關(guān)于封裝天線技術(shù)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(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高速率、大容量萬物互聯(lián)，將會(huì)徹底改變我們同世界互動(dòng)的方式。為了使5G的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，必須突破幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)藩籬，其中一個(gè)核心技術(shù)的難題就與我們的領(lǐng)域息息相關(guān)，即如何利用大規(guī)模MIMO天線陣列實(shí)現(xiàn)波束成形、掃描、追蹤、鎖定來有效對(duì)抗毫米波移動(dòng)信道的路徑損耗。

汽車?yán)走_(dá)改善了駕車安全同時(shí)，也提升了全新的駕車體驗(yàn)。目前，汽車?yán)走_(dá)工作在24GHz和77GHz的窄頻帶范圍，僅起到預(yù)警及輔助駕駛的作用。未來汽車?yán)走_(dá)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(shí)現(xiàn)無人駕駛。2015年，谷歌手勢(shì)雷達(dá)一經(jīng)問世，便立刻造成全球轟動(dòng)。手勢(shì)雷達(dá)工作在60GHz頻帶，跟蹤人手移動(dòng)及其變化，非常適合嵌入在可穿戴設(shè)備、手機(jī)和其它電子產(chǎn)品中作為用戶界面。

消費(fèi)類電子產(chǎn)品的硬件主要是通過系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）和系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。SoC技術(shù)通過半導(dǎo)體工藝在同一個(gè)芯片上集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的各種電路。而SiP技術(shù)則是通過封裝工藝將各個(gè)功能模塊集成在一個(gè)封裝內(nèi)。盡管SOC技術(shù)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(gè)類型的電路性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低和系統(tǒng)功耗增加等問題。相反，SiP技術(shù)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(huì)導(dǎo)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(jìn)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(shù)通過半導(dǎo)體材料與工藝將天線與其它電路集成在同一個(gè)芯片上。考慮到成本和性能，AoC技術(shù)更適用于太赫茲頻段。AiP技術(shù)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(shù)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(shù)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(shì)雷達(dá)芯片都采用了AiP技術(shù)。除此之外，在79GHz汽車?yán)走_(dá)［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(shù)的身影。毋庸置疑，AiP技術(shù)也將會(huì)為5G毫米波移動(dòng)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(shù)中明確區(qū)分開來呢？原因其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是為了強(qiáng)調(diào)它們獨(dú)有的輻射特性。關(guān)于AoC技術(shù)，需另辟專文詳述，本文僅擬論及AiP技術(shù)。盡管AiP技術(shù)方面的論文和專利有很多，但還沒有一篇回顧AiP技術(shù)發(fā)展歷程及其背后故事的文章，本文旨在填補(bǔ)這一方面的空白。另外，本文也是介紹封裝天線技術(shù)系列文章的第一篇：歷史篇。在文中我將利用AiP技術(shù)發(fā)展歷程中起到重要推動(dòng)作用的經(jīng)典設(shè)計(jì)為例，加以自己親身經(jīng)歷的故事，為大家勾勒出AiP技術(shù)發(fā)展的來龍去脈。

2.AiP技術(shù)發(fā)展歷程

AiP技術(shù)早在該術(shù)語(yǔ)被提出和普及之前就已經(jīng)存在。AiP技術(shù)繼承與發(fā)揚(yáng)了微帶天線、多芯片電路模塊及瓦片式相控陣結(jié)構(gòu)的集成概念。它的發(fā)展主要得益于市場(chǎng)的巨大需求，硅基半導(dǎo)體工藝集成度的提高，驅(qū)動(dòng)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(gè)或多個(gè)天線。

2.1 早期與藍(lán)牙無線技術(shù)一起發(fā)芽

我于1993年初榮幸地成為香港中文大學(xué)國(guó)際知名衛(wèi)星天線專家黃振峰博士課題組一員，有機(jī)會(huì)參與制造和測(cè)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(gè)小型化天線就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)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(shí)任香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕教授的注意，有一天召集我們到他辦公室向他匯報(bào)。然而，我們關(guān)于實(shí)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(zhǎng)凳縮小到三條腿的板凳只是進(jìn)化而已，大學(xué)應(yīng)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(xué)獎(jiǎng)，也許高錕教授這樣偉大的科學(xué)家更關(guān)注研究的科學(xué)價(jià)值，而我們則更強(qiáng)調(diào)潛在的應(yīng)用。幸運(yùn)的是，我們關(guān)于天線小型化的工作在天線領(lǐng)域受到歡迎，并在1995年IEEE天線與傳播國(guó)際研討會(huì)上與摩托羅拉公司設(shè)計(jì)的類似天線在同一會(huì)場(chǎng)宣讀［33］，直接促進(jìn)了陶瓷貼片天線的發(fā)展。1996年，我加入了香港城市大學(xué)國(guó)際著名的天線實(shí)驗(yàn)室從事介質(zhì)諧振器天線研究。偶然的機(jī)會(huì)我在香港城市大學(xué)遇到了材料科學(xué)家李國(guó)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(diǎn)，臨別時(shí)還慷慨地向我贈(zèng)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(yàn)毀壞的以外，剩余的我至今還保留著。李國(guó)源博士現(xiàn)在是華南理工大學(xué)教授。1998年，我離開任教的香港大學(xué)前往新加坡南洋理工大學(xué)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(jìn)的實(shí)驗(yàn)室從事天線與電磁波傳播研究。在參觀集成電路實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我看到了圖一所示的裝置，就問實(shí)驗(yàn)室一個(gè)研究生那是微帶天線嗎？研究生回答到：“不，那不是，那是一個(gè)集成電路芯片?！辈痪?，電路與系統(tǒng)系啟動(dòng)了“片上軟件無線電”的戰(zhàn)略性研究項(xiàng)目，我的任務(wù)是為這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)天線技術(shù)。因?yàn)閷?duì)圖1所示的集成電路芯片同微帶天線結(jié)構(gòu)相似的著迷，以及預(yù)測(cè)到未來有可能產(chǎn)生一種革命性的天線解決方案所激動(dòng)，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(jìn)行天線及電路實(shí)驗(yàn)研究它們之間的相互影響。圖2左就是當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)過的一個(gè)在雙列直插式封裝上實(shí)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(jìn)行天線實(shí)驗(yàn)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(gòu)模型且印制有天線。圖2中所示的集成電路封裝結(jié)構(gòu)模型利用了三層電路板，天線印制在頂層板上，信號(hào)線及封裝地在低層板上實(shí)現(xiàn)，中間層中空夾在頂?shù)蛯又g形成一個(gè)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(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。受其鼓舞，我和我的學(xué)生林偉、薛陽(yáng)及王珺珺于2003年利用LTCC工藝實(shí)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(lán)牙芯片開發(fā)的差分封裝天線。

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

幾乎在同一時(shí)間，封裝工程師也在嘗試解決相同的問題。D.J.Mathews等人申報(bào)了一項(xiàng)內(nèi)置電磁防護(hù)罩和天線的用于藍(lán)牙芯片封裝的發(fā)明專利［37］。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院K.T.Lim等人設(shè)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(qiáng)封裝系統(tǒng)的整體性能和增加更多功能［38］。比利時(shí)校際微電子中心S.Brebels等人也實(shí)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(shí)間，香港城市大學(xué)梁國(guó)華教授及新加坡微電子研究所A.P.Popov博士分別獨(dú)立發(fā)明基于介質(zhì)諧振器天線的AiP技術(shù)［40］，［41］。梁國(guó)華教授同我90年代初相識(shí)在香港中文大學(xué)微波實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)他博士即將畢業(yè)，他的博士導(dǎo)師實(shí)際上是陸貴文教授。據(jù)說梁國(guó)華博士論文答辯時(shí)，答辯委員會(huì)主席認(rèn)為他提交給中文大學(xué)的博士論文等于其它學(xué)校的兩份博士論文。梁國(guó)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(dāng)年在香港大學(xué)提交的碩士論文被英國(guó)倫敦大學(xué)一位國(guó)際著名的教授認(rèn)為是一篇優(yōu)異的博士論文，建議香港大學(xué)直接授予陸貴文博士學(xué)位。陸貴文教授獲2017年度IEEE天線與傳播學(xué)會(huì)the John Kraus Antenna Award。加上曾經(jīng)長(zhǎng)期在香港中文大學(xué)及城市大學(xué)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(jiǎng)?wù)摺?/p>

2.2 中期與60GHz無線技術(shù)及毫米波雷達(dá)一起成長(zhǎng)

2005年三月初，在新加坡舉辦的第一屆小型天線國(guó)際研討會(huì)（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(qǐng)他們?cè)L問了南洋理工大學(xué)。Brian就IBM的60GHz SiGe芯片、天線、封裝和測(cè)試設(shè)備做了學(xué)術(shù)報(bào)告。圖3為IBM用于概念驗(yàn)證的60GHz芯片照片。SiGe裸芯片通過倒裝焊技術(shù)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(jiǎn)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(dāng)場(chǎng)就達(dá)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(jì)劃。我和我的學(xué)生孫梅博士負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作，邀請(qǐng)新加坡制造技術(shù)研究所（SIMTech）的一個(gè)研究小組負(fù)責(zé)LTCC加工，劉兌現(xiàn)博士負(fù)責(zé)評(píng)估并向我反饋測(cè)試結(jié)果。

圖3. IBM公司用于概念驗(yàn)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(shí)到一個(gè)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(shù)的一大挑戰(zhàn)。2006年三月初，我參加了在美國(guó)紐約舉辦的第二屆小型天線國(guó)際研討會(huì)，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(shù)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(cè)試系統(tǒng)及AiP鍵合線互連方面做出了突出貢獻(xiàn)。此次會(huì)面增強(qiáng)了雙方合作，加速了AiP技術(shù)的發(fā)展。圖4展示了設(shè)計(jì)階段獲取的截圖和劉兌現(xiàn)博士評(píng)估和測(cè)試的基于LTCC加工的AiP樣品。這一樣品集成了共面波導(dǎo)饋線、準(zhǔn)腔體、定向保護(hù)環(huán)、基板材料調(diào)制的槽天線。天線輸入阻抗故意設(shè)計(jì)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(guó)劍橋舉辦的第三屆小型天線國(guó)際研討會(huì)上被授予最佳論文獎(jiǎng)。事實(shí)上，在赴英參會(huì)之前我在一次內(nèi)部會(huì)議上就對(duì)孫梅博士及新加坡制造技術(shù)研究所的合作者預(yù)測(cè)到60GHz AiP技術(shù)論文會(huì)獲獎(jiǎng)。而且，還有一件有趣的事情，那就是在劍橋大學(xué)的演講廳等待頒獎(jiǎng)時(shí)，我在一張會(huì)議用紙上寫了個(gè)便條，再一次預(yù)測(cè)有關(guān)AiP的工作將會(huì)贏得更高獎(jiǎng)項(xiàng)。我也請(qǐng)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(dāng)年IEEE 天線與傳播學(xué)會(huì)謝昆諾夫論文獎(jiǎng)（Sergei A. Schelkunoff Transactions Prize Paper Award）［43］。這是該獎(jiǎng)項(xiàng)自1957年設(shè)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(guó)際著名的電磁理論學(xué)家。他于1920年代初期從前蘇聯(lián)經(jīng)我國(guó)移居美國(guó)。他在工程電磁場(chǎng)、天線理論、波導(dǎo)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(xiàn)。他使應(yīng)用數(shù)學(xué)煥發(fā)出光彩， 許多工作帶有奠基性質(zhì)。就經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)方法（即量子理論以外領(lǐng)域）而言， 我國(guó)著名物理學(xué)家黃志詢先生認(rèn)為可以把他比作二十世紀(jì)的麥克斯韋［44］。