一文解析異構(gòu)集成技術(shù)中的封裝天線

概述：

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

目錄：

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

為什么選擇異構(gòu)集成技術(shù)

毫米波頻段具有大帶寬以及頻譜資源豐富等優(yōu)勢，可滿足通信系統(tǒng)高分辨率以及高傳輸速率的需求，因而被廣泛應(yīng)用于移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛以及生物醫(yī)學等領(lǐng)域。在毫米波的場景下，天線與電子器件尺寸也更小，達毫米級別，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)的實現(xiàn)過程中，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)容為當價格不變時，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，約每隔 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，值得注意的是，摩爾定律并非一個通過嚴格數(shù)學證明得到的結(jié)果，而是一個統(tǒng)計規(guī)律，是對集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合理推測。近半個世紀以來，硅基工藝始終遵循摩爾定律演進，取得了巨大的成功，芯片工藝節(jié)點從微米、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，擊穿場強大，同時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)對比[1]

對于毫米波系統(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，擊穿場強較小，器件容易失效，且硅的載流子遷移率也相對較低，這兩個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幾個數(shù)量級，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)點與化合物半導(dǎo)體器件的優(yōu)點結(jié)合起來各取長處的異構(gòu)集成技術(shù)是未來毫米波射頻微系統(tǒng)的一個可行選擇。

封裝天線的實現(xiàn)

天線在射頻系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的轉(zhuǎn)換作用，能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波與電信號之間的相互轉(zhuǎn)換，是無線電設(shè)備不可或缺的一部分。AiP(antenna-in-package，封裝天線)這個名詞由南洋理工大學張躍平教授于2006首先提出，促進了封裝天線技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。在高度集成的毫米波系統(tǒng)中，封裝天線可以很好兼顧體積以及工作性能兩個方面，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)中封裝天線的設(shè)計方案，與系統(tǒng)集成于一個封裝內(nèi)。

圖1?一種封裝天線結(jié)構(gòu)[2]

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

圖2 柵格陣列天線

2017年，來自IBM的劉兌現(xiàn)團隊研究了一款應(yīng)用于5G Ka波段通信的封裝天線[4]，采用HDI（high-density interconect，高密度互聯(lián)）工藝實現(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，貼片陣列天線如圖4所示，這種基于有機基板的多層堆疊結(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基板實現(xiàn)封裝天線設(shè)計的可行性。

圖3 HDI堆疊結(jié)構(gòu) ?

圖4?貼片陣列天線 ? ???

???為適應(yīng)異構(gòu)集成技術(shù)的應(yīng)用背景，封裝天線的實現(xiàn)技術(shù)也應(yīng)有所變化，利用封裝工藝的優(yōu)點以實現(xiàn)更佳的性能。異構(gòu)集成技術(shù)的實現(xiàn)與先進封裝技術(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，其互連線的長度更短，信號傳輸更快。 ? ?????

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

??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層相同的工藝流程，相比于傳統(tǒng)基板布線，能夠減小線寬、線間距，提高布線精度，增強可靠性。硅中介層是目前來說工藝最為成熟，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)實現(xiàn)，RDL則用于解決系統(tǒng)平面互連的問題。在毫米波封裝天線實現(xiàn)過程中，互連損耗是不得不考慮的一個重要因素，基于先進的工藝實現(xiàn)的封裝天線可以與芯片直接互連，在進一步降低尺寸的同時減少信號的串擾。2022年，Y. Huang等人（上海交通大學毛軍發(fā)院士團隊、周亮團隊）提出一種工作于W波段背腔天線結(jié)構(gòu)，采用基于BCB材料的硅基MEMS光敏復(fù)合薄膜多層布線工藝實現(xiàn)封裝天線的互連，具有較低的互連損耗，同時能夠保證天線的高增益和阻抗帶寬[5]，該結(jié)構(gòu)采用高阻硅襯底，可適用于封裝天線設(shè)計，天線實物圖如圖5所示。

圖5 采用BCB材料互連的封裝天線

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械穩(wěn)定性強，翹曲小，成本低廉等優(yōu)點，而且在玻璃中介層中，同樣也有對應(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，在未來都是需要解決的問題。如圖6所示，2022年Y. Su等人設(shè)計了一個77 GHz汽車雷達天線，采用TGV實現(xiàn)層間互連[6]。天線結(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可以提高布線能力，實現(xiàn)復(fù)雜的天線設(shè)計。

圖6 五層玻璃堆疊實現(xiàn)的汽車雷達天線

除硅和玻璃外，有機材料也是中介層的選擇之一。常見的有機中介層有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。