全方位總結(jié)AiP技術(shù)在過(guò)去不到一年的時(shí)間內(nèi)所獲得的最新成果

摘要

封裝天線（簡(jiǎn)稱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與封裝解決方案。最新權(quán)威市場(chǎng)分析報(bào)告斷言，AiP技術(shù)會(huì)是毫米波5G通信與汽車(chē)?yán)走_(dá)芯片必選的一項(xiàng)技術(shù)，所以AiP技術(shù)最近受到廣泛重視，取得了許多重要進(jìn)展。本文嘗試全方位總結(jié)AiP技術(shù)在過(guò)去不到一年的時(shí)間內(nèi)所獲得的最新成果，內(nèi)容包括新材料、新工藝、新設(shè)計(jì)、新測(cè)試等方面。

1引言

作者去年發(fā)表的《封裝天線技術(shù)發(fā)展歷程回顧》一文講述了封裝天線技術(shù)早期與藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)一起發(fā)芽，中期與60GHz無(wú)線技術(shù)及毫米波雷達(dá)一起成長(zhǎng)，近期助力太赫茲、物聯(lián)網(wǎng)和5G移動(dòng)通信發(fā)展的故事[1]。時(shí)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(shù)開(kāi)發(fā)正圍繞著萬(wàn)物互聯(lián)（IoT）及毫米波5G移動(dòng)通信與汽車(chē)?yán)走_(dá)芯片如火如荼展開(kāi)。到目前為止，僅僅幾個(gè)月時(shí)間就不斷有新的成果或以新聞形式發(fā)布及媒體采訪報(bào)道、或以研討會(huì)方式面對(duì)面及在線交流、或以技術(shù)論文正式出版發(fā)表與同行分享。本文嘗試全方位總結(jié)2017年10月以后到現(xiàn)在AiP技術(shù)在國(guó)內(nèi)外取得的最新成果。此外，本文也是作者介紹封裝天線技術(shù)系列文章的第二篇：譜新篇。文章首先從新聞發(fā)布、媒體報(bào)道及市場(chǎng)分析報(bào)告角度出發(fā)關(guān)注當(dāng)前AiP技術(shù)熱點(diǎn)，接著追蹤研討會(huì)、捕捉AiP技術(shù)新的發(fā)展動(dòng)向，然后重點(diǎn)介紹AiP技術(shù)在材料、工藝、設(shè)計(jì)、測(cè)試等方面的新進(jìn)展。

2從新聞發(fā)布、媒體報(bào)道及市場(chǎng)分析報(bào)告角度出發(fā)關(guān)注當(dāng)前AiP技術(shù)熱點(diǎn)

新聞發(fā)布追求轟動(dòng)效應(yīng)，所以選擇發(fā)布的時(shí)間點(diǎn)及場(chǎng)所就顯得相當(dāng)重要。消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品新聞發(fā)布首選時(shí)間與場(chǎng)地是每年1月在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯召開(kāi)的國(guó)際消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品展覽會(huì)（CES）。移動(dòng)通信類(lèi)電子產(chǎn)品新聞發(fā)布則會(huì)選在每年2月在西班牙巴塞羅那召開(kāi)的世界移動(dòng)通信展覽會(huì)（MWC）。近年來(lái)，我國(guó)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(huì)上發(fā)布年度重要產(chǎn)品新聞。華為公司余承東先生自信地用英語(yǔ)發(fā)布新聞讓人印象深刻，達(dá)到了提高品牌知名度、提升產(chǎn)品在消費(fèi)者心目中的地位，增加公司營(yíng)銷(xiāo)、擴(kuò)大公司產(chǎn)品在市場(chǎng)占有率的目的。媒體報(bào)道力求圖文并茂、吸人眼球、引人注目。市場(chǎng)分析報(bào)告在于能夠洞悉行業(yè)市場(chǎng)變化，把握市場(chǎng)機(jī)會(huì)，借以提供公司參考，推動(dòng)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)工作。最近或許受到越來(lái)越多令人鼓舞的AiP技術(shù)方面進(jìn)展報(bào)道的影響，作者自豪地憧憬著AiP技術(shù)能夠很快地造福人類(lèi)，海量的用在人們的手機(jī)內(nèi)、駕駛的汽車(chē)上，把玩的虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality）及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality)等隨身電子產(chǎn)品中。下面作者從新聞發(fā)布、媒體報(bào)道及市場(chǎng)分析報(bào)告的角度出發(fā)關(guān)注當(dāng)前毫米波AiP技術(shù)熱點(diǎn)。

2017年12月21日是可以載入移動(dòng)通信史冊(cè)上的一天。高通（Qualcomm）公司利用自己開(kāi)發(fā)的基帶芯片、毫米波芯片與AiP技術(shù)，制成了5G毫米波通信用戶終端參考設(shè)計(jì)樣機(jī)，與愛(ài)立信（Ericsson）公司預(yù)商用毫米波基站實(shí)現(xiàn)了世界上第一次基于5G 新無(wú)線電（New Radio（NR））標(biāo)準(zhǔn)的不同廠商產(chǎn)品的互連互通，奠定了2019年毫米波5G移動(dòng)通信正式商用的基礎(chǔ)[2]。圖1是高通公司毫米波5G通信用戶終端參考設(shè)計(jì)樣機(jī)實(shí)物照片。如圖所示，3個(gè)工作在28GHz的AiP清晰可見(jiàn)，另外一個(gè)AiP位于PCB右下角背面。每一個(gè)AiP都可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)樣機(jī)實(shí)物照片

邁入2018年，海思（HiSilicon）率先于1月9日在中國(guó)深圳宣布Hi1181 60GHz系統(tǒng)級(jí)芯片成功通過(guò)WiFi聯(lián)盟WiGig認(rèn)證，成為業(yè)界集成度最高，性能最佳的60GHz系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。為了滿足市場(chǎng)應(yīng)用需求，海思基于Hi1181 SoC開(kāi)發(fā)了兩款設(shè)計(jì)。一款稱之為M1181超能模塊，另外一款稱之為M1181超強(qiáng)模塊。M1181超能模塊采用先進(jìn)AiP技術(shù)，外形緊湊，10毫米見(jiàn)方，適用于超寬帶無(wú)線視頻傳輸。M1181超強(qiáng)模塊同樣采用先進(jìn)AiP技術(shù)，雙極化16收16發(fā)，12毫米見(jiàn)方，適用于無(wú)線虛擬現(xiàn)實(shí)[3]。

聯(lián)發(fā)科技（MediaTek）于1月12日在CES上接受電子工程雜志（EE Times）專訪時(shí)披露了研發(fā)的基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）及AiP技術(shù)研發(fā)的毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)芯片。該芯片工作頻段位于76-81GHz，用于探測(cè)10到15米的障礙物。圖2是聯(lián)發(fā)科毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)實(shí)物照片[4]。此外，聯(lián)發(fā)科也于2月25-28日在MWC上展示了基于5G毫米波NR通信標(biāo)準(zhǔn)的用戶終端參考設(shè)計(jì)樣機(jī)。圖3所示是樣機(jī)背面裝有AiP的部分，該AiP集成了8個(gè)天線和2個(gè)芯片形成一個(gè)工作在28GHz的相控陣。另外一個(gè)相同的AiP裝在樣機(jī)正面接近頂部的位置，且與樣機(jī)背面的AiP成90度角，實(shí)現(xiàn)極化分集[5]。

圖2、聯(lián)發(fā)科技毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)實(shí)物照片

圖3、聯(lián)發(fā)科技毫米波5G通信用戶終端參考設(shè)計(jì)樣機(jī)實(shí)物照片

英特爾（Intel）公司在開(kāi)發(fā)CMOS毫米波芯片與AiP技術(shù)方面著力很早，成績(jī)斐然。它于2月25-28日MWC上發(fā)布了基于5G毫米波NR通信標(biāo)準(zhǔn)，用于許多場(chǎng)景的解決方案。尤其是將5G毫米波芯片與AiP技術(shù)應(yīng)用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)車(chē)載系統(tǒng)去掉防護(hù)罩后的實(shí)物照片。該車(chē)載系統(tǒng)裝在車(chē)頂，使用4個(gè)AiP實(shí)現(xiàn)水平360度覆蓋。每個(gè)AiP集成了16個(gè)天線和1個(gè)芯片形成一個(gè)相控陣，工作在28GHz頻段。系統(tǒng)可以在4個(gè)AiP中進(jìn)行切換，波束選擇等[6]。

圖4、英特爾基于5G毫米波通信標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)實(shí)物照片

作者原先預(yù)計(jì)AiP的制造與測(cè)試會(huì)主要由半導(dǎo)體封裝測(cè)試廠家(OSTA)完成。日月光(ASE)、Amkor、 長(zhǎng)電科技（JCEP）及矽品（SPIL）是全球OSTA四強(qiáng)，都有在開(kāi)發(fā)AiP技術(shù)。但現(xiàn)在看來(lái)半導(dǎo)體集成電路制造公司，如臺(tái)積電（TSMC）及三星（Samsung）公司等，受即將爆發(fā)的5G的巨大潛力所吸引很可能會(huì)捷足先登，搶先占領(lǐng)5G AiP技術(shù)市場(chǎng)。半導(dǎo)體集成電路制造公司僅需要面對(duì)為數(shù)不多的芯片設(shè)計(jì)（Fabless）公司， 封裝測(cè)試廠家僅需要面對(duì)為數(shù)更少的半導(dǎo)體集成電路制造公司。它們的新聞發(fā)布一般會(huì)選在自己主辦的年度技術(shù)論壇上。比如臺(tái)積電于今年5月1日在美國(guó)加州硅谷召開(kāi)的年度技術(shù)論壇宣布，成功開(kāi)發(fā)出晶圓級(jí)扇出式封裝天線(InFO-AiP)技術(shù)，號(hào)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(yīng)用[7]。三星5月22日在美國(guó)加州硅谷召開(kāi)的年度先進(jìn)封裝技術(shù)推介會(huì)上強(qiáng)調(diào)，為了支持毫米波5G通信產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需求，三星封裝天線（AiP）技術(shù)也會(huì)及時(shí)推出[8]。

Yole公司是一間總部位于法國(guó)里昂，打著“超越摩爾”口號(hào)的世界知名市場(chǎng)研究與戰(zhàn)略咨詢公司，與我國(guó)相關(guān)企業(yè)合作緊密，關(guān)系良好。它的市場(chǎng)分析報(bào)告因?yàn)槟軌驇椭蛻羯钊氲乩斫馐袌?chǎng)與技術(shù)發(fā)展方向的密切關(guān)系，成功拓展商務(wù)而在業(yè)界廣受好評(píng)。Yole公司去年年尾出版了3份市場(chǎng)分析報(bào)告：（1）5G對(duì)射頻前端產(chǎn)業(yè)影響 “5G’s Impact on the RF Front-End Industry”，（2）手機(jī)先進(jìn)射頻系統(tǒng)級(jí)封裝 “Advanced RF System-in-Package for cell phones”，（3）2018年度汽車(chē)雷達(dá)技術(shù) “Radar Technologies for Automotive 2018”。三份報(bào)告都反復(fù)強(qiáng)調(diào)AiP技術(shù)會(huì)是毫米波5G通信與汽車(chē)?yán)走_(dá)芯片必選的一項(xiàng)技術(shù)[9]。圖5摘取于報(bào)告（3），可以清楚看見(jiàn)AiP技術(shù)已經(jīng)是毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)主流天線與封裝技術(shù)。此外，作者提出的Antenna-on-Chip (AoC)思想也被報(bào)告引用將會(huì)在未來(lái)THz成像雷達(dá)方面應(yīng)用。

圖5、毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)發(fā)展路線圖

總而言之，市場(chǎng)是技術(shù)發(fā)展最重要的推動(dòng)力，AiP技術(shù)發(fā)展也不例外。根據(jù)上述三方面所披露的信息，作者發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)適用于毫米波5G通信用戶終端的AiP技術(shù)是目前大家最關(guān)注的熱點(diǎn)。

3追蹤研討會(huì)、捕捉AiP技術(shù)新的發(fā)展動(dòng)向

AiP技術(shù)將天線觸角伸向集成電路、封裝與測(cè)試、材料與工藝、雷達(dá)及通信等領(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，受到了其它學(xué)科的重視，起到了擴(kuò)展天線領(lǐng)域的作用。此觀點(diǎn)很容易從上述不同領(lǐng)域舉辦的研討會(huì)上得到驗(yàn)證。下面作者開(kāi)始追蹤今年到現(xiàn)在不同領(lǐng)域舉辦過(guò)的研討會(huì)，去捕捉AiP技術(shù)新的發(fā)展動(dòng)向。首先將目光投向今年2月11-15日在美國(guó)舊金山召開(kāi)的國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)（http://isscc.org/2018/），然后轉(zhuǎn)向于4月9-13日在英國(guó)倫敦召開(kāi)的歐洲天線與傳播大會(huì)（http://www.eucap2018.org/），接著再轉(zhuǎn)向于5月29日至6月1日在美國(guó)加利福尼亞州圣地亞哥召開(kāi)的電子元件與技術(shù)大會(huì)（https://www.ectc.net/）， 之后聚焦于6月10-15日在美國(guó)賓夕法尼亞州費(fèi)城召開(kāi)的國(guó)際微波大會(huì)（https://ims2018.org/）， 最后定格于7月8-13日在美國(guó)麻薩諸塞州波士頓召開(kāi)的天線與傳播大會(huì)（https://2018apsursi.org/）。

3.1 國(guó)際固態(tài)電路大會(huì)（ISSCC）

ISSCC由IEEE固態(tài)電路學(xué)會(huì)舉辦，俗稱芯片奧林匹克（Chip Olympia），是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最頂級(jí)的會(huì)議。去年IBM公司的AiP技術(shù)在會(huì)上一枝獨(dú)秀，今年AiP技術(shù)在會(huì)上百花齊放。英飛凌（Infineon）公司AiP技術(shù)加持的谷歌（Google）60GHz手勢(shì)雷達(dá)，經(jīng)大會(huì)層層篩選，亮相于大會(huì)首次舉辦的行業(yè)展示（Industry Showcase）。在5G與后續(xù)移動(dòng)通信的毫米波無(wú)線電系統(tǒng)分組會(huì)（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(kāi)發(fā)的AiP技術(shù)，3篇大學(xué)的文章中有2篇簡(jiǎn)單提到AiP技術(shù)，1篇涉及到片上天線（AoC）技術(shù)。在毫米波多天線系統(tǒng)中的電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)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(guān)技術(shù)。限于篇幅，下面僅簡(jiǎn)單介紹博通（Broadcom）60GHz、（高通（Qualcomm）28GHz、諾基亞（Nokia）與LG公司90GHz AiP技術(shù)。

圖6a所示的是博通公司60GHz系統(tǒng)，由主從60GHz芯片組成，便于系統(tǒng)重構(gòu)。主從芯片通過(guò)系統(tǒng)板上布線互連，從芯片的封裝上集成了天線。主從芯片設(shè)計(jì)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(shù)。圖6b所示為每個(gè)AiP集成了48個(gè)天線和2個(gè)芯片形成一個(gè)相控陣的實(shí)物照片。圖6c所示每個(gè)天線是由帶狀線饋電、槽耦合激勵(lì)的1驅(qū)4從微帶天線。圖6d所示的展示系統(tǒng)使用1主6從芯片,總共有288個(gè)天線，該展示系統(tǒng)最大等效全向輻射功率為51dBm，可實(shí)現(xiàn)±60°掃描[10]。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖6、博通60GHz系統(tǒng)采用基于低溫共燒陶瓷的AiP技術(shù)

圖7a與b分別是高通公司為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)用戶終端及微基站開(kāi)發(fā)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(gè)頂射雙極化疊層微帶天線、8個(gè)端射振子天線及2個(gè)芯片形成一個(gè)相控陣。微基站AiP集成了16個(gè)頂射雙極化疊層微帶天線、8個(gè)啞元及2個(gè)芯片形成一個(gè)相控陣。圖7c是AiP實(shí)物的背面照片,兩個(gè)倒裝焊的芯片清晰可見(jiàn)。圖7d與e分別是高通公司為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的用戶終端及微基站參考設(shè)計(jì)實(shí)物照片。用戶終端上使用4個(gè)AiP, 3個(gè)位于PCB正面，1個(gè)位于PCB右下角背面。實(shí)測(cè)表明每一個(gè)AiP上的8個(gè)頂射雙極化疊層微帶天線陣及4個(gè)振子陣都可以實(shí)現(xiàn)±45°快速波束掃描。微基站上使用20個(gè)AiP，位于黑線框內(nèi)是有源的，框外是無(wú)源的。有源部分可以看作為32×8個(gè)單元陣，形成2個(gè)32×4子陣。實(shí)測(cè)表明微基站可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)采用基于高密度互連的AiP技術(shù)

圖8a是諾基亞與LG公司90GHz AiP示意圖。它集成了25個(gè)疊層微帶天線，其中16個(gè)用于發(fā)射，8個(gè)用于接收，1個(gè)啞元，發(fā)射與接收都可以實(shí)現(xiàn)±45°快速波束掃描。圖8b是AiP實(shí)物照片。圖8c與圖8d是使用了16個(gè)AiP形成的256個(gè)單元發(fā)射陣及128個(gè)單元接收陣的系統(tǒng)板，及放在具有散熱功能機(jī)箱中的實(shí)物照片。該系統(tǒng)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(tǒng)采用基于高密度互連的AiP技術(shù)

3.2 歐洲天線與傳播大會(huì)（EuCAP）

英國(guó)倫敦在天線人心目中有著無(wú)與倫比的地位。過(guò)去麥克斯韋先生（James C. Maxwell）在倫敦國(guó)王學(xué)院推導(dǎo)出麥克斯韋方程，預(yù)測(cè)到電磁波的存在。當(dāng)代彭德里爵士（John B. Pendry）在帝國(guó)學(xué)院提出超構(gòu)材料的思想，指導(dǎo)操控電磁波。2018年EuCAP于4月9-13日在倫敦召開(kāi)，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士應(yīng)邀作大會(huì)主旨報(bào)告。段寶巖院士是作者的老朋友，我們于1991年相識(shí)在英國(guó)利物浦大學(xué)。當(dāng)時(shí)，段寶巖院士在利物浦大學(xué)作博士后，我在作訪問(wèn)學(xué)者。段寶巖院士大會(huì)主旨報(bào)告著重介紹了中國(guó)天眼艱苦的研制過(guò)程，報(bào)告內(nèi)容豐富，演講相當(dāng)精彩，受到與會(huì)者的廣泛好評(píng)。段寶巖院士應(yīng)該是第一位中國(guó)天線人受邀在如此重要的天線與傳播旗艦會(huì)議上作主旨發(fā)言。東南大學(xué)洪偉教授應(yīng)邀作大會(huì)特邀報(bào)告。

洪偉教授介紹了中國(guó)5G研制已取得的成果及后續(xù)任務(wù)。洪偉教授作為中國(guó)5G推進(jìn)組組長(zhǎng)在報(bào)告中明確指出封裝天線因?yàn)樵诤撩撞ㄍㄐ欧矫娴闹匾砸蚜腥胪七M(jìn)組計(jì)劃。另外還有一個(gè)大會(huì)特邀報(bào)告是講毫米波封裝天線與電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主講者是法國(guó)尼斯大學(xué)的一位教授，曾同作者合作過(guò)研發(fā)基于LTCC的AiP技術(shù)。

此外，值得一提的是作者在大會(huì)上組織了毫米波與5G封裝天線技術(shù)專題研討會(huì) ，邀請(qǐng)到了中國(guó)、韓國(guó)、芬蘭、法國(guó)、德國(guó)、荷蘭與比利時(shí)對(duì)封裝天線技術(shù)發(fā)展做出過(guò)貢獻(xiàn)的專家同大家分享他們寶貴的經(jīng)驗(yàn)[13]。專題研討會(huì)受到與會(huì)者熱烈歡迎與參與，會(huì)場(chǎng)座無(wú)虛席，許多聽(tīng)眾不得不站在后面和旁邊聽(tīng)講。在專題研討會(huì)上意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）公司介紹的用3D打印實(shí)現(xiàn)的透鏡可以大大地提高AiP增益的工作相當(dāng)有趣。圖9是工作在60, 120, 240GHz 頻段的實(shí)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(jī)封裝材料實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體公司毫米波AiP及3D打印透鏡天線

3.3 國(guó)際電子元件與技術(shù)大會(huì)（ECTC）

ECTC由IEEE電子封裝學(xué)會(huì)舉辦，是封裝、元件、微電子系統(tǒng)領(lǐng)域最頂級(jí)的會(huì)議。封裝天線技術(shù)被認(rèn)為是封裝產(chǎn)業(yè)鏈新的增長(zhǎng)點(diǎn)，所以理所當(dāng)然地受到半導(dǎo)體封裝測(cè)試廠商的重視。今年ECTC上電子封裝學(xué)會(huì)下屬的的高速、 無(wú)線與元件技術(shù)委員會(huì)組織了一個(gè)分會(huì)專門(mén)研討射頻與毫米波AiP技術(shù)（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(shù)。作者很高興地讀到由日月光、臺(tái)積電、矽品公司工程師們撰寫(xiě)的文章。他們都是封裝設(shè)計(jì)的行家，對(duì)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(dǎo)體封裝測(cè)試領(lǐng)域龍頭企業(yè)，臺(tái)積電是半導(dǎo)體集成電路制造行業(yè)老大，封裝測(cè)試行業(yè)后起之秀。用***同行的話講有這些先進(jìn)們的介入本身就表明AiP技術(shù)發(fā)展邁入新階段，進(jìn)入快車(chē)道。

日月光的文章著重介紹了為77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)開(kāi)發(fā)的低成本先進(jìn)的單邊基片（aS3-AiP）技術(shù)及加工容差對(duì)天線特性的影響。本文作者認(rèn)為文章的更重要的價(jià)值在于日月光工程師們科學(xué)地、客觀地比較了幾種典型封裝技術(shù)從芯片到封裝再到系統(tǒng)板的過(guò)渡損耗后，指出盡管晶圓級(jí)扇出式封裝技術(shù)具有過(guò)渡損耗小的優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)的單邊基片封裝技術(shù)除了成本較低，而且過(guò)渡損耗可與晶圓級(jí)扇出式封裝技術(shù)媲美，在77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用方面具有優(yōu)勢(shì)[16]。

臺(tái)積電的文章介紹了用于高性能緊湊型毫米波5G通信系統(tǒng)集成的晶圓級(jí)扇出式（InFO-AiP）技術(shù)。臺(tái)積電的工程師們?cè)O(shè)計(jì)的通過(guò)共面波導(dǎo)槽耦合激勵(lì)的微帶天線實(shí)測(cè)表明能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋55-65GHz頻段的目標(biāo)。本文作者相信InFO-AiP技術(shù)具有尺寸小、低剖面等優(yōu)點(diǎn)，但是從文章中無(wú)從得知臺(tái)積電在新聞發(fā)布時(shí)提到的天線增益可提高40%是如何而來(lái)。本文作者猜想可能是與晶圓級(jí)扇出式封裝所選用的材料及加工工藝所帶來(lái)的損耗小有關(guān)[17]。

有感于目前基于HDI材料與工藝開(kāi)發(fā)的AiP技術(shù)都采用平衡式基片，矽品工程師們認(rèn)為如果能夠解決基片翹曲的問(wèn)題，非平衡式基片在成本方面更有優(yōu)勢(shì)。矽品的文章從設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等方面詳細(xì)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(kāi)發(fā)的AiP技術(shù)。圖10是矽品AiP實(shí)物照片。如圖所示，矽品AiP集成了4個(gè)疊層微帶天線，測(cè)試表明AiP在28GHz處實(shí)現(xiàn)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(guó)佐治亞理工學(xué)院宣讀的文章以及中國(guó)國(guó)家先進(jìn)封裝工程中心、中國(guó)科學(xué)院微電子所系統(tǒng)封裝與集成研究中心，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)三家聯(lián)合宣讀的文章都針對(duì)毫米波AiP技術(shù)進(jìn)行了有意義的探討，本文作者強(qiáng)烈推薦對(duì)AiP技術(shù)感興趣的讀者閱讀[19-21]。

圖10、矽品AiP實(shí)物照片。

3.4 國(guó)際微波大會(huì)（IMS）

IMS由IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會(huì)舉辦，是微波技術(shù)領(lǐng)域最負(fù)盛名的會(huì)議[22]。今年會(huì)議上有33個(gè)專題研討會(huì)，其中3個(gè)專題研討會(huì)與AiP技術(shù)直接相關(guān)：（1）毫米波系統(tǒng)制造、封裝與內(nèi)置自測(cè)試（WSJ: Millimeter-wave systems; manufacturing, packaging and built-in self test）,(2) 面向5G用于增強(qiáng)型移動(dòng)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(lǐng)域的模組集成及封裝與芯片協(xié)同集成(WFH: Module integration and packaging/IC co-integration for millimeter-wave communications and 5G)。在毫米波系統(tǒng)制造、封裝與內(nèi)置自測(cè)試研討會(huì)上德國(guó)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(guān)5G及毫米波應(yīng)用的封裝方法報(bào)告值得AiP技術(shù)人員學(xué)習(xí)。在面向5G用于增強(qiáng)型移動(dòng)通信的射頻前端研討會(huì)上，英飛凌公司從系統(tǒng)角度闡述了基于鍺硅雙極互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（SiGe-BiCMOS）的毫米波5G通信用戶終端有關(guān)AiP個(gè)數(shù)、布局及每個(gè)AiP上天線個(gè)數(shù)的考量。在用于毫米波及5G通信領(lǐng)域的模組集成及封裝與芯片協(xié)同集成專題研討會(huì)上除了耳熟能詳?shù)腎BM及高通公司介紹他們各自開(kāi)發(fā)的AiP技術(shù)以外，美國(guó)安森美半導(dǎo)體公司（ON Semiconductor）首次從設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試方面介紹了它的毫米波AiP技術(shù)，令人印象深刻。圖11是安森美半導(dǎo)體公司AiP實(shí)驗(yàn)樣片的實(shí)物照片。如圖所示，4個(gè)AiP集成在一個(gè)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(gè)共面耦合微帶天線，其余AiP采用2個(gè)共面耦合微帶天線。測(cè)試表明這些AiP都可以應(yīng)用在60GHz系統(tǒng)上[23]。

圖11、安森美半導(dǎo)體公司AiP實(shí)物照片

3.5 國(guó)際天線與傳播大會(huì)（APS）

APS由IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)舉辦，為了鼓勵(lì)大家交流，會(huì)議投稿一般都會(huì)錄用[24]。今年APS在美國(guó)學(xué)術(shù)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(guò)。一位是朱蘭成先生， 他在位于該城的麻省理工學(xué)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(xué)發(fā)明的倒F天線，極大地促進(jìn)了手持移動(dòng)終端的發(fā)展。

今年三星公司在APS上宣讀了為5G開(kāi)發(fā)的一款毫米波AiP設(shè)計(jì)及在客戶端固定設(shè)備（CPE）真實(shí)應(yīng)用環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果。作者認(rèn)為這是一款別出心裁的毫米波AiP設(shè)計(jì)， 為了降低成本及提高天線性能，16個(gè)空氣介質(zhì)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(dǎo)熱膠粘在毫米波芯片襯底上。AiP先經(jīng)過(guò)獨(dú)立測(cè)試發(fā)現(xiàn)具有4GHz帶寬，最大增益在28GHz是17.3 dBi。然后利用兩個(gè)AiP開(kāi)發(fā)了客戶端固定設(shè)備，整機(jī)測(cè)試表明最大等效全向輻射功率為36.6dBm，可以實(shí)現(xiàn)大于±40°的快速波束掃描[25]。

根據(jù)參加與追蹤上述研討會(huì)，作者發(fā)現(xiàn)目前AiP技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要集中在諸如高通及海思等芯片設(shè)計(jì)公司、臺(tái)積電及三星等半導(dǎo)體集成電路制造公司、日月光及矽品等封裝測(cè)試廠家。而且這些大公司正在不斷地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，旨在實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。反觀傳統(tǒng)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。

4AiP技術(shù)在材料、工藝、設(shè)計(jì)、測(cè)試等方面的新進(jìn)展

半導(dǎo)體封裝材料與工藝是實(shí)現(xiàn)AiP技術(shù)的基礎(chǔ)，測(cè)試是驗(yàn)證AiP性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的必要手段。毫米波通信與雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)AiP技術(shù)的要求都給半導(dǎo)體封裝材料與工藝及測(cè)試帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，但也提供了巨大的商機(jī)。下面作者重點(diǎn)介紹毫米波AiP技術(shù)在材料、工藝、設(shè)計(jì)、測(cè)試等方面的新進(jìn)展。

4.1 材料

封裝天線介質(zhì)材料主要有陶瓷、有機(jī)、模塑化合物三種，導(dǎo)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(guó)量子匯景公司屬下晶材科技開(kāi)發(fā)的陶瓷材料MG60介電常數(shù)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(jià)格卻相對(duì)低廉。MG60 的生瓷帶標(biāo)準(zhǔn)厚度為120μm, 標(biāo)準(zhǔn)寬幅規(guī)格為6英寸，8英寸；可依據(jù)客戶要求進(jìn)行定制。卷料、裁剪好的方形片料可供客戶選擇[26]。

有機(jī)材料在高密度互連（HDI）工藝中得到廣泛應(yīng)用，它的種類(lèi)很多，比如有玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)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(jī)材料中，LCP具有良好的介質(zhì)特性，標(biāo)稱介電常數(shù)為2.9，損耗角正切為0.003，非常適合于設(shè)計(jì)封裝天線，而FR4則具有成本低廉的優(yōu)勢(shì)。

模塑化合物（molding compound）是晶圓級(jí)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(shè)計(jì)封裝天線上[30-32]。表1是兩種模塑化合物的介電常數(shù)及損耗角正切。第一種模塑化合物的相關(guān)值是通過(guò)諧振法在24-36GHz頻段提取出來(lái)的。第二種模塑化合物在不同頻段相關(guān)值是通過(guò)自由空間法所得到。從表中可以看出，模塑化合物介電常數(shù)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(jí)扇出式封裝工藝中還需用到聚合物介質(zhì)，它的介電常數(shù)與模塑化合物相近，但損耗角正切一般高一個(gè)量級(jí)。

表1、模塑化合物介電特性

最近，無(wú)機(jī)材料比如玻璃也開(kāi)始嘗試著用在HDI工藝中作為封裝天線的核心層介質(zhì)材料。玻璃標(biāo)稱介電常數(shù)為3，損耗角正切很小。研究發(fā)現(xiàn)玻璃不僅比傳統(tǒng)的核心層有機(jī)介質(zhì)材料更加穩(wěn)固及不易翹曲，而且可以做的更?。?0-100μm）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(lái)實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)芯片封裝而開(kāi)發(fā)的。后來(lái)經(jīng)過(guò)多家公司幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，我國(guó)有多家公司及研究所提供LTCC加工服務(wù)。

HDI工藝已被許多公司采用開(kāi)發(fā)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(tǒng)開(kāi)發(fā)的基于HDI工藝的AiP結(jié)構(gòu)剖面圖[34]。它由一個(gè)核心層（core）與上下對(duì)稱的各5個(gè)介質(zhì)層及6個(gè)金屬層相互疊加構(gòu)成，厚度為1.61mm。此外，LG與高通公司也分別發(fā)表了它們基于HDI工藝為毫米波5G通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的封裝天線。LG公司的AiP由一個(gè)核心層與上下對(duì)稱的各4個(gè)介質(zhì)層及4個(gè)金屬層相互疊加構(gòu)成，厚度為0.8mm[35]。高通公司的AiP由一個(gè)核心層與上下對(duì)稱的各3個(gè)介質(zhì)層及4個(gè)金屬層相互疊加構(gòu)成，厚度略小于1.1mm[36]。

圖12、IBM公司基于HDI工藝的AiP結(jié)構(gòu)剖面圖

如圖12所示，傳統(tǒng)HDI工藝核心層采用有機(jī)介質(zhì)材料，為了防止整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)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(zhì)層及金屬層的厚度，目前典型值L/S = 50/50μm。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院系統(tǒng)級(jí)封裝卓越研究中心研究人員建議核心層采用無(wú)機(jī)介質(zhì)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(xì)，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(shí)物照片[33]。

(a)

(b)

圖13、美國(guó)佐治亞理工學(xué)基于玻璃核心層的AiP剖面圖及實(shí)物顯微照片

再如圖12所示，傳統(tǒng)HDI工藝為了防止整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲，在核心層上下實(shí)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(shí)現(xiàn)疊加層非平衡式布局以利于低成本量產(chǎn)毫米波5G通信用戶終端AiP。圖14是矽品公司毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)AiP剖面圖實(shí)物顯微照片。如圖所示，AiP由4層金屬及3層介質(zhì)構(gòu)成。金屬層1-4分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)微帶天線片、主動(dòng)微帶天線片、封裝天線地及封裝天線饋電網(wǎng)絡(luò)。饋電網(wǎng)絡(luò)與主動(dòng)微帶天線片互連通過(guò)盲孔實(shí)現(xiàn)[18]。

圖14、矽品公司毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)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(zhuǎn)而用模塑化合物、 重新配置金屬與介質(zhì)層代替。FOWLP工藝最早是由英飛凌公司研發(fā)的，稱之為嵌入式晶圓級(jí)封裝工藝(eWLB)。圖15所示的是焊接在系統(tǒng)PCB 板上的eWLB工藝可以實(shí)現(xiàn)的封裝結(jié)構(gòu)。一般情況下裸芯片被嵌入在厚度為450μm，介電常數(shù)為3.2，損耗角正切為0.004的模塑化合物中。保護(hù)層厚度為35μm，介電常數(shù)為3.2，損耗角正切為0.004。在裸芯片的扇入?yún)^(qū)以及封裝的扇出區(qū)涂有介質(zhì)層D1，起到保護(hù)裸芯片的的作用，D1層的厚度為6.5μm，介電常數(shù)為3.2，損耗角正切為0.035。重新配置的導(dǎo)體層（RDL）是沉積厚度為7.5μm的銅，用于實(shí)現(xiàn)連接線或天線。阻焊掩模層D2用于定義焊球的著落焊盤(pán)，其厚度為9.5μm，介電常數(shù)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(shì)雷達(dá)第1及第2版芯片都采用了基于eWLB工藝設(shè)計(jì)的AiP。圖15也展示了第2版手勢(shì)雷達(dá)芯片及AiP顯微照片。圖中微帶天線輻射片由RDL金屬層實(shí)現(xiàn)，微帶天線地則由系統(tǒng)板上的金屬層實(shí)現(xiàn)[37，38]。

(a)

(b)

圖15、eWLB封裝剖面圖及谷歌手勢(shì)雷達(dá)芯片及AiP實(shí)物顯微照片

顯然eWLB工藝因?yàn)閮H有1層金屬，不利于AiP天線設(shè)計(jì)。為了使得FOWLP工藝適合于AiP設(shè)計(jì)，臺(tái)積電開(kāi)發(fā)出的InFO-AiP技術(shù)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(shí)現(xiàn)，微帶天線地、饋線及耦合槽則在RDL金屬層來(lái)實(shí)現(xiàn)[17]。

圖16、InFO-AiP結(jié)構(gòu)剖面圖

新加坡微電子研究院（IME)在eWLB的基礎(chǔ)上增加了一層模塑化合物、一層金屬及穿過(guò)原來(lái)模塑化合物與RDL相連的盲孔（TMV）實(shí)現(xiàn)毫米波AiP設(shè)計(jì)。圖17 展示了在eWLB的基礎(chǔ)上增加的工藝流程及實(shí)現(xiàn)了的AiP實(shí)物剖面顯微照片[39]。

(a) 用模塑化合物 (1) 重新構(gòu)造的晶圓

(b) 在裸芯片信號(hào)線一側(cè)增加RDL層及相應(yīng)的介質(zhì)層

(c) 在介質(zhì)層上覆蓋模塑化合物 (2)

(d) 在模塑化合物 (2) 上實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(tǒng)板上

(k)

圖17、IME在eWLB的基礎(chǔ)上增加的工藝流程及實(shí)現(xiàn)了的AiP實(shí)物剖面顯微照片

日月光開(kāi)發(fā)的低成本先進(jìn)的單邊基片（aS3-AiP）工藝強(qiáng)調(diào)采用普通封裝設(shè)備及超薄雙層金屬基片取代FOWLP介質(zhì)及RDL層[16]。這樣不僅成本較低，而且過(guò)渡損耗可與FOWLP媲美，在77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用方面具有價(jià)格與性能優(yōu)勢(shì)。

4.3 設(shè)計(jì)

AiP設(shè)計(jì)需要考慮到系統(tǒng)、電路、天線、封裝、互連等多個(gè)方面。限于篇幅，本節(jié)僅介紹AiP設(shè)計(jì)中的天線部分，并且主要講述最新發(fā)展出的疊層微帶天線設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。

疊層微帶天線可以設(shè)計(jì)成雙頻帶或?qū)掝l帶天線。雙頻帶設(shè)計(jì)由S. A. Long 等人于1978年發(fā)表在國(guó)際天線與傳播大會(huì)論文集上[40]，寬頻帶設(shè)計(jì)由P. S. Hall等人于1979年發(fā)表在電子學(xué)快報(bào)中[41]。后續(xù)對(duì)疊層微帶天線的研究主要集中在進(jìn)一步擴(kuò)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(shù)基板搭配等增加帶寬的設(shè)計(jì)技巧[42]，劉章發(fā)等人給出了簡(jiǎn)單計(jì)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(fā)明了新的雙線極化槽耦合疊層微帶天線，實(shí)現(xiàn)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?yàn)V波、靈活實(shí)現(xiàn)單或雙極化、方便靜電保護(hù)、易于滿足多層結(jié)構(gòu)金屬化密度要求及利于散熱等優(yōu)點(diǎn)，因而在AiP設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[11，12，18，19，23]。最早將疊層微帶天線引入到封裝天線設(shè)計(jì)的是李融林等人，他們提出的疊層微帶天線設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則對(duì)封裝天線設(shè)計(jì)具有很高的參考價(jià)值[45]。

疊層微帶天線的上下層貼片分別和地之間構(gòu)成了兩個(gè)諧振頻率不同的微帶天線。一般通過(guò)選擇尺寸有稍微差異的上下層貼片，產(chǎn)生較為接近的兩個(gè)諧振頻率，達(dá)到拓寬頻帶的效果。此外，研究還發(fā)現(xiàn)疊層微帶天線在離開(kāi)工作頻帶高段不遠(yuǎn)處的一個(gè)頻點(diǎn)上，會(huì)出現(xiàn)電流在上下層貼片流向正好相反的狀況，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的輻射在此頻點(diǎn)上互相抵消，輻射效率頻譜曲線上出現(xiàn)了一個(gè)‘傳輸’零點(diǎn)，疊層微帶天線也就成為了一個(gè)名不副實(shí)的濾波器。

疊層微帶天線可以更準(zhǔn)確地稱之為疊層微帶濾波天線，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)載之間的耦合。輻射體1和輻射體2是通過(guò)它們之間的間隙進(jìn)行耦合。

圖18、疊層貼片天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

疊層微帶天線設(shè)計(jì)常常遇到的問(wèn)題是如何調(diào)控上下層貼片的諧振頻率及二者之間的耦合。文獻(xiàn)[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(jì)算諧振頻率的問(wèn)題，但是上下疊層貼片之間耦合的問(wèn)題一直沒(méi)有能得到很好地解決。設(shè)計(jì)者通常都還是通過(guò)參數(shù)掃描來(lái)確定諧振頻率與耦合，這樣作存在著很大的盲目性，常常會(huì)遇到在兩個(gè)諧振頻率附近|S11|遠(yuǎn)低于-10dB，但是在兩個(gè)諧振頻率中間某個(gè)頻段|S11|不論如何調(diào),總是高于-10dB。目前，這一耦合問(wèn)題由上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團(tuán)隊(duì)利用濾波器耦合矩陣?yán)碚摻鉀Q了[46]。解決的方法是將疊層微帶濾波天線看作一個(gè)二階帶通濾波器，天線的輸入口當(dāng)作濾波器的一個(gè)端口，天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射當(dāng)作濾波器的另一個(gè)端口。眾所周知二階帶通濾波器有一套成熟的設(shè)計(jì)方法，診斷與調(diào)試通過(guò)觀測(cè)耦合矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。那么現(xiàn)在的問(wèn)題是如何獲取疊層微帶濾波天線的耦合矩陣？文獻(xiàn)[46]給出的步驟如下：

1) 通過(guò)全波仿真軟件得到疊層微帶天線S11和可實(shí)現(xiàn)輻射效率信息rad2) 去除S11的群時(shí)延與相位加載之后在歸一化的頻域范圍內(nèi)用矢量擬合的方法得到S11的表達(dá)式[47，48]3) 通過(guò)優(yōu)化擬合rad可得到S21的一組零點(diǎn)解。這樣另外2Nz-1組零點(diǎn)也能得到，其中Nz是S21分子的階數(shù)，暫時(shí)先選取其中一組解去進(jìn)行后續(xù)的分析。4) 使用公式得到S22的留數(shù)，同時(shí)滿足不等式時(shí)找到S22常數(shù)項(xiàng)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(jié)果，把S22和S21的相位加載效應(yīng)去掉。6) 把二端口的散射矩陣轉(zhuǎn)換成導(dǎo)納矩陣，然后得到耦合矩陣。7) 計(jì)算出靈敏度矩陣，然后得到濾波天線新的幾何尺寸。8) 重復(fù)步驟1) 到7) ，直到獲得我們想要的頻率響應(yīng)。

圖19是基于Ferro A6M LTCC 材料與工藝設(shè)計(jì)的45°極化疊層微帶天線結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)要求天線應(yīng)具有2GHz的帶寬，覆蓋5G通信的27.5GHz到29.5GHz頻段。設(shè)計(jì)時(shí)的初始值選取參考了文獻(xiàn)[44]中的數(shù)據(jù)，診斷與調(diào)試根據(jù)上述步驟進(jìn)行，一般經(jīng)過(guò)3到5個(gè)循環(huán)就可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。表2是設(shè)計(jì)尺寸。

圖19、45°極化疊層微帶天線結(jié)構(gòu)

表2、45°極化疊層微帶天線設(shè)計(jì)尺寸

圖20是實(shí)物照片及設(shè)計(jì)與測(cè)試的S11和增益頻譜曲線。如圖所示，設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果吻合的非常好，表明新方法不僅正確，而且可以提高設(shè)計(jì)效率。圖21是將45°極化疊層微帶天線組成2元陣實(shí)物照片及設(shè)計(jì)與測(cè)試的S11和增益頻譜曲線，設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果仍然吻合良好[49]。

圖20、實(shí)物照片及設(shè)計(jì)與測(cè)試的S11和增益頻譜曲線

圖21、實(shí)物照片及設(shè)計(jì)與測(cè)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(shí)際的應(yīng)用中可能面對(duì)更嚴(yán)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(shù)的升高，S21分子的選擇可能性就會(huì)呈現(xiàn)指數(shù)式的增長(zhǎng)，所以對(duì)S21分子零點(diǎn)的選取應(yīng)該找一些更有力的依據(jù)，使其最好只能選取一種情況。同時(shí)對(duì)于S22常數(shù)項(xiàng)的選取方法也需要一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。

為了進(jìn)一步提高AiP技術(shù)天線部分設(shè)計(jì)通用性及效率，上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團(tuán)隊(duì)成功地將蝙蝠優(yōu)化算法在Matlab中實(shí)現(xiàn)，而且通過(guò)Script鏈接到HFSS對(duì)天線進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化調(diào)試，取得了非常令人滿意的結(jié)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(jīng)過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了6GHz的帶寬，覆蓋5G通信的24GHz到30GHz頻段。

4.4 測(cè)試

測(cè)試是AiP技術(shù)非常重要的一環(huán)，目前AiP測(cè)試的重點(diǎn)已經(jīng)由研發(fā)環(huán)境下仔細(xì)深入地測(cè)試與表征向生產(chǎn)階段快速功能測(cè)試與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)評(píng)估方面轉(zhuǎn)移。研發(fā)環(huán)境下的AiP測(cè)試技術(shù)相對(duì)成熟，一般都采用在小型天線暗室中搭建的探針式測(cè)試平臺(tái)上完成。圖22是上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團(tuán)隊(duì)建成的集成天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)照片。該測(cè)試平臺(tái)可以完成從18GHz到325GHz（為適應(yīng)THz頻段天線測(cè)試可擴(kuò)展到500GHz或更高）片上天線及封裝天線阻抗及輻射特性測(cè)試。平臺(tái)支持探針及波導(dǎo)饋電，110GHz以下也可用同軸饋電，性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。平臺(tái)自建成后，利用率相當(dāng)高，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。

圖22、上海交通大學(xué)集成天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)照片

但是，圖22所示的測(cè)試平臺(tái)并不適用于生產(chǎn)線上快速測(cè)試的要求。生產(chǎn)階段快速測(cè)試與生產(chǎn)線所采用的封裝工藝緊密相關(guān)。如果AiP采用HDI工藝制造，那么AiP本身可以進(jìn)行獨(dú)立的傳導(dǎo)及OTA（over-the-air）測(cè)試，芯片封裝好以后還可以進(jìn)行OTA 測(cè)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(jìn)行OTA 測(cè)試。生產(chǎn)線上AiP測(cè)試至少需要測(cè)試儀（Tester）、操作儀（handler）、接觸器（contactor）、探頭（probe）及天線暗室等儀器設(shè)備。測(cè)試儀與操作儀可以在已有的半導(dǎo)體封測(cè)設(shè)備上添加或擴(kuò)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(zhàn)。美國(guó)Xcerra公司最近在為毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)AiP測(cè)試方面開(kāi)發(fā)接觸器與探頭方面取得進(jìn)展，圖23所示的接觸器工作頻率可以到100GHz，適用于球形焊點(diǎn)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(jìn)行無(wú)線測(cè)量[51，52]。

系統(tǒng)級(jí)指標(biāo)評(píng)估是AiP已經(jīng)安裝在整機(jī)內(nèi)，需要按照系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)所進(jìn)行的測(cè)試。目前這一方面的測(cè)試系統(tǒng)與方法已取得顯著進(jìn)展，這里不再贅述。

圖23、Xcerra公司開(kāi)發(fā)的AiP測(cè)試接觸器

5結(jié)束語(yǔ)

2018年注定是商用毫米波通信與雷達(dá)發(fā)展史上重要的一年，也會(huì)是毫米波5G通信發(fā)展里程碑式的一年，更加會(huì)是奏響AiP技術(shù)進(jìn)入海量應(yīng)用序曲的一年。

作者首先分析了新聞發(fā)布、媒體報(bào)道及市場(chǎng)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)適用于毫米波5G通信用戶終端的AiP技術(shù)是目前大家最關(guān)注的熱點(diǎn)。接著作者通過(guò)組織、參加與追蹤研討會(huì)，發(fā)現(xiàn)目前AiP技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要集中在諸如高通及海思等芯片設(shè)計(jì)公司、臺(tái)積電及三星等半導(dǎo)體集成電路制造公司、日月光及矽品等封裝測(cè)試廠家。而且這些大公司正在不斷地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，旨在實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。反觀傳統(tǒng)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(diǎn)介紹了AiP技術(shù)在材料、工藝、設(shè)計(jì)、測(cè)試等方面的新進(jìn)展。在材料方面，模塑化合物與玻璃受到關(guān)注。在HDI工藝方面，增加核心層厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)非平衡式疊加層布局，證明有利于低成本量產(chǎn)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(shí)現(xiàn)高性能AiP，金屬層在增加。設(shè)計(jì)方面是大學(xué)研究生可以著力的地方。上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團(tuán)隊(duì)最近在AiP設(shè)計(jì)方法上取得了新成果，成功地將蝙蝠優(yōu)化算法在Matlab中實(shí)現(xiàn)，而且通過(guò)Script鏈接到HFSS對(duì)天線進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。測(cè)試是AiP技術(shù)非常重要的一環(huán)。目前AiP測(cè)試的重點(diǎn)已經(jīng)由研發(fā)環(huán)境下深入細(xì)致地測(cè)試與表征向生產(chǎn)階段快速功能測(cè)試與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)評(píng)估方面轉(zhuǎn)移。將微帶天線嵌入到接觸器中進(jìn)行無(wú)線測(cè)量是令人耳目一新及有意義的嘗試。