Integrated 3D Fan-out Package of RF Microsystem and Antenna for 5G Communications

A 3D fan-out packaging method for the integration of 5G communication RF microsystem and antenna is studied.First of all,through the double-sided wiring technology on the glass wafer,the fabrication of 5G antenna array is realized.Then the low power devices such as through silicon via(TSV)transfer chips,filters and antenna tuners are flip-welded on the glass wafer,and the glass wafer is reformed into a wafer permanently bonded with glass and resin by the injection molding process with resin material.Finally,the thinning resin surface leaks out of the TSV transfer chip,the rewiring is carried out on the resin surface,and then the power amplifier,low-noise amplifier,power management and other devices are flip-welded on the resin wafer surface.A ball grid array(BGA)is implanted to form the final package.The loss of the RF transmission line is measured by using the RF millimeter wave probe table.The results show that the RF transmission loss from the chip end to the antenna end in the fan-out package is very small,and it is only 0.26 dB/mm when working in 60 GHz.A slot coupling antenna is designed on the glass wafer.The antenna can operate at 60 GHz and the maximum gain can reach 6 dB within the working bandwidth.This demonstration successfully provides a feasible solution for the 3D fan-out integration of RF microsystem and antenna in 5G communications.

Ka频段卫通收发共口径多波束相控阵封装天线设计

为满足卫星通信中双频共口径、高集成、多波束等要求,提出了一种基于封装天线(Antenna in Package, AIP)架构的Ka频段收发共口径多波束相控阵天线。天线以双频堆叠微带单元的形式实现了收发共口径,并通过天线集成滤波器保证了收发通道的隔离度优于44 dB。在±60°范围内,64元接收阵增益优于17.4 dB,128元发射阵增益优于20.2 dB,具有良好的波束扫描性能。为获得收发多波束一片式集成,在收发(Transmitter/Receiver, T/R)组件中使用晶圆级三维系统集成封装(Three Dimensions System in Package, 3D-SIP)并结合微凸点的制备技术,保证了系统级芯片(System-on-Chip, SOC)的高密度二次集成。高低频混压技术同样被应用于阵面、收发网络、控制供电链路的多层板集成。所提多波束的相控阵天线新架构具有高密度集成TR组件、多波束一体化、高效散热等特点,在卫星通信和数据链等方面具有广阔的应用前景。

晶圆级树脂基低成本W波段封装天线微系统

面向W波段探测与通信系统的小型化、低成本应用需求,本文采用晶圆级树脂基扇出型封装工艺,通过对有源封装天线集成架构、互连传输结构和天线阵列进行设计与仿真,设计了一款工作频率为94 GHz的封装天线微系统。该封装天线微系统集成了4×4磁电偶极子阵列天线和16通道幅相多功能射频芯片。通过Ansys HFSS全波仿真,系统波束扫描范围在E面≥±30°,H面≥±40°,在7.1 mm×8.3 mm×1.2 mm封装尺寸内实现了封装天线等效全向辐射功率≥39.1 dBm。该封装天线微系统具备规模扩展能力,可广泛应用于探测、通信以及安检等领域。

K频段小型化四通道天线接口单元设计与实现

为了适应机载射频前端小型化的需求,设计了一种基于SiP(System in Package)技术的K频段四通道天线接口单元。该单元采用二次超外差变频构架,主要由两个硅基封装的变频双通道集成SiP模块以及高低本振集成锁相环SiP模块组成。硅基变频SiP模块采用PoP(Package on Package)方式实现不同功能电路封装的上下堆叠,保证了良好的电磁兼容和输出杂散抑制。堆叠好的硅基封装通过BGA植入陶瓷封装中,实现了高可靠的气密性。基于SiP技术的四通道天线接口单元体积仅为58.2 mm×40.3 mm×11.0 mm,在保持优良电性能指标前提下,相比于传统方式设计,四通道天线接口单元在体积和质量上均大幅缩减86%以上,在机载、弹载等对设备轻小型化要求较高的平台上具有广阔的应用前景。

W频段封装天线阵列集成技术研究

以W频段封装天线(AIP)为研究对象,针对集成制造中的倒装精度差、一致性与成品率低等问题,从吸嘴材质、结构设计、焊盘预处理以及工艺曲线优化等方面开展研究,结合金相切剖结果评判封装天线集成制造效果。结果表明通过选用基于氧化铝材质的十字结构吸嘴、对焊盘表面进行等离子与汽相清洗、合适工艺参数曲线完成集成制造的封装天线的焊接空洞率≤5%,层间对准精度优于20μm,剪切强度≥60 MPa,实现了封装天线高精度、高可靠的集成制造。

低轨卫星微波毫米波PCB的技术发展与应用

低轨卫星移动通信系统与地面5G移动通信系统相融合,以及未来的6G时代,将推动构建全域内无缝覆盖和全时接入的通信网络、实现空天地海一体化。卫星通信向微波毫米波频段演进已成为发展趋势,与此同时也面临着更大的挑战。本文从互联网的概念入手,介绍了目前国内外低轨卫星技术发展及其应用进展,梳理了低轨天上端与低轨地面端两类PCB产品,阐述了用于降低PCB重量的低密度发泡材料PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)混压加工技术、相关高频高速材料选型加工及其非对称结构的板翘控制技术、毫米波封装天线与阵列天线技术研究等关键技术,希望对低轨卫星工程推广和相关PCB加工制造产生一定的积极意义。

应用于毫米波无线接收系统的高集成化LTCC AIP设计(英文)

介绍了一种基于低温共烧陶瓷工艺的新型高度集成毫米波无源接收前端,该前端由阵列天线、馈电网络和带通滤波器构成.上述无源器件以天线集成封装方式经过一体化设计,并应用于毫米波无线系统.首先,设计了2×2线极化空气腔阵列天线,通过采用新颖的内埋空气腔体结构,使天线最大增益提高了2.9 dB.其次,将具有双层谐振结构的三阶小型化发卡型带通滤波器和天线馈电网络进行一体化设计.该滤波器测试结果显示:插入损耗为1.9dB,3 dB相对带宽为8.1%(中心频率为34 GHz).最后将上述天线和滤波网络进行一体化设计,实现了三维无线接收前端.在集成结构中,通过采用金属柱栅栏抑制了寄生模式.测试结果显示天线最大增益可达14.3dB,通过集成滤波馈电网络,其阻抗带宽为2.8 GHz.该新型一体化集成前端系统具有良好的射频性能,可作为全集成无源前端应用于Ka波段无线系统中.

用于5G通信的射频微系统与天线一体化三维扇出型集成封装

本文研究了一种用于5G通信的射频微系统与天线一体化三维扇出型集成封装技术.通过在玻璃晶圆上使用双面布线工艺,实现毫米波天线阵列的制作.将TSV转接芯片与射频芯片倒装焊在玻璃晶圆上,再用树脂材料进行注塑,将玻璃晶圆与异构芯片重构成玻璃与树脂永久键合的晶圆.减薄树脂晶圆面漏出TSV转接芯片的铜柱,在树脂表面上完成再布线.把控制、电源管理等芯片倒装焊在再布线形成的焊盘处,植上BGA焊球形成最终封装体.利用毫米波探针台对射频传输线的损耗进行测量,结果表明,1 mm长的CPW传输线射频传输损耗在60 GHz仅为0.6 dB.在玻璃晶圆上设计了一种缝隙耦合天线,天线在59.8 GHz的工作频率最大增益达到6 dB.这为5G通信的射频微系统与天线一体化三维扇出型集成提供了一个切实可行的解决方案.

封装技术在5G时代的创新与应用

5G时代的到来将通信系统的工作频段推入毫米波波段,这给毫米波器件的封装带来了挑战.5G系统需要将射频、模拟、数字功能和无源器件以及其他系统组件集成在一个封装模块中,这个要求恰恰体现了异质异构集成的特征.在所有的异质异构集成解决方案中,2.5D/3D系统级封装(System in Package,SiP)因其高度集成化被视为解决5G系统封装的重要突破口.文章以SiP为切入口,着重介绍了未来5G封装发展重点的2.5D/3D SiP技术以及目前备受瞩目的Chiplet技术.基于5G毫米波器件的系统级封装解决方案,探讨了适用于毫米波器件封装的基板材料以及SiP所需的先进封装技术.最后,针对5G天线模块的封装,介绍了片上天线和封装天线两种解决方案.

Ka-band broadband filtering packaging antenna based on through-glass vias (TGVs)

This work presents a novel design of Ka-band(33 GHz)filtering packaging antenna(FPA)that features broadband and great filtering response,and is based on glass packaging material and through-glass via(TGV)technologies.Compared to traditional packaging materials(printed circuit board,low temperature co-fired ceramic,Si,etc.),TGVs are more suitable for miniaturization(millimeter-wave three-dimensional(3D)packaging devices)and have superior microwave performance.Glass substrate can realize 3D high-density interconnection through bonding technology,while the coefficient of thermal expansion(CTE)matches that of silicon.Furthermore,the stacking of glass substrate enables high-density interconnections and is compatible with micro-electro-mechanical system technology.The proposed antenna radiation patch is composed of a patch antenna and a bandpass filter(BPF)whose reflection coefficients are almost complementary.The BPF unit has three pairs ofλg/4 slots(defect microstrip structure,DMS)and twoλg/2 U-shaped slots(defect ground structure,DGS).The proposed antenna achieves large bandwidth and high radiation efficiency,which may be related to the stacking of glass substrate and TGV feed.In addition,the introduction of four radiation nulls can effectively improve the suppression level in the stopband.To demonstrate the performance of the proposed design,a 33-GHz broadband filtering antenna is optimized,debugged,and measured.The antenna could achieve|S11|<-10 dB in 29.4‒36.4 GHz,and yield an impedance matching bandwidth up to 21.2%,with the stopband suppression level at higher than 16.5 dB.The measurement results of the proposed antenna are a realized gain of~6.5 dBi and radiation efficiency of~89%.

毫米波相控阵封装天线电磁兼容仿真分析与设计

提出了一种毫米波相控阵封装天线的建模方法,通过商业仿真软件搭建了相控阵封装天线集数字、模拟和射频于一体的系统级仿真模型。基于此模型,分析了毫米波相控阵封装天线典型电磁兼容问题机理。此外,提出了相控阵封装天线电磁兼容设计的基本原则。原理样机试验和装机试飞验证了所提出的电磁兼容建模、仿真、分析和设计方法的有效性与正确性。

大功率封装相控阵天线用金属封装外壳研制

提出了一种金属封装外壳,其由玻璃绝缘子、铝合金壳体和铝合金盖板组成,玻璃绝缘子金锡焊接到壳体上、盖板激光封焊到壳体上,以保证封装外壳的气密特性。该金属封装外壳采用类似陶瓷柱栅阵列(Ceramic column grid array,CCGA)的对外接口,支持自动化表贴工艺,具有高热导率特性,特别适用于大功率封装相控阵天线。对该金属封装外壳按封装相控阵天线的典型应用进行了仿真、加工、测试,结果表明,在0.5~18.0 GHz频带内,该金属封装外壳具有良好的驻波特性及传输性能,并具有高热导率特性。

垂直互联结构的封装天线技术研究

封装天线(AiP)是一种能够实现低成本制备、高性能以及小体积天线的技术,在移动通信等领域有着广泛的应用。在扇出型晶圆级封装(FOWLP)中,采用通孔工艺能够实现电信号的垂直互连结构,助力AiP技术的发展。重点阐述了FOWLP工艺中硅通孔(TSV)、玻璃通孔(TGV)和塑封通孔(TMV)的制备方法,以及通过3种通孔技术实现的垂直互连结构在封装天线领域的应用。采用这3种垂直互连结构制备的封装天线能够实现三维集成,从而更进一步地缩小天线的整体封装体积。介绍了3种通孔的制备工艺,以及采用通孔技术的FOWLP工艺在封装天线领域的应用。明确了每一种垂直互连结构应用于AiP的优缺点,为FOWLP工艺在AiP领域中的技术开发和探索提供参考。

小型化汽车防撞雷达封装天线

基于汽车防撞雷达高精度、小型化和轻型化等要求,提出了一种应用于车载防撞雷达前端的新型片上天线设计。封装天线(AiP)技术为天线—芯片集成封装提供了一种解决方案,有助于减少设备尺寸,提高系统的封装密度。而天线的介质基板采用的硅基材料,可以实现小型化、高集成的AiP。借助于Ansoft-HFSS仿真软件进行建模与仿真,设计了此AiP,给出了其最佳参数与辐射性能,该天线的最佳尺寸为9000μm×5000μm×185μm。测量结果表明:AiP的中心频率为77.14 GHz,带宽为1.01 GHz,天线峰值增益为8.63 dBi,满足设计指标,可用于汽车防撞雷达片上防撞天线。

基于分形结构的天线设计及天线-芯片一体化射频组件制造工艺

实现了一种基于分形结构的天线-芯片一体化射频组件的设计与制造,设计了基于4阶Hilbert曲线的分形电感和基于2阶Sierpinski三角形的天线结构,有效提高了集成模组中的空间利用率,实现了电子器件的小型化。天线结构可以通过馈电位置的变化实现辐射频点可调,最多可实现36GHz、50GHz、70.6GHz3个辐射频点,有助于实现灵活的应用场景。各辐射频点上的回波损耗大于25dB,最大辐射方向增益为11.93dB。为了实现分形天线和射频芯片的一体化集成,设计和实现了天线-芯片一体化射频组件架构与12英寸晶圆级嵌入式基板工艺。与现有的射频组件集成工艺相比,利用光刻工艺实现了天线-芯片垂直高密度互连,同时改善了系统的射频性能。

Antenna-in-package system integrated with meander line antenna based on LTCC technology

We present an antenna-in-package system integrated with a meander line antenna based on low temperature co-fired ceramic(LTCC) technology. The proposed system employs a meander line patch antenna, a packaging layer, and a laminated multi-chip module(MCM) for integration of integrated circuit(IC) bare chips.A microstrip feed line is used to reduce the interaction between patch and package. To decrease electromagnetic coupling, a via hole structure is designed and analyzed. The meander line antenna achieved a bandwidth of 220 MHz with the center frequency at 2.4 GHz, a maximum gain of 2.2 d B, and a radiation efficiency about 90% over its operational frequency. The whole system, with a small size of 20.2 mm×6.1 mm×2.6 mm, can be easily realized by a standard LTCC process. This antenna-in-package system integrated with a meander line antenna was fabricated and the experimental results agreed with simulations well.

Engineering applications and technical challenges of active array microsystems

In the post-Moore era,the development of active phased array antennas will inevitably trend towards active array microsystems.In this paper,the characteristics and composition of the active array antenna are briefly described.Owing to the high efficiency,low profile,and light weight of the active array microsystems,the application prospects and advantages in the engineering of multi-functional airborne radar,spaceborne radar,and communication systems are analyzed.Moreover,according to the characteristics of the post-Moore era of integrated circuits,scientific and technological problems in the active array microsystems are presented,including multi-scale,multi-signal,and multi-physics field coupling.The challenges are also discussed,such as new architectures and algorithms,miniaturization of passive components,novel materials and processes,ultra-wideband technology,and new interdisciplinary technological applications.This paper is expected to inspire in-depth research on active array microsystems.

星载SAR功能结构一体化天线技术研究

提出了新型低剖面合成口径雷达(SAR)有源相控阵天线设计方法——多功能结构一体化天线技术,采用高密度互联、新型功能材料等进行模块化、轻量化的系统级集成设计,将系统功能与天线结构相结合,大幅减小了SAR天线的体积,增大了内部可用空间;同时,有效去除天线寄生质量及各分系统间的重复质量。对SAR天线进行了一体化设计验证,结果表明天线性能、结构承载及热控的指标满足要求,多功能结构一体化设计方法对大型有源相控阵天线系统的结构设计有实际指导意义。

Ka频段卫通相控阵封装天线设计与实现

针对卫星通信对终端天线低剖面、低功耗、极化可变及发射控制等需求,采用平板相控阵架构、极化可变阵列、稀疏布阵等技术,研制了一台基于单板集成封装技术的Ka频段卫星通信相控阵天线。该天线满足高轨同步卫星宽带应用需求和适航符合性验证试验DO-160G要求,经长时间跑车和飞行试验,其性能优良,可靠性高。

卷烟包装用UHF RFID抗金属标签天线的设计

为了对内含铝箔的卷烟包装进行防伪识别,设计了一种无源超高频射频识别(UHF RFID)抗金属标签天线。该天线结构简单,可印刷于烟盒表面,并能与包装的金属拉线结构一体化,增强标签的防伪性能。采用Ansoft HFSS软件建模仿真,分析了主要结构参数的变化对标签天线输入阻抗的影响。优化后的结果表明,该天线具有较高的增益、较远的读取距离、良好的方向性和阻抗匹配特性,且带宽能够覆盖915 MHz UHF RFID频段范围。制作标签样品并进行实际测试,结果表明:实测与仿真结果较吻合,读取距离可达8 m,能够满足实际应用的需求。