波束的輻射方向來躲避障礙物，提高信號傳輸質(zhì)量，基于Ka 波段相控陣天線的設(shè)計較少，本文設(shè)計的Ka 波段有機基板天線可作為輻射單元，通過特定的排列設(shè)計出子陣模組，將其與芯片集成，最終形成相控陣封裝體，可應(yīng)用于衛(wèi)星通信，實現(xiàn)遠距離信號傳輸。

圖14 相控陣天線封裝示意圖

4 結(jié)論

本文研究了基于高密度有機基板工藝的天線設(shè)計與制造，通過高密度布線和垂直互連結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)天線與內(nèi)埋芯片的無引線集成，有利于推動集成系統(tǒng)向小型化、高密度和高可靠性的方向發(fā)展。高密度有機基板的應(yīng)用范圍廣泛，但開發(fā)程度還不夠。天線設(shè)計中仍存在阻抗匹配問題，考慮到過孔尺寸、節(jié)距等工藝標準對饋線的限制，可通過改變饋電點位置和輻射貼片的尺寸進行優(yōu)化。成本限制了有機基板天線的大規(guī)模商用，其目前僅處于研究或小規(guī)模生產(chǎn)階段。采用本單位自主研發(fā)的高密度有機基板工藝進行加工制造，可極大地縮短加工周期，降低成本。通過工藝能力的提升和設(shè)計經(jīng)驗的積累，基于有機基板的封裝天線的量產(chǎn)指日可待。