編者按：為了推進(jìn)封裝天線技術(shù)在我國深入發(fā)展，微波射頻網(wǎng)去年特邀張躍平教授撰寫了《封裝天線技術(shù)發(fā)展歷程回顧》一文。該文章在網(wǎng)站和微信公眾號發(fā)表后引起了廣泛傳播和關(guān)注，成為了點(diǎn)閱率最高的經(jīng)典。今年是毫米波5G移動(dòng)通信發(fā)展里程碑式的一年，也是奏響封裝天線技術(shù)進(jìn)入毫米波5G移動(dòng)通信與車聯(lián)網(wǎng)海量應(yīng)用序曲的一年。因此，微波射頻網(wǎng)再次特邀張躍平教授撰寫《封裝天線技術(shù)最新進(jìn)展》報(bào)告呈獻(xiàn)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(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能的一門技術(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)級無線芯片提供了良好的天線與封裝解決方案。最新權(quán)威市場分析報(bào)告斷言，AiP技術(shù)會是毫米波5G通信與汽車?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)牙無線技術(shù)一起發(fā)芽，中期與60GHz無線技術(shù)及毫米波雷達(dá)一起成長，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)開發(fā)正圍繞著萬物互聯(lián)（IoT）及毫米波5G移動(dòng)通信與汽車?yán)走_(dá)芯片如火如荼展開。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、或以研討會方式面對面及在線交流、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、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)、測試等方面的新進(jìn)展。

2、從新聞發(fā)布、媒體報(bào)道及市場分析報(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)及場所就顯得相當(dāng)重要。消費(fèi)類電子產(chǎn)品新聞發(fā)布首選時(shí)間與場地是每年1月在美國內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯召開的國際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會（CES）。移動(dòng)通信類電子產(chǎn)品新聞發(fā)布則會選在每年2月在西班牙巴塞羅那召開的世界移動(dòng)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(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，增加公司營銷、擴(kuò)大公司產(chǎn)品在市場占有率的目的。媒體報(bào)道力求圖文并茂、吸人眼球、引人注目。市場分析報(bào)告在于能夠洞悉行業(yè)市場變化，把握市場機(jī)會，借以提供公司參考，推動(dòng)市場開發(fā)工作。最近或許受到越來越多令人鼓舞的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，海量的用在人們的手機(jī)內(nèi)、駕駛的汽車上，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)通信史冊上的一天。高通（Qualcomm）公司利用自己開發(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，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日在中國深圳宣布Hi1181 60GHz系統(tǒng)級芯片成功通過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)級芯片(SoC)。為了滿足市場應(yīng)用需求，海思基于Hi1181 SoC開發(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毫米見方，適用于超寬帶無線視頻傳輸。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毫米見方，適用于無線虛擬現(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?yán)走_(dá)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(lián)發(fā)科毫米波汽車?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?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）公司在開發(fā)CMOS毫米波芯片與AiP技術(shù)方面著力很早，成績斐然。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)的車聯(lián)網(wǎng)車載系統(tǒng)去掉防護(hù)罩后的實(shí)物照片。該車載系統(tǒng)裝在車頂，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)的車聯(lián)網(wǎng)實(shí)物照片

作者原先預(yù)計(jì)AiP的制造與測試會主要由半導(dǎo)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(qiáng)，都有在開發(fā)AiP技術(shù)。但現(xiàn)在看來半導(dǎo)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(fā)的5G的巨大潛力所吸引很可能會捷足先登，搶先占領(lǐng)5G AiP技術(shù)市場。半導(dǎo)體集成電路制造公司僅需要面對為數(shù)不多的芯片設(shè)計(jì)（Fabless）公司， 封裝測試廠家僅需要面對為數(shù)更少的半導(dǎo)體集成電路制造公司。它們的新聞發(fā)布一般會選在自己主辦的年度技術(shù)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(shù)論壇宣布，成功開發(fā)出晶圓級扇出式封裝天線(InFO-AiP)技術(shù)，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(yīng)用^[7]。三星5月22日在美國加州硅谷召開的年度先進(jìn)封裝技術(shù)推介會上強(qiáng)調(diào)，為了支持毫米波5G通信產(chǎn)品開發(fā)需求，三星封裝天線（AiP）技術(shù)也會及時(shí)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(zhàn)略咨詢公司，與我國相關(guān)企業(yè)合作緊密，關(guān)系良好。它的市場分析報(bào)告因?yàn)槟軌驇椭蛻羯钊氲乩斫馐袌雠c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。Yole公司去年年尾出版了3份市場分析報(bào)告：（1）5G對射頻前端產(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)級封裝 “Advanced RF System-in-Package for cell phones”，（3）2018年度汽車?yán)走_(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)會是毫米波5G通信與汽車?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AiP技術(shù)已經(jīng)是毫米波汽車?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)告引用將會在未來THz成像雷達(dá)方面應(yīng)用。

圖5、毫米波汽車?yán)走_(dá)發(fā)展路線圖

總而言之，市場是技術(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、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)域舉辦的研討會上得到驗(yàn)證。下面作者開始追蹤今年到現(xiàn)在不同領(lǐng)域舉辦過的研討會，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日在美國舊金山召開的國際固態(tài)電路大會（http://isscc.org/2018/），然后轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(fèi)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(tài)電路大會（ISSCC）

ISSCC由IEEE固態(tài)電路學(xué)會舉辦，俗稱芯片奧林匹克（Chip Olympia），是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最頂級的會議。去年IBM公司的AiP技術(shù)在會上一枝獨(dú)秀，今年AiP技術(shù)在會上百花齊放。英飛凌（Infineon）公司AiP技術(shù)加持的谷歌（Google）60GHz手勢雷達(dá)，經(jīng)大會層層篩選，亮相于大會首次舉辦的行業(yè)展示（Industry Showcase）。在5G與后續(xù)移動(dòng)通信的毫米波無線電系統(tǒng)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(fā)的AiP技術(shù)，3篇大學(xué)的文章中有2篇簡單提到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。圖7d與e分別是高通公司為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)開發(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（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(xué)院推導(dǎo)出麥克斯韋方程，預(yù)測到電磁波的存在。當(dāng)代彭德里爵士（John B. Pendry）在帝國學(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，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士應(yīng)邀作大會主旨報(bào)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(xué)。當(dāng)時(shí)，段寶巖院士在利物浦大學(xué)作博士后，我在作訪問學(xué)者。段寶巖院士大會主旨報(bào)告著重介紹了中國天眼艱苦的研制過程，報(bào)告內(nèi)容豐富，演講相當(dāng)精彩，受到與會者的廣泛好評。段寶巖院士應(yīng)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(fā)言。東南大學(xué)洪偉教授應(yīng)邀作大會特邀報(bào)告。洪偉教授介紹了中國5G研制已取得的成果及后續(xù)任務(wù)。洪偉教授作為中國5G推進(jìn)組組長在報(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)。主講者是法國尼斯大學(xué)的一位教授，曾同作者合作過研發(fā)基于LTCC的AiP技術(shù)。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(shù)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(shí)對封裝天線技術(shù)發(fā)展做出過貢獻(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(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   國際電子元件與技術(shù)大會（ECTC）

ECTC由IEEE電子封裝學(xué)會舉辦，是封裝、元件、微電子系統(tǒng)領(lǐng)域最頂級的會議。封裝天線技術(shù)被認(rèn)為是封裝產(chǎn)業(yè)鏈新的增長點(diǎn)，所以理所當(dāng)然地受到半導(dǎo)體封裝測試廠商的重視。今年ECTC上電子封裝學(xué)會下屬的的高速、 無線與元件技術(shù)委員會組織了一個(gè)分會專門研討射頻與毫米波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、臺積電、矽品公司工程師們撰寫的文章。他們都是封裝設(shè)計(jì)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(dǎo)體封裝測試領(lǐng)域龍頭企業(yè)，臺積電是半導(dǎo)體集成電路制造行業(yè)老大，封裝測試行業(yè)后起之秀。用臺灣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)入快車道。

日月光的文章著重介紹了為77GHz汽車?yán)走_(dá)開發(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)板的過渡損耗后，指出盡管晶圓級扇出式封裝技術(shù)具有過渡損耗小的優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)的單邊基片封裝技術(shù)除了成本較低，而且過渡損耗可與晶圓級扇出式封裝技術(shù)媲美，在77GHz汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用方面具有優(yōu)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(tǒng)集成的晶圓級扇出式（InFO-AiP）技術(shù)。臺積電的工程師們設(shè)計(jì)的通過共面波導(dǎo)槽耦合激勵(lì)的微帶天線實(shí)測表明能夠?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)，但是從文章中無從得知臺積電在新聞發(fā)布時(shí)提到的天線增益可提高40%是如何而來。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(guān)^[17]。

有感于目前基于HDI材料與工藝開發(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題，非平衡式基片在成本方面更有優(yōu)勢。矽品的文章從設(shè)計(jì)、制造、測試等方面詳細(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、美國佐治亞理工學(xué)院宣讀的文章以及中國國家先進(jìn)封裝工程中心、中國科學(xué)院微電子所系統(tǒng)封裝與集成研究中心，中國科學(xué)院大學(xué)三家聯(lián)合宣讀的文章都針對毫米波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   國際微波大會（IMS）

IMS由IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會舉辦，是微波技術(shù)領(lǐng)域最負(fù)盛名的會議^[22]。今年會議上有33個(gè)專題研討會，其中3個(gè)專題研討會與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(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)同集成專題研討會上除了耳熟能詳?shù)腎BM及高通公司介紹他們各自開發(fā)的AiP技術(shù)以外，美國安森美半導(dǎo)體公司（ON Semiconductor）首次從設(shè)計(jì)、制造及測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   國際天線與傳播大會（APS）

APS由IEEE天線與傳播學(xué)會舉辦，為了鼓勵(lì)大家交流，會議投稿一般都會錄用^[24]。今年APS在美國學(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。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)過獨(dú)立測試發(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開發(fā)了客戶端固定設(shè)備，整機(jī)測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，作者發(fā)現(xiàn)目前AiP技術(shù)的開發(fā)主要集中在諸如高通及海思等芯片設(shè)計(jì)公司、臺積電及三星等半導(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(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。

4、AiP技術(shù)在材料、工藝、設(shè)計(jì)、測試等方面的新進(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AiP技術(shù)的要求都給半導(dǎo)體封裝材料與工藝及測試帶來了很大的挑戰(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，我國量子匯景公司屬下晶材科技開發(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，它的種類很多，比如有玻璃纖維環(huán)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(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。

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(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(guān)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(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。

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(shù)	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(jī)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(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(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)芯片封裝而開發(fā)的。后來經(jīng)過多家公司幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，我國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)開發(fā)的封裝天線。LG公司的AiP由一個(gè)核心層與上下對稱的各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。美國佐治亞理工學(xué)院系統(tǒng)級封裝卓越研究中心研究人員建議核心層采用無機(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?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盲孔實(shí)現(xiàn)^[18]。

圖14、矽品公司毫米波汽車?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，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)，臺積電開發(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、一層金屬及穿過原來模塑化合物與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，而且過渡損耗可與FOWLP媲美，在77GHz汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用方面具有價(jià)格與性能優(yōu)勢。

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)表在國際天線與傳播大會論文集上^[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工作頻帶高段不遠(yuǎn)處的一個(gè)頻點(diǎn)上，會出現(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(shè)計(jì)者通常都還是通過參數(shù)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(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)試通過觀測耦合矩陣來實(shí)現(xiàn)。那么現(xiàn)在的問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_rad
2) 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) 通過優(yōu)化擬合_rad可得到S₂₁的一組零點(diǎn)解。這樣另外2^Nz-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2^Nz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

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(shí)物照片及設(shè)計(jì)與測試的S₁₁和增益頻譜曲線。如圖所示，設(shè)計(jì)與測試結(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)與測試的S₁₁和增益頻譜曲線，設(shè)計(jì)與測試結(jié)果仍然吻合良好^[49]。

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

圖21、實(shí)物照片及設(shè)計(jì)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(shí)際的應(yīng)用中可能面對更嚴(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呈現(xiàn)指數(shù)式的增長，所以對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Script鏈接到HFSS對天線進(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   測試

測試是AiP技術(shù)非常重要的一環(huán)，目前AiP測試的重點(diǎn)已經(jīng)由研發(fā)環(huán)境下仔細(xì)深入地測試與表征向生產(chǎn)階段快速功能測試與系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)評估方面轉(zhuǎn)移。研發(fā)環(huán)境下的AiP測試技術(shù)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(xué)毛軍發(fā)院士團(tuán)隊(duì)建成的集成天線遠(yuǎn)場自動(dòng)測試平臺照片。該測試平臺可以完成從18GHz到325GHz（為適應(yīng)THz頻段天線測試可擴(kuò)展到500GHz或更高）片上天線及封裝天線阻抗及輻射特性測試。平臺支持探針及波導(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。平臺自建成后，利用率相當(dāng)高，已為國內(nèi)多家科研院所的研究項(xiàng)目及公司產(chǎn)品開發(fā)提供了測試服務(wù)，極大地助進(jìn)了我國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)場自動(dòng)測試平臺照片

但是，圖22所示的測試平臺并不適用于生產(chǎn)線上快速測試的要求。生產(chǎn)階段快速測試與生產(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）測試，芯片封裝好以后還可以進(jìn)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(jìn)行OTA 測試。生產(chǎn)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(shè)備。測試儀與操作儀可以在已有的半導(dǎo)體封測設(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Xcerra公司最近在為毫米波汽車?yán)走_(dá)AiP測試方面開發(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)行無線測量^[51，52]。

系統(tǒng)級指標(biāo)評估是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)行的測試。目前這一方面的測試系統(tǒng)與方法已取得顯著進(jìn)展，這里不再贅述。

圖23、Xcerra公司開發(fā)的AiP測試接觸器

5、結(jié)束語

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，也會是毫米波5G通信發(fā)展里程碑式的一年，更加會是奏響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)道及市場報(bào)告，發(fā)現(xiàn)開發(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)。接著作者通過組織、參加與追蹤研討會，發(fā)現(xiàn)目前AiP技術(shù)的開發(fā)主要集中在諸如高通及海思等芯片設(shè)計(jì)公司、臺積電及三星等半導(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(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Script鏈接到HFSS對天線進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。測試是AiP技術(shù)非常重要的一環(huán)。目前AiP測試的重點(diǎn)已經(jīng)由研發(fā)環(huán)境下深入細(xì)致地測試與表征向生產(chǎn)階段快速功能測試與系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)評估方面轉(zhuǎn)移。將微帶天線嵌入到接觸器中進(jìn)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(xiàn)博士合作正在編著第一本AiP技術(shù)與應(yīng)用方面的英文書，有望明年與讀者見面。

致謝

太原理工大學(xué)盛劍桓教授，香港中文大學(xué)黃振峰博士，香港中文大學(xué)程伯中教授，南洋理工大學(xué)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(xué)電子工程學(xué)講座教授，IEEE天線與傳播學(xué)會杰出講師，IEEE Fellow。曾任太原理工大學(xué)教授，香港大學(xué)客座教授，IEEE天線與傳播匯刊副主編及天線與傳播領(lǐng)域評獎(jiǎng)委員會委員。曾榮獲IEEE天線與傳播學(xué)會謝昆諾夫論文獎(jiǎng)。目前研究興趣主要集中在無線電電子學(xué)。