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5G挑战加剧 AiP让系统设计更简单
IC封装新趋势

【作者: 王岫晨】2019年07月04日 星期四

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5G商业化时代即将来临。除了触发各种5G测试要求外,天线在封装技术方面也将成为大型工厂的新战场。所谓的天线封装(Antennas in package;AiP)的概念在很早以前就出现了,这种AiP技术继承并进一步发展了微型天线与多晶片电路模组等整合的概念。


AiP的发展主要是来自於市场的巨大需求。矽半导体制程技术的进展,进一步促使研究人员不断探索自20世纪90年代末以来,单晶片或多晶片在IC封装中的整合度挑战。适用於晶片内封装的天线包括印刷天线、贴片天线、超宽频天线,以及复合天线等。这些天线可以内置在系统封装中,使整个系统封装可直接应用於无线通信产品上,而无需额外的天线设计。


全新的封装需求

与这些IC性能相关的要求中,最重要的是模组的可靠性、外形尺寸和成本竞争力之间的取舍。其中还包括对高性能毫米波高频讯号方案、消费性电子与行动装置,以及与汽车雷达解决方案等不同封装结构的权衡评估。毫米波高频讯号方案通常较不受形状因素的限制,并且可以透过增加天线阵列和RF晶片等方式来增强讯号。



图一 : 适用於晶片内封装的天线包括印刷天线、贴片天线、超宽频天线,以及复合天线等。
图一 : 适用於晶片内封装的天线包括印刷天线、贴片天线、超宽频天线,以及复合天线等。

而对於消费性电子与行动装置,主要驱动因素则是成本和外形尺寸。为了在受到约束的形状因素中,更有效提升天线传送功率与控制功耗,行动装置通常需要透过AiP来提高通讯解决方案的整合度。将天线整合在与RF晶片相同大小的封装内,此举可大大地降低系统级设计的困难度。


这种方法与天线本身不断小型化的设计趋势相结合,使其能够使用与系统级封装(SiP)相同的衬底技术,这样的方法由於其实用性与重要性,已经独立成为一种AiP天线封装技术。而AiP封装技术的问世,尽管为5G带来全新的设计视角,然而所伴随的设计、材料、结构、可制造性测试等议题,却也为5G封装带来了更高层级的全新挑战。


5G应用带起AiP风潮

事实上,从智慧手机,大数据,汽车电子,物联网到储存市场,都正不断地探索各种应用的先进封装解决方案。这些封装需要在不同的环境中进行。除了必须结合不同的材料之外,特别是随着5G的出现,先进的系统级封装还需要RF和天线的特定设计和专业知识来加以优化,才能够达到新的应用层次,例如AI、VR、AR等应用。



图二 : 消费性电子与行动装置,主要的考量因素是成本和外形尺寸。
图二 : 消费性电子与行动装置,主要的考量因素是成本和外形尺寸。

近年来,IC的工作频率已经来到了更高频的毫米波频谱。随着5G的到来,下一代的无线通讯协议和汽车雷达的出现,都渐渐将IC推向了这些极端频段,以利用更多的额外频宽。对於这些新型毫米波设备的需求日益增加,无论是出於汽车雷达的安全问题,还是用於5G手机的庞大数据网路,或者只是希??能够将4K视讯从平板电脑瞬间传输到电视萤幕上。



图三 : 随着5G出现,先进的系统级封装还需要加以优化,才能够达到新的应用层次。
图三 : 随着5G出现,先进的系统级封装还需要加以优化,才能够达到新的应用层次。

一般来说,6GHz已是大多数IC频段的高峰。而现在,工作频率来到了30、40、60甚至80GHz,目的在於为下一代5G无线通讯和汽车设备提供必要的频宽。但这已经不只是频率的加倍而已,而是一个巨大飞跃式的跃进。而值得注意的是,除了工作频率快速增加之外,另一个挑战是5G应用顺势带起的AiP封装,以及采用AiP的无线设备在量产时的OTA测试需求。


AiP的测试新挑战

展??未来,我们可以发现5G毫米波的重大挑战将是降低设备的测试成本。事实上,测试成本占了第一代5G元件IC成本的80%。这样的状况必须加以改善,随着毫米波设备数量的增加,可以透过经济规模来促使成本自然降低,预期在未来几年内测试成本将可降低到供应商可接受的范围。


在今天,毫米波频率的透过接线来进行生产测试是常态。金属传输线将测试仪器连接到DUT以进行80GHz的高频测试。最後,这些毫米波设备连接到天线模组,透过天线模组与外界进行无线通讯。然而,空间的限制和成本正在促使供应商将天线阵列直接整合到半导体封装或基板中,这种AiP封装的出现也正在改变测试产业的格局,AiP需要透过OTA的方式来为DUT进行毫米波测试,通常在ATE环境中,嵌入无线介面是非常重要的一件事。


系统级封装测试

在未来的行动世界里,天线几??在所有装置装都随处可见,因此AiP将是IC封装的一个新趋势,它是小型和高整合IC的推动者,这种IC会由封装内的IC和天线所组成。AiP允许将所有复杂的RF元件与基频电路整合到一个完整的模组中,这将会使得系统整合的工作变得更为顺利。而系统整合厂商也不再需要在PCB板上设计复杂的RF电路,并且还能有效减少整体应用的外型尺寸。


事实上,AiP技术可以代表近年来重要的天线技术成就。目前AiP技术已被晶片制造商广泛采用,主要应用於60GHz的无线电和手势雷达。一般认为在未来,AiP技术还将为低於毫米波段的5G通讯,或者更高频段的应用提供更具空间效益的天线解决方案。


为了满足5G无线通信技术将被导入需要异构整合,以及更复杂设计的RF前端模组这一个事实,并且还必须符合消费电子产品的设计趋势,AiP和系统测试级封装已成为世界先进封装测试产业的发展重心之一。根据最初的预期,AiP的制造和测试将主要由半导体封装和测试制造商(OSTA)完成。包括日月光(ASE)、Amkor、JCEP和SPIL等,是全球四大OSTA厂商,所有这些厂商都在致力於开发AiP技术。但从目前的现况观察,台积电和三星这两家全球规模最大的半导体系统整合制造商,很可能在即将到来,由5G所牵引出的庞大AiP封装市场中,处於技术领先的地位。


成败取决於先进封装技术

AiP允许将所有复杂的RF元件与基频电路整合到一个完整的模组中,这将会使得系统整合的工作变得更为顺利。

在初始的系统架构阶段,应将AiP与射频整合电路一起设计,以获得最隹结果。AiP设计的成败,通常取决於先进的封装技术,目前常见者包括低温陶瓷(LTCC)、嵌入式晶圆级球栅阵列(eWLB),以及高密度互连(HDI)等封装技术。而更重要的是,必须在整个制造周期中将测试要件也一并考虑进去。以探针为基础的测量设置可适用於AiP的验证与表徵。至於生产测试、整合和系统级测试,则需要透过OTA来进行天线测量。



图四 : 在初始的系统架构阶段,应将AiP与射频整合电路一起设计,以获得最隹结果。
图四 : 在初始的系统架构阶段,应将AiP与射频整合电路一起设计,以获得最隹结果。

估计不久将来,5G毫米波的AiP封装技术即可进入量产阶段,包括华为、高通等都在此领域着墨最深。至於技术趋势方面,各种AiP系统模组将会继续整合到更大的系统级封装中。它将成为5G发展的新主流,也就是天线模组直接与RF前端模组整合在同一个封装中。一线的晶片制造商也将考虑可能的商业模式,例如天线模组,单独销售的RF前端模组,或为系统供应商提供整合解决方案。


功率与散热考量

在下一代的5G通讯系统中,讯号将在准毫米波(mmWave)和毫米波频段中运行。极高的流量密度将需要更高频的行动频段,这种远远超过6GHz的无线区域型网路(WLAN),就需要使用到毫米波(频段从28~39GHz及以上)的通讯。为了实现这些目标,就必须先行解决许多的挑战,这些挑战包括了系统级设计,以及材料、制程、天线和模组整合等相关的目标。


在这些频谱中的5G通讯最大挑战之一,就是辐射出的讯号功率,在自由空间中所产生的损耗。克服这种损失的一种方法,就是使用高增益天线阵列。这些阵列需要透过许多功率放大器,过程中也将会消耗大量的功率。因此,5G封装的第一个要求,是确保具备良好的电气和散热解决方案。


而在这样的封装中,还必须使天线阵列(包括散热器和反射器)完全整合在非常靠近晶片的位置,藉以实现小尺寸和高效性能。在这样的状况下,5G毫米波封装就会根据应用的不同,而产生出数种不同的系统整合方案。封装选项往往根据最终市场的需求而有很大的差异,包括性能、散热、天线阵列的类型和数量,以及RF收发器晶片等。


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