关于封装天线技术系列详解

1.引言

无线通信发展迅速，4G的商用才刚刚铺开，5G研发的热潮已迎面扑来。在未来的几年里，5G旨在实现低时延、高速率、大容量万物互联，将会彻底改变我们同世界互动的方式。为了使5G的愿景变为现实，必须突破几个关键技术藩篱，其中一个核心技术的难题就与我们的领域息息相关，即如何利用大规模MIMO天线阵列实现波束成形、扫描、追踪、锁定来有效对抗毫米波移动信道的路径损耗。

汽车雷达改善了驾车安全同时，也提升了全新的驾车体验。目前，汽车雷达工作在24GHz和77GHz的窄频带范围，仅起到预警及辅助驾驶的作用。未来汽车雷达将朝着工作在79GHz宽频带发展，利用4GHz带宽获得更高的空间分辨率甚至实现无人驾驶。2015年，谷歌手势雷达一经问世，便立刻造成全球轰动。手势雷达工作在60GHz频带，跟踪人手移动及其变化，非常适合嵌入在可穿戴设备、手机和其它电子产品中作为用户界面。

消费类电子产品的硬件主要是通过系统级芯片（SoC）和系统级封装（SiP）技术来实现。SoC技术通过半导体工艺在同一个芯片上集成实现系统功能的各种电路。而SiP技术则是通过封装工艺将各个功能模块集成在一个封装内。尽管SOC技术可以以更低的系统成本来提高系统的可靠性和功能，但是由于使用相同的材料和工艺，没办法使每个类型的电路性能达到最优，进而导致系统性能降低和系统功耗增加等问题。相反，SiP技术可以提升系统性能、降低系统功耗，但是由于功能模块和封装制作采用不同的材料和工艺，会导致系统的可靠性降低和系统成本增加等问题。

天线是无线系统中的重要部件，有分离和集成两种形式。分离天线司空见惯，集成天线也已悄悄地进入到我们的视线。集成天线包括片上天线（AoC）和封装天线（AiP）两大类型。AoC技术通过半导体材料与工艺将天线与其它电路集成在同一个芯片上。考虑到成本和性能，AoC技术更适用于太赫兹频段。AiP技术是通过封装材料与工艺将天线集成在携带芯片的封装内。AiP技术很好地兼顾了天线性能、成本及体积，代表着近年来天线技术重大成就，因而深受广大芯片及封装制造商的青睐。如今几乎所有的60GHz无线通信和手势雷达芯片都采用了AiP技术。除此之外，在79GHz汽车雷达［2］， 94GHz相控阵天线，122GHz、145GHz和160GHz传感器以及300GHz无线链接芯片中都可以找到AiP技术的身影。毋庸置疑，AiP技术也将会为5G毫米波移动通信系统提供很好的天线解决方案。

很显然AoC和AiP分别属于上述SoC和SiP概念的范畴，那么我们为什么要将它们从SoC和SiP技术中明确区分开来呢？原因其实很简单，就是为了强调它们独有的辐射特性。关于AoC技术，需另辟专文详述，本文仅拟论及AiP技术。尽管AiP技术方面的论文和专利有很多，但还没有一篇回顾AiP技术发展历程及其背后故事的文章，本文旨在填补这一方面的空白。另外，本文也是介绍封装天线技术系列文章的第一篇：历史篇。在文中我将利用AiP技术发展历程中起到重要推动作用的经典设计为例，加以自己亲身经历的故事，为大家勾勒出AiP技术发展的来龙去脉。

2.AiP技术发展历程

AiP技术早在该术语被提出和普及之前就已经存在。AiP技术继承与发扬了微带天线、多芯片电路模块及瓦片式相控阵结构的集成概念。它的发展主要得益于市场的巨大需求，硅基半导体工艺集成度的提高，驱动了研究者自90年代末不断深入地探索在芯片封装上集成单个或多个天线。

2.1 早期与蓝牙无线技术一起发芽

我于1993年初荣幸地成为香港中文大学国际知名卫星天线专家黄振峰博士课题组一员，有机会参与制造和测试多款微带天线。通过使用一种刚问世不久的低损耗高介电常数陶瓷材料，我们成功地将900MHz微带天线小型化到只有手指甲大小，这样利用几个小型化天线就可以实现手机天线辐射方向图成形，减少向人体侧辐射。研究成果不知怎样引起了时任香港中文大学校长高锟教授的注意，有一天召集我们到他办公室向他汇报。然而，我们关于实现天线小型化的研究似乎没有给高锟教授留下深刻印象。他打比喻说：将四条腿的长凳缩小到三条腿的板凳只是进化而已，大学应该尝试做一些革命性的研究。高锟教授获2009年度诺贝尔物理学奖，也许高锟教授这样伟大的科学家更关注研究的科学价值，而我们则更强调潜在的应用。幸运的是，我们关于天线小型化的工作在天线领域受到欢迎，并在1995年IEEE天线与传播国际研讨会上与摩托罗拉公司设计的类似天线在同一会场宣读［33］，直接促进了陶瓷贴片天线的发展。1996年，我加入了香港城市大学国际著名的天线实验室从事介质谐振器天线研究。偶然的机会我在香港城市大学遇到了材料科学家李国源博士，他热情地向我介绍了他研究的LTCC材料与工艺，并用一块可以表贴集成电路内有埋置去耦电容的LTCC基板讲解了厚膜电路的优缺点，临别时还慷慨地向我赠送了好多块他烧好的LTCC基板用于天线研究。这些LTCC基板除了后来用于天线试验毁坏的以外，剩余的我至今还保留着。李国源博士现在是华南理工大学教授。1998年，我离开任教的香港大学前往新加坡南洋理工大学就职。令我惊讶的是，我被分派到电路与系统系而非通信工程系，后者有几位教授及先进的实验室从事天线与电磁波传播研究。在参观集成电路实验室时，我看到了图一所示的装置，就问实验室一个研究生那是微带天线吗？研究生回答到：“不，那不是，那是一个集成电路芯片。”不久，电路与系统系启动了“片上软件无线电”的战略性研究项目，我的任务是为这个项目开发天线技术。因为对图1所示的集成电路芯片同微带天线结构相似的着迷，以及预测到未来有可能产生一种革命性的天线解决方案所激动，我很快决定研究图1所示集成电路芯片作为天线的可行性［34］。首先，我找来许多现成的陶瓷封装集成电路芯片来进行天线及电路实验研究它们之间的相互影响。图2左就是当时实验过的一个在双列直插式封装上实现的2.4GHz天线。后来发现利用现成的陶瓷封装集成电路芯片来进行天线实验有很大的局限性，于是决定利用印刷电路板（PCB）工艺加工集成电路封装结构模型且印制有天线。图2中所示的集成电路封装结构模型利用了三层电路板，天线印制在顶层板上，信号线及封装地在低层板上实现，中间层中空夹在顶低层之间形成一个腔体来携带裸芯片。图2中顶层板印制了5.2GHz微带天线，如果顶层板换成图2中左下角所示的板，则模拟集成电路封装结构是一款集成有2.4GHz及5.2GHz双频微带天线。上述在现成的陶瓷封装集成电路芯片和PCB加工的模型上尝试，都获得了令人满意的实验结果。受其鼓舞，我和我的学生林伟、薛阳及王珺珺于2003年利用LTCC工艺实现了多款真正工业意义上的封装天线［35］。图2右是一款利用 LTCC工艺为蓝牙芯片开发的差分封装天线。

与此同时，英国伯明翰大学C.T. Song，P.S. Hall和H.Ghafouri-Shiraz提出了两个有关天线封装的概念。第一个概念突出体现了将小天线埋入到芯片封装材料中，然后在埋入式天线近距离处放置一个寄生单元，从而改善封装天线的低增益并增加带宽。第二个概念建议在半导体芯片上实现射频前端电路及电小馈电天线，并在馈电天线上方增加寄生单元并充当封装顶盖，密封整个芯片［36］。Hall教授学识渊博、谦虚低调，是国际天线界一位德高望重的学者。为表彰他在微带天线方面所做出的杰出贡献， 美国IEEE天线与传播学会授予他2012年度the John Kraus Antenna Award， 英国IET授予他2013年度the James R. James LifeTIme Achievement Award.

几乎在同一时间，封装工程师也在尝试解决相同的问题。D.J.Mathews等人申报了一项内置电磁防护罩和天线的用于蓝牙芯片封装的发明专利［37］。美国佐治亚理工学院K.T.Lim等人设法在封装系统（SoP）上集成射频无源器件、天线和有源芯片，以增强封装系统的整体性能和增加更多功能［38］。比利时校际微电子中心S.Brebels等人也实现了集成有天线的SoP［39］。但是，由于已经有SiP的概念，SoP的概念未被广泛接受。

稍后一些时间，香港城市大学梁国华教授及新加坡微电子研究所A.P.Popov博士分别独立发明基于介质谐振器天线的AiP技术［40］，［41］。梁国华教授同我90年代初相识在香港中文大学微波实验室。当时他博士即将毕业，他的博士导师实际上是陆贵文教授。据说梁国华博士论文答辩时，答辩委员会主席认为他提交给中文大学的博士论文等于其它学校的两份博士论文。梁国华教授后来被任命为IEEE天线与传播汇刊的主编。也听说陆贵文教授当年在香港大学提交的硕士论文被英国伦敦大学一位国际著名的教授认为是一篇优异的博士论文，建议香港大学直接授予陆贵文博士学位。陆贵文教授获2017年度IEEE天线与传播学会the John Kraus Antenna Award。加上曾经长期在香港中文大学及城市大学工作过的李啟方教授于2009年获the John Kraus Antenna Award，微带天线的研究至少已产生了三位获奖者。

2.2 中期与60GHz无线技术及毫米波雷达一起成长

2005年三月初，在新加坡举办的第一届小型天线国际研讨会（InternaTIonal Workshop on Small Antenna Technology）上， 我第一次见到了来自IBM Thomas J. Watson Research Center的Brian Gaucher先生和刘兑现博士，并邀请他们访问了南洋理工大学。Brian就IBM的60GHz SiGe芯片、天线、封装和测试设备做了学术报告。图3为IBM用于概念验证的60GHz芯片照片。SiGe裸芯片通过倒装焊技术与天线连接、封装成为栅格阵列模块。由于需要在封装内加金属墙及封装上开天线窗口，因此该概念封装天线不易大批量生产。我向Brian Gaucher先生和刘兑现博士简要介绍了几款基于LTCC工艺适合批量生产的2.4GHz和5.2GHz频段的封装天线。双方当场就达成了基于LTCC工艺合作开发用于IBM 60GHz SiGe芯片组的封装天线的可行性研究计划。我和我的学生孙梅博士负责设计工作，邀请新加坡制造技术研究所（SIMTech）的一个研究小组负责LTCC加工，刘兑现博士负责评估并向我反馈测试结果。

图3. IBM公司用于概念验证的60GHz SiGe芯片、天线、封装模块照片

早期在封装上集成天线，所用英文名称五花八门。随着开发的深入我意识到一个专门响亮的名称非常有利于去推广它。2006年起，我首先使用Antenna-in-Package的名称去推广这一新颖的天线解决方案。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线靠近芯片，减少互连损耗［55］。低插损的天线与芯片互连是毫米波AiP技术的一大挑战。2006年三月初，我参加了在美国纽约举办的第二届小型天线国际研讨会，并访问了IBM Thomas J. Watson Research Center，与刘兑现、U. R. Pfeiffer和Janusz Grzyb 博士讨论了AiP 技术问题。很遗憾，这次访问并没有见到已于2004年离开IBM的Thomas Zwick 博士。Thomas在开发探针式毫米波集成天线测试系统及AiP键合线互连方面做出了突出贡献。此次会面增强了双方合作，加速了AiP技术的发展。图4展示了设计阶段获取的截图和刘兑现博士评估和测试的基于LTCC加工的AiP样品。这一样品集成了共面波导馈线、准腔体、定向保护环、基板材料调制的槽天线。天线输入阻抗故意设计成容性的与芯片通过感性的键合线互连，结果令人满意，并在2007年三月英国剑桥举办的第三届小型天线国际研讨会上被授予最佳论文奖。事实上，在赴英参会之前我在一次内部会议上就对孙梅博士及新加坡制造技术研究所的合作者预测到60GHz AiP技术论文会获奖。而且，还有一件有趣的事情，那就是在剑桥大学的演讲厅等待颁奖时，我在一张会议用纸上写了个便条，再一次预测有关AiP的工作将会赢得更高奖项。我也请刘兑现博士在便条上签了字，便条至今由我保管。果然不出所料，2012年我、孙梅、刘兑现和陆亿泷博士荣获当年IEEE 天线与传播学会谢昆诺夫论文奖（Sergei A. Schelkunoff TransacTIons Prize Paper Award）［43］。这是该奖项自1957年设立以来，亚洲研究者首次及至今唯一获此殊荣。谢昆诺夫是国际著名的电磁理论学家。他于1920年代初期从前苏联经我国移居美国。他在工程电磁场、天线理论、波导理论、电磁屏蔽等方面提出了许多定理、原理、概念、方法，做出了重要的贡献。他使应用数学焕发出光彩， 许多工作带有奠基性质。就经典电动力学方法（即量子理论以外领域）而言， 我国著名物理学家黄志询先生认为可以把他比作二十世纪的麦克斯韦［44］。