国家千人计划专家、IEEE Fellow 张跃平教授:封装天线技术最新进展

2018-07-30 来源:微波射频网作者:张跃平教授 我要评论(0) 字号:

编者按:为了推进封装天线技术在我国深入发展,微波射频网去年特邀国家千人计划专家张跃平教授撰写了《封装天线技术发展历程回顾》一文。该文章在网站和微信公众号发表后引起了广泛传播和关注,成为了点阅率最高的经典。今年是毫米波5G移动通信发展里程碑式的一年,也是奏响封装天线技术进入毫米波5G移动通信与车联网海量应用序曲的一年。因此,微波射频网再次特邀国家千人计划专家张跃平教授撰写《封装天线技术最新进展》报告呈献给大家。

摘要:封装天线(简称AiP)是基于封装材料与工艺,将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术。AiP技术顺应了硅基半导体工艺集成度提高的潮流,为系统级无线芯片提供了良好的天线与封装解决方案。最新权威市场分析报告断言,AiP技术会是毫米波5G通信与汽车雷达芯片必选的一项技术,所以AiP技术最近受到广泛重视,取得了许多重要进展。本文尝试全方位总结AiP技术在过去不到一年的时间内所获得的最新成果,内容包括新材料、新工艺、新设计、新测试等方面。

1、引言

作者去年发表的《封装天线技术发展历程回顾》一文讲述了封装天线技术早期与蓝牙无线技术一起发芽,中期与60GHz无线技术及毫米波雷达一起成长,近期助力太赫兹、物联网和5G移动通信发展的故事[1]。时间跨度从1990年代末到2017年10月底约20年。在文中作者指出近期AiP技术开发正围绕着万物互联(IoT)及毫米波5G移动通信与汽车雷达芯片如火如荼展开。到目前为止,仅仅几个月时间就不断有新的成果或以新闻形式发布及媒体采访报道、或以研讨会方式面对面及在线交流、或以技术论文正式出版发表与同行分享。本文尝试全方位总结2017年10月以后到现在AiP技术在国内外取得的最新成果。此外,本文也是作者介绍封装天线技术系列文章的第二篇:谱新篇。文章首先从新闻发布、媒体报道及市场分析报告角度出发关注当前AiP技术热点,接着追踪研讨会、捕捉AiP技术新的发展动向,然后重点介绍AiP技术在材料、工艺、设计、测试等方面的新进展。

2、从新闻发布、媒体报道及市场分析报告角度出发关注当前AiP技术热点

新闻发布追求轰动效应,所以选择发布的时间点及场所就显得相当重要。消费类电子产品新闻发布首选时间与场地是每年1月在美国内华达州拉斯维加斯召开的国际消费类电子产品展览会(CES)。移动通信类电子产品新闻发布则会选在每年2月在西班牙巴塞罗那召开的世界移动通信展览会(MWC)。近年来,我国许多公司包括著名的华为及中兴公司都积极在CES与MWC参展,并且在会上发布年度重要产品新闻。华为公司余承东先生自信地用英语发布新闻让人印象深刻,达到了提高品牌知名度、提升产品在消费者心目中的地位,增加公司营销、扩大公司产品在市场占有率的目的。媒体报道力求图文并茂、吸人眼球、引人注目。市场分析报告在于能够洞悉行业市场变化,把握市场机会,借以提供公司参考,推动市场开发工作。最近或许受到越来越多令人鼓舞的AiP技术方面进展报道的影响,作者自豪地憧憬着AiP技术能够很快地造福人类,海量的用在人们的手机内、驾驶的汽车上,把玩的虚拟现实(virtual reality)及增强现实(augmented reality)等随身电子产品中。下面作者从新闻发布、媒体报道及市场分析报告的角度出发关注当前毫米波AiP技术热点。

2017年12月21日是可以载入移动通信史册上的一天。高通(Qualcomm)公司利用自己开发的基带芯片、毫米波芯片与AiP技术,制成了5G毫米波通信用户终端参考设计样机,与爱立信(Ericsson)公司预商用毫米波基站实现了世界上第一次基于5G 新无线电(New Radio(NR))标准的不同厂商产品的互连互通,奠定了2019年毫米波5G移动通信正式商用的基础[2]。图1是高通公司毫米波5G通信用户终端参考设计样机实物照片。如图所示,3个工作在28GHz的AiP清晰可见,另外一个AiP位于PCB右下角背面。每一个AiP都可以实现快速波束扫描,方便地安装在用户终端的不同地方。

图1、高通公司毫米波5G通信用户终端参考设计样机实物照片

迈入2018年,海思(HiSilicon)率先于1月9日在中国深圳宣布Hi1181 60GHz系统级芯片成功通过WiFi联盟WiGig认证,成为业界集成度最高,性能最佳的60GHz系统级芯片(SoC)。为了满足市场应用需求,海思基于Hi1181 SoC开发了两款设计。一款称之为M1181超能模块,另外一款称之为M1181超强模块。M1181超能模块采用先进AiP技术,外形紧凑,10毫米见方,适用于超宽带无线视频传输。M1181超强模块同样采用先进AiP技术,双极化16收16发,12毫米见方,适用于无线虚拟现实[3]

联发科技(MediaTek)于1月12日在CES上接受电子工程杂志(EE Times)专访时披露了研发的基于互补金属氧化物半导体(CMOS)及AiP技术研发的毫米波汽车雷达芯片。该芯片工作频段位于76-81GHz,用于探测10到15米的障碍物。图2是联发科毫米波汽车雷达实物照片[4]。此外,联发科也于2月25-28日在MWC上展示了基于5G毫米波NR通信标准的用户终端参考设计样机。图3所示是样机背面装有AiP的部分,该AiP集成了8个天线和2个芯片形成一个工作在28GHz的相控阵。另外一个相同的AiP装在样机正面接近顶部的位置,且与样机背面的AiP成90度角,实现极化分集[5]

图2、联发科技毫米波汽车雷达实物照片

图3、联发科技毫米波5G通信用户终端参考设计样机实物照片

英特尔(Intel)公司在开发CMOS毫米波芯片与AiP技术方面着力很早,成绩斐然。它于2月25-28日MWC上发布了基于5G毫米波NR通信标准,用于许多场景的解决方案。尤其是将5G毫米波芯片与AiP技术应用于车联网令人耳目一新、印象深刻。图4是英特尔公司基于5G毫米波NR通信标准的车联网车载系统去掉防护罩后的实物照片。该车载系统装在车顶,使用4个AiP实现水平360度覆盖。每个AiP集成了16个天线和1个芯片形成一个相控阵,工作在28GHz频段。系统可以在4个AiP中进行切换,波束选择等[6]

图4、英特尔基于5G毫米波通信标准的车联网实物照片

作者原先预计AiP的制造与测试会主要由半导体封装测试厂家(OSTA)完成。日月光(ASE)、Amkor、 长电科技(JCEP)及矽品(SPIL)是全球OSTA四强,都有在开发AiP技术。但現在看来半导体集成电路制造公司,如台积电(TSMC)及三星(Samsung)公司等,受即将爆发的5G的巨大潜力所吸引很可能会捷足先登,抢先占领5G AiP技术市场。半导体集成电路制造公司仅需要面对为数不多的芯片设计(Fabless)公司, 封装测试厂家仅需要面对为数更少的半导体集成电路制造公司。它们的新闻发布一般会选在自己主办的年度技术论坛上。比如台积电于今年5月1日在美国加州硅谷召开的年度技术论坛宣布,成功开发出晶圆级扇出式封装天线(InFO-AiP)技术,号称外观尺寸可缩小10%,天线增益可提高40%,锁定5G毫米波前端芯片应用[7]。三星5月22日在美国加州硅谷召开的年度先进封装技术推介会上强调,为了支持毫米波5G通信产品开发需求,三星封装天线(AiP)技术也会及时推出[8]

Yole公司是一间总部位于法国里昂,打着“超越摩尔”口号的世界知名市场研究与战略咨询公司,与我国相关企业合作紧密,关系良好。它的市场分析报告因为能够帮助客户深入地理解市场与技术发展方向的密切关系,成功拓展商务而在业界广受好评。Yole公司去年年尾出版了3份市场分析报告:(1)5G对射频前端产业影响 “5G’s Impact on the RF Front-End Industry”,(2)手机先进射频系统级封装 “Advanced RF System-in-Package for cell phones”,(3)2018年度汽车雷达技术 “Radar Technologies for Automotive 2018”。三份报告都反复强调AiP技术会是毫米波5G通信与汽车雷达芯片必选的一项技术[9]。图5摘取于报告(3),可以清楚看见AiP技术已经是毫米波汽车雷达主流天线与封装技术。此外,作者提出的Antenna-on-Chip (AoC)思想也被报告引用将会在未来THz成像雷达方面应用。

图5、毫米波汽车雷达发展路线图

总而言之,市场是技术发展最重要的推动力,AiP技术发展也不例外。根据上述三方面所披露的信息,作者发现开发适用于毫米波5G通信用户终端的AiP技术是目前大家最关注的热点。

3、追踪研讨会、捕捉AiP技术新的发展动向

AiP技术将天线触角伸向集成电路、封装与测试、材料与工艺、雷达及通信等领域,倡导多学科协同设计与系统级优化,受到了其它学科的重视,起到了扩展天线领域的作用。此观点很容易从上述不同领域举办的研讨会上得到验证。下面作者开始追踪今年到现在不同领域举办过的研讨会,去捕捉AiP技术新的发展动向。首先将目光投向今年2月11-15日在美国旧金山召开的国际固态电路大会(http://isscc.org/2018/),然后转向于4月9-13日在英国伦敦召开的欧洲天线与传播大会(http://www.eucap2018.org/),接着再转向于5月29日至6月1日在美国加利福尼亚州圣地亚哥召开的电子元件与技术大会(https://www.ectc.net/), 之后聚焦于6月10-15日在美国宾夕法尼亚州费城召开的国际微波大会(https://ims2018.org/), 最后定格于7月8-13日在美国麻萨诸塞州波士顿召开的天线与传播大会(https://2018apsursi.org/)。

3.1   国际固态电路大会(ISSCC)

ISSCC由IEEE固态电路学会举办,俗称芯片奥林匹克(Chip Olympia),是集成电路设计领域最顶级的会议。去年IBM公司的AiP技术在会上一枝独秀,今年AiP技术在会上百花齐放。英飞凌(Infineon)公司AiP技术加持的谷歌(Google)60GHz手势雷达,经大会层层筛选,亮相于大会首次举办的行业展示(Industry Showcase)。在5G与后续移动通信的毫米波无线电系统分组会(S4: mm-Wave radios for 5G and beyond)上宣读的7篇文章中,4篇公司的文章都介绍了各自公司开发的AiP技术,3篇大学的文章中有2篇简单提到AiP技术,1篇涉及到片上天线(AoC)技术。在毫米波多天线系统中的电路设计与系统架构论坛(F4:Circuit and system techniques for mm-Wave multi-antenna systems)上9位演讲的嘉宾中至少有5位在他们的演讲中讲到AiP及其相关技术。限于篇幅,下面仅简单介绍博通(Broadcom)60GHz、(高通(Qualcomm)28GHz、诺基亚(Nokia)与LG公司90GHz AiP技术。

图6a所示的是博通公司60GHz系统,由主从60GHz芯片组成,便于系统重构。主从芯片通过系统板上布线互连,从芯片的封装上集成了天线。主从芯片设计基于CMOS工艺,从芯片的封装与天线采用低温共烧陶瓷(LTCC)AiP技术。图6b所示为每个AiP集成了48个天线和2个芯片形成一个相控阵的实物照片。图6c所示每个天线是由带状线馈电、槽耦合激励的1驱4从微带天线。图6d所示的展示系统使用1主6从芯片,总共有288个天线,该展示系统最大等效全向辐射功率为51dBm,可实现±60°扫描[10]

(a)

(b)

(c)

(d)

图6、博通60GHz系统采用基于低温共烧陶瓷的AiP技术

图7a与b分别是高通公司为5G移动通信系统用户终端及微基站开发的工作在28GHz频段的芯片与AiP示意图。用户终端AiP集成了8个顶射双极化叠层微带天线、8个端射振子天线及2个芯片形成一个相控阵。微基站AiP集成了16个顶射双极化叠层微带天线、8个哑元及2个芯片形成一个相控阵。图7c是AiP实物的背面照片,两个倒装焊的芯片清晰可见。图7d与e分别是高通公司为5G移动通信系统开发的用户终端及微基站参考设计实物照片。用户终端上使用4个AiP, 3个位于PCB正面,1个位于PCB右下角背面。实测表明每一个AiP上的8个顶射双极化叠层微带天线阵及4个振子阵都可以实现±45°快速波束扫描。微基站上使用20个AiP,位于黑线框内是有源的,框外是无源的。有源部分可以看作为32×8个单元阵,形成2个32×4子阵。实测表明微基站可以实现双极化±60°快速波束扫描[11]

 

(a)

(b)

(c)

(d)                                          (e)

图7、高通毫米波5G通信系统采用基于高密度互连的AiP技术

图8a是诺基亚与LG公司90GHz AiP示意图。它集成了25个叠层微带天线,其中16个用于发射,8个用于接收,1个哑元,发射与接收都可以实现±45°快速波束扫描。图8b是AiP实物照片。图8c与图8d是使用了16个AiP形成的256个单元发射阵及128个单元接收阵的系统板,及放在具有散热功能机箱中的实物照片。该系统最大等效全向辐射功率为59.5dBm [12]

(a)

裸片

(b)

(c)

(d)

图8、诺基亚与LG公司90GHz系统采用基于高密度互连的AiP技术

3.2   欧洲天线与传播大会(EuCAP)

英国伦敦在天线人心目中有着无与伦比的地位。过去麦克斯韦先生(James C. Maxwell)在伦敦国王学院推导出麦克斯韦方程,预测到电磁波的存在。当代彭德里爵士(John B. Pendry)在帝国学院提出超构材料的思想,指导操控电磁波。2018年EuCAP于4月9-13日在伦敦召开,西安电子科技大学段宝岩院士应邀作大会主旨报告。段宝岩院士是作者的老朋友,我们于1991年相识在英国利物浦大学。当时,段宝岩院士在利物浦大学作博士后,我在作访问学者。段宝岩院士大会主旨报告着重介绍了中国天眼艰苦的研制过程,报告内容丰富,演讲相当精彩,受到与会者的广泛好评。段宝岩院士应该是第一位中国天线人受邀在如此重要的天线与传播旗舰会议上作主旨发言。东南大学洪伟教授应邀作大会特邀报告。洪伟教授介绍了中国5G研制已取得的成果及后续任务。洪伟教授作为中国5G推进组组长在报告中明确指出封装天线因为在毫米波通信方面的重要性已列入推进组计划。另外还有一个大会特邀报告是讲毫米波封装天线与电路系统的设计。主讲者是法国尼斯大学的一位教授,曾同作者合作过研发基于LTCC的AiP技术。此外,值得一提的是作者在大会上组织了毫米波与5G封装天线技术专题研讨会 ,邀请到了中国、韩国、芬兰、法国、德国、荷兰与比利时对封装天线技术发展做出过贡献的专家同大家分享他们宝贵的经验[13]。专题研讨会受到与会者热烈欢迎与参与,会场座无虚席,许多听众不得不站在后面和旁边听讲。在专题研讨会上意法半导体(ST Microelectronics)公司介绍的用3D打印实现的透镜可以大大地提高AiP增益的工作相当有趣。图9是工作在60, 120, 240GHz 频段的实物照片。3D打印的塑料透镜在60和120GHz频段使得由HDI工艺基于有机封装材料实现的AiP天线增益分别增加了8与12dB。由于受到HDI工艺的限制,240GHz频段的AiP性能不佳,但是,3D打印的塑料透镜还是可以让其增益增加了12dB [14]

(a)

(b)

(c)

图9、意法半导体公司毫米波AiP及3D打印透镜天线

3.3   国际电子元件与技术大会(ECTC)

ECTC由IEEE电子封装学会举办,是封装、元件、微电子系统领域最顶级的会议。封装天线技术被认为是封装产业链新的增长点,所以理所当然地受到半导体封装测试厂商的重视。今年ECTC上电子封装学会下属的的高速、 无线与元件技术委员会组织了一个分会专门研讨射频与毫米波AiP技术(Session 5: Antenna-in-Package for RF and mm-Wave Systems) [15]。除了日本东芝(Toshiba)公司宣读的射频2.4GHz封装天线文章以外,其余6篇都在探讨毫米波AiP技术。作者很高兴地读到由日月光、台积电、矽品公司工程师们撰写的文章。他们都是封装设计的行家,对封装材料特性与加工工艺了如指掌。日月光与矽品都是半导体封装测试领域龙头企业,台积电是半导体集成电路制造行业老大,封装测试行业后起之秀。用台湾同行的话讲有这些先进们的介入本身就表明AiP技术发展迈入新阶段,进入快车道。

日月光的文章着重介绍了为77GHz汽车雷达开发的低成本先进的单边基片(aS3-AiP)技术及加工容差对天线特性的影响。本文作者认为文章的更重要的价值在于日月光工程师们科学地、客观地比较了几种典型封装技术从芯片到封装再到系统板的过渡损耗后,指出尽管晶圆级扇出式封装技术具有过渡损耗小的优点,先进的单边基片封装技术除了成本较低,而且过渡损耗可与晶圆级扇出式封装技术媲美,在77GHz汽车雷达应用方面具有优势[16]

台积电的文章介绍了用于高性能紧湊型毫米波5G通信系统集成的晶圆级扇出式(InFO-AiP)技术。台积电的工程师们设计的通过共面波导槽耦合激励的微带天线实测表明能够实现覆盖55-65GHz频段的目标。本文作者相信InFO-AiP技术具有尺寸小、低剖面等优点,但是从文章中无从得知台积电在新闻发布时提到的天线增益可提高40%是如何而来。本文作者猜想可能是与晶圆级扇出式封装所选用的材料及加工工艺所带来的损耗小有关[17]

有感于目前基于HDI材料与工艺开发的AiP技术都采用平衡式基片,矽品工程师们认为如果能够解决基片翘曲的问题,非平衡式基片在成本方面更有优势。矽品的文章从设计、制造、测试等方面详细地介绍了矽品如何克服非平衡式基片翘曲的难题,以及为毫米波5G通信用户终端开发的AiP技术。图10是矽品AiP实物照片。如图所示,矽品AiP集成了4个叠层微带天线,测试表明AiP在28GHz处实现了15.4%的带宽及10.8dBi的增益[18]

此外,IBM公司宣读的文章、美国佐治亚理工学院宣读的文章以及中国国家先进封装工程中心、中国科学院微电子所系统封装与集成研究中心,中国科学院大学三家联合宣读的文章都针对毫米波AiP技术进行了有意义的探讨,本文作者强烈推荐对AiP技术感兴趣的读者阅读 [19-21]

图10、矽品AiP实物照片。

3.4   国际微波大会(IMS)

IMS由IEEE微波理论与技术学会举办,是微波技术领域最负盛名的会议[22]。今年会议上有33个专题研讨会,其中3个专题研讨会与AiP技术直接相关:(1)毫米波系统制造、封装与内置自测试(WSJ: Millimeter-wave systems; manufacturing, packaging and built-in self test),(2) 面向5G用于增强型移动通信的射频前端(WFB: RF Front-Ends for Enhanced Mobile Communications towards 5G),(3)用于毫米波及5G通信领域的模组集成及封装与芯片协同集成(WFH: Module integration and packaging/IC co-integration for millimeter-wave communications and 5G)。在毫米波系统制造、封装与内置自测试研讨会上德国弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所(The Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM)有关5G及毫米波应用的封装方法报告值得AiP技术人员学习。在面向5G用于增强型移动通信的射频前端研讨会上,英飞凌公司从系统角度阐述了基于锗硅双极互补式金属氧化物半导体(SiGe-BiCMOS)的毫米波5G通信用户终端有关AiP个数、布局及每个AiP上天线个数的考量。在用于毫米波及5G通信领域的模组集成及封装与芯片协同集成专题研讨会上除了耳熟能详的IBM及高通公司介绍他们各自开发的AiP技术以外,美国安森美半导体公司(ON Semiconductor)首次从设计、制造及测试方面介绍了它的毫米波AiP技术,令人印象深刻。图11是安森美半导体公司AiP实验样片的实物照片。如图所示,4个AiP集成在一个样片上。为了增加带宽,左上角AiP采用叠层微带天线,左下角AiP采用3个共面耦合微带天线,其余AiP采用2个共面耦合微带天线。测试表明这些AiP都可以应用在60GHz系统上[23]

图11、安森美半导体公司AiP实物照片

3.5   国际天线与传播大会(APS)

APS由IEEE天线与传播学会举办,为了鼓励大家交流,会议投稿一般都会录用[24]。今年APS在美国学术名城波士顿举办。波士顿在天线人心目中有着崇高的地位,得益于两位天线高人在此工作与生活过。一位是朱兰成先生, 他在位于该城的麻省理工学院完成了他的传世名篇小天线理论。另一位是R. W. P. King 教授,他在位于该城的哈佛大学发明的倒F天线,极大地促进了手持移动终端的发展。

今年三星公司在APS上宣读了为5G开发的一款毫米波AiP设计及在客户端固定设备(CPE)真实应用环境下的测试结果。作者认为这是一款别出心裁的毫米波AiP设计, 为了降低成本及提高天线性能,16个空气介质的叠层微带天线安装在封装基板前面,毫米波芯片倒装焊在封装基板后面,金属散热片利用导热胶粘在毫米波芯片衬底上。AiP先经过独立测试发现具有4GHz带宽,最大增益在28GHz是17.3 dBi。然后利用两个AiP开发了客户端固定设备,整机测试表明最大等效全向辐射功率为36.6dBm,可以实现大于±40°的快速波束扫描[25]

根据参加与追踪上述研讨会,作者发现目前AiP技术的开发主要集中在诸如高通及海思等芯片设计公司、台积电及三星等半导体集成电路制造公司、日月光及矽品等封装测试厂家。而且这些大公司正在不断地投入大量人力物力开发适合于AiP设计的新材料和新工艺,旨在实现高辐射效率及低成本量产。反观传统的天线公司,由于缺乏芯片与封装方面的能力,正在考虑或尝试着看如何介入。

4、AiP技术在材料、工艺、设计、测试等方面的新进展

半导体封装材料与工艺是实现AiP技术的基础,测试是验证AiP性能是否达到设计指标要求的必要手段。毫米波通信与雷达系统对AiP技术的要求都给半导体封装材料与工艺及测试带来了很大的挑战,但也提供了巨大的商机。下面作者重点介绍毫米波AiP技术在材料、工艺、设计、测试等方面的新进展。

4.1   材料

封装天线介质材料主要有陶瓷、有机、模塑化合物三种,导体材料有金、银、铜三种。陶瓷材料是低温共烧陶瓷(LTCC)工艺必用的,典型代表是Ferro A6系列。最近,我国量子汇景公司属下晶材科技开发的陶瓷材料MG60介电常数为5.9±0.2,损耗角正切大约0.002,具有可与Ferro A6 相媲美的特性,但是价格却相对低廉。MG60 的生瓷带标准厚度为120µm, 标准宽幅规格为6英寸,8英寸;可依据客户要求进行定制。卷料、裁剪好的方形片料可供客户选择[26]

有机材料在高密度互连(HDI)工艺中得到广泛应用,它的种类很多,比如有玻璃纤维环氧树脂(FR4)、液晶聚合物(LCP)、陶瓷填充聚四氟乙烯(RO4000)等[27-29]。在这些有机材料中,LCP具有良好的介质特性,标称介电常数为2.9,损耗角正切为0.003,非常适合于设计封装天线,而FR4则具有成本低廉的优势。

模塑化合物(molding compound)是晶圆级扇出式封装(FOWLP)工艺中再造晶圆的必用材料,近期也在尝试着用在设计封装天线上[30-32]。表1是两种模塑化合物的介电常数及损耗角正切。第一种模塑化合物的相关值是通过谐振法在24-36GHz频段提取出来的。第二种模塑化合物在不同频段相关值是通过自由空间法所得到。从表中可以看出,模塑化合物介电常数基本不随频率变化而变化,损耗角正切则随频率升高而增加。此外,在晶圆级扇出式封装工艺中还需用到聚合物介质,它的介电常数与模塑化合物相近,但损耗角正切一般高一个量级。

表1、模塑化合物介电特性

频率(GHz)24-3640-6075-110110-170
介电常数3.343.613.623.61
损耗角正切0.0150.00450.00550.009

最近,无机材料比如玻璃也开始尝试着用在HDI工艺中作为封装天线的核心层介质材料。玻璃标称介电常数为3,损耗角正切很小。研究发现玻璃不仅比传统的核心层有机介质材料更加稳固及不易翘曲,而且可以做的更薄(30-100µm)及表面更光滑[33]。这样的特性非常有利于其支撑的其它电路层来实现良好的电性能。

4.2   工艺

封装天线工艺主要有LTCC,HDI及FOWLP三种。LTCC工艺是由IBM公司于1970年代初为其大型计算机芯片封装而开发的。后来经过多家公司几十年的发展,目前已经相当成熟,我国有多家公司及研究所提供LTCC加工服务。

HDI工艺已被许多公司采用开发毫米波封装天线[1]。图12所示的是IBM公司为毫米波5G通信系统开发的基于HDI工艺的AiP结构剖面图[34]。它由一个核心层(core)与上下对称的各5个介质层及6个金属层相互叠加构成,厚度为1.61mm。此外,LG与高通公司也分别发表了它们基于HDI工艺为毫米波5G通信系统开发的封装天线。LG公司的AiP由一个核心层与上下对称的各4个介质层及4个金属层相互叠加构成,厚度为0.8mm [35]。高通公司的AiP由一个核心层与上下对称的各3个介质层及4个金属层相互叠加构成,厚度略小于1.1mm[36]

图12、IBM公司基于HDI工艺的AiP结构剖面图

如图12所示,传统HDI工艺核心层采用有机介质材料,为了防止整个结构发生翘曲,核心层厚度最少需要400µm。线宽与线距(L/S)取决于介质层及金属层的厚度,目前典型值L/S = 50/50µm。美国佐治亚理工学院系统级封装卓越研究中心研究人员建议核心层采用无机介质材料玻璃,厚度100µm就可以。而且在上下叠加层中金属线宽与线距可以做的更细,传输损耗可以更小。图13所示的是核心层采用玻璃及上下叠加层中金属走线的剖面图及实物照片[33]

(a)

(b)

图13、美国佐治亚理工学基于玻璃核心层的AiP剖面图及实物显微照片

再如图12所示,传统HDI工艺为了防止整个结构发生翘曲,在核心层上下实行平衡式布局叠加层。矽品公司工程师建议增加核心层厚度实现叠加层非平衡式布局以利于低成本量产毫米波5G通信用户终端AiP。图14是矽品公司毫米波汽车雷达AiP剖面图实物显微照片。如图所示,AiP由4层金属及3层介质构成。金属层1-4分别用来实现被动微带天线片、主动微带天线片、封装天线地及封装天线馈电网络。馈电网络与主动微带天线片互连通过盲孔实现[18]

图14、矽品公司毫米波汽车雷达AiP剖面图事物显微照片

FOWLP工艺不同于LTCC或HDI工艺,它不再需要叠层基片,转而用模塑化合物、 重新配置金属与介质层代替。FOWLP工艺最早是由英飞凌公司研发的,称之为嵌入式晶圆级封装工艺(eWLB)。图15所示的是焊接在系统PCB 板上的eWLB工艺可以实现的封装结构。一般情况下裸芯片被嵌入在厚度为450μm,介电常数为3.2,损耗角正切为0.004的模塑化合物中。保护层厚度为35μm,介电常数为3.2,损耗角正切为0.004。在裸芯片的扇入区以及封装的扇出区涂有介质层D1,起到保护裸芯片的的作用,D1层的厚度为6.5μm,介电常数为3.2,损耗角正切为0.035。重新配置的导体层(RDL)是沉积厚度为7.5μm的铜,用于实现连接线或天线。阻焊掩模层D2用于定义焊球的着落焊盘,其厚度为9.5μm,介电常数为3.2,损耗角正切为0.035。目前使用的焊球直径为0.3mm,间距为0.5mm。谷歌(Google)公司的60GHz手势雷达第1及第2版芯片都采用了基于eWLB工艺设计的AiP。图15也展示了第2版手势雷达芯片及AiP显微照片。图中微带天线辐射片由RDL金属层实现,微带天线地则由系统板上的金属层实现[37,38]

(a)

(b)

图15、eWLB封装剖面图及谷歌手势雷达芯片及AiP实物显微照片

显然eWLB工艺因为仅有1层金属,不利于AiP天线设计。为了使得FOWLP工艺适合于AiP设计,台积电开发出的InFO-AiP技术在模塑化合物上面增加了一层金属。如图16所示,微带天线辐射片由模塑化合物上面增加的那一层金属实现,微带天线地、馈线及耦合槽则在RDL金属层来实现[17]

图16、InFO-AiP结构剖面图

新加坡微电子研究院(IME)在eWLB的基础上增加了一层模塑化合物、一层金属及穿过原来模塑化合物与RDL相连的盲孔(TMV)实现毫米波AiP设计。图17 展示了在eWLB的基础上增加的工艺流程及实现了的AiP实物剖面显微照片[39]

(a)用模塑化合物(1)重新构造的晶圆

(b)在裸芯片信号线一侧增加RDL层及相应的介质层

(c)在介质层上覆盖模塑化合物(2)

(d)在模塑化合物(2)上实现微带天线辐射片

(e)将封装整体倒扣及粘在载体上

(f)在模塑化合物(1)上进行钝化及打孔

(g)使孔壁金属化

(h)撤走载体及清除粘合物

(i)切割及植入焊球

(j)焊在系统板上

(k)

图17、IME在eWLB的基础上增加的工艺流程及实现了的AiP实物剖面显微照片

日月光开发的低成本先进的单边基片(aS3-AiP)工艺强调采用普通封装设备及超薄双层金属基片取代FOWLP介质及RDL层[16]。这样不仅成本较低,而且过渡损耗可与FOWLP媲美,在77GHz汽车雷达应用方面具有价格与性能优势。

4.3   设计

AiP设计需要考虑到系统、电路、天线、封装、互连等多个方面。限于篇幅,本节仅介绍AiP设计中的天线部分,并且主要讲述最新发展出的叠层微带天线设计与优化方法。

叠层微带天线可以设计成双频带或宽频带天线。双频带设计由S. A. Long 等人于1978年发表在国际天线与传播大会论文集上[40],宽频带设计由P. S. Hall等人于1979年发表在电子学快报中[41]。后续对叠层微带天线的研究主要集中在进一步扩展宽频带叠层微带天线的带宽,列如,R. B. Waterhouse 透露了高低介电常数基板搭配等增加带宽的设计技巧[42],刘章发等人给出了简单计算上下叠层贴片谐振频率的公式及增加带宽的方法[43],高式昌等人发明了新的双线极化槽耦合叠层微带天线,实现了宽带、高极化隔离度、低交叉极化及低后向辐射的良好性能[44]

叠层微带天线具有频带宽、波束宽、频域滤波、灵活实现单或双极化、方便静电保护、易于满足多层结构金属化密度要求及利于散热等优点,因而在AiP设计中得到广泛应用[11,12,18,19,23]。最早将叠层微带天线引入到封装天线设计的是李融林等人,他们提出的叠层微带天线设计指导原则对封装天线设计具有很高的参考价值[45]

叠层微带天线的上下层贴片分别和地之间构成了两个谐振频率不同的微带天线。一般通过选择尺寸有稍微差异的上下层贴片,产生较为接近的两个谐振频率,达到拓宽频带的效果。此外,研究还发现叠层微带天线在离开工作频带高段不远处的一个频点上,会出现电流在上下层贴片流向正好相反的状况,从而导致远场区的辐射在此频点上互相抵消,辐射效率频谱曲线上出现了一个‘传输’零点,叠层微带天线也就成为了一个名不副实的滤波器。

叠层微带天线可以更准确地称之为叠层微带滤波天线,它的拓扑结构如图18所示。图18中的辐射体2与1分别代表上下层贴片。馈电探针提供了源(S)与辐射体1之间的外部耦合。而源和负载(L)之间由于探针功率的外泄也存在微弱的耦合。辐射体1与2的辐射分别提供了它们到负载之间的耦合。辐射体1和辐射体2是通过它们之间的间隙进行耦合。

图18、叠层贴片天线的拓扑结构

叠层微带天线设计常常遇到的问题是如何调控上下层贴片的谐振频率及二者之间的耦合。文献[43]中给出的上下叠层贴片谐振频率的公式较好地解决了计算谐振频率的问题,但是上下叠层贴片之间耦合的问题一直没有能得到很好地解决。设计者通常都还是通过参数扫描来确定谐振频率与耦合,这样作存在着很大的盲目性,常常会遇到在两个谐振频率附近|S11|远低于-10dB,但是在两个谐振频率中间某个频段|S11|不论如何调,总是高于-10dB。目前,这一耦合问题由上海交通大学毛军发院士团队利用滤波器耦合矩阵理论解决了[46]。解决的方法是将叠层微带滤波天线看作一个二阶带通滤波器,天线的输入口当作滤波器的一个端口,天线远场辐射当作滤波器的另一个端口。众所周知二阶带通滤波器有一套成熟的设计方法,诊断与调试通过观测耦合矩阵来实现。那么现在的问题是如何获取叠层微带滤波天线的耦合矩阵?文献[46]给出的步骤如下:

1) 通过全波仿真软件得到叠层微带天线S11和可实现辐射效率信息rad
2) 去除S11的群时延与相位加载之后在归一化的频域范围内用矢量拟合的方法得到S11的表达式[47,48]
3) 通过优化拟合rad可得到S21的一组零点解。这样另外2Nz-1组零点也能得到,其中Nz是S21分子的阶数,暂时先选取其中一组解去进行后续的分析。
4) 使用公式得到S22的留数,同时满足不等式时找到S22常数项的范围,在所有可能的解中找到最接近于1的解。
5) 从2Nz组解中找到最终的结果,把S22和S21的相位加载效应去掉。
6) 把二端口的散射矩阵转换成导纳矩阵,然后得到耦合矩阵。
7) 计算出灵敏度矩阵,然后得到滤波天线新的几何尺寸。
8) 重复步骤1) 到7) ,直到获得我们想要的频率响应。

图19是基于Ferro A6M LTCC 材料与工艺设计的45°极化叠层微带天线结构。设计要求天线应具有2GHz的带宽,覆盖5G通信的27.5GHz到29.5GHz频段。设计时的初始值选取参考了文献[44]中的数据,诊断与调试根据上述步骤进行,一般经过3到5个循环就可以达到设计目标。表2是设计尺寸。

图19、45°极化叠层微带天线结构

表2、45°极化叠层微带天线设计尺寸

变量ABL1L2D
值(mm)661.9281.8670.59
变量W1W2上下层贴片之间距离下层贴片基板厚度 
值(mm)0.791.9590.3840.096 

图20是实物照片及设计与测试的S11和增益频谱曲线。如图所示,设计与测试结果吻合的非常好,表明新方法不仅正确,而且可以提高设计效率。图21是将45°极化叠层微带天线组成2元阵实物照片及设计与测试的S11和增益频谱曲线,设计与测试结果仍然吻合良好[49]

图20、实物照片及设计与测试的S11和增益频谱曲线

图21、实物照片及设计与测试的S11和增益频谱曲线

上面提出的方法目前只用于二阶的上下叠层微带滤波天线,而实际的应用中可能面对更严苛的要求,比如需要三阶的上中下叠层微带滤波天线,然而随着阶数的升高,S21分子的选择可能性就会呈现指数式的增长,所以对S21分子零点的选取应该找一些更有力的依据,使其最好只能选取一种情况。同时对于S22常数项的选取方法也需要一个严格的数学推导。

为了进一步提高AiP技术天线部分设计通用性及效率,上海交通大学毛军发院士团队成功地将蝙蝠优化算法在Matlab中实现,而且通过Script链接到HFSS对天线进行自动优化调试,取得了非常令人满意的结果。同样基于Ferro A6M LTCC 材料与工艺,二阶的上下叠层微带滤波天线经过优化实现了6GHz的带宽,覆盖5G通信的24GHz到30GHz频段。

4.4   测试

测试是AiP技术非常重要的一环,目前AiP测试的重点已经由研发环境下仔细深入地测试与表征向生产阶段快速功能测试与系统级标准指标评估方面转移。研发环境下的AiP测试技术相对成熟,一般都采用在小型天线暗室中搭建的探针式测试平台上完成。图22是上海交通大学毛军发院士团队建成的集成天线远场自动测试平台照片。该测试平台可以完成从18GHz到325GHz(为适应THz频段天线测试可扩展到500GHz或更高)片上天线及封装天线阻抗及辐射特性测试。平台支持探针及波导馈电,110GHz以下也可用同轴馈电,性能达到世界先进水平。平台自建成后,利用率相当高,已为国内多家科研院所的研究项目及公司产品开发提供了测试服务,极大地助进了我国在片上天线及封装天线方面的研究与发展。

图22、上海交通大学集成天线远场自动测试平台照片

但是,图22所示的测试平台并不适用于生产线上快速测试的要求。生产阶段快速测试与生产线所采用的封装工艺紧密相关。如果AiP采用HDI工艺制造,那么AiP本身可以进行独立的传导及OTA(over-the-air)测试,芯片封装好以后还可以进行OTA 测试。如果AiP采用FOWLP工艺制造,那么AiP本身已与芯片融为一体,仅可以进行OTA 测试。生产线上AiP测试至少需要测试仪(Tester)、操作仪(handler)、接触器(contactor)、探头(probe)及天线暗室等仪器设备。测试仪与操作仪可以在已有的半导体封测设备上添加或扩充,天线暗室可以直接定制。但是在接触器与探头方面仍然面临许多挑战。美国Xcerra公司最近在为毫米波汽车雷达AiP测试方面开发接触器与探头方面取得进展,图23所示的接触器工作频率可以到100GHz,适用于球形焊点阵列间距最小到0.3mm封装[50]。此外,该公司也尝试将微带天线嵌入到接触器中进行无线测量[51,52]

系统级指标评估是AiP已经安装在整机内,需要按照系统应用标准所进行的测试。目前这一方面的测试系统与方法已取得显著进展,这里不再赘述。

图23、Xcerra公司开发的AiP测试接触器

5、结束语

2018年注定是商用毫米波通信与雷达发展史上重要的一年,也会是毫米波5G通信发展里程碑式的一年,更加会是奏响AiP技术进入海量应用序曲的一年。

作者首先分析了新闻发布、媒体报道及市场报告,发现开发适用于毫米波5G通信用户终端的AiP技术是目前大家最关注的热点。接着作者通过组织、参加与追踪研讨会,发现目前AiP技术的开发主要集中在诸如高通及海思等芯片设计公司、台积电及三星等半导体集成电路制造公司、日月光及矽品等封装测试厂家。而且这些大公司正在不断地投入大量人力物力开发适合于AiP设计的新材料和新工艺,旨在实现高辐射效率及低成本量产。反观传统的天线公司,由于缺乏芯片与封装方面的能力,正在考虑或尝试着看如何介入。然后作者重点介绍了AiP技术在材料、工艺、设计、测试等方面的新进展。在材料方面,模塑化合物与玻璃受到关注。在HDI工艺方面,增加核心层厚度来实现非平衡式叠加层布局,证明有利于低成本量产毫米波5G通信用户终端AiP。在FOWLP工艺方面,作者注意到为了更加灵活地实现高性能AiP,金属层在增加。设计方面是大学研究生可以着力的地方。上海交通大学毛军发院士团队最近在AiP设计方法上取得了新成果,成功地将蝙蝠优化算法在Matlab中实现,而且通过Script链接到HFSS对天线进行自动优化。测试是AiP技术非常重要的一环。目前AiP测试的重点已经由研发环境下深入细致地测试与表征向生产阶段快速功能测试与系统级标准指标评估方面转移。将微带天线嵌入到接触器中进行无线测量是令人耳目一新及有意义的尝试。

最后,顺便提一下作者与IBM公司刘兑现博士合作正在编著第一本AiP技术与应用方面的英文书,有望明年与读者见面。

致谢

太原理工大学盛剑桓教授,香港中文大学黄振峰博士,香港中文大学程伯中教授,南洋理工大学杜茂安教授。

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作者简介

张跃平博士,新加坡南洋理工大学电子工程学讲座教授,IEEE天线与传播学会杰出讲师,上海交通大学“千人计划”国家特聘专家,IEEE Fellow。曾任太原理工大学教授,香港大学客座教授,IEEE天线与传播汇刊副主编及天线与传播领域评奖委员会委员。曾荣获IEEE天线与传播学会谢昆诺夫论文奖。目前研究兴趣主要集中在无线电电子学。

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