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5G挑戰加劇 AiP讓系統設計更簡單
IC封裝新趨勢

【作者: 王岫晨】   2019年07月04日 星期四

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5G商業化時代即將來臨。除了觸發各種5G測試要求外,天線在封裝技術方面也將成為大型工廠的新戰場。所謂的天線封裝(Antennas in package;AiP)的概念在很早以前就出現了,這種AiP技術繼承並進一步發展了微型天線與多晶片電路模組等整合的概念。


AiP的發展主要是來自於市場的巨大需求。矽半導體製程技術的進展,進一步促使研究人員不斷探索自20世紀90年代末以來,單晶片或多晶片在IC封裝中的整合度挑戰。適用於晶片內封裝的天線包括印刷天線、貼片天線、超寬頻天線,以及複合天線等。這些天線可以內置在系統封裝中,使整個系統封裝可直接應用於無線通信產品上,而無需額外的天線設計。


全新的封裝需求

與這些IC性能相關的要求中,最重要的是模組的可靠性、外形尺寸和成本競爭力之間的取捨。其中還包括對高性能毫米波高頻訊號方案、消費性電子與行動裝置,以及與汽車雷達解決方案等不同封裝結構的權衡評估。毫米波高頻訊號方案通常較不受形狀因素的限制,並且可以透過增加天線陣列和RF晶片等方式來增強訊號。



圖一 : 適用於晶片內封裝的天線包括印刷天線、貼片天線、超寬頻天線,以及複合天線等。
圖一 : 適用於晶片內封裝的天線包括印刷天線、貼片天線、超寬頻天線,以及複合天線等。

而對於消費性電子與行動裝置,主要驅動因素則是成本和外形尺寸。為了在受到約束的形狀因素中,更有效提升天線傳送功率與控制功耗,行動裝置通常需要透過AiP來提高通訊解決方案的整合度。將天線整合在與RF晶片相同大小的封裝內,此舉可大大地降低系統級設計的困難度。


這種方法與天線本身不斷小型化的設計趨勢相結合,使其能夠使用與系統級封裝(SiP)相同的襯底技術,這樣的方法由於其實用性與重要性,已經獨立成為一種AiP天線封裝技術。而AiP封裝技術的問世,儘管為5G帶來全新的設計視角,然而所伴隨的設計、材料、結構、可製造性測試等議題,卻也為5G封裝帶來了更高層級的全新挑戰。


5G應用帶起AiP風潮

事實上,從智慧手機,大數據,汽車電子,物聯網到儲存市場,都正不斷地探索各種應用的先進封裝解決方案。這些封裝需要在不同的環境中進行。除了必須結合不同的材料之外,特別是隨著5G的出現,先進的系統級封裝還需要RF和天線的特定設計和專業知識來加以優化,才能夠達到新的應用層次,例如AI、VR、AR等應用。



圖二 : 消費性電子與行動裝置,主要的考量因素是成本和外形尺寸。
圖二 : 消費性電子與行動裝置,主要的考量因素是成本和外形尺寸。

近年來,IC的工作頻率已經來到了更高頻的毫米波頻譜。隨著5G的到來,下一代的無線通訊協議和汽車雷達的出現,都漸漸將IC推向了這些極端頻段,以利用更多的額外頻寬。對於這些新型毫米波設備的需求日益增加,無論是出於汽車雷達的安全問題,還是用於5G手機的龐大數據網路,或者只是希望能夠將4K視訊從平板電腦瞬間傳輸到電視螢幕上。



圖三 : 隨著5G出現,先進的系統級封裝還需要加以優化,才能夠達到新的應用層次。
圖三 : 隨著5G出現,先進的系統級封裝還需要加以優化,才能夠達到新的應用層次。

一般來說,6GHz已是大多數IC頻段的高峰。而現在,工作頻率來到了30、40、60甚至80GHz,目的在於為下一代5G無線通訊和汽車設備提供必要的頻寬。但這已經不只是頻率的加倍而已,而是一個巨大飛躍式的躍進。而值得注意的是,除了工作頻率快速增加之外,另一個挑戰是5G應用順勢帶起的AiP封裝,以及採用AiP的無線設備在量產時的OTA測試需求。


AiP的測試新挑戰

展望未來,我們可以發現5G毫米波的重大挑戰將是降低設備的測試成本。事實上,測試成本佔了第一代5G元件IC成本的80%。這樣的狀況必須加以改善,隨著毫米波設備數量的增加,可以透過經濟規模來促使成本自然降低,預期在未來幾年內測試成本將可降低到供應商可接受的範圍。


在今天,毫米波頻率的透過接線來進行生產測試是常態。金屬傳輸線將測試儀器連接到DUT以進行80GHz的高頻測試。最後,這些毫米波設備連接到天線模組,透過天線模組與外界進行無線通訊。然而,空間的限制和成本正在促使供應商將天線陣列直接整合到半導體封裝或基板中,這種AiP封裝的出現也正在改變測試產業的格局,AiP需要透過OTA的方式來為DUT進行毫米波測試,通常在ATE環境中,嵌入無線介面是非常重要的一件事。


系統級封裝測試

在未來的行動世界裡,天線幾乎在所有裝置裝都隨處可見,因此AiP將是IC封裝的一個新趨勢,它是小型和高整合IC的推動者,這種IC會由封裝內的IC和天線所組成。AiP允許將所有復雜的RF元件與基頻電路整合到一個完整的模組中,這將會使得系統整合的工作變得更為順利。而系統整合廠商也不再需要在PCB板上設計複雜的RF電路,並且還能有效減少整體應用的外型尺寸。


事實上,AiP技術可以代表近年來重要的天線技術成就。目前AiP技術已被晶片製造商廣泛採用,主要應用於60GHz的無線電和手勢雷達。一般認為在未來,AiP技術還將為低於毫米波段的5G通訊,或者更高頻段的應用提供更具空間效益的天線解決方案。


為了滿足5G無線通信技術將被導入需要異構整合,以及更複雜設計的RF前端模組這一個事實,並且還必須符合消費電子產品的設計趨勢,AiP和系統測試級封裝已成為世界先進封裝測試產業的發展重心之一。根據最初的預期,AiP的製造和測試將主要由半導體封裝和測試製造商(OSTA)完成。包括日月光(ASE)、Amkor、JCEP和SPIL等,是全球四大OSTA廠商,所有這些廠商都在致力於開發AiP技術。但從目前的現況觀察,台積電和三星這兩家全球規模最大的半導體系統整合製造商,很可能在即將到來,由5G所牽引出的龐大AiP封裝市場中,處於技術領先的地位。


成敗取決於先進封裝技術

AiP允許將所有復雜的RF元件與基頻電路整合到一個完整的模組中,這將會使得系統整合的工作變得更為順利。

在初始的系統架構階段,應將AiP與射頻整合電路一起設計,以獲得最佳結果。AiP設計的成敗,通常取決於先進的封裝技術,目前常見者包括低溫陶瓷(LTCC)、嵌入式晶圓級球柵陣列(eWLB),以及高密度互連(HDI)等封裝技術。而更重要的是,必須在整個製造週期中將測試要件也一併考慮進去。以探針為基礎的測量設置可適用於AiP的驗證與表徵。至於生產測試、整合和系統級測試,則需要透過OTA來進行天線測量。



圖四 : 在初始的系統架構階段,應將AiP與射頻整合電路一起設計,以獲得最佳結果。
圖四 : 在初始的系統架構階段,應將AiP與射頻整合電路一起設計,以獲得最佳結果。

估計不久將來,5G毫米波的AiP封裝技術即可進入量產階段,包括華為、高通等都在此領域著墨最深。至於技術趨勢方面,各種AiP系統模組將會繼續整合到更大的系統級封裝中。它將成為5G發展的新主流,也就是天線模組直接與RF前端模組整合在同一個封裝中。一線的晶片製造商也將考慮可能的商業模式,例如天線模組,單獨銷售的RF前端模組,或為系統供應商提供整合解決方案。


功率與散熱考量

在下一代的5G通訊系統中,訊號將在準毫米波(mmWave)和毫米波頻段中運行。極高的流量密度將需要更高頻的行動頻段,這種遠遠超過6GHz的無線區域型網路(WLAN),就需要使用到毫米波(頻段從28~39GHz及以上)的通訊。為了實現這些目標,就必須先行解決許多的挑戰,這些挑戰包括了系統級設計,以及材料、製程、天線和模組整合等相關的目標。


在這些頻譜中的5G通訊最大挑戰之一,就是輻射出的訊號功率,在自由空間中所產生的損耗。克服這種損失的一種方法,就是使用高增益天線陣列。這些陣列需要透過許多功率放大器,過程中也將會消耗大量的功率。因此,5G封裝的第一個要求,是確保具備良好的電氣和散熱解決方案。


而在這樣的封裝中,還必須使天線陣列(包括散熱器和反射器)完全整合在非常靠近晶片的位置,藉以實現小尺寸和高效性能。在這樣的狀況下,5G毫米波封裝就會根據應用的不同,而產生出數種不同的系統整合方案。封裝選項往往根據最終市場的需求而有很大的差異,包括性能、散熱、天線陣列的類型和數量,以及RF收發器晶片等。


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