國家千人計劃專家、IEEE Fellow 張躍平教授:封裝天線技術發展歷程回顧

2017-10-25 來源:微波射頻網作者:張躍平教授 我要評論(0) 字號:

編者按:封裝天線(AiP)技術是過去近20年來為適應系統級無線芯片出現所發展起來的天線解決方案。如今AiP 技術已成為60GHz無線通信和手勢雷達系統的主流天線技術。AiP 技術在79GHz汽車雷達, 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提供很好的天線解決方案。為了推進AiP技術在我國深入發展,微波射頻網特邀國家千人計劃專家張躍平教授撰寫封裝天線技術發展歷程回顧已饗讀者。

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實現系統級無線功能的一門技術。 AiP技術順應了硅基半導體工藝集成度提高的潮流,為系統級無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的重要成就。另外,AiP技術將天線觸角伸向集成電路、封裝、材料與工藝等領域,倡導多學科協同設計與系統級優化。AiP技術已逐漸趨于常熟,在技術方面有很多論文和專利可供參考,但還沒有一篇回顧AiP技術發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。在文中我將利用AiP技術發展歷程中起到重要推動作用的經典設計為例,加以自己親身經歷的故事,為大家勾勒出AiP技術發展的來龍去脈。

1.引言

無線通信發展迅速,4G的商用才剛剛鋪開,5G研發的熱潮已迎面撲來。在未來的幾年里,5G旨在實現低時延、高速率、大容量萬物互聯,將會徹底改變我們同世界互動的方式。為了使5G的愿景變為現實,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,即如何利用大規模MIMO天線陣列實現波束成形、掃描、追蹤、鎖定來有效對抗毫米波移動信道的路徑損耗[1]

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寬頻帶發展,利用4GHz帶寬獲得更高的空間分辨率甚至實現無人駕駛[2]。2015年,谷歌手勢雷達一經問世,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、手機和其它電子產品中作為用戶界面[3]

消費類電子產品的硬件主要是通過系統級芯片(SoC)和系統級封裝(SiP)技術來實現。SoC技術通過半導體工藝在同一個芯片上集成實現系統功能的各種電路。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[4]。 盡管SOC技術可以以更低的系統成本來提高系統的可靠性和功能,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,進而導致系統性能降低和系統功耗增加等問題。相反,SiP技術可以提升系統性能、降低系統功耗,但是由于功能模塊和封裝制作采用不同的材料和工藝,會導致系統的可靠性降低和系統成本增加等問題。

天線是無線系統中的重要部件,有分離和集成兩種形式。分離天線司空見慣[5],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[6]。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[7-11]。考慮到成本和性能,AoC技術更適用于太赫茲頻段[12-14]。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。 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[15-26]。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[27-32]。毋庸置疑,AiP技術也將會為5G毫米波移動通信系統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,那么我們為什么要將它們從SoC和SiP技術中明確區分開來呢?原因其實很簡單,就是為了強調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技術發展歷程中起到重要推動作用的經典設計為例,加以自己親身經歷的故事,為大家勾勒出AiP技術發展的來龍去脈。

2.AiP技術發展歷程

AiP技術早在該術語被提出和普及之前就已經存在。AiP技術繼承與發揚了微帶天線、多芯片電路模塊及瓦片式相控陣結構的集成概念。它的發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芽

我于1993年初榮幸地成為香港中文大學國際知名衛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手機天線輻射方向圖成形,減少向人體側輻射。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有埋置去耦電容的LTCC基板講解了厚膜電路的優缺點,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。”不久,電路與系統系啟動了“片上軟件無線電”的戰略性研究項目,我的任務是為這個項目開發天線技術。因為對圖1所示的集成電路芯片同微帶天線結構相似的著迷,以及預測到未來有可能產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的2.4GHz天線。后來發現利用現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構模型且印制有天線。圖2中所示的集成電路封裝結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,中間層中空夾在頂低層之間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構是一款集成有2.4GHz及5.2GHz雙頻微帶天線。上述在現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工藝實現了多款真正工業意義上的封裝天線[35]。圖2右是一款利用 LTCC工藝為藍牙芯片開發的差分封裝天線。

圖1. 擁有密封金屬環及蓋的陶瓷封裝集成電路芯片

圖1. 擁有密封金屬環及蓋的陶瓷封裝集成電路芯片

圖2. 封裝天線技術的進化

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,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等人申報了一項內置電磁防護罩和天線的用于藍牙芯片封裝的發明專利[37]。美國佐治亞理工學院K.T.Lim等人設法在封裝系統(SoP)上集成射頻無源器件、天線和有源芯片,以增強封裝系統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等人也實現了集成有天線的SoP[39]。但是,由于已經有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博士分別獨立發明基于介質諧振器天線的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,他的博士導師實際上是陸貴文教授。據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。 我向Brian Gaucher先生和劉兌現博士簡要介紹了幾款基于LTCC工藝適合批量生產的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,劉兌現博士負責評估并向我反饋測試結果。

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。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、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在開發探針式毫米波集成天線測試系統及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技術的發展。圖4展示了設計階段獲取的截圖和劉兌現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、基板材料調制的槽天線。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[32]。事實上,在赴英參會之前我在一次內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年代初期從前蘇聯經我國移居美國。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。他使應用數學煥發出光彩, 許多工作帶有奠基性質。就經典電動力學方法(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]

圖4. LTCC 60GHz AiP設計時截圖及實物照片

John Kraus是對天線做出卓越貢獻的老一輩天線專家。IEEE天線與傳播學會的the John Kraus Antenna Award就是用他名字命名的。Kraus發明的螺旋天線應用非常廣泛,但他發明的柵格天線卻鮮有應用[45]。孫梅博士在2008年發現柵格天線的網狀結構非常適合于LTCC工藝,故將其應用于60GHz AiP設計中。緊接著Wolfgang Menzel等人將其應用于79GHz[2],陳梓浩等人將其應用于94GHz[46], Thomas等人將其應用于122GHz[47], 張冰等人將其應用于145GHz AiP設計中[48]。幾乎快被人遺忘的柵格天線得以在AiP技術中發揚光大。Menzel教授是微帶漏波天線的發明者,曾訪問南洋理工大學并做了有關車載雷達中毫米波天線的邀請報告,期間與我們交流了關于柵格天線的設計方法。圖5是孫梅等人利用LTCC工藝為IBM 60GHz SiGe 接收機裸芯片設計的AiP。它采用了鍵合線球柵陣列(BGA)封裝結構集成了14個網格的柵格天線,尺寸為13.5×8×1.265 mm3。 劉兌現博士測試了AiP的天線性能并給我發送了電子郵件,郵件中只寫了兩個字“excellent results”。確實,結果表明柵格天線具有頻帶寬、輻射效率高的優點,且在57GHz至64GHz頻率范圍內主波束輻射都在天頂方向,在60GHz頻段最大增益可達到14.5dBi[49],代表了當時最好的60GHz AiP設計。

圖5. LTCC 60GHz AiP實物照片

AiP技術的成功主要歸功于人們重拾了對60GHz無線系統的研究與開發興趣。2007年標志著AiP技術發展進入新的階段。IEEE開始著手制定60GHz頻帶標準,很多企業開始重視60GHz芯片及封裝天線的研發。美國SiBEAM公司第一個將60GHz天線陣與CMOS裸芯片利用LTCC工藝集成在一起,引入消費市場,用于高清視頻內容的無線傳輸[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。值得一提的是,我在2005年9月22-23日美國加州圣克克拉市舉辦的天線系統和短程無線會議上做主題演講后,休息之余,與SiBEAM的創始人之一以及毫米波CMOS電路先驅者C.H.Doan先生熱情地討論了一些有關基于LTCC封裝天線集成的問題[51]

圖6. Sibeam公司60GHz LTCC封裝天線CMOS芯片實物照片

2010年,美國IBM公司公布了用于60GHz相控陣系統的完整AiP方案[52]。如圖7所示,基于LTCC工藝,16個矩形微帶天線被集成在BGA封裝中,發射或接收裸芯片通過倒裝焊技術與AiP相連。AiP尺寸為 28×28×1.47 mm3,在四個IEEE802.15.3c通道中,天線單元增益均可以達到5dBi。2011年,IBM還展示了另外一個用于60GHz相控陣系統的基于有機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努力實現了在AiP中嵌入空氣腔體來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芯片實物照片

2011年,韓國Samsung公司發表了用于60GHz相控陣系統的完整AiP方案[20]。如圖8所示,基于LTCC工藝,24個圓形微帶天線被集成在BGA封裝中,發射或接收裸芯片可以通過倒裝焊技術與AiP相連。為了避免像IBM公司那樣在AiP中嵌入空氣腔體來改善微帶天線阻抗及輻射特性可能帶來的可靠性問題,Samsung公司AiP設計采用了圓形疊層微帶天線。 AiP的尺寸為20×15×1.02 mm3,實現了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足HDI工藝對金屬密度的要求。Samsung公司AiP技術主要貢獻者是一位名叫Wonbin Hong的年輕學者,我們經常通過電子郵件及在國際學術會議上交流AiP技術方面的心得。后來Hong博士率先在國際上報道了28GHz 5G手機天線方面的工作,引起天線界的關注。

圖8. Samsung公司集成了24個天線的AiP實物照片

2012年,美國英特爾(Intel)公司發表了用于60GHz相控陣系統的完整AiP方案[54]。如圖9所示,基于LTCC工藝,36個矩形微帶天線(含4個啞元)被集成在BGA封裝中,收發裸芯片通過倒裝焊技術與AiP相連。AiP尺寸為25×25×1.4 mm3,在60GHz頻段,±30o掃描范圍內增益達19dBi。針對60GHz相控陣系統,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]實現低成本低損耗AiP解決方案。

圖9. Intel公司60GHz LTCC封裝天線 CMOS芯片實物照片

2015年,美國谷歌(Google)公司首次公開亮相的手勢雷達名震四海。手勢雷達使用60GHz信號來快速追蹤人手移動,精度可以達到亞毫米級。也許對我而言,最振奮人心的就是AiP技術被應用于手勢雷達芯片,如圖10所示,德國英飛凌(Infineon)公司利用嵌入式晶圓級封裝(eWLB)技術,在AiP中集成了一個60GHz SiGe 收發裸芯片、兩個用于發射的差分微帶天線和用于接收的四個單端口微帶天線[26]。AiP的尺寸為14×14×0.8 mm3,顯而易見,其尺寸已經足夠小可用于穿戴設備。并且對于很多如智能手表、手機和其它裝置而言,手勢雷達作為用戶界面潛力巨大。

圖10.Google公司60GHz eWLB封裝天線 SiGe芯片實物照片

幾乎所有主要的日本電子公司都開發出了適用于60GHz應用的芯片組和AiP方案。圖11所示的是日本NEC公司早期開發的60GHz接收機模塊及NTT公司近期開發的60GHz收發模塊。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芯片實物照片

像AiP技術用于谷歌手勢雷達中一樣,英飛凌公司也為77GHz車載雷達研制了SiGe芯片組及基于eWLB工藝的AiP技術,并自2016年6月以來就同比利時校際微電子中心合作開發基于28nmCMOS的芯片組和基于低成本低損耗PCB工藝的AiP技術,用于79GHz車載雷達[58]。比利時校際微電子中心負責AiP技術開發的是Guy A. E.Vandenbosch教授。Vandenbosch教授每次來中國講學,都會在演講前向學生們贈送著名的比利時巧克力,很受學生們歡迎。IBM公司將其AiP技術的工作頻段推進到94GHz,并在2014年實現了用于W波段的可擴展相控陣系統的SiGe芯片及完整AiP解決方案。如圖12所示,該AiP設計采用多層有機基片及高密度互連工藝(HDI)集成了64個雙極化疊層微帶天線和36個啞元,其尺寸為16.2×16.2×0.75 mm3

圖12. IBM公司 94GHz HDI封裝天線 SiGe芯片實物照片

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

圖13. 122及145GHz封裝天線SiGe芯片實物照片

圖14. 160GHz eWLB封裝天線SiGe芯片實物照片

2.3 近期助力太赫茲、物聯網和5G移動通信發展

太赫茲(THz)技術是改變未來世界的重要技術,已引起各國政府的重視。在日本政府的支持下,NTT、NICT和FUJITSU都參與到世界上第一個使用300GHz無線鏈接的收發信機研發工作中。NTT成功研發了如圖15所示用于300GHz發射機芯片的AiP結構。該AiP設計采用LTCC工藝,其中喇叭天線尺寸為5×5×2.7 mm3,最大實現增益為18dBi,帶寬達100GHz[62]

圖15. NTT公司300GHz LTCC封裝天線實物照片

物聯網(IoT)是互聯網發展的新階段,它通過智能感知、識別技術與普適計算等手段實現萬物互聯。最近,美國Silicon Labs公司發布了如圖16所示的世界上最小的藍牙無線系統,它的封裝內集成有天線,尺寸只有6.5×6.5×1.5 mm3,這使得設計真正緊湊的物聯網設備變得可行[63]

圖16. Silicon Labs公司的藍牙CMOS芯片內置封裝天線實物照片

AiP技術是近期國際上5G移動通信研發的一個重要課題,難點是如何實現高輻射效率及低成本量產。圖17為IBM應用于未來5G基站28GHz AiP照片[64]。該AiP包含4個單片SiGe裸芯片和64個雙極化天線,尺寸約為7.1×7.1cm2。劉兌現博士是IBM公司所有AiP設計背后的靈魂人物,他指出相控陣列天線的并行雙極化運作方式能夠形成兩個波束支持低于1.4度的波束掃描精度,同時保持發送和接收模式,進而使服務的用戶量增加一倍。

圖17. IBM公司 28GHz HDI封裝天線 SiGe芯片實物照片

圖18為Qualcomm近日發布的用于5G NR 首款智能手機參考設計中采用的28GHz毫米波芯片[65]。參考設計旨在于手機的功耗和尺寸要求下,對5G技術進行測試和優化。該芯片天線方案采用AiP技術,尺寸約為5美分大小。Qualcomm希望能在一年內將尺寸縮小一倍。

圖18. Qualcomm公司用于5G NR 首款智能手機參考設計中采用封裝天線技術的的28GHz毫米波芯片實物照片

3. 結束語

不知不覺AiP技術已走過了多年發展歷程。早期AiP技術的研究主要集中在大學實驗室,圍繞著2.4GHz藍牙芯片展開。如何實現天線小型化是當時AiP研究者所面臨的技術難題。中期AiP技術的開發主要集中在大公司,圍繞著60GHz芯片及毫米波雷達展開。如何實現寬頻帶、高增益天線及芯片與天線低損耗互連是中期AiP開發者所面臨的挑戰。中期也是AiP技術茁壯發展的階段,很多大公司投入大量人力物力開發適合于AiP設計的新材料和新工藝,實屬罕見。據我所知,也只有在1970年代微帶天線曾獲得過如此矚目與投入。近期AiP技術的研發一方面向更高的頻率擴展,另一方面正圍繞著IoT及毫米波移動通信5G芯片如火如荼展開。更高頻率AiP技術的關鍵在于材料損耗及工藝精度,5G AiP技術的難點是如何實現高輻射效率及低成本量產。

如今AiP技術不僅僅被工業界廣泛采用,也已從學術界天線領域擴散到集成電路、封裝、材料與工藝、微波、雷達及通信等領域。這一點既可以從發表AiP技術相關文章的刊物看出,也可以從不同領域作者出版的書籍中窺到。比如國際著名的無線通信專家美國紐約大學Theotores S. Rappaport教授不僅在他發表的新書毫米波無線通信中專門詳細介紹AiP技術,也在很多無線通信類國際學術會議的主題演講中用我們的AiP設計作為例子闡述封裝天線的優點[64]。再比如以前在射頻集成電路工程師眼中,天線只不過就是一片金屬,現在他們意識到沒有好的天線解決方案,設計再好的射頻集成電路也就是一塊石英。另外,IEEE微波理論與技術學會比天線與傳播學會對推廣AiP技術更加積極,幾年前幾乎在同一時段選擇任命了兩位杰出講師講授AiP技術。一位是德國Karlsruhe Institute of Technology 的 Thomas Zwick教授[65],另一位是奧地利Johannes Kepler University的Andreas Stelzer教授[66]。同時在一個題目上任命了兩位杰出講師,在IEEE微波理論與技術學會歷史上是前所未有的。德國Karlsruhe Institute of Technology是Heinrich Rudolf Hertz 1887發現電磁波的地方,Thomas Zwick教授是IBM Thomas J. Watson Research Center前雇員,在AiP設計、制造及測試方面做出過突出貢獻。 Andreas Stelzer教授由于在SiGe毫米波雷達芯片設計方面的貢獻獲2011年度IEEE微波理論與技術學會微波獎,在基于eWLB工藝開發差分AiP技術方面的貢獻獲首屆IEEE亞太天線與傳播年會最佳論文獎。

自20世紀90年代末,我有幸參與并推動了AiP技術在國內外的發展。早在2001年我就同上海交通大學毛軍發教授團隊就AiP技術進行學術交流。毛軍發教授團隊在三維系統級集成及多物理場仿真方面經驗豐富、碩果累累。自行開發的熱仿真軟件對分析AiP熱效應及散熱設計非常有用。近期毛軍發教授團隊與電科41所合作建成了我國第一套從50GHz(為適應5G高頻段天線測試已經向下擴展到18GHz)到325GHz(為適應THz頻段天線測試可擴展到500GHz或更高)集成天線遠場自動測試平臺。該測試平臺達到世界先進水平,支持探針及波導饋電,110GHz以下也可用同軸饋電。該測試平臺已為國內多家科研院所的研究項目及公司產品開發提供了測試服務,極大地助進了我國在片上天線及封裝天線方面的研究與發展。在國家各種科研計劃的支持下,清華大學馮正和教授團隊,東南大學洪偉教授團隊、崔鐵軍教授團隊,香港城市大學薛泉教授團隊,香港城市大學梁國華教授團隊,浙江大學尹文言教授團隊,山西大學張文梅教授團隊都對AiP技術發展做出了積極貢獻。張文梅教授曾兩次應邀在新加被南洋理工大學進行長期學術訪問與講學。張文梅教授2008年回國后率先在國際上開展了用濾波器綜合方法設計濾波天線。濾波天線目前是國際上微波與天線領域的一個研究熱點,華南理工大學褚慶昕教授團隊、章秀銀教授團隊分別在濾波天線的設計方面做出了突出貢獻。我國公司盡管在AiP技術開發方面起步比較晚,但得益于后發優勢,60GHz AiP技術與相關芯片研發已取得重大突破,在交大測試平臺多次所做的相控陣、大規模MIMO輻射測試獲得令人滿意的效果。毫米波頻段5G移動通信AiP技術也已取得進展。

最后,讓我將AiP與基片集成波導(SIW)聯系起來結束這篇回顧文章。我在2016年南京舉辦的華人微波論壇上講過,吳柯教授及洪偉教授的合作將SIW技術做成微波領域的國際主流,我同劉兌現博士一起努力讓AiP技術在國際天線領域引起人們的重視。我倆在相距很近的黃河東西岸邊的鄉村出生長大,相識卻在遠隔萬里的南洋,珠聯璧合,開創出封裝天線一片天地,并且三次攜手登上國際天線領域的頒獎舞臺,成就了一個小小奇跡,一段佳話。另外,我們幾位都是77、78級大學生, 我們的名字有著鮮明的時代特征,偉大的躍進,可否兌現?我想我們沒忘初心,兌現了父輩的期望及我們自己的選擇!

致謝

太原理工大學盛劍桓教授,香港中文大學黃振峰博士,香港中文大學程伯中教授,南洋理工大學杜茂安教授。

參考文獻

因為引用文獻眾多,參考文獻將會在系列文章最后的文獻篇中給出。

作者簡介

張躍平博士,新加坡南洋理工大學電子工程學講座教授,IEEE Fellow,IEEE天線與傳播學會杰出講師,上海交通大學“千人計劃”國家特聘專家。曾任IEEE天線與傳播匯刊副主編及天線與傳播領域評獎委員會委員。曾榮獲IEEE天線與傳播學會謝昆諾夫論文獎。目前研究興趣主要集中在無線電電子學。

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主題閱讀: 封裝天線  AiP

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