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工程11(2022)18意见和评论封装内封装(AiP)技术张跃平南洋理工大学电气与电子工程学院,新加坡639798,新加坡1. 介绍自20世纪90年代中期以来,互补金属氧化物半导体(CMOS)一直是无线革命的技术驱动力[1],实现了蓝牙无线电、60 GHz无线电和79 GHz雷达的完整片上系统(SoC)集成。事实上,CMOS现在是第五代(5G)新无线电(NR)的主导半导体技术[2]。天线封装(AiP)概念旨在为新兴的无线SoC或单芯片无线电提供先进的天线解决方案[3]。它探讨了在表面贴装封装中实现具有无线芯片(或多个芯片)的天线或阵列(或多个天线或阵列)AiP概念首次将辐射功能引入芯片封装。因此,它丰富和提升了系统级封装(SiP)的概念[4,5].今天,AiP是毫米波(mmWave)5G NR的天线和封装技术[6]。天线具有独特的辐射特性,使无线通信和探测成为可能。在射频(RF)频带中,在保持辐射效率的同时减小天线尺寸是一项具有挑战性的任务AiP技术为这些挑战提供了一个优雅的解决方案。因此,它从根本上改变了无线电和雷达的设计和实现[7]。2. 设计考虑无线电和雷达设计的第一个变化是促使电子设计自动化公司开发协同设计平台,使设计人员能够在封装中实现天线和芯片的无缝集成[8]。AiP技术为天线和电路的设计创造了新的自由度:可以去除天线和电路。50O标准针对使用同轴电缆连接或测量的分立天线和电路进行了优化。AiP是其中迹线、通孔和凸块用于互连的集成结构。②金属氧化物半导体(MOS)晶体管是AiP中最重要的有源器件。它在电路中充当开关或电流源发送/接收开关是一个电路连接到天线上提出了一种基于高频结构仿真器(HFSS)的天线和开关的协同设计方法,该方法将MOS晶体管作为一种导通电阻或关断电容无源结构。这种方法正在扩展的天线和基于开关的功率放大器的协同设计③如果需要将MOS晶体管建模为电流源,则必须使用电路仿真器(如Cadence AWR Microwave Office)进行协同设计。电路模拟器依赖于紧凑的模型。因此,构建AiP的电路模型至关重要[9]。它已被证明,电路模型可以物理推导或数值提取。电感器通常用于与MOS晶体管的寄生电容谐振。然而,电感器体积庞大且有损耗,因此最好避免使用它们。以具有电感源极退化的低噪声放大器为例,传统设计采用两个片上电感,而协同设计可以通过探索键合线电感或使天线电感(而不是50O)来取代电感,以消除低噪声放大器中MOS晶体管的电容效应3. 大批量生产(HVM)和测试AiP技术促进了新材料和新工艺的发展[10]。所谓新材料,我指的是天然材料,而不是超材料。然而,在过去的二十年里,Meta材料也引起了人们极大的研究兴趣.也尝试了一些使用超材料的AiP设计。已经观察到,使用高阻抗表面作为人工磁导体导致薄的轮廓和低的背面辐射[11]。然而,基于超材料的AiP很少被工业采用,可能是因为成本。AiP的HVM始于低温共烧陶瓷(LTCC)材料和工艺。为了减小表面波,提高天线辐射效率,提出了在LTCC中嵌入空气腔或穿孔的非标准工艺。三星和英特尔分别探索了用于量产AiP的高密度互连(HDI)材料和工艺,千兆赫无线电。国际商业机器公司(IBM)使用有机材料并开发了一种表面层状电路(SLC)工艺,用于毫米波5G NR基站的大型AiP的HVM[12]。上述人类发展指数和SLC均采用https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.08.0122095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engY. 张工程11(2022)1819平衡基质开发了一种实现非平衡衬底的新型HDI工艺,专门用于低成本制造AiP。英飞凌获得专利的嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)技术与LTCC、HDI和SLC完全不同; eWLB没有层压基板,但具有铜重分布层[13]。它已被证明是一种用于大批量制造小型AiP的替代方法[14]。然而,单个重分布层限制了通过eWLB实现复杂的AiP。为了获得更多的再分布层,台积电(TSMC)开发了集成扇出(InFO),将馈电网络布线在封装底部的再分布层中,将天线单元布线在封装顶部的再分布层中。因此,InFO-AiP可以为5G NR终端生产具有更小形状因子和更高增益的AiP[15]。SJ Semicon-ductor Corporation(SJSemi)开发了SmartAiP技术,该技术提供超高铜垂直互连、多层双面细间距重分布层、晶圆级多层精确对准天线等。SmartAiP通过提供24-此外,AiP中的一个严重问题是电磁干扰(EMI)。使用激光开槽、膏填充和金属涂覆的保形屏蔽和隔室屏蔽可以有效地抑制AiP中的EMI。AiP技术推进了天线的测量和包装达到前所未有的水平。新的测试方法和设备正在为AiP开发和改进。基于探针的天线测量设置对于实验室中AiP的准确表征已经变得必要[17]。这样的设置使用一个地面信号接地(GSG)探头,以饲料的AiP 和标 准的增 益出生 天线围 绕AiP 旋转 在远场 距离的 辐射模 式measure。背面和弯曲的探测技术已被设计成最小化探头辐射的影响,提高动态范围,并减少阻塞和干扰,由于从传统的探头反射。 在生产线中对AiP进行快速测试需要使用带有空中(OTA)系统的自动测试设备(ATE)[18]。 OTA系统可以配置在远场、辐射近场和反应近场中。已经发现,辐射近场在复杂性和成本方面对于大批量生产具有显著的优势。4. 应用AiP技术已经找到了许多应用,包括2.4 GHz的物联网; 60 GHz的虚拟现实、增强现实和手势识别;以及79 GHz的汽车雷达。然而,真正具有突破性的是AiP技术在28和39 GHz的5G NR智能手机中的应用。图1显示了移动电话天线的演变和可能的发展趋势。关于这个数字,我必须强调,无论是现在还是将来,集成天线和集成天线都将在智能手机中共存。AiP技术将继续寻找新的应用;例如,AiP技术向无创健康监测医疗领域的渗透已经开始。然而,医疗应用的准入门槛很高,因为产品认证周期要长得多AiP技术在基于mmWave 5G的工业互联网中的应用5. 结论总之,AiP技术不再是一种选择;它现在是无线SoC的强制性技术。这将对天线和包装行业产生巨大影响。传统天线行业肯定会失去一些业务,而外包半导体组装和测试(OSAT)公司将首次将业务扩展到天线领域未来,AiP技术将在实现超大规模天线集成方面发挥重要作用它还将用于增强天线芯片技术的太赫兹天线性能[19]。引用[1] AbidiAA. RF CMOS时代来临。 IEEE Microw Mag 2003;4(4):47-60.[2] Dunworth JD, Homayoun A, Ku BH ,Ou YC ,Chakraborty K ,Liu G ,etal.28 GHz BULK-CMOS双极化相控阵收发器,具有24个通道,适用于5G用户和基站设备。在:2018年IEEE国际固态电路会议论文集; 2018年2月11日至15日;旧金山,加利福尼亚州,美国; 2018年。p. 70比2[3] 张燕萍。封装技术的早期发展。IEEEPropag Mag 2019;61(3):111-8.[4] 刘丹,张永平.在60 GHz无线电芯片封装中集成阵列天线。Proc IEEE2012;100(7):2364-71.[5] 张燕萍,孙明,刘丹,陆永。采用薄型封装的双栅格阵列天线,用于与高度集成的60GHz无线电进行倒装芯片互连。IEEE TAntenna Propag 2011;59(4):1191-9.[6] Elisabeth S , Malaquin C. 封 装 内 天 线 ( AiP ) : 干 扰 无 线通 信 和 HMI 。 ChipScaleRev 2020;24(1):4-7.[7] Rappaport TS,Heath RW,Daniels RC,Murdock JN.毫米波无线通信。纽约:Pentice-Hall;2015.[8] Issakov V,Wojnowski M,Knapp H,Trotta S,Forstner HP,Pressel K等人,高度集成RF系统中芯片封装板接口的协同仿真和协同设计。In:Proceedings of 2016IEEE Bipolar/BiCMOS Circuits and Technology Meeting( BCTM ) ; 2016 Sep25-27;新不伦瑞克,NJ,USA; 2016. p. 94比101[9] 王俊杰,张燕萍,蔡康明,陆ACW。高集成度射频收发器天线-芯片协同设计用陶瓷焊盘栅格阵列封装微带贴片天线的 电 路 模 型 。IEEE T天线规划2005;53(12):3877-83.[10] 张永萍,毛建芳。高度集成无线设备天线封装技术的发展概述。Proc IEEE 2019;107(11):2265-80.[11] KyriazidouCA,Contopanagos HF,Alexopoulos NG. 平面AMC在60 GHz无线电集成天线上的空频投影。IEEE T AntennaPropag 2012;60(4):1899-909.[12] Liu D,Gu X,Baks CW,Valdes-Garcia A. Ka频段5G通信应用的封装设计考虑因素。IEEE T AntennaPropag 2017;65(12):6372-9.[13] Brunnbauer M,Fürgut E,Beer G,Meyer T.嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB)。在:2006年第8届电子封装技术会议论文集; 2006年12月6日[14] Nasr I,Jungmaier R,Baheti A,Noppeney D,Bal JS,Wojnowski M等人,一种高度集成的60 GHz 6通道收发器,带天线,用于智能传感和短距离通信。IEEE J Solid StCirc 2016;51(9):2066-76.Fig. 1. 手机天线设置的演变。AOC:片上天线。Y. 张工程11(2022)1820[15] 蔡春春,许庆荣,高启源,唐忠忠,卢庆林,吴开正,等。毫米波三维信息偶极子天线阵列与CMOS前端电路的集成制作与特性分析。在:2019年IEEE国际电子器件会议(IEDM)会议记录; 2019年12月7日至11日;美国加利福尼亚州旧金山; 2019年。[16] YuB,Qian Z,Lin C,Lin J,Zhang YP,Yang G,et al. 采用扇出晶圆级封装的宽带毫米波天线,具有用于5G无线通信的高垂直互连。 IEEE T Antenna Propag2021;69(10):6906-11.[17] Zheng Z,Zhang YP,Shi L,Wu L,Mao JF.基于探针的毫米波/太赫兹远场天线测量装置概述。IEEEPropag Mag 2021;63(2):63-118.[18] Moreira J.测试用于5G 应用的大批量生产的AiP 模块。 Chip Scale Rev 2020;24(6):31-6.[19] 张燕萍,刘丹.用于无线通信的高度集成毫米波器件的片上集成电路和天线封装解决方案。IEEE TAntenna Propag 2009;57(10):2830-41.
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