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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

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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。

 

 

 

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]。

 

 

 

2、联发科技毫米波汽车雷达实物照片

 

 

 

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]。

 

 

 

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。

 

 

 

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。

 

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)

 

6、博通60GHz系统采用基于低温共烧陶瓷的AiP技术

 

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)

 

7、高通毫米波5G通信系统采用基于高密度互连的AiP技术

 

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)

 

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)

 

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]。

 

 

 

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]。

 

 

 

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]。

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本文作者2018-8-2 14:20
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