關于封裝天線技術系列詳解

1.引言

無線通信發(fā)展迅速，4G的商用才剛剛鋪開，5G研發(fā)的熱潮已迎面撲來。在未來的幾年里，5G旨在實現(xiàn)低時延、高速率、大容量萬物互聯(lián)，將會徹底改變我們同世界互動的方式。為了使5G的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實，必須突破幾個關鍵技術藩籬，其中一個核心技術的難題就與我們的領域息息相關，即如何利用大規(guī)模MIMO天線陣列實現(xiàn)波束成形、掃描、追蹤、鎖定來有效對抗毫米波移動信道的路徑損耗。

汽車雷達改善了駕車安全同時，也提升了全新的駕車體驗。目前，汽車雷達工作在24GHz和77GHz的窄頻帶范圍，僅起到預警及輔助駕駛的作用。未來汽車雷達將朝著工作在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現(xiàn)無人駕駛。2015年，谷歌手勢雷達一經(jīng)問世，便立刻造成全球轟動。手勢雷達工作在60GHz頻帶，跟蹤人手移動及其變化，非常適合嵌入在可穿戴設備、手機和其它電子產(chǎn)品中作為用戶界面。

消費類電子產(chǎn)品的硬件主要是通過系統(tǒng)級芯片（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SiP）技術來實現(xiàn)。SoC技術通過半導體工藝在同一個芯片上集成實現(xiàn)系統(tǒng)功能的各種電路。而SiP技術則是通過封裝工藝將各個功能模塊集成在一個封裝內(nèi)。盡管SOC技術可以以更低的系統(tǒng)成本來提高系統(tǒng)的可靠性和功能，但是由于使用相同的材料和工藝，沒辦法使每個類型的電路性能達到最優(yōu)，進而導致系統(tǒng)性能降低和系統(tǒng)功耗增加等問題。相反，SiP技術可以提升系統(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，會導致系統(tǒng)的可靠性降低和系統(tǒng)成本增加等問題。

天線是無線系統(tǒng)中的重要部件，有分離和集成兩種形式。分離天線司空見慣，集成天線也已悄悄地進入到我們的視線。集成天線包括片上天線（AoC）和封裝天線（AiP）兩大類型。AoC技術通過半導體材料與工藝將天線與其它電路集成在同一個芯片上?？紤]到成本和性能，AoC技術更適用于太赫茲頻段。AiP技術是通過封裝材料與工藝將天線集成在攜帶芯片的封裝內(nèi)。AiP技術很好地兼顧了天線性能、成本及體積，代表著近年來天線技術重大成就，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無線通信和手勢雷達芯片都采用了AiP技術。除此之外，在79GHz汽車雷達［2］， 94GHz相控陣天線，122GHz、145GHz和160GHz傳感器以及300GHz無線鏈接芯片中都可以找到AiP技術的身影。毋庸置疑，AiP技術也將會為5G毫米波移動通信系統(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技術中明確區(qū)分開來呢？原因其實很簡單，就是為了強調(diào)它們獨有的輻射特性。關于AoC技術，需另辟專文詳述，本文僅擬論及AiP技術。盡管AiP技術方面的論文和專利有很多，但還沒有一篇回顧AiP技術發(fā)展歷程及其背后故事的文章，本文旨在填補這一方面的空白。另外，本文也是介紹封裝天線技術系列文章的第一篇：歷史篇。在文中我將利用AiP技術發(fā)展歷程中起到重要推動作用的經(jīng)典設計為例，加以自己親身經(jīng)歷的故事，為大家勾勒出AiP技術發(fā)展的來龍去脈。

2.AiP技術發(fā)展歷程

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

2.1 早期與藍牙無線技術一起發(fā)芽

我于1993年初榮幸地成為香港中文大學國際知名衛(wèi)星天線專家黃振峰博士課題組一員，有機會參與制造和測試多款微帶天線。通過使用一種剛問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，這樣利用幾個小型化天線就可以實現(xiàn)手機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任香港中文大學校長高錕教授的注意，有一天召集我們到他辦公室向他匯報。然而，我們關于實現(xiàn)天線小型化的研究似乎沒有給高錕教授留下深刻印象。他打比喻說：將四條腿的長凳縮小到三條腿的板凳只是進化而已，大學應該嘗試做一些革命性的研究。高錕教授獲2009年度諾貝爾物理學獎，也許高錕教授這樣偉大的科學家更關注研究的科學價值，而我們則更強調(diào)潛在的應用。幸運的是，我們關于天線小型化的工作在天線領域受到歡迎，并在1995年IEEE天線與傳播國際研討會上與摩托羅拉公司設計的類似天線在同一會場宣讀［33］，直接促進了陶瓷貼片天線的發(fā)展。1996年，我加入了香港城市大學國際著名的天線實驗室從事介質(zhì)諧振器天線研究。偶然的機會我在香港城市大學遇到了材料科學家李國源博士，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，臨別時還慷慨地向我贈送了好多塊他燒好的LTCC基板用于天線研究。這些LTCC基板除了后來用于天線試驗毀壞的以外，剩余的我至今還保留著。李國源博士現(xiàn)在是華南理工大學教授。1998年，我離開任教的香港大學前往新加坡南洋理工大學就職。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的實驗室從事天線與電磁波傳播研究。在參觀集成電路實驗室時，我看到了圖一所示的裝置，就問實驗室一個研究生那是微帶天線嗎？研究生回答到：“不，那不是，那是一個集成電路芯片?！辈痪茫娐放c系統(tǒng)系啟動了“片上軟件無線電”的戰(zhàn)略性研究項目，我的任務是為這個項目開發(fā)天線技術。因為對圖1所示的集成電路芯片同微帶天線結(jié)構相似的著迷，以及預測到未來有可能產(chǎn)生一種革命性的天線解決方案所激動，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，我找來許多現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來進行天線及電路實驗研究它們之間的相互影響。圖2左就是當時實驗過的一個在雙列直插式封裝上實現(xiàn)的2.4GHz天線。后來發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來進行天線實驗有很大的局限性，于是決定利用印刷電路板（PCB）工藝加工集成電路封裝結(jié)構模型且印制有天線。圖2中所示的集成電路封裝結(jié)構模型利用了三層電路板，天線印制在頂層板上，信號線及封裝地在低層板上實現(xiàn)，中間層中空夾在頂?shù)蛯又g形成一個腔體來攜帶裸芯片。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，都獲得了令人滿意的實驗結(jié)果。受其鼓舞，我和我的學生林偉、薛陽及王珺珺于2003年利用LTCC工藝實現(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工藝為藍牙芯片開發(fā)的差分封裝天線。

與此同時，英國伯明翰大學C.T. Song，P.S. Hall和H.Ghafouri-Shiraz提出了兩個有關天線封裝的概念。第一個概念突出體現(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寄生單元，從而改善封裝天線的低增益并增加帶寬。第二個概念建議在半導體芯片上實現(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封裝頂蓋，密封整個芯片［36］。Hall教授學識淵博、謙虛低調(diào)，是國際天線界一位德高望重的學者。為表彰他在微帶天線方面所做出的杰出貢獻， 美國IEEE天線與傳播學會授予他2012年度the John Kraus Antenna Award， 英國IET授予他2013年度the James R. James Lifetime Achievement Award.

幾乎在同一時間，封裝工程師也在嘗試解決相同的問題。D.J.Mathews等人申報了一項內(nèi)置電磁防護罩和天線的用于藍牙芯片封裝的發(fā)明專利［37］。美國佐治亞理工學院K.T.Lim等人設法在封裝系統(tǒng)（SoP）上集成射頻無源器件、天線和有源芯片，以增強封裝系統(tǒng)的整體性能和增加更多功能［38］。比利時校際微電子中心S.Brebels等人也實現(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。

稍后一些時間，香港城市大學梁國華教授及新加坡微電子研究所A.P.Popov博士分別獨立發(fā)明基于介質(zhì)諧振器天線的AiP技術［40］，［41］。梁國華教授同我90年代初相識在香港中文大學微波實驗室。當時他博士即將畢業(yè)，他的博士導師實際上是陸貴文教授。據(jù)說梁國華博士論文答辯時，答辯委員會主席認為他提交給中文大學的博士論文等于其它學校的兩份博士論文。梁國華教授后來被任命為IEEE天線與傳播匯刊的主編。也聽說陸貴文教授當年在香港大學提交的碩士論文被英國倫敦大學一位國際著名的教授認為是一篇優(yōu)異的博士論文，建議香港大學直接授予陸貴文博士學位。陸貴文教授獲2017年度IEEE天線與傳播學會the John Kraus Antenna Award。加上曾經(jīng)長期在香港中文大學及城市大學工作過的李啟方教授于2009年獲the John Kraus Antenna Award，微帶天線的研究至少已產(chǎn)生了三位獲獎者。

2.2 中期與60GHz無線技術及毫米波雷達一起成長

2005年三月初，在新加坡舉辦的第一屆小型天線國際研討會（International Workshop on Small Antenna Technology）上， 我第一次見到了來自IBM Thomas J. Watson Research Center的Brian Gaucher先生和劉兌現(xiàn)博士，并邀請他們訪問了南洋理工大學。Brian就IBM的60GHz SiGe芯片、天線、封裝和測試設備做了學術報告。圖3為IBM用于概念驗證的60GHz芯片照片。SiGe裸芯片通過倒裝焊技術與天線連接、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。雙方當場就達成了基于LTCC工藝合作開發(fā)用于IBM 60GHz SiGe芯片組的封裝天線的可行性研究計劃。我和我的學生孫梅博士負責設計工作，邀請新加坡制造技術研究所（SIMTech）的一個研究小組負責LTCC加工，劉兌現(xiàn)博士負責評估并向我反饋測試結(jié)果。

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

早期在封裝上集成天線，所用英文名稱五花八門。隨著開發(fā)的深入我意識到一個專門響亮的名稱非常有利于去推廣它。2006年起，我首先使用Antenna-in-Package的名稱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技術的一大挑戰(zhàn)。2006年三月初，我參加了在美國紐約舉辦的第二屆小型天線國際研討會，并訪問了IBM Thomas J. Watson Research Center，與劉兌現(xiàn)、U. R. Pfeiffer和Janusz Grzyb 博士討論了AiP 技術問題。很遺憾，這次訪問并沒有見到已于2004年離開IBM的Thomas Zwick 博士。Thomas在開發(fā)探針式毫米波集成天線測試系統(tǒng)及AiP鍵合線互連方面做出了突出貢獻。此次會面增強了雙方合作，加速了AiP技術的發(fā)展。圖4展示了設計階段獲取的截圖和劉兌現(xiàn)博士評估和測試的基于LTCC加工的AiP樣品。這一樣品集成了共面波導饋線、準腔體、定向保護環(huán)、基板材料調(diào)制的槽天線。天線輸入阻抗故意設計成容性的與芯片通過感性的鍵合線互連，結(jié)果令人滿意，并在2007年三月英國劍橋舉辦的第三屆小型天線國際研討會上被授予最佳論文獎。事實上，在赴英參會之前我在一次內(nèi)部會議上就對孫梅博士及新加坡制造技術研究所的合作者預測到60GHz AiP技術論文會獲獎。而且，還有一件有趣的事情，那就是在劍橋大學的演講廳等待頒獎時，我在一張會議用紙上寫了個便條，再一次預測有關AiP的工作將會贏得更高獎項。我也請劉兌現(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年IEEE 天線與傳播學會謝昆諾夫論文獎（Sergei A. Schelkunoff Transactions Prize Paper Award）［43］。這是該獎項自1957年設立以來，亞洲研究者首次及至今唯一獲此殊榮。謝昆諾夫是國際著名的電磁理論學家。他于1920年代初期從前蘇聯(lián)經(jīng)我國移居美國。他在工程電磁場、天線理論、波導理論、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。他使應用數(shù)學煥發(fā)出光彩， 許多工作帶有奠基性質(zhì)。就經(jīng)典電動力學方法（即量子理論以外領域）而言， 我國著名物理學家黃志詢先生認為可以把他比作二十世紀的麥克斯韋［44］。