張躍平

無線通信發(fā)展迅速，4G的商用才剛剛鋪開，5G研發(fā)的熱潮已迎面撲來。在未來的幾年里，5G旨在實(shí)現(xiàn)低時延、高速率、大容量萬物互聯(lián)，將會徹底改變我們同世界互動的方式。為了使5G的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，必須突破幾個關(guān)鍵技術(shù)藩籬，其中一個核心技術(shù)的難題就與我們的領(lǐng)域息息相關(guān)，即如何利用大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）天線陣列實(shí)現(xiàn)波束成形、掃描、追蹤、鎖定來有效對抗毫米波移動信道的路徑損耗[1]。

汽車?yán)走_(dá)在改善駕車安全的同時，也提升了全新的駕車體驗(yàn)。目前，汽車?yán)走_(dá)主要工作在24 GHz和77 GHz的窄頻帶范圍，僅起到預(yù)警及輔助駕駛的作用。未來汽車?yán)走_(dá)將朝著工作在79 GHz寬頻帶發(fā)展，利用4 GHz帶寬獲得更高的空間分辨率，甚至實(shí)現(xiàn)無人駕駛[2]。2015年，谷歌手勢雷達(dá)一經(jīng)問世，便立刻造成全球轟動。手勢雷達(dá)工作在60 GHz頻帶，跟蹤人手移動及其變化，非常適合嵌入在可穿戴設(shè)備、手機(jī)和其他電子產(chǎn)品中作為用戶界面。

消費(fèi)類電子產(chǎn)品的硬件主要是通過系統(tǒng)級芯片（SoC）和系統(tǒng)級封裝（SiP）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。SoC技術(shù)通過半導(dǎo)體工藝在同一個芯片上集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的各種電路。而SiP技術(shù)則是通過封裝工藝將各個功能模塊集成在一個封裝內(nèi)[3]。盡管SoC技術(shù)可以以更低的系統(tǒng)成本來提高系統(tǒng)的可靠性和功能，但是由于使用相同的材料和工藝，沒辦法使每個類型的電路性能達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低和系統(tǒng)功耗增加等問題。相反，SiP技術(shù)可以提升系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)功耗，但是由于功能模塊和封裝制作采用不同的材料和工藝，會導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低和系統(tǒng)成本增加。

天線是無線系統(tǒng)中的重要部件，有分離和集成兩種形式。分離天線司空見慣[4]，集成天線也已悄悄地進(jìn)入到我們的視線。集成天線包括片上天線（AoC）和封裝天線（AiP）兩大類型[5]。AoC技術(shù)通過半導(dǎo)體材料與工藝將天線與其他電路集成在同一個芯片上[6-10]。考慮到成本和性能，AoC技術(shù)更適用于太赫茲頻段[11-13]。AiP技術(shù)是通過封裝材料與工藝將天線集成在攜帶芯片的封裝內(nèi)。 AiP技術(shù)很好地兼顧了天線性能、成本及體積，代表著近年來天線技術(shù)重大成就，因而深受廣大芯片及封裝制造商的青睞。如今幾乎所有的60 GHz無線通信和手勢雷達(dá)芯片都采用了AiP技術(shù)[14-24]。除此之外，在79 GHz汽車?yán)走_(dá)[2]，94 GHz相控陣天線，122 GHz、145 GHz和160 GHz的傳感器，以及300 GHz無線鏈接芯片中都可以找到AiP技術(shù)的身影[25-30]。毋庸置疑，AiP技術(shù)也將會為5G毫米波移動通信系統(tǒng)提供很好的天線解決方案。

很顯然AoC和AiP分別屬于上述SoC和SiP概念的范疇，那么我們?yōu)槭裁匆獙⑺鼈儚腟oC和SiP技術(shù)中明確區(qū)分開來呢？原因其實(shí)很簡單，就是為了強(qiáng)調(diào)它們獨(dú)有的輻射特性。關(guān)于AoC技術(shù)，需另辟專文詳述，本文僅擬論及AiP技術(shù)。盡管AiP技術(shù)方面的論文和專利很多，但還沒有一篇用于回顧AiP技術(shù)發(fā)展歷程及其背后故事，本文旨在填補(bǔ)這一空白。

1 早期與藍(lán)牙無線技術(shù)

一起發(fā)芽

AiP技術(shù)早在該術(shù)語被提出和普及之前就已經(jīng)存在。AiP技術(shù)繼承與發(fā)揚(yáng)了微帶天線、多芯片電路模塊及瓦片式相控陣結(jié)構(gòu)的集成概念。它的發(fā)展主要得益于市場的巨大需求，硅基半導(dǎo)體工藝集成度的提高，驅(qū)動了研究者自90年代末不斷深入探索在芯片封裝上集成單個或多個天線。

我于1993年初榮幸地成為香港中文大學(xué)國際知名衛(wèi)星天線專家黃振峰博士課題組成員，有機(jī)會參與制造和測試多款微帶天線。通過使用一種剛問世不久的低損耗高介電常數(shù)陶瓷材料，我們成功地將900 MHz微帶天線小型化到只有手指甲大小，利用幾個小型化天線就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)天線輻射方向圖成形，減少向人體側(cè)輻射。研究成果不知怎樣引起了時任香港中文大學(xué)校長高錕教授的注意，有一天召集我們到他辦公室向他匯報。然而，我們關(guān)于實(shí)現(xiàn)天線小型化的研究似乎沒有給高錕教授留下深刻印象。他打比喻說：將4條腿的長凳縮小到3條腿的板凳只是進(jìn)化而已，大學(xué)應(yīng)該嘗試做一些革命性的研究。高錕教授獲2009年度諾貝爾物理學(xué)獎，也許高錕教授這樣偉大的科學(xué)家更關(guān)注研究的科學(xué)價值，而我們則更強(qiáng)調(diào)潛在的應(yīng)用。幸運(yùn)的是，我們關(guān)于天線小型化的工作在天線領(lǐng)域受到歡迎，并在1995年電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）天線與傳播國際研討會上與摩托羅拉公司設(shè)計(jì)的類似天線在同一會場宣讀 [31]，直接促進(jìn)了陶瓷貼片天線的發(fā)展。1996年，我加入了香港城市大學(xué)國際著名的天線實(shí)驗(yàn)室從事介質(zhì)諧振器天線研究。偶然的機(jī)會我在香港城市大學(xué)遇到了材料科學(xué)家李國源博士，他熱情地向我介紹了他研究的低溫共燒陶瓷（LTCC）材料與工藝，并用一塊可以表貼集成電路內(nèi)有埋置去耦電容的LTCC基板講解了厚膜電路的優(yōu)缺點(diǎn)，臨別時還慷慨地向我贈送了好多塊他燒好的LTCC基板用于天線研究。這些LTCC基板除了后來用于天線試驗(yàn)毀壞的以外，剩余的我至今還保留著。李國源博士現(xiàn)在是華南理工大學(xué)教授。1998年，我離開任教的香港大學(xué)前往新加坡南洋理工大學(xué)就職。令我驚訝的是，我被分派到電路與系統(tǒng)系而非通信工程系，后者有幾位教授及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室從事天線與電磁波傳播研究。在參觀集成電路實(shí)驗(yàn)室時，我看到了圖1所示的裝置，就問實(shí)驗(yàn)室一個研究生那是微帶天線嗎？研究生回答：“不，那不是，那是一個集成電路芯片。”不久，電路與系統(tǒng)系啟動了“片上軟件無線電”的戰(zhàn)略性研究項(xiàng)目，我的任務(wù)是為這個項(xiàng)目開發(fā)天線技術(shù)。因?yàn)閷D1所示的集成電路芯片同微帶天線結(jié)構(gòu)相似性的著迷，預(yù)測到未來有可能產(chǎn)生一種革命性的天線解決方案，我很快決定研究圖1所示集成電路芯片作為天線的可行性[32]。

首先，我找來許多現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來進(jìn)行天線及電路實(shí)驗(yàn)，研究它們之間的相互影響。圖2a）就是當(dāng)時實(shí)驗(yàn)過的一個在雙列直插式封裝上實(shí)現(xiàn)的2.4 GHz天線。后來發(fā)現(xiàn)利用現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片來進(jìn)行天線實(shí)驗(yàn)有很大的局限性，于是決定利用印刷電路板（PCB）工藝加工集成電路封裝結(jié)構(gòu)模型且印制有天線。圖2b）所示的集成電路封裝結(jié)構(gòu)模型利用了3層電路板，天線印制在頂層板上，信號線及封裝地在低層板上實(shí)現(xiàn)，中間層中空，夾在頂、低層之間形成腔體來攜帶裸芯片。頂層板印制了5.2 GHz微帶天線，如果頂層板換成左下角所示的板，則模擬集成電路封裝結(jié)構(gòu)是一款集成有2.4 GHz及5.2 GHz雙頻微帶天線。上述在現(xiàn)成的陶瓷封裝集成電路芯片和PCB加工的模型上嘗試，都獲得了令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。受其鼓舞，我和學(xué)生林偉、薛陽、王2003年利用LTCC工藝實(shí)現(xiàn)了多款真正工業(yè)意義上的封裝天線[33]。圖2c）是一款利用 LTCC工藝為藍(lán)牙芯片開發(fā)的差分封裝天線。endprint

與此同時，英國伯明翰大學(xué)C. T. SONG，P. S. HALL和H. GHAFOURI-SHIRAZ提出了兩個有關(guān)天線封裝的概念。第1個概念突出體現(xiàn)了將小天線埋入到芯片封裝材料中，然后在埋入式天線近距離處放置一個寄生單元，從而改善封裝天線的低增益并增加帶寬。第2個概念建議在半導(dǎo)體芯片上實(shí)現(xiàn)射頻前端電路及電小饋電天線，并在饋電天線上方增加寄生單元并充當(dāng)封裝頂蓋，密封整個芯片[34]。HALL教授學(xué)識淵博、謙虛低調(diào)，是國際天線界一位德高望重的學(xué)者。為表彰他在微帶天線方面所做出的杰出貢獻(xiàn)，美國IEEE天線與傳播學(xué)會授予他2012年the John Kraus Antenna Award，英國工程技術(shù)學(xué)會（IET）授予他2013年度the James R. James Lifetime Achievement Award.

幾乎同時，封裝工程師也在嘗試解決相同的問題。D. J. MATHEWS等人[35]申報了一項(xiàng)內(nèi)置電磁防護(hù)罩和天線的用于藍(lán)牙芯片封裝的發(fā)明專利。美國佐治亞理工學(xué)院K. T. LIM等人設(shè)法在封裝系統(tǒng)（SoP）上集成射頻無源器件、天線和有源芯片，以增強(qiáng)封裝系統(tǒng)的整體性能和增加更多功能[36]。比利時校際微電子中心S. BREBELS等人也實(shí)現(xiàn)了集成有天線的SoP[37]。但是，由于已經(jīng)有SiP的概念，SoP的概念未被廣泛接受。

稍后香港城市大學(xué)梁國華教授及新加坡微電子研究所A. P. POPOV博士分別獨(dú)立發(fā)明基于介質(zhì)諧振器天線的AiP技術(shù)[38-39]。梁國華教授90年代初同我相識在香港中文大學(xué)微波實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時他博士即將畢業(yè)。據(jù)說梁國華博士論文答辯時，答辯委員會主席認(rèn)為他提交給中文大學(xué)的博士論文等于其他學(xué)校的兩份博士論文。梁國華教授后來被任命為IEEE天線與傳播匯刊的主編。梁國華教授的博士導(dǎo)師實(shí)際上是陸貴文教授，陸貴文教授獲得了2017年度IEEE天線與傳播學(xué)會the John Kraus Antenna Award，另外曾長期在香港中文大學(xué)及城市大學(xué)工作過的李方教授也于2009年獲此殊榮，微帶天線的研究至少已產(chǎn)生了3位獲獎?wù)摺?/p>

2 中期與60 GHz無線技術(shù)

及毫米波雷達(dá)一起成長

2005年3月初，在新加坡舉辦的第1屆小型天線國際研討會上，我第1次見到了來自IBM Thomas J. Watson Research Center的Brian GAUCHER先生和劉兌現(xiàn)博士，并邀請他們訪問了南洋理工大學(xué)。Brian就IBM的60 GHz SiGe芯片、天線、封裝和測試設(shè)備做了學(xué)術(shù)報告。圖3為IBM用于概念驗(yàn)證的60 GHz芯片照片。SiGe裸芯片通過倒裝焊技術(shù)與天線連接、封裝成為柵格陣列模塊。由于需要在封裝內(nèi)加金屬墻及封裝上開天線窗口，因此該概念封裝天線不易大批量生產(chǎn)。我向Brian GAUCHER先生和劉兌現(xiàn)博士簡要介紹了幾款基于LTCC工藝適合批量生產(chǎn)的2.4 GHz和5.2 GHz頻段的封裝天線。雙方當(dāng)場就達(dá)成了基于LTCC工藝合作開發(fā)用于IBM 60 GHz SiGe芯片組的封裝天線的可行性研究計(jì)劃。我和我的學(xué)生孫梅博士負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)工作，邀請新加坡制造技術(shù)研究所（SIMTech）的一個研究小組負(fù)責(zé)LTCC加工，劉兌現(xiàn)博士負(fù)責(zé)評估并向我反饋測試結(jié)果。

早期在封裝上集成天線，所用英文名稱五花八門。隨著開發(fā)的深入我意識到一個專門響亮的名稱非常有利于去推廣它。2006年起，我首先使用Antenna-in-Package的名稱去推廣這一新穎的天線解決方案[40]。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線靠近芯片，減少互連損耗[40]。低插損的天線與芯片互連是毫米波AiP技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。2006年3月初，我參加了在美國紐約舉辦的第二屆小型天線國際研討會，并訪問了IBM Thomas J. Watson Research Center，與劉兌現(xiàn)、U.R. PFEIFFER和Janusz GRZYB博士討論了AiP技術(shù)問題。很遺憾，這次訪問并沒有見到已于2004年離開IBM的Thomas ZWICK 博士。Thomas在開發(fā)探針式毫米波集成天線測試系統(tǒng)及AiP鍵合線互連方面做出了突出貢獻(xiàn)。此次會面增強(qiáng)了雙方合作，加速了AiP技術(shù)的發(fā)展。圖4展示了設(shè)計(jì)階段獲取的截圖和劉兌現(xiàn)博士評測的基于LTCC加工的AiP樣品。這一樣品集成了共面波導(dǎo)饋線、準(zhǔn)腔體、定向保護(hù)環(huán)、基板材料調(diào)制的槽天線。天線輸入阻抗故意設(shè)計(jì)成容性的與芯片通過感性的鍵合線互連，結(jié)果令人滿意，并在2007年3月英國劍橋舉辦的第3屆小型天線國際研討會上被授予最佳論文獎[41]。事實(shí)上，在赴英參會之前我在一次內(nèi)部會議上就對孫梅博士及新加坡制造技術(shù)研究所的合作者預(yù)測到60 GHz AiP技術(shù)論文會獲獎。而且，還有一件有趣的事情，那就是在劍橋大學(xué)的演講廳等待頒獎時，我在一張會議用紙上寫了個便條，再一次預(yù)測有關(guān)AiP的工作將會贏得更高獎項(xiàng)。我也請劉兌現(xiàn)博士在便條上簽了字，便條至今由我保管。果然不出所料，2012年我、孫梅、劉兌現(xiàn)和陸億瀧博士榮獲當(dāng)年IEEE 天線與傳播學(xué)會謝昆諾夫論文獎[42]。這是該獎項(xiàng)自1957年設(shè)立以來，亞洲研究者首次及至今唯一獲此殊榮。謝昆諾夫是國際著名的電磁理論學(xué)家。他于1920年代初期從前蘇聯(lián)經(jīng)中國移居美國。他在工程電磁場、天線理論、波導(dǎo)理論、電磁屏蔽等方面提出了許多定理、原理、概念、方法，做出了重要的貢獻(xiàn)。他使應(yīng)用數(shù)學(xué)煥發(fā)出光彩，許多工作帶有奠基性質(zhì)。就經(jīng)典電動力學(xué)方法（即量子理論以外領(lǐng)域）而言，中國著名物理學(xué)家黃志詢先生認(rèn)為可以把他比作20世紀(jì)的麥克斯韋[43]。

John KRAUS是對天線做出卓越貢獻(xiàn)的老一輩天線專家。IEEE天線與傳播學(xué)會的the John Kraus Antenna Award就是用他名字命名的。KRAUS發(fā)明的螺旋天線應(yīng)用非常廣泛，但他發(fā)明的柵格天線卻鮮有應(yīng)用[44]。孫梅博士在2008年發(fā)現(xiàn)柵格天線的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)非常適合于LTCC工藝，故將其應(yīng)用于60 GHz AiP設(shè)計(jì)中[45]。緊接著，Wolfgang MENZEL等人將其應(yīng)用于79 GHz[2]，陳梓浩等人將其應(yīng)用于94 GHz[46]， THOMAS等人將其應(yīng)用于122 GHz[47]，張冰等人將其應(yīng)用在了145 GHz AiP設(shè)計(jì)中[48]。幾乎快被人遺忘的柵格天線得以在AiP技術(shù)中發(fā)揚(yáng)光大。MENZEL教授是微帶漏波天線的發(fā)明者，曾訪問南洋理工大學(xué)并做了有關(guān)車載雷達(dá)中毫米波天線的邀請報告，期間與我們交流了關(guān)于柵格天線的設(shè)計(jì)方法。圖5是孫梅等人利用LTCC工藝為IBM 60 GHz SiGe接收機(jī)裸芯片設(shè)計(jì)的AiP。它采用了鍵合線球柵陣列（BGA）封裝結(jié)構(gòu)集成了14個網(wǎng)格的柵格天線，尺寸為13.5×8×1.265 mm3。劉兌現(xiàn)博士測試了AiP的天線性能并給我發(fā)送了電子郵件，郵件中只寫了兩個字“excellent results”。確實(shí)，結(jié)果表明柵格天線具有頻帶寬、輻射效率高的優(yōu)點(diǎn)，且在57 ～ 64 GHz頻率范圍內(nèi)主波束輻射都在天頂方向，60 GHz頻段最大增益可達(dá)到14.5 dBi[49]，代表了當(dāng)時最好的60 GHz AiP設(shè)計(jì)。endprint

AiP技術(shù)的成功主要?dú)w功于人們重拾了對60 GHz無線系統(tǒng)的研究與開發(fā)興趣。2007年，AiP技術(shù)發(fā)展進(jìn)入新階段，IEEE開始著手制訂60 GHz頻帶標(biāo)準(zhǔn)，很多企業(yè)開始重視60GHz芯片及封裝天線的研發(fā)。美國Sibeam公司第一個將60 GHz天線陣與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）裸芯片利用LTCC工藝集成在一起，引入消費(fèi)市場，用于高清視頻內(nèi)容的無線傳輸。圖6是Sibeam公司60 GHz芯片的照片，集成的微帶天線陣清晰可見。值得一提的是，我在2005年9月美國加州圣克克拉市舉辦的天線系統(tǒng)和短程無線會議上做主題演講后，休息之余，與SiBeam的創(chuàng)始人之一、毫米波CMOS電路先驅(qū)者C. H. DOAN先生熱情地討論了一些有關(guān)基于LTCC封裝天線集成的問題[50]。

2010年，美國IBM公司公布了用于60 GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[51]。如圖7所示，基于LTCC工藝，16個矩形微帶天線被集成在BGA封裝中，發(fā)射或接收裸芯片通過倒裝焊技術(shù)與AiP相連。AiP尺寸為28×28×1.47 mm3，在4個IEEE 802.15.3c通道中，天線單元增益均可達(dá)到5 dBi。2011年，IBM還展示了另外一個用于60 GHz相控陣系統(tǒng)的基于有機(jī)材料高密度互連工藝（HDI）的完整AiP方案[52]。值得一提的是，IBM與封裝材料及工藝商通過努力實(shí)現(xiàn)了在AiP中嵌入空氣腔體來改善微帶天線阻抗及輻射特性。

2011年，韓國Samsung公司發(fā)表了用于60 GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[18]。如圖8所示，基于LTCC工藝，24個圓形微帶天線被集成在BGA封裝中，發(fā)射或接收裸芯片可以通過倒裝焊技術(shù)與AiP相連。為了避免像IBM公司那樣在AiP中嵌入空氣腔體來改善微帶天線阻抗及輻射特性可能帶來的可靠性問題，Samsung公司AiP設(shè)計(jì)采用了圓形疊層微帶天線。AiP的尺寸為20×15×1.02 mm3，分別實(shí)現(xiàn)了9 GHz帶寬及14.5 dBi增益。Samsung公司還分別在2012和2013年提出了用于60 GHz相控陣系統(tǒng)的基于低成本FR4材料與HDI工藝的完整AiP方案[19，21]。疊層微帶天線有助于滿足HDI工藝對金屬密度的要求。Samsung公司AiP技術(shù)主要貢獻(xiàn)者是一位名叫Wonbin HONG的年輕學(xué)者，我們經(jīng)常通過電子郵件及在國際學(xué)術(shù)會議上交流AiP技術(shù)方面的心得。后來HONG博士率先報道了28 GHz 5G手機(jī)天線方面的工作，引起天線界的關(guān)注。

2012年，美國英特爾（Intel）公司發(fā)表了用于60 GHz相控陣系統(tǒng)的完整AiP方案[53]。如圖9所示，基于LTCC工藝，36個矩形微帶天線（含4個啞元）被集成在BGA封裝中，收發(fā)裸芯片通過倒裝焊技術(shù)與AiP相連。AiP的尺寸為25×25×1.4 mm3，在60 GHz頻段，±30o掃描范圍內(nèi)增益達(dá)19 dBi。針對60 GHz相控陣系統(tǒng)，英特爾還分別在2013年、2014年和2015年提出利用PCB[57]、玻璃[55]和液晶聚合物（LCP）[56-57]實(shí)現(xiàn)低成本低損耗AiP解決方案。

2015年，美國谷歌（Google）公司首次公開亮相的手勢雷達(dá)名震四海。手勢雷達(dá)使用60 GHz信號來快速追蹤人手移動，精度可以達(dá)到亞毫米級。也許對我而言，最振奮人心的就是AiP技術(shù)被應(yīng)用于手勢雷達(dá)芯片，如圖10所示，德國英飛凌（Infineon）公司利用嵌入式晶圓級封裝（eWLB）技術(shù)，在AiP中集成了1個60 GHz SiGe收發(fā)裸芯片、2個用于發(fā)射的差分微帶天線和4個用于接收的單端口微帶天線[24]。AiP的尺寸為14×14×0.8 mm3，顯而易見，其尺寸已經(jīng)足夠小，可用于穿戴設(shè)備。并且對于智能手表、手機(jī)和其他裝置而言，手勢雷達(dá)作為用戶界面潛力巨大。

幾乎所有主要的日本電子公司都開發(fā)出了適用于60 GHz應(yīng)用的芯片組和AiP方案。圖11所示的是日本NEC公司早期開發(fā)的60 GHz接收機(jī)模塊，以及NTT公司近期開發(fā)的60 GHz收發(fā)模塊。兩家公司分別用不同的LTCC工藝在模塊中集成了縫隙天線及拋物面天線[58-59]。

像AiP技術(shù)用于谷歌手勢雷達(dá)中一樣，英飛凌公司也為77 GHz車載雷達(dá)研制了SiGe芯片組及基于eWLB工藝的AiP技術(shù)，并自2016年6月以來就同比利時校際微電子中心合作開發(fā)基于28 nm CMOS的芯片組和基于低成本低損耗PCB工藝的AiP技術(shù)，用于79 GHz車載雷達(dá)[60]。比利時校際微電子中心負(fù)責(zé)AiP技術(shù)開發(fā)的是Guy A. E. VANDENBOSCH教授。VANDENBOSCH教授每次來中國講學(xué)，都會在演講前向?qū)W生們贈送著名的比利時巧克力，很受學(xué)生們歡迎。IBM公司將其AiP技術(shù)的工作頻段推進(jìn)到94 GHz，并在2014年實(shí)現(xiàn)了用于W波段的可擴(kuò)展相控陣系統(tǒng)的SiGe芯片及完整AiP解決方案[61]。如圖12所示，該AiP設(shè)計(jì)采用多層有機(jī)基片及HDI集成了64個雙極化疊層微帶天線和36個啞元，其尺寸為16.2×16.2×0.75 mm3。

在歐盟科技委員會的贊助下，2009年11月—2013年5月，SUCCESS合作團(tuán)體基于SiGe工藝開發(fā)了如圖13所示的122 GHz及145 GHz雷達(dá)芯片，且用鍵合線將它們分別與天線陣列集成在8 mm見方的扁平無引腳（QFN）封裝內(nèi)。

圖14是奧德利JKU在歐盟科技委員會、英飛凌等公司贊助下于2013年10月推出的基于SiGe工藝開發(fā)的160 GHz雷達(dá)芯片，基于eWLB工藝將芯片與天線陣集成在BGA封裝內(nèi) [62]。

3 近期助力太赫茲、物聯(lián)網(wǎng)

和5G移動通信發(fā)展

太赫茲技術(shù)是改變未來世界的重要技術(shù)，已引起各國政府的重視。在日本政府的支持下，NTT、NICT和FUJITSU都參與到世界上第一個使用300 GHz無線鏈接的收發(fā)信機(jī)研發(fā)工作中。NTT成功研發(fā)了如圖15所示用于300 GHz發(fā)射機(jī)芯片的AiP結(jié)構(gòu)。該AiP設(shè)計(jì)采用LTCC工藝，其中喇叭天線尺寸為5×5×2.7 mm3，最大增益為18 dBi，帶寬達(dá)100 GHz[63-65]。endprint

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新階段，它通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算等手段實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。最近，美國Silicon Labs公司發(fā)布了如圖16所示的世界上最小的藍(lán)牙無線系統(tǒng)，它的封裝內(nèi)集成有天線，尺寸只有6.5×6.5×1.5 mm3，這使得設(shè)計(jì)真正緊湊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得可行。

AiP技術(shù)是近期國際上5G移動通信研發(fā)的一個重要課題，難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。圖17為IBM應(yīng)用于未來5G基站28 GHz AiP照片[66]。該AiP包含4個單片SiGe裸芯片和64個雙極化天線，尺寸約為7.1×7.1 cm2。劉兌現(xiàn)博士是IBM公司所有AiP設(shè)計(jì)背后的靈魂人物，他指出相控陣列天線的并行雙極化運(yùn)作方式能夠形成兩個波束支持低于1.4o的波束掃描精度，同時保持發(fā)送和接收模式，進(jìn)而使服務(wù)的用戶量增加一倍。

圖18為Qualcomm近日發(fā)布的用于5G NR 首款智能手機(jī)參考設(shè)計(jì)中采用的28 GHz毫米波芯片 [67]。參考設(shè)計(jì)旨在于手機(jī)的功耗和尺寸要求下，對5G技術(shù)進(jìn)行測試和優(yōu)化。該芯片天線方案采用AiP技術(shù)，尺寸約為5 美分大小。Qualcomm希望能在一年內(nèi)將尺寸縮小一倍。

4 結(jié)束語

不知不覺AiP技術(shù)已走過了多年發(fā)展歷程。早期AiP技術(shù)的研究主要集中在了大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，圍繞著2.4 GHz藍(lán)牙芯片展開。如何實(shí)現(xiàn)天線小型化是當(dāng)時AiP研究者所面臨的技術(shù)難題。中期AiP技術(shù)的開發(fā)主要集中在大公司，圍繞著60 GHz芯片及毫米波雷達(dá)展開。如何實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高增益天線及芯片與天線低損耗互連是中期AiP開發(fā)者所面臨的挑戰(zhàn)。中期也是AiP技術(shù)茁壯發(fā)展的階段，很多大公司投入大量人力物力開發(fā)適合于AiP設(shè)計(jì)的新材料和新工藝，實(shí)屬罕見。據(jù)我所知，也只有在1970年代微帶天線曾獲得過如此矚目與投入。近期AiP技術(shù)的研發(fā)一方面向更高的頻率擴(kuò)展，另一方面正圍繞著IoT及毫米波移動通信5G芯片如火如荼展開。更高頻率AiP技術(shù)的關(guān)鍵在于材料損耗及工藝精度，5G AiP技術(shù)的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)高輻射效率及低成本量產(chǎn)。

如今AiP技術(shù)不僅僅被工業(yè)界廣泛采用，也已從學(xué)術(shù)界天線領(lǐng)域擴(kuò)散到集成電路、封裝、材料與工藝、微波、雷達(dá)及通信等領(lǐng)域。這一點(diǎn)既可以從發(fā)表AiP技術(shù)相關(guān)文章的刊物看出，也可以從不同領(lǐng)域作者出版的書籍中窺到。比如國際著名的無線通信專家、美國紐約大學(xué)T. S. RAPPAPORT教授不僅在他發(fā)表的新書毫米波無線通信中專門詳細(xì)介紹AiP技術(shù)[68]，也在很多無線通信類國際學(xué)術(shù)會議的主題演講中用我們的AiP設(shè)計(jì)作為例子闡述封裝天線的優(yōu)點(diǎn)[69]。再比如以前在射頻集成電路工程師眼中，天線只不過就是一片金屬，現(xiàn)在他們意識到?jīng)]有好的天線解決方案，設(shè)計(jì)再好的射頻集成電路也就是一塊石英。另外，IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會比天線與傳播學(xué)會對推廣AiP技術(shù)更加積極，幾年前幾乎在同一時段選擇任命了兩位杰出講師講授AiP技術(shù)。一位是德國Karlsruhe Institute of Technology 的 Thomas ZWICK教授，另一位是奧地利Johannes Kepler University的Andreas STELZER教授。同時在一個題目上任命了兩位杰出講師，在IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會歷史上是前所未有的。德國Karlsruhe Institute of Technology是Heinrich Rudolf HERTZ 1887發(fā)現(xiàn)電磁波的地方，Thomas ZWICK教授是IBM Thomas J. Watson Research Center前雇員，在AiP設(shè)計(jì)、制造及測試方面做出過突出貢獻(xiàn)。Andreas STELZER教授由于在SiGe毫米波雷達(dá)芯片設(shè)計(jì)方面的貢獻(xiàn)獲2011年度IEEE微波理論與技術(shù)學(xué)會微波獎，在基于eWLB工藝開發(fā)差分AiP技術(shù)方面的貢獻(xiàn)獲首屆IEEE亞太天線與傳播年會最佳論文獎。

自20世紀(jì)90年代末，我有幸參與并推動了AiP技術(shù)的發(fā)展。早在2001年我就同上海交通大學(xué)毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)就AiP技術(shù)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)在三維系統(tǒng)級集成及多物理場仿真方面經(jīng)驗(yàn)豐富、碩果累累。自行開發(fā)的熱仿真軟件對分析AiP熱效應(yīng)及散熱設(shè)計(jì)非常有用。近期毛軍發(fā)教授團(tuán)隊(duì)與中電科41所進(jìn)行合作，建成了中國第1套從50 GHz（為適應(yīng)5G高頻段天線測試已向下擴(kuò)展到18 GHz）—325 GHz（為適應(yīng)太赫茲頻段天線測試可擴(kuò)展到500 GHz或更高）集成天線遠(yuǎn)場自動測試平臺。該測試平臺達(dá)到世界先進(jìn)水平，支持探針及波導(dǎo)饋電，110 GHz以下也可用同軸饋電。該測試平臺已為中國多家科研院所的研究項(xiàng)目及公司產(chǎn)品開發(fā)提供了測試服務(wù)，極大地助進(jìn)了中國在片上天線及封裝天線方面的研究與發(fā)展。在各種科研計(jì)劃的支持下，清華大學(xué)馮正和教授團(tuán)隊(duì)，東南大學(xué)洪偉教授團(tuán)隊(duì)、崔鐵軍教授團(tuán)隊(duì)，香港城市大學(xué)薛泉教授團(tuán)隊(duì)，香港城市大學(xué)梁國華教授團(tuán)隊(duì)，浙江大學(xué)尹文言教授團(tuán)隊(duì)，山西大學(xué)張文梅教授團(tuán)隊(duì)都對AiP技術(shù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。張文梅教授曾兩次應(yīng)邀在新加被南洋理工大學(xué)進(jìn)行長期學(xué)術(shù)訪問與講學(xué)。張文梅教授2008年回國后率先在國際上開展了用濾波器綜合方法設(shè)計(jì)濾波天線。濾波天線目前是國際上微波與天線領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，華南理工大學(xué)褚慶昕教授團(tuán)隊(duì)、章秀銀教授團(tuán)隊(duì)分別在濾波天線的設(shè)計(jì)方面做出了突出貢獻(xiàn)。中國公司盡管在AiP技術(shù)開發(fā)方面起步比較晚，但得益于后發(fā)優(yōu)勢，60 GHz AiP技術(shù)與相關(guān)芯片研發(fā)已取得重大突破，在交大測試平臺多次所做的相控陣、大規(guī)模MIMO輻射測試獲得令人滿意的效果。毫米波頻段5G移動通信AiP技術(shù)也已取得進(jìn)展。

最后，讓我將AiP與基片集成波導(dǎo)（SIW）聯(lián)系起來結(jié)束這篇文章。我在2016年南京舉辦的華人微波論壇上講過，吳柯教授及洪偉教授的合作將SIW技術(shù)做成微波領(lǐng)域的國際主流，我同劉兌現(xiàn)博士一起努力讓AiP技術(shù)在國際天線領(lǐng)域引起人們的重視。我倆在相距很近的黃河?xùn)|西岸邊的鄉(xiāng)村出生長大，相識卻在遠(yuǎn)隔萬里的南洋，珠聯(lián)璧合，開創(chuàng)出封裝天線一片天地，并且3次攜手登上國際天線領(lǐng)域的頒獎舞臺，成就了一個小小奇跡，一段佳話。另外，我們幾位都是77、78級大學(xué)生，我們的名字有著鮮明的時代特征，偉大的躍進(jìn)，可否兌現(xiàn)？我想我們沒忘初心，兌現(xiàn)了父輩的期望及我們自己的選擇！endprint

致謝

太原理工大學(xué)盛劍桓教授，香港中文大學(xué)黃振峰博士，香港中文大學(xué)程伯中教授，以及南洋理工大學(xué)杜茂安教授。

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