封裝天線技術(shù)

一、引言自20世紀90年代中期以來，互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）已經(jīng)成為無線革命的技術(shù)驅(qū)動力，實現(xiàn)了藍牙無線電、60GHz無線電和79GHz雷達的系統(tǒng)級芯片（SoC）集成。事實上，CMOS目前在第五代（5G）新無線電（NR）半導(dǎo)體技術(shù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。封裝天線（AiP）概念旨在為新興的無線SoC或單芯片無線電提供很好的天線解決方案。它探索了基于封裝材料和工藝將天線或陣列（或多個天線或陣列）與無線芯片（或多個芯片）集成在封裝內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能。在AiP概念中，研究人員首次將輻射功能引入到芯片封裝中。因此，它豐富和提升了系統(tǒng)級封裝（SiP）概念的完整性。如今，AiP是毫米波（mmWave）5GNR的首選天線和封裝技術(shù)。天線具有獨特的輻射特性，使得無線通信和檢測的實現(xiàn)成為可能。在射頻（RF）頻段，如何在保持輻射效率的同時縮小天線尺寸成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)；相比之下，在毫米波頻段，難點在于如何將芯片與陣列元件之間互連的插入損耗降到最低。AiP技術(shù)為這些挑戰(zhàn)提供了一個簡明的解決方案，因此，它從本質(zhì)上改變了用于無線應(yīng)用的無線電和雷達的設(shè)計和實現(xiàn)。二、設(shè)計考慮無線電和雷達設(shè)計的第一個改變是激勵電子設(shè)計自動化公司開發(fā)協(xié)同設(shè)計平臺，使設(shè)計人員能夠在設(shè)計和實現(xiàn)期間考慮對天線和芯片在封裝中進行無縫集成。AiP技術(shù)為天線和電路的設(shè)計創(chuàng)造了更大的自由空間：①可以消除天線與電路之間50Ω接口的約束。50Ω的標準是針對使用同軸電纜連接或測量的分離天線和電路定下來的。AiP是一種集成結(jié)構(gòu)，其中利用傳輸線、通孔和凸點進行互連。②金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管是AiP中最重要的有源器件。它在電路中充當開關(guān)或電流源。發(fā)射/接收開關(guān)是連接到天線的電路。研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種新的帶有全波電磁求解器[如高頻電磁結(jié)構(gòu)仿真軟件（HFSS）]的天線和開關(guān)協(xié)同設(shè)計方法，該方法將MOS晶體管視為一個導(dǎo)通電阻或開路電容的無源結(jié)構(gòu)。此外，該方法正被推廣到天線和基于開關(guān)功率放大器的協(xié)同設(shè)計中。③如果需要將MOS晶體管建模為電流源，則必須使用電路仿真器進行協(xié)同設(shè)計，如CadenceAWRMicrowaveOffice。電路仿真器依靠的是緊湊的電路模型。因此，構(gòu)建一個AiP的電路模型是至關(guān)重要的。事實證明，該電路模型可以通過物理方法推導(dǎo)，也可以用數(shù)值方法提取。④電感器通常用于與MOS晶體管的寄生電容諧振。然而，由于電感體積大且有損耗，因此最好避免使用它們。以一個典型的低噪聲放大器為例，傳統(tǒng)的設(shè)計使用兩個片上電感，而協(xié)同設(shè)計能夠取代電感的方式包括通過探索鍵合線電感或使天線具有電感特性（而不是50Ω），以抵消低噪聲放大器中MOS晶體管的電容效應(yīng)。三、大批量生產(chǎn)和測試AiP技術(shù)促進了新材料和新工藝的發(fā)展。筆者所說的新材料是指天然材料，而不是超材料。盡管如此，在過去的20年里，超材料也引起了研究人員極大的研究興趣。一些使用超材料的AiP設(shè)計也得到了嘗試。據(jù)研究人員觀察發(fā)現(xiàn)，使用高阻抗表面作為人工磁導(dǎo)體，可以獲得薄剖面和低背向輻射。然而，基于超材料的AiP由于成本高的原因而很少被工業(yè)界采用。為了減少表面波和提高天線輻射效率，開發(fā)了在低溫共燒陶瓷（LTCC）材料中嵌入空氣腔或穿透空氣孔的非標準工藝，對AiP進行大批量生產(chǎn)（HVM）。三星和英特爾分別探索了高密度互連（HDI）材料和工藝，用于60GHz無線電AiP的大規(guī)模生產(chǎn)。國際商用機器公司（IBM）使用有機材料開發(fā)了表面層合電路板（SLC）工藝，用于毫米波5GNR基站大型AiP的HVM。上述HDI和SLC都采用了平衡式基片。專門為低成本生產(chǎn)AiP開發(fā)了一種新型HDI工藝，實現(xiàn)了非平衡式基片。英飛凌公司獲得的專利是關(guān)于嵌入式晶圓級封裝工藝（eWLB）技術(shù)，與LTCC、HDI和SLC存在本質(zhì)的區(qū)別；eWLB的特點是無層壓基片，但是有一個銅再分布層。它已被證明是一種大批量生產(chǎn)小型AiP的替代方法。然而，單一的再分布層限制了通過eWLB實現(xiàn)復(fù)雜的AiP。為了獲得更多的再分布層，臺灣積體電路制造股份有限公司（TSMC）開發(fā)了InFO，它將饋電網(wǎng)絡(luò)布置在封裝底部的再分布層，將天線元件布置在封裝頂部的再分布層。因此，InFO-AiP可以為5GNR終端生產(chǎn)外形尺寸更小、增益更高的AiP。SJ半導(dǎo)體公司（SJSemi）開發(fā)了SmartAiP技術(shù)，該技術(shù)提供了超高銅垂直互連、多層雙面細節(jié)距再分布層、晶圓級多層精密對準天線等。SmartAiP通過提供24~43GHz的超寬帶解決方案，以適應(yīng)全球不同國家分配的各種頻譜，從而展現(xiàn)了其低插入損耗的優(yōu)勢。此外，AiP面臨的一個嚴重問題是電磁干擾（EMI）。使用激光開槽、漿料填充和金屬涂層的共形屏蔽和隔層屏蔽可以有效抑制AiP中EMI的產(chǎn)生。AiP技術(shù)將天線和封裝的測量提升到一個前所未有的水平。研究人員正在為AiP開發(fā)和改進新的測試方法和設(shè)備?；谔结樀奶炀€測量設(shè)備已成為在實驗室中準確表征AiP的必要裝置。這種裝置使用地-信號-地（GSG）探針為AiP饋電，并使用標準增益天線在遠場距離圍繞AiP旋轉(zhuǎn)以測量輻射方向圖。目前，研究人員已經(jīng)設(shè)計背向和彎曲探針技術(shù)，以最大限度地減少探針對輻射的影響及傳統(tǒng)探針反射造成的阻擋和擾動，從而擴大了動態(tài)范圍。在生產(chǎn)線上對AiP進行快速測試需要使用帶有OTA系統(tǒng)的自動化測試設(shè)備（ATE）。OTA系統(tǒng)可以配置在遠場、輻射近場和感應(yīng)近場。研究發(fā)現(xiàn)，輻射近場在復(fù)雜性和成本方面對大批量AiP測試具有顯著優(yōu)勢。四、應(yīng)用AiP技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，如2.4GHz的物聯(lián)網(wǎng)，60GHz的虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和手勢識別，以及79GHz的汽車雷達。然而，AiP技術(shù)真正具有突破性的應(yīng)用是在28GHz和39GHz的5GNR智能手機方面。圖1展示了手機天線的演變和可能的發(fā)展趨勢。關(guān)于該圖，筆者特別強調(diào)，無論是現(xiàn)在還是將來，整體天線和集成天線都會在智能手機中共存。圖1.手機天線設(shè)置的演變。AoC：片上天線。研究人員將繼續(xù)探索AiP技術(shù)在新領(lǐng)域的應(yīng)用，例如，AiP技術(shù)已經(jīng)開始滲透到無創(chuàng)健康監(jiān)測的醫(yī)療領(lǐng)域中。然而，由于在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用中產(chǎn)品的認正周期比較長，因此該領(lǐng)域的進入門檻很高。除此之外，AiP技術(shù)在基于毫米波5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用具有巨大的潛力。五、結(jié)論綜上所述，AiP技術(shù)不再是一種選擇性技術(shù)；它目前是無