概述：

本文簡(jiǎn)要介紹了封裝天線(xiàn)在異構(gòu)集成技術(shù)背景下的應(yīng)用需求以及實(shí)現(xiàn)形式，列舉了LTCC工藝、HDI工藝以及使用三種中介層實(shí)現(xiàn)封裝天線(xiàn)的具體例子。

目錄：

為什么選擇異構(gòu)集成技術(shù) ????封裝天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn) ?

為什么選擇異構(gòu)集成技術(shù)

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毫米波頻段具有大帶寬以及頻譜資源豐富等優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足通信系統(tǒng)高分辨率以及高傳輸速率的需求，因而被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在毫米波的場(chǎng)景下，天線(xiàn)與電子器件尺寸也更小，達(dá)毫米級(jí)別，毫米波系統(tǒng)不斷向微型化、高效能、高集成度、低功耗和低成本的方向探索。 ? ????

?但在高性能的毫米波系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，單一的硅基工藝或者是化合物半導(dǎo)體工藝（如砷化鎵以及氮化鎵）都無(wú)法完美地平衡性能、成本、功率與集成度之間的要求[1]。 ? ? ? ? 1965年，戈登·摩爾提出著名的摩爾定律，其內(nèi)容為當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，約每隔 18-24 個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，值得注意的是，摩爾定律并非一個(gè)通過(guò)嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明得到的結(jié)果，而是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，是對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合理推測(cè)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，硅基工藝始終遵循摩爾定律演進(jìn)，取得了巨大的成功，芯片工藝節(jié)點(diǎn)從微米、亞微米、深亞微米，到近幾年的7nm、5nm、3nm不斷縮小，集成度不斷提高，硅基工藝是目前為止最為成熟的集成電路工藝。 ? ? ? ? Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體一般禁帶寬度較大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)大，同時(shí)具有良好的耐高溫性，能承受較高的功率，可用于大功率器件的制造，其電子遷移率也較高，十分適合用于制備高頻器件。

表1 材料參數(shù)對(duì)比[1]

對(duì)于毫米波系統(tǒng)而言，硅和化合物半導(dǎo)體材料各有優(yōu)劣。硅基工藝成熟，集成度高，成本低，可用于制造復(fù)雜度高的大規(guī)模電路，但是由于硅材料本身的限制，它的禁帶寬度較小，擊穿場(chǎng)強(qiáng)較小，器件容易失效，且硅的載流子遷移率也相對(duì)較低，這兩個(gè)因素不利于硅材料在高頻電路中的廣泛使用。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體制備的器件性能好，但集成度低，與硅基工藝的差別可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且制造成本高昂。隨著毫米波系統(tǒng)小型化、高集成度、高能效等需求的不斷發(fā)展，把硅基工藝的優(yōu)點(diǎn)與化合物半導(dǎo)體器件的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)各取長(zhǎng)處的異構(gòu)集成技術(shù)是未來(lái)毫米波射頻微系統(tǒng)的一個(gè)可行選擇。

封裝天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)

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天線(xiàn)在射頻系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)換作用，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，是無(wú)線(xiàn)電設(shè)備不可或缺的一部分。AiP(antenna-in-package，封裝天線(xiàn))這個(gè)名詞由南洋理工大學(xué)張躍平教授于2006首先提出，促進(jìn)了封裝天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。在高度集成的毫米波系統(tǒng)中，封裝天線(xiàn)可以很好兼顧體積以及工作性能兩個(gè)方面，因而深受廣大芯片及封裝制造商的青睞。如圖1所示為電路系統(tǒng)中封裝天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，與系統(tǒng)集成于一個(gè)封裝內(nèi)。

圖1?一種封裝天線(xiàn)結(jié)構(gòu)[2]

2009年孫梅博士及張躍平教授將柵格天線(xiàn)應(yīng)用于封裝天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中[3]，使用LTCC（low temperatrue co-fired ceramic，低溫共燒陶瓷）工藝實(shí)現(xiàn)了工作于60 GHz的柵格陣列封裝天線(xiàn)，如圖2所示，測(cè)得天線(xiàn)最大增益為13.5 dBi，帶寬范圍內(nèi)輻射效率大于85%，應(yīng)用LTCC工藝，柵格天線(xiàn)在封裝天線(xiàn)領(lǐng)域展現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力。 ?

圖2 柵格陣列天線(xiàn)

2017年，來(lái)自IBM的劉兌現(xiàn)團(tuán)隊(duì)研究了一款應(yīng)用于5G Ka波段通信的封裝天線(xiàn)[4]，采用HDI（high-density interconect，高密度互聯(lián)）工藝實(shí)現(xiàn)，HDI堆疊結(jié)構(gòu)由頂部堆積層、核心層以及底部堆積層組成，如圖3所示，貼片陣列天線(xiàn)如圖4所示，這種基于有機(jī)基板的多層堆疊結(jié)構(gòu)可將相控陣模組與射頻芯片集成于一體，支持水平極化與垂直極化，證明了在Ka波段相控陣中使用多層有機(jī)基板實(shí)現(xiàn)封裝天線(xiàn)設(shè)計(jì)的可行性。

圖3 HDI堆疊結(jié)構(gòu) ?

圖4?貼片陣列天線(xiàn) ? ???

???為適應(yīng)異構(gòu)集成技術(shù)的應(yīng)用背景，封裝天線(xiàn)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)也應(yīng)有所變化，利用封裝工藝的優(yōu)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)更佳的性能。異構(gòu)集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展密不可分，現(xiàn)行的2.5D/3D封裝都屬于立體封裝，可充分利用芯片面積和高度，相較于傳統(tǒng)封裝，其互連線(xiàn)的長(zhǎng)度更短，信號(hào)傳輸更快。 ? ?????

?在先進(jìn)封裝中，不同的轉(zhuǎn)接板（也被稱(chēng)為中介層或插入層）材料具有不同的優(yōu)勢(shì)，其適用場(chǎng)景往往也不一樣，故而對(duì)中介層材料的選擇十分關(guān)鍵。中介層材料可分為三類(lèi)，分別為硅、玻璃以及有機(jī)材料。 ? ????

??目前最為常用的是硅基中介層。硅基中介層的大范圍應(yīng)用得益于成熟的硅基工藝，在硅基中介層中，能夠采用與晶圓布線(xiàn)層相同的工藝流程，相比于傳統(tǒng)基板布線(xiàn)，能夠減小線(xiàn)寬、線(xiàn)間距，提高布線(xiàn)精度，增強(qiáng)可靠性。硅中介層是目前來(lái)說(shuō)工藝最為成熟，應(yīng)用十分廣泛的一種中介層材料，在基于硅中介層的2.5D/3D封裝中，其垂直互連使用TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)，RDL則用于解決系統(tǒng)平面互連的問(wèn)題。在毫米波封裝天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，互連損耗是不得不考慮的一個(gè)重要因素，基于先進(jìn)的工藝實(shí)現(xiàn)的封裝天線(xiàn)可以與芯片直接互連，在進(jìn)一步降低尺寸的同時(shí)減少信號(hào)的串?dāng)_。2022年，Y. Huang等人（上海交通大學(xué)毛軍發(fā)院士團(tuán)隊(duì)、周亮團(tuán)隊(duì)）提出一種工作于W波段背腔天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用基于BCB材料的硅基MEMS光敏復(fù)合薄膜多層布線(xiàn)工藝實(shí)現(xiàn)封裝天線(xiàn)的互連，具有較低的互連損耗，同時(shí)能夠保證天線(xiàn)的高增益和阻抗帶寬[5]，該結(jié)構(gòu)采用高阻硅襯底，可適用于封裝天線(xiàn)設(shè)計(jì)，天線(xiàn)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 采用BCB材料互連的封裝天線(xiàn)

其次是玻璃中介層。玻璃中介層的電阻率高，介電常數(shù)低，在射頻領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景，除此之外，玻璃中介層還具有機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)，翹曲小，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且在玻璃中介層中，同樣也有對(duì)應(yīng)的玻璃通孔技術(shù) TGV（Through Glass Vias，玻璃通孔），因而也能支持 2.5D/3D 封裝，但由于目前工藝限制，TGV的深寬比與TSV相比仍有差距，且孔壁粗糙度較大，孔壁傾斜較為明顯，這限制了玻璃基板的大規(guī)模應(yīng)用，在未來(lái)都是需要解決的問(wèn)題。如圖6所示，2022年Y. Su等人設(shè)計(jì)了一個(gè)77 GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)天線(xiàn)，采用TGV實(shí)現(xiàn)層間互連[6]。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)由五層玻璃，六層金屬層組成，這種采用玻璃晶圓工藝和晶圓堆疊的方式制造的天線(xiàn)可以提高布線(xiàn)能力，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的天線(xiàn)設(shè)計(jì)。

圖6 五層玻璃堆疊實(shí)現(xiàn)的汽車(chē)?yán)走_(dá)天線(xiàn)

除硅和玻璃外，有機(jī)材料也是中介層的選擇之一。常見(jiàn)的有機(jī)中介層有PTFE（Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯），LCP（Liquid Crystal Polymer，液晶聚合物）以及PI（Polyimide，聚酰亞胺）等。與傳統(tǒng)的板材相比（如FR4）有機(jī)中介層因在毫米波頻段具有較低的tanδ而受到廣泛的關(guān)注[7]，2023年，H. Araki等人基于所提出的低介電常數(shù)、低損耗角正切值的新型PI材料為中介層制成的封裝天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖7所示[8]，它的傳輸損耗更低，相比傳統(tǒng)PI中介層，這種新型PI材料更加適用于毫米波封裝天線(xiàn)。

圖7 基于新型PI材料實(shí)現(xiàn)的封裝天線(xiàn)

結(jié)語(yǔ)

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在異構(gòu)集成技術(shù)中，封裝天線(xiàn)是一個(gè)非常重要的一部分。為了實(shí)現(xiàn)高效的毫米波通信，需要對(duì)封裝天線(xiàn)進(jìn)行深入的研究，考慮天線(xiàn)設(shè)計(jì)、封裝工藝和材料選擇等多個(gè)領(lǐng)域的交互影響，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。

審核編輯：黃飛

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