大牛綜述：封裝天線（AiP）技術(shù)發(fā)展歷程回顧

AiP技術(shù)已逐漸趨于常熟，在技術(shù)方面有很多論文和專(zhuān)利可供參考，但還沒(méi)有一篇回顧AiP技術(shù)發(fā)展歷程及其背后故事的文章，本文旨在填補(bǔ)這一方面的空白。

封裝天線（簡(jiǎn)稱(chēng)AiP）是基于封裝材料與工藝將天線與芯片集成在封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)無(wú)線功能的一門(mén)技術(shù)。AiP技術(shù)順應(yīng)了硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的潮流，為系統(tǒng)級(jí)無(wú)線芯片提供了良好的天線解決方案，因而深受廣大芯片及封裝制造商的青睞。AiP技術(shù)很好地兼顧了天線性能、成本及體積，代表著近年來(lái)天線技術(shù)的重要成就。另外，AiP技術(shù)將天線觸角伸向集成電路、封裝、材料與工藝等領(lǐng)域，倡導(dǎo)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化。AiP技術(shù)已逐漸趨于常熟，在技術(shù)方面有很多論文和專(zhuān)利可供參考，但還沒(méi)有一篇回顧AiP技術(shù)發(fā)展歷程及其背后故事的文章，本文旨在填補(bǔ)這一方面的空白。在文中我將利用AiP技術(shù)發(fā)展歷程中起到重要推動(dòng)作用的經(jīng)典設(shè)計(jì)為例，加以自己親身經(jīng)歷的故事，為大家勾勒出AiP技術(shù)發(fā)展的來(lái)龍去脈。

1.引言

無(wú)線通信發(fā)展迅速，4G的商用才剛剛鋪開(kāi)，5G研發(fā)的熱潮已迎面撲來(lái)。在未來(lái)的幾年里，5G旨在實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高速率、大容量萬(wàn)物互聯(lián)，將會(huì)徹底改變我們同世界互動(dòng)的方式。為了使5G的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，必須突破幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)藩籬，其中一個(gè)核心技術(shù)的難題就與我們的領(lǐng)域息息相關(guān)，即如何利用大規(guī)模MIMO天線陣列實(shí)現(xiàn)波束成形、掃描、追蹤、鎖定來(lái)有效對(duì)抗毫米波移動(dòng)信道的路徑損耗[1]。

汽車(chē)?yán)走_(dá)改善了駕車(chē)安全同時(shí)，也提升了全新的駕車(chē)體驗(yàn)。目前，汽車(chē)?yán)走_(dá)工作在24GHz和77GHz的窄頻帶范圍，僅起到預(yù)警及輔助駕駛的作用。未來(lái)汽車(chē)?yán)走_(dá)將朝著工作在79GHz寬頻帶發(fā)展，利用4GHz帶寬獲得更高的空間分辨率甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛[2]。2015年，谷歌手勢(shì)雷達(dá)一經(jīng)問(wèn)世，便立刻造成全球轟動(dòng)。手勢(shì)雷達(dá)工作在60GHz頻帶，跟蹤人手移動(dòng)及其變化，非常適合嵌入在可穿戴設(shè)備、手機(jī)和其它電子產(chǎn)品中作為用戶(hù)界面[3]。

消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的硬件主要是通過(guò)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）和系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。SoC技術(shù)通過(guò)半導(dǎo)體工藝在同一個(gè)芯片上集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的各種電路。而SiP技術(shù)則是通過(guò)封裝工藝將各個(gè)功能模塊集成在一個(gè)封裝內(nèi)[4]。盡管SOC技術(shù)可以以更低的系統(tǒng)成本來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性和功能，但是由于使用相同的材料和工藝，沒(méi)辦法使每個(gè)類(lèi)型的電路性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低和系統(tǒng)功耗增加等問(wèn)題。相反，SiP技術(shù)可以提升系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)功耗，但是由于功能模塊和封裝制作采用不同的材料和工藝，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低和系統(tǒng)成本增加等問(wèn)題。

天線是無(wú)線系統(tǒng)中的重要部件，有分離和集成兩種形式。分離天線司空見(jiàn)慣[5]，集成天線也已悄悄地進(jìn)入到我們的視線。集成天線包括片上天線（AoC）和封裝天線（AiP）兩大類(lèi)型[6]。AoC技術(shù)通過(guò)半導(dǎo)體材料與工藝將天線與其它電路集成在同一個(gè)芯片上[7-11]?？紤]到成本和性能，AoC技術(shù)更適用于太赫茲頻段[12-14]。AiP技術(shù)是通過(guò)封裝材料與工藝將天線集成在攜帶芯片的封裝內(nèi)。AiP技術(shù)很好地兼顧了天線性能、成本及體積，代表著近年來(lái)天線技術(shù)重大成就，因而深受廣大芯片及封裝制造商的青睞。如今幾乎所有的60GHz無(wú)線通信和手勢(shì)雷達(dá)芯片都采用了AiP技術(shù)[15-26]。除此之外，在79GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)[2], 94GHz相控陣天線，122GHz、145GHz和160GHz傳感器以及300GHz無(wú)線鏈接芯片中都可以找到AiP技術(shù)的身影[27-32]。毋庸置疑，AiP技術(shù)也將會(huì)為5G毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)提供很好的天線解決方案。

很顯然AoC和AiP分別屬于上述SoC和SiP概念的范疇，那么我們?yōu)槭裁匆獙⑺鼈儚腟oC和SiP技術(shù)中明確區(qū)分開(kāi)來(lái)呢？原因其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是為了強(qiáng)調(diào)它們獨(dú)有的輻射特性。關(guān)于AoC技術(shù)，需另辟專(zhuān)文詳述，本文僅擬論及AiP技術(shù)。盡管AiP技術(shù)方面的論文和專(zhuān)利有很多，但還沒(méi)有一篇回顧AiP技術(shù)發(fā)展歷程及其背后故事的文章，本文旨在填補(bǔ)這一方面的空白。另外，本文也是介紹封裝天線技術(shù)系列文章的第一篇：歷史篇。在文中我將利用AiP技術(shù)發(fā)展歷程中起到重要推動(dòng)作用的經(jīng)典設(shè)計(jì)為例，加以自己親身經(jīng)歷的故事，為大家勾勒出AiP技術(shù)發(fā)展的來(lái)龍去脈。

2.AiP技術(shù)發(fā)展歷程

AiP技術(shù)早在該術(shù)語(yǔ)被提出和普及之前就已經(jīng)存在。AiP技術(shù)繼承與發(fā)揚(yáng)了微帶天線、多芯片電路模塊及瓦片式相控陣結(jié)構(gòu)的集成概念。它的發(fā)展主要得益于市場(chǎng)的巨大需求，硅基半導(dǎo)體工藝集成度的提高，驅(qū)動(dòng)了研究者自90年代末不斷深入地探索在芯片封裝上集成單個(gè)或多個(gè)天線。

2.1 早期與藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)一起發(fā)芽

我于1993年初榮幸地成為香港中文大學(xué)國(guó)際知名衛(wèi)星天線專(zhuān)家黃振峰博士課題組一員，有機(jī)會(huì)參與制造和測(cè)試多款微帶天線。通過(guò)使用一種剛問(wèn)世不久的低損耗高介電常數(shù)陶瓷材料，我們成功地將900MHz微帶天線小型化到只有手指甲大小，這樣利用幾個(gè)小型化天線就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)天線輻射方向圖成形，減少向人體側(cè)輻射。研究成果不知怎樣引起了時(shí)任香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕教授的注意，有一天召集我們到他辦公室向他匯報(bào)。然而，我們關(guān)于實(shí)現(xiàn)天線小型化的研究似乎沒(méi)有給高錕教授留下深刻印象。他打比喻說(shuō)：將四條腿的長(zhǎng)凳縮小到三條腿的板凳只是進(jìn)化而已，大學(xué)應(yīng)該嘗試做一些革命性的研究。高錕教授獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，也許高錕教授這樣偉大的科學(xué)家更關(guān)注研究的科學(xué)價(jià)值，而我們則更強(qiáng)調(diào)潛在的應(yīng)用。幸運(yùn)的是，我們關(guān)于天線小型化的工作在天線領(lǐng)域受到歡迎，并在1995年IEEE天線與傳播國(guó)際研討會(huì)上與摩托羅拉公司設(shè)計(jì)的類(lèi)似天線在同一會(huì)場(chǎng)宣讀[33]，直接促進(jìn)了陶瓷貼片天線的發(fā)展。1996年，我加入了香港城市大學(xué)國(guó)際著名的天線實(shí)驗(yàn)室從事介質(zhì)諧振器天線研究。偶然的機(jī)會(huì)我在香港城市大學(xué)遇到了材料科學(xué)家李國(guó)源博士，他熱情地向我介紹了他研究的LTCC材料與工藝，并用一塊可以表貼集成電路內(nèi)有埋置去耦電容的LTCC基板講解了厚膜電路的優(yōu)缺點(diǎn)，臨別時(shí)還慷慨地向我贈(zèng)送了好多塊他燒好的LTCC基板用于天線研究。這些LTCC基板除了后來(lái)用于天線試驗(yàn)毀壞的以外，剩余的我至今還保留著。李國(guó)源博士現(xiàn)在是華南理工大學(xué)教授。1998年，我離開(kāi)任教的香港大學(xué)前往新加坡南洋理工大學(xué)就職。令我驚訝的是，我被分派到電路與系統(tǒng)系而非通信工程系，后者有幾位教授及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室從事天線與電磁波傳播研究。在參觀集成電路實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我看到了圖一所示的裝置，就問(wèn)實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究生那是微帶天線嗎？研究生回答到：“不，那不是，那是一個(gè)集成電路芯片?！辈痪茫娐放c系統(tǒng)系啟動(dòng)了“片上軟件無(wú)線電”的戰(zhàn)略性研究項(xiàng)目，我的任務(wù)是為這個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)天線技術(shù)。因?yàn)閷?duì)圖1所示的集成電路芯片同微帶天線結(jié)構(gòu)相似的著迷，以及預(yù)測(cè)到未來(lái)有可能產(chǎn)生一種革命性的天線解決方案所激動(dòng)，我很快決定研究圖1所示集成電路芯片作為天線的可行性[34]。首先，我找來(lái)許多現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來(lái)進(jìn)行天線及電路實(shí)驗(yàn)研究它們之間的相互影響。圖2左就是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)的一個(gè)在雙列直插式封裝上實(shí)現(xiàn)的2.4GHz天線。后來(lái)發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來(lái)進(jìn)行天線實(shí)驗(yàn)有很大的局限性，于是決定利用印刷電路板（pcb）工藝加工集成電路封裝結(jié)構(gòu)模型且印制有天線。圖2中所示的集成電路封裝結(jié)構(gòu)模型利用了三層電路板，天線印制在頂層板上，信號(hào)線及封裝地在低層板上實(shí)現(xiàn)，中間層中空夾在頂?shù)蛯又g形成一個(gè)腔體來(lái)攜帶裸芯片。圖2中頂層板印制了5.2GHz微帶天線，如果頂層板換成圖2中左下角所示的板，則模擬集成電路封裝結(jié)構(gòu)是一款集成有2.4GHz及5.2GHz雙頻微帶天線。上述在現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片和pcb加工的模型上嘗試，都獲得了令人滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。受其鼓舞，我和我的學(xué)生林偉、薛陽(yáng)及王珺珺于2003年利用LTCC工藝實(shí)現(xiàn)了多款真正工業(yè)意義上的封裝天線[35]。圖2右是一款利用 LTCC工藝為藍(lán)牙芯片開(kāi)發(fā)的差分封裝天線。

圖1. 擁有密封金屬環(huán)及蓋的陶瓷封裝集成電路芯片

圖2. 封裝天線技術(shù)的進(jìn)化

與此同時(shí)，英國(guó)伯明翰大學(xué)C.T. Song，P.S. Hall和H.Ghafouri-Shiraz提出了兩個(gè)有關(guān)天線封裝的概念。第一個(gè)概念突出體現(xiàn)了將小天線埋入到芯片封裝材料中，然后在埋入式天線近距離處放置一個(gè)寄生單元，從而改善封裝天線的低增益并增加帶寬。第二個(gè)概念建議在半導(dǎo)體芯片上實(shí)現(xiàn)射頻前端電路及電小饋電天線，并在饋電天線上方增加寄生單元并充當(dāng)封裝頂蓋，密封整個(gè)芯片[36]。Hall教授學(xué)識(shí)淵博、謙虛低調(diào)，是國(guó)際天線界一位德高望重的學(xué)者。為表彰他在微帶天線方面所做出的杰出貢獻(xiàn)， 美國(guó)IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)授予他2012年度the John Kraus Antenna Award, 英國(guó)IET授予他2013年度the James R. James Lifetime Achievement Award.

幾乎在同一時(shí)間，封裝工程師也在嘗試解決相同的問(wèn)題。D.J.Mathews等人申報(bào)了一項(xiàng)內(nèi)置電磁防護(hù)罩和天線的用于藍(lán)牙芯片封裝的發(fā)明專(zhuān)利[37]。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院K.T.Lim等人設(shè)法在封裝系統(tǒng)（SoP）上集成射頻無(wú)源器件、天線和有源芯片，以增強(qiáng)封裝系統(tǒng)的整體性能和增加更多功能[38]。比利時(shí)校際微電子中心S.Brebels等人也實(shí)現(xiàn)了集成有天線的SoP[39]。但是，由于已經(jīng)有SiP的概念,SoP的概念未被廣泛接受。

稍后一些時(shí)間，香港城市大學(xué)梁國(guó)華教授及新加坡微電子研究所A.P.Popov博士分別獨(dú)立發(fā)明基于介質(zhì)諧振器天線的AiP技術(shù)[40]，[41]。梁國(guó)華教授同我90年代初相識(shí)在香港中文大學(xué)微波實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)他博士即將畢業(yè)，他的博士導(dǎo)師實(shí)際上是陸貴文教授。據(jù)說(shuō)梁國(guó)華博士論文答辯時(shí)，答辯委員會(huì)主席認(rèn)為他提交給中文大學(xué)的博士論文等于其它學(xué)校的兩份博士論文。梁國(guó)華教授后來(lái)被任命為IEEE天線與傳播匯刊的主編。也聽(tīng)說(shuō)陸貴文教授當(dāng)年在香港大學(xué)提交的碩士論文被英國(guó)倫敦大學(xué)一位國(guó)際著名的教授認(rèn)為是一篇優(yōu)異的博士論文，建議香港大學(xué)直接授予陸貴文博士學(xué)位。陸貴文教授獲2017年度IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)the John Kraus Antenna Award。加上曾經(jīng)長(zhǎng)期在香港中文大學(xué)及城市大學(xué)工作過(guò)的李啟方教授于2009年獲the John Kraus Antenna Award，微帶天線的研究至少已產(chǎn)生了三位獲獎(jiǎng)?wù)摺?/p>

2.2 中期與60GHz無(wú)線技術(shù)及毫米波雷達(dá)一起成長(zhǎng)

2005年三月初，在新加坡舉辦的第一屆小型天線國(guó)際研討會(huì)（International Workshop on Small Antenna Technology）上， 我第一次見(jiàn)到了來(lái)自IBM Thomas J. Watson Research Center的Brian Gaucher先生和劉兌現(xiàn)博士，并邀請(qǐng)他們?cè)L問(wèn)了南洋理工大學(xué)。Brian就IBM的60GHz SiGe芯片、天線、封裝和測(cè)試設(shè)備做了學(xué)術(shù)報(bào)告。圖3為IBM用于概念驗(yàn)證的60GHz芯片照片。SiGe裸芯片通過(guò)倒裝焊技術(shù)與天線連接、封裝成為柵格陣列模塊。由于需要在封裝內(nèi)加金屬墻及封裝上開(kāi)天線窗口，因此該概念封裝天線不易大批量生產(chǎn)。我向Brian Gaucher先生和劉兌現(xiàn)博士簡(jiǎn)要介紹了幾款基于LTCC工藝適合批量生產(chǎn)的2.4GHz和5.2GHz頻段的封裝天線。雙方當(dāng)場(chǎng)就達(dá)成了基于LTCC工藝合作開(kāi)發(fā)用于IBM 60GHz SiGe芯片組的封裝天線的可行性研究計(jì)劃。我和我的學(xué)生孫梅博士負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作，邀請(qǐng)新加坡制造技術(shù)研究所（SIMTech）的一個(gè)研究小組負(fù)責(zé)LTCC加工，劉兌現(xiàn)博士負(fù)責(zé)評(píng)估并向我反饋測(cè)試結(jié)果。

圖3. IBM公司用于概念驗(yàn)證的60GHz SiGe芯片、天線、封裝模塊照片

早期在封裝上集成天線，所用英文名稱(chēng)五花八門(mén)。隨著開(kāi)發(fā)的深入我意識(shí)到一個(gè)專(zhuān)門(mén)響亮的名稱(chēng)非常有利于去推廣它。2006年起，我首先使用Antenna-in-Package的名稱(chēng)去推廣這一新穎的天線解決方案。采用Antenna-in-Package（AiP）而不是Antenna-on-Package （AoP） 主要考量是前者更有可能使天線靠近芯片，減少互連損耗[55]。低插損的天線與芯片互連是毫米波AiP技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。2006年三月初，我參加了在美國(guó)紐約舉辦的第二屆小型天線國(guó)際研討會(huì)，并訪問(wèn)了IBM Thomas J. Watson Research Center，與劉兌現(xiàn)、U. R. Pfeiffer和Janusz Grzyb 博士討論了AiP 技術(shù)問(wèn)題。很遺憾，這次訪問(wèn)并沒(méi)有見(jiàn)到已于2004年離開(kāi)IBM的Thomas Zwick 博士。Thomas在開(kāi)發(fā)探針式毫米波集成天線測(cè)試系統(tǒng)及AiP鍵合線互連方面做出了突出貢獻(xiàn)。此次會(huì)面增強(qiáng)了雙方合作，加速了AiP技術(shù)的發(fā)展。圖4展示了設(shè)計(jì)階段獲取的截圖和劉兌現(xiàn)博士評(píng)估和測(cè)試的基于LTCC加工的AiP樣品。這一樣品集成了共面波導(dǎo)饋線、準(zhǔn)腔體、定向保護(hù)環(huán)、基板材料調(diào)制的槽天線。天線輸入阻抗故意設(shè)計(jì)成容性的與芯片通過(guò)感性的鍵合線互連，結(jié)果令人滿(mǎn)意，并在2007年三月英國(guó)劍橋舉辦的第三屆小型天線國(guó)際研討會(huì)上被授予最佳論文獎(jiǎng)[32]。事實(shí)上，在赴英參會(huì)之前我在一次內(nèi)部會(huì)議上就對(duì)孫梅博士及新加坡制造技術(shù)研究所的合作者預(yù)測(cè)到60GHz AiP技術(shù)論文會(huì)獲獎(jiǎng)。而且，還有一件有趣的事情，那就是在劍橋大學(xué)的演講廳等待頒獎(jiǎng)時(shí)，我在一張會(huì)議用紙上寫(xiě)了個(gè)便條，再一次預(yù)測(cè)有關(guān)AiP的工作將會(huì)贏得更高獎(jiǎng)項(xiàng)。我也請(qǐng)劉兌現(xiàn)博士在便條上簽了字，便條至今由我保管。果然不出所料，2012年我、孫梅、劉兌現(xiàn)和陸億瀧博士榮獲當(dāng)年IEEE 天線與傳播學(xué)會(huì)謝昆諾夫論文獎(jiǎng)（Sergei A. Schelkunoff Transactions Prize Paper Award）[43]。這是該獎(jiǎng)項(xiàng)自1957年設(shè)立以來(lái)，亞洲研究者首次及至今唯一獲此殊榮。謝昆諾夫是國(guó)際著名的電磁理論學(xué)家。他于1920年代初期從前蘇聯(lián)經(jīng)我國(guó)移居美國(guó)。他在工程電磁場(chǎng)、天線理論、波導(dǎo)理論、電磁屏蔽等方面提出了許多定理、原理、概念、方法，做出了重要的貢獻(xiàn)。他使應(yīng)用數(shù)學(xué)煥發(fā)出光彩, 許多工作帶有奠基性質(zhì)。就經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)方法(即量子理論以外領(lǐng)域)而言, 我國(guó)著名物理學(xué)家黃志詢(xún)先生認(rèn)為可以把他比作二十世紀(jì)的麥克斯韋[44]。

圖4. LTCC 60GHz AiP設(shè)計(jì)時(shí)截圖及實(shí)物照片

John Kraus是對(duì)天線做出卓越貢獻(xiàn)的老一輩天線專(zhuān)家。IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)的the John Kraus Antenna Award就是用他名字命名的。Kraus發(fā)明的螺旋天線應(yīng)用非常廣泛，但他發(fā)明的柵格天線卻鮮有應(yīng)用[45]。孫梅博士在2008年發(fā)現(xiàn)柵格天線的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)非常適合于LTCC工藝，故將其應(yīng)用于60GHz AiP設(shè)計(jì)中。緊接著Wolfgang Menzel等人將其應(yīng)用于79GHz[2]，陳梓浩等人將其應(yīng)用于94GHz[46], Thomas等人將其應(yīng)用于122GHz[47], 張冰等人將其應(yīng)用于145GHz AiP設(shè)計(jì)中[48]。幾乎快被人遺忘的柵格天線得以在AiP技術(shù)中發(fā)揚(yáng)光大。Menzel教授是微帶漏波天線的發(fā)明者，曾訪問(wèn)南洋理工大學(xué)并做了有關(guān)車(chē)載雷達(dá)中毫米波天線的邀請(qǐng)報(bào)告，期間與我們交流了關(guān)于柵格天線的設(shè)計(jì)方法。圖5是孫梅等人利用LTCC工藝為IBM 60GHz SiGe 接收機(jī)裸芯片設(shè)計(jì)的AiP。它采用了鍵合線球柵陣列(BGA)封裝結(jié)構(gòu)集成了14個(gè)網(wǎng)格的柵格天線，尺寸為13.5×8×1.265 mm3。劉兌現(xiàn)博士測(cè)試了AiP的天線性能并給我發(fā)送了電子郵件，郵件中只寫(xiě)了兩個(gè)字“excellent results”。確實(shí)，結(jié)果表明柵格天線具有頻帶寬、輻射效率高的優(yōu)點(diǎn)，且在57GHz至64GHz頻率范圍內(nèi)主波束輻射都在天頂方向，在60GHz頻段最大增益可達(dá)到14.5dBi[49]，代表了當(dāng)時(shí)最好的60GHz AiP設(shè)計(jì)。

圖5. LTCC 60GHz AiP實(shí)物照片

AiP技術(shù)的成功主要?dú)w功于人們重拾了對(duì)60GHz無(wú)線系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)興趣。2007年標(biāo)志著AiP技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新的階段。IEEE開(kāi)始著手制定60GHz頻帶標(biāo)準(zhǔn)，很多企業(yè)開(kāi)始重視60GHz芯片及封裝天線的研發(fā)。美國(guó)SiBEAM公司第一個(gè)將60GHz天線陣與CMOS裸芯片利用LTCC工藝集成在一起，引入消費(fèi)市場(chǎng)，用于高清視頻內(nèi)容的無(wú)線傳輸[50]。圖6是SiBEAM公司60GHz芯片的照片，集成的微帶天線陣清晰可見(jiàn)。值得一提的是，我在2005年9月22-23日美國(guó)加州圣克克拉市舉辦的天線系統(tǒng)和短程無(wú)線會(huì)議上做主題演講后，休息之余，與SiBEAM的創(chuàng)始人之一以及毫米波CMOS電路先驅(qū)者C.H.Doan先生熱情地討論了一些有關(guān)基于LTCC封裝天線集成的問(wèn)題[51]。

圖6. Sibeam公司60GHz LTCC封裝天線CMOS芯片實(shí)物照片

2010年，美國(guó)IBM公司公布了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[52]。如圖7所示，基于LTCC工藝，16個(gè)矩形微帶天線被集成在BGA封裝中，發(fā)射或接收裸芯片通過(guò)倒裝焊技術(shù)與AiP相連。AiP尺寸為 28×28×1.47 mm3，在四個(gè)IEEE802.15.3c通道中，天線單元增益均可以達(dá)到5dBi。2011年，IBM還展示了另外一個(gè)用于60GHz相控陣系統(tǒng)的基于有機(jī)材料高密度互連工藝（HDI）的完整AiP方案[53]。值得一提的是IBM與封裝材料及工藝商通過(guò)努力實(shí)現(xiàn)了在AiP中嵌入空氣腔體來(lái)改善微帶天線阻抗及輻射特性。

圖7. IBM公司 60GHz LTCC封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片

2011年，韓國(guó)Samsung公司發(fā)表了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[20]。如圖8所示，基于LTCC工藝，24個(gè)圓形微帶天線被集成在BGA封裝中，發(fā)射或接收裸芯片可以通過(guò)倒裝焊技術(shù)與AiP相連。為了避免像IBM公司那樣在AiP中嵌入空氣腔體來(lái)改善微帶天線阻抗及輻射特性可能帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，Samsung公司AiP設(shè)計(jì)采用了圓形疊層微帶天線。AiP的尺寸為20×15×1.02 mm3，實(shí)現(xiàn)了9GHz帶寬及14.5dBi增益。Samsung公司還分別在2012和2013年提出了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的基于低成本FR4材料與HDI工藝的完整AiP方案[21] [23]。疊層微帶天線有助于滿(mǎn)足HDI工藝對(duì)金屬密度的要求。Samsung公司AiP技術(shù)主要貢獻(xiàn)者是一位名叫Wonbin Hong的年輕學(xué)者，我們經(jīng)常通過(guò)電子郵件及在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上交流AiP技術(shù)方面的心得。后來(lái)Hong博士率先在國(guó)際上報(bào)道了28GHz 5G手機(jī)天線方面的工作，引起天線界的關(guān)注。

圖8. Samsung公司集成了24個(gè)天線的AiP實(shí)物照片

2012年，美國(guó)英特爾（Intel）公司發(fā)表了用于60GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[54]。如圖9所示，基于LTCC工藝，36個(gè)矩形微帶天線（含4個(gè)啞元）被集成在BGA封裝中，收發(fā)裸芯片通過(guò)倒裝焊技術(shù)與AiP相連。AiP尺寸為25×25×1.4 mm3，在60GHz頻段，±30o掃描范圍內(nèi)增益達(dá)19dBi。針對(duì)60GHz相控陣系統(tǒng)，英特爾還分別在2013年、2014年和2015年提出利用pcb[55]、玻璃[63]和液晶聚合物（LCP）[56]，[57]實(shí)現(xiàn)低成本低損耗AiP解決方案。

圖9. Intel公司60GHz LTCC封裝天線 CMOS芯片實(shí)物照片

2015年，美國(guó)谷歌（Google）公司首次公開(kāi)亮相的手勢(shì)雷達(dá)名震四海。手勢(shì)雷達(dá)使用60GHz信號(hào)來(lái)快速追蹤人手移動(dòng)，精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。也許對(duì)我而言，最振奮人心的就是AiP技術(shù)被應(yīng)用于手勢(shì)雷達(dá)芯片，如圖10所示，德國(guó)英飛凌（Infineon）公司利用嵌入式晶圓級(jí)封裝(eWLB)技術(shù)，在AiP中集成了一個(gè)60GHz SiGe 收發(fā)裸芯片、兩個(gè)用于發(fā)射的差分微帶天線和用于接收的四個(gè)單端口微帶天線[26]。AiP的尺寸為14×14×0.8 mm3，顯而易見(jiàn)，其尺寸已經(jīng)足夠小可用于穿戴設(shè)備。并且對(duì)于很多如智能手表、手機(jī)和其它裝置而言，手勢(shì)雷達(dá)作為用戶(hù)界面潛力巨大。

圖10.Google公司60GHz eWLB封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片

幾乎所有主要的日本電子公司都開(kāi)發(fā)出了適用于60GHz應(yīng)用的芯片組和AiP方案。圖11所示的是日本NEC公司早期開(kāi)發(fā)的60GHz接收機(jī)模塊及NTT公司近期開(kāi)發(fā)的60GHz收發(fā)模塊。兩家公司分別用不同的LTCC工藝在模塊中集成了縫隙天線及拋物面天線[60]，[61]。

圖11.NEC公司和NTT公司60GHz LTCC封裝天線GaAs芯片實(shí)物照片

像AiP技術(shù)用于谷歌手勢(shì)雷達(dá)中一樣，英飛凌公司也為77GHz車(chē)載雷達(dá)研制了SiGe芯片組及基于eWLB工藝的AiP技術(shù)，并自2016年6月以來(lái)就同比利時(shí)校際微電子中心合作開(kāi)發(fā)基于28nmCMOS的芯片組和基于低成本低損耗pcb工藝的AiP技術(shù)，用于79GHz車(chē)載雷達(dá)[58]。比利時(shí)校際微電子中心負(fù)責(zé)AiP技術(shù)開(kāi)發(fā)的是Guy A. E.Vandenbosch教授。Vandenbosch教授每次來(lái)中國(guó)講學(xué)，都會(huì)在演講前向?qū)W生們贈(zèng)送著名的比利時(shí)巧克力，很受學(xué)生們歡迎。IBM公司將其AiP技術(shù)的工作頻段推進(jìn)到94GHz，并在2014年實(shí)現(xiàn)了用于W波段的可擴(kuò)展相控陣系統(tǒng)的SiGe芯片及完整AiP解決方案。如圖12所示，該AiP設(shè)計(jì)采用多層有機(jī)基片及高密度互連工藝（HDI）集成了64個(gè)雙極化疊層微帶天線和36個(gè)啞元，其尺寸為16.2×16.2×0.75 mm3。

圖12. IBM公司 94GHz HDI封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片

SUCCESS合作團(tuán)體從2009年11月至2013年5月，基于SiGe工藝開(kāi)發(fā)了如圖13所示的122GHz及145GHz雷達(dá)芯片，且用鍵合線將它們分別與天線陣列集成在8mm見(jiàn)方的扁平無(wú)引腳（QFN）封裝內(nèi)[59]。圖14是奧德利JKU在歐盟科技委員會(huì)、英飛凌等公司贊助下于2013年10月報(bào)道的基于SiGe工藝開(kāi)發(fā)的160GHz雷達(dá)芯片及基于eWLB工藝將芯片與天線陣集成在BGA封裝內(nèi)[30]。

圖13. 122及145GHz封裝天線SiGe芯片實(shí)物照片

圖14. 160GHz eWLB封裝天線SiGe芯片實(shí)物照片

2.3 近期助力太赫茲、物聯(lián)網(wǎng)和5G移動(dòng)通信發(fā)展

太赫茲（THz）技術(shù)是改變未來(lái)世界的重要技術(shù)，已引起各國(guó)政府的重視。在日本政府的支持下，NTT、NICT和FUJITSU都參與到世界上第一個(gè)使用300GHz無(wú)線鏈接的收發(fā)信機(jī)研發(fā)工作中。NTT成功研發(fā)了如圖15所示用于300GHz發(fā)射機(jī)芯片的AiP結(jié)構(gòu)。該AiP設(shè)計(jì)采用LTCC工藝，其中喇叭天線尺寸為5×5×2.7 mm3，最大實(shí)現(xiàn)增益為18dBi，帶寬達(dá)100GHz[62]。

圖15. NTT公司300GHz LTCC封裝天線實(shí)物照片

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新階段，它通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算等手段實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。最近，美國(guó)Silicon Labs公司發(fā)布了如圖16所示的世界上最小的藍(lán)牙無(wú)線系統(tǒng)，它的封裝內(nèi)集成有天線，尺寸只有6.5×6.5×1.5 mm3，這使得設(shè)計(jì)真正緊湊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得可行[63]。

圖16. Silicon Labs公司的藍(lán)牙CMOS芯片內(nèi)置封裝天線實(shí)物照片

AiP技術(shù)是近期國(guó)際上5G移動(dòng)通信研發(fā)的一個(gè)重要課題，難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。圖17為IBM應(yīng)用于未來(lái)5G基站28GHz AiP照片[64]。該AiP包含4個(gè)單片SiGe裸芯片和64個(gè)雙極化天線，尺寸約為7.1×7.1cm2。劉兌現(xiàn)博士是IBM公司所有AiP設(shè)計(jì)背后的靈魂人物，他指出相控陣列天線的并行雙極化運(yùn)作方式能夠形成兩個(gè)波束支持低于1.4度的波束掃描精度，同時(shí)保持發(fā)送和接收模式，進(jìn)而使服務(wù)的用戶(hù)量增加一倍。

圖17. IBM公司 28GHz HDI封裝天線 SiGe芯片實(shí)物照片

圖18為Qualcomm近日發(fā)布的用于5G NR 首款智能手機(jī)參考設(shè)計(jì)中采用的28GHz毫米波芯片[65]。參考設(shè)計(jì)旨在于手機(jī)的功耗和尺寸要求下，對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。該芯片天線方案采用AiP技術(shù)，尺寸約為5美分大小。Qualcomm希望能在一年內(nèi)將尺寸縮小一倍。

圖18. Qualcomm公司用于5G NR 首款智能手機(jī)參考設(shè)計(jì)中采用封裝天線技術(shù)的的28GHz毫米波芯片實(shí)物照片

3. 結(jié)束語(yǔ)

不知不覺(jué)AiP技術(shù)已走過(guò)了多年發(fā)展歷程。早期AiP技術(shù)的研究主要集中在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室,圍繞著2.4GHz藍(lán)牙芯片展開(kāi)。如何實(shí)現(xiàn)天線小型化是當(dāng)時(shí)AiP研究者所面臨的技術(shù)難題。中期AiP技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要集中在大公司，圍繞著60GHz芯片及毫米波雷達(dá)展開(kāi)。如何實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高增益天線及芯片與天線低損耗互連是中期AiP開(kāi)發(fā)者所面臨的挑戰(zhàn)。中期也是AiP技術(shù)茁壯發(fā)展的階段，很多大公司投入大量人力物力開(kāi)發(fā)適合于AiP設(shè)計(jì)的新材料和新工藝，實(shí)屬罕見(jiàn)。據(jù)我所知，也只有在1970年代微帶天線曾獲得過(guò)如此矚目與投入。近期AiP技術(shù)的研發(fā)一方面向更高的頻率擴(kuò)展，另一方面正圍繞著IoT及毫米波移動(dòng)通信5G芯片如火如荼展開(kāi)。更高頻率AiP技術(shù)的關(guān)鍵在于材料損耗及工藝精度，5G AiP技術(shù)的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。

如今AiP技術(shù)不僅僅被工業(yè)界廣泛采用，也已從學(xué)術(shù)界天線領(lǐng)域擴(kuò)散到集成電路、封裝、材料與工藝、微波、雷達(dá)及通信等領(lǐng)域。這一點(diǎn)既可以從發(fā)表AiP技術(shù)相關(guān)文章的刊物看出，也可以從不同領(lǐng)域作者出版的書(shū)籍中窺到。比如國(guó)際著名的無(wú)線通信專(zhuān)家美國(guó)紐約大學(xué)Theotores S. Rappaport教授不僅在他發(fā)表的新書(shū)毫米波無(wú)線通信中專(zhuān)門(mén)詳細(xì)介紹AiP技術(shù)，也在很多無(wú)線通信類(lèi)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的主題演講中用我們的AiP設(shè)計(jì)作為例子闡述封裝天線的優(yōu)點(diǎn)[64]。再比如以前在射頻集成電路工程師眼中，天線只不過(guò)就是一片金屬，現(xiàn)在他們意識(shí)到?jīng)]有好的天線解決方案，設(shè)計(jì)再好的射頻集成電路也就是一塊石英。

自20世紀(jì)90年代末，我有幸參與并推動(dòng)了AiP技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展。早在2001年我就同上海交通大學(xué)毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)就AiP技術(shù)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)在三維系統(tǒng)級(jí)集成及多物理場(chǎng)仿真方面經(jīng)驗(yàn)豐富、碩果累累。自行開(kāi)發(fā)的熱仿真軟件對(duì)分析AiP熱效應(yīng)及散熱設(shè)計(jì)非常有用。近期毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)與電科41所合作建成了我國(guó)第一套從50GHz（為適應(yīng)5G高頻段天線測(cè)試已經(jīng)向下擴(kuò)展到18GHz）到325GHz（為適應(yīng)THz頻段天線測(cè)試可擴(kuò)展到500GHz或更高）集成天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)達(dá)到世界先進(jìn)水平，支持探針及波導(dǎo)饋電，110GHz以下也可用同軸饋電。該測(cè)試平臺(tái)已為國(guó)內(nèi)多家科研院所的研究項(xiàng)目及公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了測(cè)試服務(wù)，極大地助進(jìn)了我國(guó)在片上天線及封裝天線方面的研究與發(fā)展。在各種計(jì)劃的支持下，清華大學(xué)馮正和教授團(tuán)隊(duì)，東南大學(xué)洪偉教授團(tuán)隊(duì)、崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)，香港城市大學(xué)薛泉教授團(tuán)隊(duì)，香港城市大學(xué)梁國(guó)華教授團(tuán)隊(duì)，浙江大學(xué)尹文言教授團(tuán)隊(duì)，山西大學(xué)張文梅教授團(tuán)隊(duì)都對(duì)AiP技術(shù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。張文梅教授曾兩次應(yīng)邀在新加被南洋理工大學(xué)進(jìn)行長(zhǎng)期學(xué)術(shù)訪問(wèn)與講學(xué)。張文梅教授2008年回國(guó)后率先在國(guó)際上開(kāi)展了用濾波器綜合方法設(shè)計(jì)濾波天線。濾波天線目前是國(guó)際上微波與天線領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，華南理工大學(xué)褚慶昕教授團(tuán)隊(duì)、章秀銀教授團(tuán)隊(duì)分別在濾波天線的設(shè)計(jì)方面做出了突出貢獻(xiàn)。我國(guó)公司盡管在AiP技術(shù)開(kāi)發(fā)方面起步比較晚，但得益于后發(fā)優(yōu)勢(shì)，60GHz AiP技術(shù)與相關(guān)芯片研發(fā)已取得重大突破，在交大測(cè)試平臺(tái)多次所做的相控陣、大規(guī)模MIMO輻射測(cè)試獲得令人滿(mǎn)意的效果。毫米波頻段5G移動(dòng)通信AiP技術(shù)也已取得進(jìn)展。

最后，讓我將AiP與基片集成波導(dǎo)（SIW）聯(lián)系起來(lái)結(jié)束這篇回顧文章。我在2016年南京舉辦的華人微波論壇上講過(guò)，吳柯教授及洪偉教授的合作將SIW技術(shù)做成微波領(lǐng)域的國(guó)際主流，我同劉兌現(xiàn)博士一起努力讓AiP技術(shù)在國(guó)際天線領(lǐng)域引起人們的重視。我倆在相距很近的黃河?xùn)|西岸邊的鄉(xiāng)村出生長(zhǎng)大，相識(shí)卻在遠(yuǎn)隔萬(wàn)里的南洋，珠聯(lián)璧合，開(kāi)創(chuàng)出封裝天線一片天地，并且三次攜手登上國(guó)際天線領(lǐng)域的頒獎(jiǎng)舞臺(tái)，成就了一個(gè)小小奇跡，一段佳話。另外，我們幾位都是77、78級(jí)大學(xué)生， 我們的名字有著鮮明的時(shí)代特征，偉大的躍進(jìn)，可否兌現(xiàn)？我想我們沒(méi)忘初心，兌現(xiàn)了父輩的期望及我們自己的選擇！