編者按：為了推進封裝天線技術在我國深入發展，微波射頻網去年特邀張躍平教授撰寫了《封裝天線技術發展歷程回顧》一文。該文章在網站和微信公眾號發表后引起了廣泛傳播和關注，成為了點閱率最高的經典。今年是毫米波5G移動通信發展里程碑式的一年，也是奏響封裝天線技術進入毫米波5G移動通信與車聯網海量應用序曲的一年。因此，微波射頻網再次特邀張躍平教授撰寫《封裝天線技術最新進展》報告呈獻給大家。
摘要：封裝天線（簡稱AiP）是基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內實現系統級無線功能的一門技術。AiP技術順應了硅基半導體工藝集成度提高的潮流，為系統級無線芯片提供了良好的天線與封裝解決方案。最新權威市場分析報告斷言，AiP技術會是毫米波5G通信與汽車雷達芯片必選的一項技術，所以AiP技術最近受到廣泛重視，取得了許多重要進展。本文嘗試全方位總結AiP技術在過去不到一年的時間內所獲得的最新成果，內容包括新材料、新工藝、新設計、新測試等方面。
1、引言
作者去年發表的《封裝天線技術發展歷程回顧》一文講述了封裝天線技術早期與藍牙無線技術一起發芽，中期與60GHz無線技術及毫米波雷達一起成長，近期助力太赫茲、物聯網和5G移動通信發展的故事[1]。時間跨度從1990年代末到2017年10月底約20年。在文中作者指出近期AiP技術開發正圍繞著萬物互聯（IoT）及毫米波5G移動通信與汽車雷達芯片如火如荼展開。到目前為止，僅僅幾個月時間就不斷有新的成果或以新聞形式發布及媒體采訪報道、或以研討會方式面對面及在線交流、或以技術論文正式出版發表與同行分享。本文嘗試全方位總結2017年10月以后到現在AiP技術在國內外取得的最新成果。此外，本文也是作者介紹封裝天線技術系列文章的第二篇：譜新篇。文章首先從新聞發布、媒體報道及市場分析報告角度出發關注當前AiP技術熱點，接著追蹤研討會、捕捉AiP技術新的發展動向，然后重點介紹AiP技術在材料、工藝、設計、測試等方面的新進展。
2、從新聞發布、媒體報道及市場分析報告角度出發關注當前AiP技術熱點
新聞發布追求轟動效應，所以選擇發布的時間點及場所就顯得相當重要。消費類電子產品新聞發布首選時間與場地是每年1月在美國內華達州拉斯維加斯召開的國際消費類電子產品展覽會（CES）。移動通信類電子產品新聞發布則會選在每年2月在西班牙巴塞羅那召開的世界移動通信展覽會（MWC）。近年來，我國許多公司包括著名的華為及中興公司都積極在CES與MWC參展，并且在會上發布年度重要產品新聞。華為公司余承東先生自信地用英語發布新聞讓人印象深刻，達到了提高品牌知名度、提升產品在消費者心目中的地位，增加公司營銷、擴大公司產品在市場占有率的目的。媒體報道力求圖文并茂、吸人眼球、引人注目。市場分析報告在于能夠洞悉行業市場變化，把握市場機會，借以提供公司參考，推動市場開發工作。最近或許受到越來越多令人鼓舞的AiP技術方面進展報道的影響，作者自豪地憧憬著AiP技術能夠很快地造福人類，海量的用在人們的手機內、駕駛的汽車上，把玩的虛擬現實（virtual reality）及增強現實(augmented reality)等隨身電子產品中。下面作者從新聞發布、媒體報道及市場分析報告的角度出發關注當前毫米波AiP技術熱點。
2017年12月21日是可以載入移動通信史冊上的一天。高通（Qualcomm）公司利用自己開發的基帶芯片、毫米波芯片與AiP技術，制成了5G毫米波通信用戶終端參考設計樣機，與愛立信（Ericsson）公司預商用毫米波基站實現了世界上第一次基于5G 新無線電（New Radio（NR））標準的不同廠商產品的互連互通,奠定了2019年毫米波5G移動通信正式商用的基礎[2]。圖1是高通公司毫米波5G通信用戶終端參考設計樣機實物照片。如圖所示，3個工作在28GHz的AiP清晰可見，另外一個AiP位于PCB右下角背面。每一個AiP都可以實現快速波束掃描，方便地安裝在用戶終端的不同地方。
圖1、高通公司毫米波5G通信用戶終端參考設計樣機實物照片
邁入2018年，海思（HiSilicon）率先于1月9日在中國深圳宣布Hi1181 60GHz系統級芯片成功通過WiFi聯盟WiGig認證，成為業界集成度最高，性能最佳的60GHz系統級芯片(SoC)。為了滿足市場應用需求，海思基于Hi1181 SoC開發了兩款設計。一款稱之為M1181超能模塊，另外一款稱之為M1181超強模塊。M1181超能模塊采用先進AiP技術，外形緊湊，10毫米見方，適用于超寬帶無線視頻傳輸。M1181超強模塊同樣采用先進AiP技術，雙極化16收16發，12毫米見方，適用于無線虛擬現實[3]。
聯發科技（MediaTek）于1月12日在CES上接受電子工程雜志（EE Times）專訪時披露了研發的基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）及AiP技術研發的毫米波汽車雷達芯片。該芯片工作頻段位于76-81GHz，用于探測10到15米的障礙物。圖2是聯發科毫米波汽車雷達實物照片[4]。此外，聯發科也于2月25-28日在MWC上展示了基于5G毫米波NR通信標準的用戶終端參考設計樣機。圖3所示是樣機背面裝有AiP的部分，該AiP集成了8個天線和2個芯片形成一個工作在28GHz的相控陣。另外一個相同的AiP裝在樣機正面接近頂部的位置，且與樣機背面的AiP成90度角，實現極化分集[5]。
圖2、聯發科技毫米波汽車雷達實物照片
圖3、聯發科技毫米波5G通信用戶終端參考設計樣機實物照片
英特爾（Intel）公司在開發CMOS毫米波芯片與AiP技術方面著力很早，成績斐然。它于2月25-28日MWC上發布了基于5G毫米波NR通信標準，用于許多場景的解決方案。尤其是將5G毫米波芯片與AiP技術應用于車聯網令人耳目一新、印象深刻。圖4是英特爾公司基于5G毫米波NR通信標準的車聯網車載系統去掉防護罩后的實物照片。該車載系統裝在車頂，使用4個AiP實現水平360度覆蓋。每個AiP集成了16個天線和1個芯片形成一個相控陣，工作在28GHz頻段。系統可以在4個AiP中進行切換，波束選擇等[6]。
圖4、英特爾基于5G毫米波通信標準的車聯網實物照片
作者原先預計AiP的制造與測試會主要由半導體封裝測試廠家(OSTA)完成。日月光(ASE)、Amkor、 長電科技（JCEP）及矽品（SPIL）是全球OSTA四強，都有在開發AiP技術。但現在看來半導體集成電路制造公司，如臺積電（TSMC）及三星（Samsung）公司等，受即將爆發的5G的巨大潛力所吸引很可能會捷足先登，搶先占領5G AiP技術市場。半導體集成電路制造公司僅需要面對為數不多的芯片設計（Fabless）公司， 封裝測試廠家僅需要面對為數更少的半導體集成電路制造公司。它們的新聞發布一般會選在自己主辦的年度技術論壇上。比如臺積電于今年5月1日在美國加州硅谷召開的年度技術論壇宣布，成功開發出晶圓級扇出式封裝天線(InFO-AiP)技術，號稱外觀尺寸可縮小10%，天線增益可提高40%，鎖定5G毫米波前端芯片應用[7]。三星5月22日在美國加州硅谷召開的年度先進封裝技術推介會上強調，為了支持毫米波5G通信產品開發需求，三星封裝天線（AiP）技術也會及時推出[8]。
Yole公司是一間總部位于法國里昂，打著“超越摩爾”口號的世界知名市場研究與戰略咨詢公司，與我國相關企業合作緊密，關系良好。它的市場分析報告因為能夠幫助客戶深入地理解市場與技術發展方向的密切關系，成功拓展商務而在業界廣受好評。Yole公司去年年尾出版了3份市場分析報告：（1）5G對射頻前端產業影響 “5G’s Impact on the RF Front-End Industry”，（2）手機先進射頻系統級封裝 “Advanced RF System-in-Package for cell phones”，（3）2018年度汽車雷達技術 “Radar Technologies for Automotive 2018”。三份報告都反復強調AiP技術會是毫米波5G通信與汽車雷達芯片必選的一項技術[9]。圖5摘取于報告（3），可以清楚看見AiP技術已經是毫米波汽車雷達主流天線與封裝技術。此外，作者提出的Antenna-on-Chip (AoC)思想也被報告引用將會在未來THz成像雷達方面應用。
圖5、毫米波汽車雷達發展路線圖
總而言之，市場是技術發展最重要的推動力，AiP技術發展也不例外。根據上述三方面所披露的信息，作者發現開發適用于毫米波5G通信用戶終端的AiP技術是目前大家最關注的熱點。
3、追蹤研討會、捕捉AiP技術新的發展動向
AiP技術將天線觸角伸向集成電路、封裝與測試、材料與工藝、雷達及通信等領域，倡導多學科協同設計與系統級優化，受到了其它學科的重視，起到了擴展天線領域的作用。此觀點很容易從上述不同領域舉辦的研討會上得到驗證。下面作者開始追蹤今年到現在不同領域舉辦過的研討會，去捕捉AiP技術新的發展動向。首先將目光投向今年2月11-15日在美國舊金山召開的國際固態電路大會（http://isscc.org/2018/），然后轉向于4月9-13日在英國倫敦召開的歐洲天線與傳播大會（http://www.eucap2018.org/），接著再轉向于5月29日至6月1日在美國加利福尼亞州圣地亞哥召開的電子元件與技術大會（https://www.ectc.net/）， 之后聚焦于6月10-15日在美國賓夕法尼亞州費城召開的國際微波大會（https://ims2018.org/）， 最后定格于7月8-13日在美國麻薩諸塞州波士頓召開的天線與傳播大會（https://2018apsursi.org/）。
3.1 國際固態電路大會（ISSCC）
ISSCC由IEEE固態電路學會舉辦，俗稱芯片奧林匹克（Chip Olympia），是集成電路設計領域最頂級的會議。去年IBM公司的AiP技術在會上一枝獨秀，今年AiP技術在會上百花齊放。英飛凌（Infineon）公司AiP技術加持的谷歌（Google）60GHz手勢雷達，經大會層層篩選，亮相于大會首次舉辦的行業展示（Industry Showcase）。在5G與后續移動通信的毫米波無線電系統分組會（S4: mm-Wave radios for 5G and beyond）上宣讀的7篇文章中，4篇公司的文章都介紹了各自公司開發的AiP技術，3篇大學的文章中有2篇簡單提到AiP技術，1篇涉及到片上天線（AoC）技術。在毫米波多天線系統中的電路設計與系統架構論壇（F4：Circuit and system techniques for mm-Wave multi-antenna systems）上9位演講的嘉賓中至少有5位在他們的演講中講到AiP及其相關技術。限于篇幅，下面僅簡單介紹博通（Broadcom）60GHz、（高通（Qualcomm）28GHz、諾基亞（Nokia）與LG公司90GHz AiP技術。
圖6a所示的是博通公司60GHz系統，由主從60GHz芯片組成，便于系統重構。主從芯片通過系統板上布線互連，從芯片的封裝上集成了天線。主從芯片設計基于CMOS工藝，從芯片的封裝與天線采用低溫共燒陶瓷（LTCC）AiP技術。圖6b所示為每個AiP集成了48個天線和2個芯片形成一個相控陣的實物照片。圖6c所示每個天線是由帶狀線饋電、槽耦合激勵的1驅4從微帶天線。圖6d所示的展示系統使用1主6從芯片,總共有288個天線，該展示系統最大等效全向輻射功率為51dBm，可實現±60°掃描[10]。
(a）
(b)
(c)
(d)
圖6、博通60GHz系統采用基于低溫共燒陶瓷的AiP技術
圖7a與b分別是高通公司為5G移動通信系統用戶終端及微基站開發的工作在28GHz頻段的芯片與AiP示意圖。用戶終端AiP集成了8個頂射雙極化疊層微帶天線、8個端射振子天線及2個芯片形成一個相控陣。微基站AiP集成了16個頂射雙極化疊層微帶天線、8個啞元及2個芯片形成一個相控陣。圖7c是AiP實物的背面照片,兩個倒裝焊的芯片清晰可見。圖7d與e分別是高通公司為5G移動通信系統開發的用戶終端及微基站參考設計實物照片。用戶終端上使用4個AiP, 3個位于PCB正面，1個位于PCB右下角背面。實測表明每一個AiP上的8個頂射雙極化疊層微帶天線陣及4個振子陣都可以實現±45°快速波束掃描。微基站上使用20個AiP，位于黑線框內是有源的，框外是無源的。有源部分可以看作為32×8個單元陣，形成2個32×4子陣。實測表明微基站可以實現雙極化±60°快速波束掃描[11]。
(a)
(b)
(c)
(d) (e)
圖7、高通毫米波5G通信系統采用基于高密度互連的AiP技術
圖8a是諾基亞與LG公司90GHz AiP示意圖。它集成了25個疊層微帶天線，其中16個用于發射，8個用于接收，1個啞元，發射與接收都可以實現±45°快速波束掃描。圖8b是AiP實物照片。圖8c與圖8d是使用了16個AiP形成的256個單元發射陣及128個單元接收陣的系統板，及放在具有散熱功能機箱中的實物照片。該系統最大等效全向輻射功率為59.5dBm [12]。
(a）
裸片
(b)
(c)
(d)
圖8、諾基亞與LG公司90GHz系統采用基于高密度互連的AiP技術
3.2 歐洲天線與傳播大會（EuCAP）
英國倫敦在天線人心目中有著無與倫比的地位。過去麥克斯韋先生（James C. Maxwell）在倫敦國王學院推導出麥克斯韋方程，預測到電磁波的存在。當代彭德里爵士（John B. Pendry）在帝國學院提出超構材料的思想，指導操控電磁波。2018年EuCAP于4月9-13日在倫敦召開，西安電子科技大學段寶巖院士應邀作大會主旨報告。段寶巖院士是作者的老朋友，我們于1991年相識在英國利物浦大學。當時，段寶巖院士在利物浦大學作博士后，我在作訪問學者。段寶巖院士大會主旨報告著重介紹了中國天眼艱苦的研制過程，報告內容豐富，演講相當精彩，受到與會者的廣泛好評。段寶巖院士應該是第一位中國天線人受邀在如此重要的天線與傳播旗艦會議上作主旨發言。東南大學洪偉教授應邀作大會特邀報告。洪偉教授介紹了中國5G研制已取得的成果及后續任務。洪偉教授作為中國5G推進組組長在報告中明確指出封裝天線因為在毫米波通信方面的重要性已列入推進組計劃。另外還有一個大會特邀報告是講毫米波封裝天線與電路系統的設計。主講者是法國尼斯大學的一位教授，曾同作者合作過研發基于LTCC的AiP技術。此外，值得一提的是作者在大會上組織了毫米波與5G封裝天線技術專題研討會 ，邀請到了中國、韓國、芬蘭、法國、德國、荷蘭與比利時對封裝天線技術發展做出過貢獻的專家同大家分享他們寶貴的經驗[13]。專題研討會受到與會者熱烈歡迎與參與，會場座無虛席，許多聽眾不得不站在后面和旁邊聽講。在專題研討會上意法半導體（ST Microelectronics）公司介紹的用3D打印實現的透鏡可以大大地提高AiP增益的工作相當有趣。圖9是工作在60, 120, 240GHz 頻段的實物照片。3D打印的塑料透鏡在60和120GHz頻段使得由HDI工藝基于有機封裝材料實現的AiP天線增益分別增加了8與12dB。由于受到HDI工藝的限制，240GHz頻段的AiP性能不佳，但是，3D打印的塑料透鏡還是可以讓其增益增加了12dB [14]。
(a）
(b)
(c)
圖9、意法半導體公司毫米波AiP及3D打印透鏡天線
3.3 國際電子元件與技術大會（ECTC）
ECTC由IEEE電子封裝學會舉辦，是封裝、元件、微電子系統領域最頂級的會議。封裝天線技術被認為是封裝產業鏈新的增長點，所以理所當然地受到半導體封裝測試廠商的重視。今年ECTC上電子封裝學會下屬的的高速、 無線與元件技術委員會組織了一個分會專門研討射頻與毫米波AiP技術（Session 5: Antenna-in-Package for RF and mm-Wave Systems） [15]。除了日本東芝（Toshiba）公司宣讀的射頻2.4GHz封裝天線文章以外，其余6篇都在探討毫米波AiP技術。作者很高興地讀到由日月光、臺積電、矽品公司工程師們撰寫的文章。他們都是封裝設計的行家，對封裝材料特性與加工工藝了如指掌。日月光與矽品都是半導體封裝測試領域龍頭企業，臺積電是半導體集成電路制造行業老大，封裝測試行業后起之秀。用臺灣同行的話講有這些先進們的介入本身就表明AiP技術發展邁入新階段，進入快車道。
日月光的文章著重介紹了為77GHz汽車雷達開發的低成本先進的單邊基片（aS3-AiP）技術及加工容差對天線特性的影響。本文作者認為文章的更重要的價值在于日月光工程師們科學地、客觀地比較了幾種典型封裝技術從芯片到封裝再到系統板的過渡損耗后，指出盡管晶圓級扇出式封裝技術具有過渡損耗小的優點，先進的單邊基片封裝技術除了成本較低，而且過渡損耗可與晶圓級扇出式封裝技術媲美，在77GHz汽車雷達應用方面具有優勢[16]。
臺積電的文章介紹了用于高性能緊湊型毫米波5G通信系統集成的晶圓級扇出式（InFO-AiP）技術。臺積電的工程師們設計的通過共面波導槽耦合激勵的微帶天線實測表明能夠實現覆蓋55-65GHz頻段的目標。本文作者相信InFO-AiP技術具有尺寸小、低剖面等優點，但是從文章中無從得知臺積電在新聞發布時提到的天線增益可提高40%是如何而來。本文作者猜想可能是與晶圓級扇出式封裝所選用的材料及加工工藝所帶來的損耗小有關[17]。
有感于目前基于HDI材料與工藝開發的AiP技術都采用平衡式基片，矽品工程師們認為如果能夠解決基片翹曲的問題，非平衡式基片在成本方面更有優勢。矽品的文章從設計、制造、測試等方面詳細地介紹了矽品如何克服非平衡式基片翹曲的難題，以及為毫米波5G通信用戶終端開發的AiP技術。圖10是矽品AiP實物照片。如圖所示，矽品AiP集成了4個疊層微帶天線，測試表明AiP在28GHz處實現了15.4%的帶寬及10.8dBi的增益[18]。
此外，IBM公司宣讀的文章、美國佐治亞理工學院宣讀的文章以及中國國家先進封裝工程中心、中國科學院微電子所系統封裝與集成研究中心，中國科學院大學三家聯合宣讀的文章都針對毫米波AiP技術進行了有意義的探討，本文作者強烈推薦對AiP技術感興趣的讀者閱讀 [19-21]。
圖10、矽品AiP實物照片。
3.4 國際微波大會（IMS）
IMS由IEEE微波理論與技術學會舉辦，是微波技術領域最負盛名的會議[22]。今年會議上有33個專題研討會，其中3個專題研討會與AiP技術直接相關：（1）毫米波系統制造、封裝與內置自測試（WSJ: Millimeter-wave systems; manufacturing, packaging and built-in self test）,(2) 面向5G用于增強型移動通信的射頻前端（WFB: RF Front-Ends for Enhanced Mobile Communications towards 5G）,(3)用于毫米波及5G通信領域的模組集成及封裝與芯片協同集成(WFH: Module integration and packaging/IC co-integration for millimeter-wave communications and 5G)。在毫米波系統制造、封裝與內置自測試研討會上德國弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所（The Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM）有關5G及毫米波應用的封裝方法報告值得AiP技術人員學習。在面向5G用于增強型移動通信的射頻前端研討會上，英飛凌公司從系統角度闡述了基于鍺硅雙極互補式金屬氧化物半導體（SiGe-BiCMOS）的毫米波5G通信用戶終端有關AiP個數、布局及每個AiP上天線個數的考量。在用于毫米波及5G通信領域的模組集成及封裝與芯片協同集成專題研討會上除了耳熟能詳的IBM及高通公司介紹他們各自開發的AiP技術以外，美國安森美半導體公司（ON Semiconductor）首次從設計、制造及測試方面介紹了它的毫米波AiP技術，令人印象深刻。圖11是安森美半導體公司AiP實驗樣片的實物照片。如圖所示，4個AiP集成在一個樣片上。為了增加帶寬，左上角AiP采用疊層微帶天線，左下角AiP采用3個共面耦合微帶天線，其余AiP采用2個共面耦合微帶天線。測試表明這些AiP都可以應用在60GHz系統上[23]。
圖11、安森美半導體公司AiP實物照片
3.5 國際天線與傳播大會（APS）
APS由IEEE天線與傳播學會舉辦，為了鼓勵大家交流，會議投稿一般都會錄用[24]。今年APS在美國學術名城波士頓舉辦。波士頓在天線人心目中有著崇高的地位，得益于兩位天線高人在此工作與生活過。一位是朱蘭成先生， 他在位于該城的麻省理工學院完成了他的傳世名篇小天線理論。另一位是R. W. P. King 教授，他在位于該城的哈佛大學發明的倒F天線，極大地促進了手持移動終端的發展。
今年三星公司在APS上宣讀了為5G開發的一款毫米波AiP設計及在客戶端固定設備（CPE）真實應用環境下的測試結果。作者認為這是一款別出心裁的毫米波AiP設計， 為了降低成本及提高天線性能，16個空氣介質的疊層微帶天線安裝在封裝基板前面，毫米波芯片倒裝焊在封裝基板后面，金屬散熱片利用導熱膠粘在毫米波芯片襯底上。AiP先經過獨立測試發現具有4GHz帶寬，最大增益在28GHz是17.3 dBi。然后利用兩個AiP開發了客戶端固定設備，整機測試表明最大等效全向輻射功率為36.6dBm，可以實現大于±40°的快速波束掃描[25]。
根據參加與追蹤上述研討會，作者發現目前AiP技術的開發主要集中在諸如高通及海思等芯片設計公司、臺積電及三星等半導體集成電路制造公司、日月光及矽品等封裝測試廠家。而且這些大公司正在不斷地投入大量人力物力開發適合于AiP設計的新材料和新工藝，旨在實現高輻射效率及低成本量產。反觀傳統的天線公司，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。
4、AiP技術在材料、工藝、設計、測試等方面的新進展
半導體封裝材料與工藝是實現AiP技術的基礎，測試是驗證AiP性能是否達到設計指標要求的必要手段。毫米波通信與雷達系統對AiP技術的要求都給半導體封裝材料與工藝及測試帶來了很大的挑戰，但也提供了巨大的商機。下面作者重點介紹毫米波AiP技術在材料、工藝、設計、測試等方面的新進展。
4.1 材料
封裝天線介質材料主要有陶瓷、有機、模塑化合物三種，導體材料有金、銀、銅三種。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，我國量子匯景公司屬下晶材科技開發的陶瓷材料MG60介電常數為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 的生瓷帶標準厚度為120µm, 標準寬幅規格為6英寸，8英寸；可依據客戶要求進行定制。卷料、裁剪好的方形片料可供客戶選擇[26]。
有機材料在高密度互連（HDI）工藝中得到廣泛應用，它的種類很多，比如有玻璃纖維環氧樹脂（FR4）、液晶聚合物（LCP）、陶瓷填充聚四氟乙烯（RO4000）等[27-29]。在這些有機材料中，LCP具有良好的介質特性，標稱介電常數為2.9，損耗角正切為0.003，非常適合于設計封裝天線，而FR4則具有成本低廉的優勢。
模塑化合物（molding compound）是晶圓級扇出式封裝（FOWLP）工藝中再造晶圓的必用材料，近期也在嘗試著用在設計封裝天線上[30-32]。表1是兩種模塑化合物的介電常數及損耗角正切。第一種模塑化合物的相關值是通過諧振法在24-36GHz頻段提取出來的。第二種模塑化合物在不同頻段相關值是通過自由空間法所得到。從表中可以看出，模塑化合物介電常數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，它的介電常數與模塑化合物相近，但損耗角正切一般高一個量級。
表1、模塑化合物介電特性
| 頻率（GHz） | 24-36 | 40-60 | 75-110 | 110-170 |
| 介電常數 | 3.34 | 3.61 | 3.62 | 3.61 |
| 損耗角正切 | 0.015 | 0.0045 | 0.0055 | 0.009 |
最近，無機材料比如玻璃也開始嘗試著用在HDI工藝中作為封裝天線的核心層介質材料。玻璃標稱介電常數為3，損耗角正切很小。研究發現玻璃不僅比傳統的核心層有機介質材料更加穩固及不易翹曲，而且可以做的更薄（30-100µm）及表面更光滑[33]。這樣的特性非常有利于其支撐的其它電路層來實現良好的電性能。
4.2 工藝
封裝天線工藝主要有LTCC，HDI及FOWLP三種。LTCC工藝是由IBM公司于1970年代初為其大型計算機芯片封裝而開發的。后來經過多家公司幾十年的發展，目前已經相當成熟，我國有多家公司及研究所提供LTCC加工服務。
HDI工藝已被許多公司采用開發毫米波封裝天線[1]。圖12所示的是IBM公司為毫米波5G通信系統開發的基于HDI工藝的AiP結構剖面圖[34]。它由一個核心層（core）與上下對稱的各5個介質層及6個金屬層相互疊加構成，厚度為1.61mm。此外，LG與高通公司也分別發表了它們基于HDI工藝為毫米波5G通信系統開發的封裝天線。LG公司的AiP由一個核心層與上下對稱的各4個介質層及4個金屬層相互疊加構成，厚度為0.8mm [35]。高通公司的AiP由一個核心層與上下對稱的各3個介質層及4個金屬層相互疊加構成，厚度略小于1.1mm[36]。
圖12、IBM公司基于HDI工藝的AiP結構剖面圖
如圖12所示，傳統HDI工藝核心層采用有機介質材料，為了防止整個結構發生翹曲，核心層厚度最少需要400µm。線寬與線距（L/S）取決于介質層及金屬層的厚度，目前典型值L/S = 50/50µm。美國佐治亞理工學院系統級封裝卓越研究中心研究人員建議核心層采用無機介質材料玻璃，厚度100µm就可以。而且在上下疊加層中金屬線寬與線距可以做的更細，傳輸損耗可以更小。圖13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[33]。
(a）
(b)
圖13、美國佐治亞理工學基于玻璃核心層的AiP剖面圖及實物顯微照片
再如圖12所示，傳統HDI工藝為了防止整個結構發生翹曲，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疊加層非平衡式布局以利于低成本量產毫米波5G通信用戶終端AiP。圖14是矽品公司毫米波汽車雷達AiP剖面圖實物顯微照片。如圖所示，AiP由4層金屬及3層介質構成。金屬層1-4分別用來實現被動微帶天線片、主動微帶天線片、封裝天線地及封裝天線饋電網絡。饋電網絡與主動微帶天線片互連通過盲孔實現[18]。
圖14、矽品公司毫米波汽車雷達AiP剖面圖事物顯微照片
FOWLP工藝不同于LTCC或HDI工藝，它不再需要疊層基片，轉而用模塑化合物、 重新配置金屬與介質層代替。FOWLP工藝最早是由英飛凌公司研發的，稱之為嵌入式晶圓級封裝工藝(eWLB)。圖15所示的是焊接在系統PCB 板上的eWLB工藝可以實現的封裝結構。一般情況下裸芯片被嵌入在厚度為450μm，介電常數為3.2，損耗角正切為0.004的模塑化合物中。保護層厚度為35μm，介電常數為3.2，損耗角正切為0.004。在裸芯片的扇入區以及封裝的扇出區涂有介質層D1，起到保護裸芯片的的作用，D1層的厚度為6.5μm，介電常數為3.2，損耗角正切為0.035。重新配置的導體層（RDL）是沉積厚度為7.5μm的銅，用于實現連接線或天線。阻焊掩模層D2用于定義焊球的著落焊盤，其厚度為9.5μm，介電常數為3.2，損耗角正切為0.035。目前使用的焊球直徑為0.3mm，間距為0.5mm。谷歌（Google）公司的60GHz手勢雷達第1及第2版芯片都采用了基于eWLB工藝設計的AiP。圖15也展示了第2版手勢雷達芯片及AiP顯微照片。圖中微帶天線輻射片由RDL金屬層實現，微帶天線地則由系統板上的金屬層實現[37，38]。
(a）
(b)
圖15、eWLB封裝剖面圖及谷歌手勢雷達芯片及AiP實物顯微照片
顯然eWLB工藝因為僅有1層金屬，不利于AiP天線設計。為了使得FOWLP工藝適合于AiP設計，臺積電開發出的InFO-AiP技術在模塑化合物上面增加了一層金屬。如圖16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，微帶天線地、饋線及耦合槽則在RDL金屬層來實現[17]。
圖16、InFO-AiP結構剖面圖
新加坡微電子研究院（IME)在eWLB的基礎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）實現毫米波AiP設計。圖17 展示了在eWLB的基礎上增加的工藝流程及實現了的AiP實物剖面顯微照片[39]。
（a）用模塑化合物（1）重新構造的晶圓
（b）在裸芯片信號線一側增加RDL層及相應的介質層
（c）在介質層上覆蓋模塑化合物（2）
（d）在模塑化合物（2）上實現微帶天線輻射片
（e）將封裝整體倒扣及粘在載體上
（f）在模塑化合物（1）上進行鈍化及打孔
（g）使孔壁金屬化
（h）撤走載體及清除粘合物
（i）切割及植入焊球
（j）焊在系統板上
(k)
圖17、IME在eWLB的基礎上增加的工藝流程及實現了的AiP實物剖面顯微照片
日月光開發的低成本先進的單邊基片（aS3-AiP）工藝強調采用普通封裝設備及超薄雙層金屬基片取代FOWLP介質及RDL層[16]。這樣不僅成本較低，而且過渡損耗可與FOWLP媲美，在77GHz汽車雷達應用方面具有價格與性能優勢。
4.3 設計
AiP設計需要考慮到系統、電路、天線、封裝、互連等多個方面。限于篇幅，本節僅介紹AiP設計中的天線部分，并且主要講述最新發展出的疊層微帶天線設計與優化方法。
疊層微帶天線可以設計成雙頻帶或寬頻帶天線。雙頻帶設計由S. A. Long 等人于1978年發表在國際天線與傳播大會論文集上[40]，寬頻帶設計由P. S. Hall等人于1979年發表在電子學快報中[41]。后續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，列如，R. B. Waterhouse 透露了高低介電常數基板搭配等增加帶寬的設計技巧[42]，劉章發等人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[43]，高式昌等人發明了新的雙線極化槽耦合疊層微帶天線，實現了寬帶、高極化隔離度、低交叉極化及低后向輻射的良好性能[44]。
疊層微帶天線具有頻帶寬、波束寬、頻域濾波、靈活實現單或雙極化、方便靜電保護、易于滿足多層結構金屬化密度要求及利于散熱等優點，因而在AiP設計中得到廣泛應用[11，12，18，19，23]。最早將疊層微帶天線引入到封裝天線設計的是李融林等人，他們提出的疊層微帶天線設計指導原則對封裝天線設計具有很高的參考價值[45]。
疊層微帶天線的上下層貼片分別和地之間構成了兩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，產生較為接近的兩個諧振頻率，達到拓寬頻帶的效果。此外，研究還發現疊層微帶天線在離開工作頻帶高段不遠處的一個頻點上，會出現電流在上下層貼片流向正好相反的狀況，從而導致遠場區的輻射在此頻點上互相抵消，輻射效率頻譜曲線上出現了一個‘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確地稱之為疊層微帶濾波天線，它的拓撲結構如圖18所示。圖18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。
圖18、疊層貼片天線的拓撲結構
疊層微帶天線設計常常遇到的問題是如何調控上下層貼片的諧振頻率及二者之間的耦合。文獻[43]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沒有能得到很好地解決。設計者通常都還是通過參數掃描來確定諧振頻率與耦合，這樣作存在著很大的盲目性，常常會遇到在兩個諧振頻率附近|S11|遠低于-10dB，但是在兩個諧振頻率中間某個頻段|S11|不論如何調,總是高于-10dB。目前，這一耦合問題由上海交通大學毛軍發院士團隊利用濾波器耦合矩陣理論解決了[46]。解決的方法是將疊層微帶濾波天線看作一個二階帶通濾波器，天線的輸入口當作濾波器的一個端口，天線遠場輻射當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計方法，診斷與調試通過觀測耦合矩陣來實現。那么現在的問題是如何獲取疊層微帶濾波天線的耦合矩陣？文獻[46]給出的步驟如下：
1) 通過全波仿真軟件得到疊層微帶天線S11和可實現輻射效率信息
rad2) 去除S11的群時延與相位加載之后在歸一化的頻域范圍內用矢量擬合的方法得到S11的表達式[47，48]
3) 通過優化擬合
rad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，暫時先選取其中一組解去進行后續的分析。4) 使用公式得到S22的留數，同時滿足不等式時找到S22常數項的范圍，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果，把S22和S21的相位加載效應去掉。
6) 把二端口的散射矩陣轉換成導納矩陣，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) 重復步驟1) 到7) ，直到獲得我們想要的頻率響應。
圖19是基于Ferro A6M LTCC 材料與工藝設計的45°極化疊層微帶天線結構。設計要求天線應具有2GHz的帶寬，覆蓋5G通信的27.5GHz到29.5GHz頻段。設計時的初始值選取參考了文獻[44]中的數據，診斷與調試根據上述步驟進行，一般經過3到5個循環就可以達到設計目標。表2是設計尺寸。
圖19、45°極化疊層微帶天線結構
表2、45°極化疊層微帶天線設計尺寸
| 變量 | A | B | L1 | L2 | D |
| 值(mm) | 6 | 6 | 1.928 | 1.867 | 0.59 |
| 變量 | W1 | W2 | 上下層貼片之間距離 | 下層貼片基板厚度 | |
| 值(mm) | 0.79 | 1.959 | 0.384 | 0.096 |
圖20是實物照片及設計與測試的S11和增益頻譜曲線。如圖所示，設計與測試結果吻合的非常好，表明新方法不僅正確，而且可以提高設計效率。圖21是將45°極化疊層微帶天線組成2元陣實物照片及設計與測試的S11和增益頻譜曲線，設計與測試結果仍然吻合良好[49]。
圖20、實物照片及設計與測試的S11和增益頻譜曲線
圖21、實物照片及設計與測試的S11和增益頻譜曲線
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，而實際的應用中可能面對更嚴苛的要求，比如需要三階的上中下疊層微帶濾波天線，然而隨著階數的升高，S21分子的選擇可能性就會呈現指數式的增長，所以對S21分子零點的選取應該找一些更有力的依據，使其最好只能選取一種情況。同時對于S22常數項的選取方法也需要一個嚴格的數學推導。
為了進一步提高AiP技術天線部分設計通用性及效率，上海交通大學毛軍發院士團隊成功地將蝙蝠優化算法在Matlab中實現，而且通過Script鏈接到HFSS對天線進行自動優化調試，取得了非常令人滿意的結果。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過優化實現了6GHz的帶寬，覆蓋5G通信的24GHz到30GHz頻段。
4.4 測試
測試是AiP技術非常重要的一環，目前AiP測試的重點已經由研發環境下仔細深入地測試與表征向生產階段快速功能測試與系統級標準指標評估方面轉移。研發環境下的AiP測試技術相對成熟，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22是上海交通大學毛軍發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18GHz到325GHz（為適應THz頻段天線測試可擴展到500GHz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饋電，110GHz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，利用率相當高，已為國內多家科研院所的研究項目及公司產品開發提供了測試服務，極大地助進了我國在片上天線及封裝天線方面的研究與發展。
圖22、上海交通大學集成天線遠場自動測試平臺照片
但是，圖22所示的測試平臺并不適用于生產線上快速測試的要求。生產階段快速測試與生產線所采用的封裝工藝緊密相關。如果AiP采用HDI工藝制造，那么AiP本身可以進行獨立的傳導及OTA（over-the-air）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。生產線上AiP測試至少需要測試儀（Tester）、操作儀（handler）、接觸器（contactor）、探頭（probe）及天線暗室等儀器設備。測試儀與操作儀可以在已有的半導體封測設備上添加或擴充，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。美國Xcerra公司最近在為毫米波汽車雷達AiP測試方面開發接觸器與探頭方面取得進展，圖23所示的接觸器工作頻率可以到100GHz，適用于球形焊點陣列間距最小到0.3mm封裝[50]。此外，該公司也嘗試將微帶天線嵌入到接觸器中進行無線測量[51，52]。
系統級指標評估是AiP已經安裝在整機內，需要按照系統應用標準所進行的測試。目前這一方面的測試系統與方法已取得顯著進展，這里不再贅述。
圖23、Xcerra公司開發的AiP測試接觸器
5、結束語
2018年注定是商用毫米波通信與雷達發展史上重要的一年，也會是毫米波5G通信發展里程碑式的一年，更加會是奏響AiP技術進入海量應用序曲的一年。
作者首先分析了新聞發布、媒體報道及市場報告，發現開發適用于毫米波5G通信用戶終端的AiP技術是目前大家最關注的熱點。接著作者通過組織、參加與追蹤研討會，發現目前AiP技術的開發主要集中在諸如高通及海思等芯片設計公司、臺積電及三星等半導體集成電路制造公司、日月光及矽品等封裝測試廠家。而且這些大公司正在不斷地投入大量人力物力開發適合于AiP設計的新材料和新工藝，旨在實現高輻射效率及低成本量產。反觀傳統的天線公司，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。然后作者重點介紹了AiP技術在材料、工藝、設計、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注。在HDI工藝方面，增加核心層厚度來實現非平衡式疊加層布局，證明有利于低成本量產毫米波5G通信用戶終端AiP。在FOWLP工藝方面，作者注意到為了更加靈活地實現高性能AiP，金屬層在增加。設計方面是大學研究生可以著力的地方。上海交通大學毛軍發院士團隊最近在AiP設計方法上取得了新成果，成功地將蝙蝠優化算法在Matlab中實現，而且通過Script鏈接到HFSS對天線進行自動優化。測試是AiP技術非常重要的一環。目前AiP測試的重點已經由研發環境下深入細致地測試與表征向生產階段快速功能測試與系統級標準指標評估方面轉移。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。
最后，順便提一下作者與IBM公司劉兌現博士合作正在編著第一本AiP技術與應用方面的英文書，有望明年與讀者見面。
致謝
太原理工大學盛劍桓教授，香港中文大學黃振峰博士，香港中文大學程伯中教授，南洋理工大學杜茂安教授。
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作者簡介
張躍平博士，新加坡南洋理工大學電子工程學講座教授，IEEE天線與傳播學會杰出講師，IEEE Fellow。曾任太原理工大學教授，香港大學客座教授，IEEE天線與傳播匯刊副主編及天線與傳播領域評獎委員會委員。曾榮獲IEEE天線與傳播學會謝昆諾夫論文獎。目前研究興趣主要集中在無線電電子學。
粵公網安備 44030902003195號