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天线封装技术究竟有何魔力,5G部署离不开它?

2019/04/29
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5G mmWave 毫米波的发展带动下,天线封装(Antennas in Package,AiP)技术逐渐受到关注,该名称主要由系统级芯片(SoC)、系统级封装(SiP)功能上的差异衍生。
 
SoC 技术是将不同功能的元件整合到单一芯片中,有助于缩小芯片尺寸,但芯片制作需以相同材料与制程进行,因此研发方向逐步朝向后者 SiP 技术为主要。现阶段芯片与天线应用虽有相对应的天线整合芯片(Antennas on Chip,AoC)技术方案被开发,但由于成本与频段考量,大多只有学术单位采用。
 
SiP 技术主要借由封装技术,将以不同材料为基础的功能元件结合于单一系统中,提升系统性能性并减少能耗;而 AiP 技术则是由此延伸,尝试将射频前端等元件与天线整并在一起。
 
制造成本与芯片特性考量,AiP 技术于 5G 通讯市场逐渐胜出
天线是无线通讯系统的重要元件之一,依不同功能与型态可分为分离型天线与集成天线等 2 类。分离型天线较常见,一般户外所见的天线结构皆属于此类;集成天线则需透过天线与系统整并结合,如同 AoC 与 AiP 等技术,可缩减天线在系统内部的体积占比。
 
虽然 AoC 技术于缩减天线尺寸上的效能极佳,但需经由半导体材料与制程上的统一,并与其他元件一同结合于单一芯片中,考量制造成本与芯片特性,AoC 较适合应用于 Terahertz(太赫兹)频段中,因此在频段使用与成本等因素上,现阶段 5G 毫米波将不考虑使用该技术,目前只有学术机构予以采用。
 
由于射频元件大多使用 GaAs 为基底材料、天线多使用 LCP(Liquid Crystal Polymer)为材料等,因而较适合应用于 SiP 技术,使得天线封装 AiP 技术逐渐胜出。相较于 AoC 技术,AiP 技术较能兼顾成本、性能与体积等特性,让天线与射频元件得以整并为单一封装,因此现阶段各家芯片设计大厂(如 Qualcomm)、射频元件商(如 Skyworks、Qorvo)及封测代工厂(如日月光、Amkor)等,大多选择以 AiP 技术为研发方向切入 5G 通讯市场。
 
随着发展脉络,AiP 技术已逐渐朝向 5G 毫米波发展方向
AiP 技术的发展历程聚焦于不同产业发展情形,依时间轴可区分为前、中、后 3 期。前期(1990 年后期~)AiP 的研究主要集中在大学实验室,并以开发 2.4GHz 频段的蓝牙芯片为主,当时面临的困难是如何实现天线缩小化;中期(~2010 年左右)AiP 技术的开发,已逐渐转移到 IC 设计与 IDM 厂,试图以 60GHz 毫米波雷达阵列为开发目标,此时已有许多公司投入资源于 AiP 的新材料与制程技术开发上。
 
如今到了 AiP 发展后期阶段(~2019 年),5G 毫米波发展技术逐渐引领潮流,因而需要更高频段作为彼此的沟通管道,在此同时,AiP 技术也逐渐受到射频元件商与封测代工厂重视,皆已投入资源于封装技术研发,并尝试借由 AiP 技术发展,站上 5G 通讯的新浪潮。
 

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