陳晨，尹春燕，夏晨輝，尹宇航，周超杰，王剛，明雪飛

（1.東南大學(xué)微電子學(xué)院，江蘇 無錫 214111；2.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

近幾年，無線通信、汽車?yán)走_等領(lǐng)域都有長足的發(fā)展。在這些領(lǐng)域中，天線至關(guān)重要。天線的形式有集成和分離兩種。較常見和較常使用的是分離天線，較晚出現(xiàn)卻有顯著優(yōu)勢的是集成天線。集成天線可以分為片上天線（AoC）和封裝天線（AiP）兩大類型。采用封裝天線技術(shù)能夠很好地制備低成本、高性能以及小體積的天線。

封裝天線是基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝體內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)級無線功能的一門技術(shù)，即將射頻前端和輻射單元進行集成融合，進而有效地降低內(nèi)部損耗和輸入輸出接口的復(fù)雜度[1-2]。毫米波天線技術(shù)的發(fā)展逐漸趨向于低成本、芯片化和晶圓級封裝等[3]。封裝天線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成的天線，綜合了微電子技術(shù)和三維微納集成工藝，能夠極大地降低系統(tǒng)內(nèi)部的互連損耗，大幅提升系統(tǒng)能效[2,4-5]。扇出型晶圓級封裝（FOWLP）工藝是實現(xiàn)封裝天線技術(shù)的主要方式之一[6]，此外較常使用的還有低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)、引線鍵合（QFN）技術(shù)以及高密度互連（HDI）技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的先切片再單獨封裝的工藝[7]，F(xiàn)OWLP 是先對一個晶圓整體進行封裝，之后再進行切片。FOWLP 技術(shù)允許天線通過再布線層（RDL）與集成電路相連[8-13]，采用FOWLP 工藝制備的封裝天線可以借助三維堆疊的方式在三維尺度上進行微縮，在后摩爾時代，為超越摩爾定律提供了有力的手段。而LTCC 封裝雖然具有低損耗正切、高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)（CTE）的優(yōu)點[14-16]，然而，其共燒溫度遠高于Si 電路能夠承受的溫度。因此天線基板是單獨制造的，然后再進行組裝，這在封裝制造中增加了額外的步驟。此外，在LTCC 工藝中制成的金屬圖案具有相對較大的表面粗糙度，這在毫米波應(yīng)用中是不希望出現(xiàn)的。采用QFN 工藝也能夠?qū)崿F(xiàn)天線與集成電路的互連，但由于毫米波的波長與QFN 工藝中的導(dǎo)線長度相差較小，采用QFN 工藝將會引入不可控制的寄生效應(yīng)及相應(yīng)的制造公差[17-19]。為了滿足射頻（RF）要求，鍵合工藝變得昂貴、耗時，性能卻改善有限。比較來看，F(xiàn)OWLP 工藝是實現(xiàn)封裝天線兼顧成本、性能以及體積目標(biāo)的可靠選擇。

在FOWLP 工藝中，垂直互連結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得三維堆疊的封裝方法成為現(xiàn)實，因此垂直互連結(jié)構(gòu)對三維封裝集成能力以及實現(xiàn)系統(tǒng)整合具有不可替代的作用[20]。在先進封裝領(lǐng)域中較常使用的垂直互連結(jié)構(gòu)有硅通孔（TSV）、塑封通孔（TMV）以及玻璃通孔（TGV）3 種結(jié)構(gòu)。采用垂直互連的結(jié)構(gòu)不僅可以使封裝體整體的高密度互連能力得到提高，還使得其高頻特性更加優(yōu)越，從而可以應(yīng)用到天線領(lǐng)域中[21]。

扇出型晶圓級封裝天線是將FOWLP 工藝與封裝天線技術(shù)進行結(jié)合，采用三維堆疊的方式實現(xiàn)封裝天線的基礎(chǔ)模塊，從而滿足天線單元的輕薄化，很好地兼顧天線的性能、成本以及體積，最終促成采用FOWLP 工藝制備的封裝天線的低成本廣泛應(yīng)用。

了解采用FOWLP 工藝制備的封裝天線的應(yīng)用背景，同時結(jié)合3 種垂直互連結(jié)構(gòu)梳理扇出型晶圓級封裝天線的制備方法，探究應(yīng)用于封裝天線領(lǐng)域時的有待改善之處，對持續(xù)推進FOWLP 封裝天線的研究具有重要意義，能夠助力封裝天線技術(shù)推廣到更多的應(yīng)用場景。

2 封裝天線的應(yīng)用場景

FOWLP 工藝最初是為高引腳數(shù)應(yīng)用而開發(fā)的，其具備卓越的布線能力，能夠滿足精細間距的需求。FOWLP 工藝的應(yīng)用場景如圖1 所示[22]。采用FOWLP工藝制備封裝天線是其廣闊應(yīng)用中的重要部分。扇出型晶圓級封裝天線被廣泛應(yīng)用于移動終端、基站以及汽車?yán)走_等場景。

圖1 FOWLP 工藝的應(yīng)用場景

一種適用于汽車?yán)走_應(yīng)用的77 GHz 菱形封裝天線和一種適用于汽車?yán)走_應(yīng)用的菱形天線陣如圖2所示[23]，該結(jié)構(gòu)在封裝中集成了一個2 mm×2 mm 的單片微波集成電路（MMIC），其中包括一個77 GHz 的收發(fā)器和一個倍頻器。目前汽車?yán)走_的應(yīng)用集中在24 GHz 和77 GHz 這2 個窄頻帶內(nèi)。隨著科研工作者不斷地深入研究，毫米波封裝天線將在汽車?yán)走_領(lǐng)域獲得更廣泛的關(guān)注。

圖2 用于汽車?yán)走_的天線單元與天線陣

基于FOWLP 工藝制備的封裝天線多采用三維堆疊的形式，相對于在二維上的縮減，三維堆疊的制備方法更能縮小AiP 的尺寸。一種集成在嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）封裝內(nèi)的用于單端口和四端口的矩形天線如圖3 所示[24]。該天線的工作頻段為60 GHz，相對帶寬約為15%，四端口的最大增益約為10 dBi。它的尺寸足夠小，適用于隨身攜帶的設(shè)備。

圖3 一種集成在eWLB 封裝內(nèi)的用于單端口和四端口的矩形天線

3 基于TSV 互連的AiP 技術(shù)

TSV 是通過在硅上形成通孔，從而實現(xiàn)垂直互連的結(jié)構(gòu)。根據(jù)TSV 在工藝制備中形成的順序，把TSV結(jié)構(gòu)的制造工藝分成4 種[20,25-27]，不同工藝的制備流程如圖4 所示。TSV 的互連結(jié)構(gòu)具有低容和低感的電學(xué)特性，并在減少電信號延遲方面具有良好的作用，因其高速通信能力而被普遍應(yīng)用于移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。近年來，F(xiàn)OWLP 工藝結(jié)合TSV 互連結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于封裝天線領(lǐng)域。

圖4 TSV 的制備流程

在工業(yè)生產(chǎn)中，硅具有CTE 匹配、耐熱性好以及電阻率高等特點。在3D 集成中，硅基互連技術(shù)非常重要。硅轉(zhuǎn)接板或硅電橋被廣泛用于異構(gòu)集成以形成水平互連的結(jié)構(gòu)，TSV 的垂直互連結(jié)構(gòu)在堆疊芯片中的應(yīng)用也十分重要[28]。然而，由于低電阻和高損耗的原因，硅在毫米波的應(yīng)用中很少見。在實際制備中，通常會采用犧牲成本的方式，比如使用高電阻硅（HRSi）來提高硅在高頻領(lǐng)域中的性能表現(xiàn)。JIN 等提出了一種具有TSV 互連結(jié)構(gòu)的HRSi 襯底孔徑耦合的AiP 結(jié)構(gòu)[29]，其封裝天線結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果如圖5 所示。該模型的垂直互連結(jié)構(gòu)是通過構(gòu)建在HRSi 晶圓上的TSV設(shè)計完成的，雙面RDL 作為頂部/底部金屬平面。經(jīng)實際測量，該結(jié)構(gòu)具有高帶寬的特性，在76～93 GHz的增益約為2.4 dBi。

圖5 采用TSV 結(jié)構(gòu)的封裝天線結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果

但如同高電阻硅這樣的高成本材料仍然會有不低的損耗，可見硅材料的頻率特性嚴(yán)重影響了其在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。ZHOU 等提出了一種由共面波導(dǎo)（CPW）與屏蔽線以及硅芯同軸通孔組成的低損耗饋電線路[30]，以此組成的帶電磁屏蔽功能的TSV 結(jié)構(gòu)天線如圖6 所示。在這種結(jié)構(gòu)中，CPW 在水平方向上的信號傳輸由硅上的屏蔽線保護，垂直方向上的信號傳輸由接地的屏蔽環(huán)包圍著，可有效減小由硅產(chǎn)生的不良影響。

圖6 帶電磁屏蔽功能的TSV 結(jié)構(gòu)天線

硅襯底由于精確的布線工藝和材料的低CTE，在3D 封裝集成中起著重要作用。目前制備TSV 的工藝已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。應(yīng)用TSV 技術(shù)實現(xiàn)封裝天線的多層結(jié)構(gòu)，需要關(guān)注硅材料在高頻領(lǐng)域中應(yīng)用時的高損耗問題。為解決這一問題，封裝天線中用TSV 完成垂直互連時會使用HRSi，HRSi 的使用會提高TSV 制備的成本。若要擴大TSV 在封裝天線中的應(yīng)用范圍，尤其是擴大其在助力形成多層結(jié)構(gòu)中的作用，需要盡量滿足封裝天線兼顧成本、性能以及體積的需求。

4 基于TGV 互連的AiP 技術(shù)

玻璃具有絕緣、超薄、高剛性、高穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的CTE 等優(yōu)點，玻璃的毫米波電磁性能優(yōu)于硅的電磁性能，可以實現(xiàn)超低的介電損耗。在玻璃上形成通孔的TGV 技術(shù)在工藝穩(wěn)定性、制程成本以及射頻和微波電性能方面相較于TSV 都較為優(yōu)越[31]，十分適合AiP 在毫米波波段的應(yīng)用[32]。與有機材料相比，玻璃可以使用更精細的設(shè)計規(guī)則來實現(xiàn)精密電路。采用玻璃材料設(shè)計出的電路具有更低的損耗、超薄的尺寸并具有更好的穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段TGV 技術(shù)的一大挑戰(zhàn)是如何在保證質(zhì)量的情況下，經(jīng)濟且快速地形成大批量的TGV。目前較為常用的形成TGV 的方式包括超聲鉆孔、噴砂工藝、濕法刻蝕、深反應(yīng)離子刻蝕、激光鉆孔、聚放電工藝、光敏玻璃感光成形以及激光誘導(dǎo)深度蝕刻[20]。TGV 的金屬化流程以及切片形貌如圖7 所示[33]。

圖7 TGV 的金屬化流程以及切片形貌

XU 等人[32]提出了一款基于TGV 的封裝天線，該貼片天線具有結(jié)構(gòu)簡單、帶寬大、損耗低等優(yōu)點，適用于5G 通信。采用TGV 饋電的高性能封裝天線模型如圖8 所示[32]。在該項工作中，分別對采用TGV 結(jié)構(gòu)饋電的天線和采用直通式結(jié)構(gòu)饋電的天線進行比對，結(jié)果顯示，采用TGV 進行饋電的天線具有更優(yōu)的性能。

圖8 采用TGV 饋電的高性能封裝天線模型

YU 等人[34]提出了一款基于扇出玻璃晶圓（eGFO）工藝的封裝天線，其尺寸為23.1 mm×10.7 mm，主體厚度為220 μm，適用于77 GHz 的汽車?yán)走_。采用eGFO工藝制備的封裝天線如圖9 所示[34]。eGFO 工藝需要先形成玻璃晶圓腔，然后將芯片放置在晶圓上，經(jīng)過干膜層壓、第一次鈍化顯影、顯影鍍銅、第二次鈍化以及形成BGA 結(jié)構(gòu)等工序?qū)崿F(xiàn)封裝。采用eGFO 工藝制備的封裝天線尺寸較小，并具有優(yōu)良的電氣性能。

圖9 采用eGFO 工藝制備的封裝天線

玻璃具有優(yōu)良的電氣特性（如具有超高電阻率），因此其在高頻領(lǐng)域中是一種理想的材料。采用TGV 技術(shù)完成封裝天線中三維堆疊的結(jié)構(gòu)，可以很好地保障天線的優(yōu)良性能。垂直互連的形式可以實現(xiàn)天線尺寸的優(yōu)化，因此采用TGV 結(jié)構(gòu)的封裝天線可以滿足高密度和高集成的要求。當(dāng)下的挑戰(zhàn)在于制備TGV的成本高于制備TSV 和TMV，若要滿足封裝天線兼顧成本、體積以及性能的需求，還需要優(yōu)化TGV 的制備工藝。

5 基于TMV 互連的AiP 技術(shù)

TSV 工藝中硅材料在高頻環(huán)境中損耗較大[35]，TGV 工藝的成本較高[36]，如要實現(xiàn)AiP 技術(shù)結(jié)合通孔制備工藝的廣泛應(yīng)用，可采用成本較低且應(yīng)用于高頻領(lǐng)域時性能較好的TMV 工藝。TMV 結(jié)構(gòu)的制備原理相對簡單，現(xiàn)在常用的鉆孔方法多采用激光鉆孔的方式，TMV 的制備流程如圖10 所示[20,37]，即在經(jīng)過塑封工藝后，利用激光在塑封料中制備垂直通孔，通過濺射和電鍍工藝在通孔中填入導(dǎo)電材料。利用激光鉆孔的方法，可以獲取較為光滑的TMV 側(cè)壁。采用優(yōu)化后的通孔工藝制備出的TMV 如圖11 所示[38]。該制備工藝不會損壞底部的金屬層，在底部也無殘留。

圖10 TMV 的制備流程

圖11 采用優(yōu)化后的通孔工藝制備出的TMV

采用TMV 結(jié)構(gòu)的FOWLP 工藝能夠?qū)崿F(xiàn)垂直互連結(jié)構(gòu)，具備了高I/O 端口密度、小間距以及更優(yōu)的封裝尺寸，使其成為了三維集成的首選封裝形式[39]。同時因塑封料自身的頻率特性，該工藝在移動通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。采用TMV 結(jié)構(gòu)的FOWLP 工藝制備封裝天線的流程如圖12 所示[40]。從圖12 可以看出，其采用的是先裝片且芯片功能面朝下的封裝形式[41]。該工藝出現(xiàn)得較早且成熟度較高，其不足之處在于，材料的CTE 不同會使芯片產(chǎn)生偏移。為解決該問題，隨后陸續(xù)發(fā)展出后裝片工藝以及先裝片且芯片功能面朝上的工藝。

圖12 采用TMV 結(jié)構(gòu)的FOWLP 工藝制備封裝天線的流程

CHEN 等人[42]提出了一種采用TMV 結(jié)構(gòu)的FOWLP 工藝將天線和芯片三維集成的封裝方案，采用該方案封裝的65 GHz 天線陣列結(jié)構(gòu)如圖13 所示。該結(jié)構(gòu)具有2 個模塑料層和2 個金屬層，4×4 的天線陣列采用10 mm×10 mm×0.25 mm 的小尺寸，在65 GHz 時實現(xiàn)了13.61 dBi 的最大峰值增益，在毫米波頻段具有良好的電氣性能。該結(jié)構(gòu)的工藝流程如圖14 所示。LI 等人[43]提出了一種壓印形成TMV 的工藝方法（i-TMV），形成的通孔具有高縱橫比和窄間距，并將其應(yīng)用于封裝天線領(lǐng)域，如圖15 所示。該工藝方法是首先制備一個硅模板，然后將該模具壓印到需要制備出通孔的塑封料上。從圖15（b）可以看出，制備出的通孔具有較為光滑的側(cè)壁。經(jīng)測試該壓印TMV 沒有電氣故障，如圖15（c）所示。

圖13 65 GHz 天線陣列結(jié)構(gòu)

圖14 65 GHz 天線陣列的工藝流程

圖15 壓印形成TMV 的工藝

近年來，結(jié)合FOWLP 和TMV 工藝技術(shù)制備的AiP 以構(gòu)成陣列的形式獲得了更廣泛的應(yīng)用。

圖16 是采用FOWLP 技術(shù)制備的77 GHz 空腔車載AiP 單元與陣列示意圖[44]，實現(xiàn)的是4×8 AiP 陣列，用于77 GHz 高分辨率緊湊型多功能MIMO 雷達。它具有背腔3D 堆疊結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)穩(wěn)定的圖案和高帶寬。該AiP 元件具有背腔、微帶線孔徑中央饋電結(jié)構(gòu)和1×8 貼片陣列輻射器，通過采用FOWLP 3D 堆疊的形式，實現(xiàn)了穩(wěn)定的視軸模式和高帶寬。其中，4×8 AiP 陣列由4 個AiP 的1×8 貼片陣列組成，這些陣列由1～4 功率分配器饋電。

由于TMV 工藝的優(yōu)良電性能及低成本的特性，其在AiP 中的應(yīng)用也越來越廣泛。2022 年，SHARON等[45]展示了結(jié)合TMV 技術(shù)和FOWLP 工藝的超大封裝尺寸的AiP，很好地完成了封裝體各部分的結(jié)合，封裝體尺寸達到32 mm×16 mm×0.6 mm，大幅度降低了應(yīng)用于高頻時的損耗，使其適用于77GHz 的汽車?yán)走_。

圖12 和圖14 所呈現(xiàn)的封裝天線制備的整體流程中，所用到的TMV 結(jié)構(gòu)是在加工過程中產(chǎn)生的，這樣做的好處在于能夠保證工藝的一體性。但采用激光燒蝕的方法進行通孔制備時存在損壞底部的風(fēng)險，且底部可能留有殘余，造成污染。采用TMV 轉(zhuǎn)接板的結(jié)構(gòu)可以很好地避免這種問題，即先制備出帶有TMV 的轉(zhuǎn)接板，再將其嵌入到封裝天線的封裝體中。采用這種方法需要注意幾種材料之間的匹配性。

TMV 結(jié)構(gòu)是在塑封料上形成通孔，塑封料的頻率特性使其可以應(yīng)用于高頻領(lǐng)域中，因此采用TMV 結(jié)構(gòu)的FOWLP 工藝相較于采用TSV 的FOWLP 工藝在封裝天線領(lǐng)域中有著更加廣泛的應(yīng)用。此外，采用TMV 結(jié)構(gòu)制備封裝天線的成本較低，真正做到了兼顧成本、體積以及性能。

TMV 工藝自身也存在一些缺點。例如，采用激光鉆孔的方式會帶來損傷襯底、燒壞環(huán)氧樹脂使材料產(chǎn)生污染、孔徑縱橫比有限等問題。為改善這些問題，國內(nèi)外學(xué)者專家做了深入的研究。近年來，早期曾短暫出現(xiàn)過的一種聚合物通孔（TPV）技術(shù)又煥發(fā)了新的生機[46]。通過TPV 技術(shù)形成垂直互連結(jié)構(gòu)的工藝流程如圖17 所示[47]，即通過在聚合物柱上電鍍一層金屬來保證垂直互連的導(dǎo)通性。在這個過程中采用膜輔助轉(zhuǎn)移模塑（FAM）工藝進行注塑[48-50]，該工藝能夠保持金屬聚合物柱頂側(cè)的清潔。

HENG 等人[47]采用TPV 工藝制備了應(yīng)用于122 GHz 雷達芯片的封裝天線，加工出的天線樣件以及測試結(jié)果如圖18 所示。該天線具備優(yōu)良的性能。TPV 的應(yīng)用為三維堆疊互連結(jié)構(gòu)提供了新思路，通過在聚合物柱上電鍍金屬形成聚合物金屬柱，可以實現(xiàn)可控的縱橫比。同時該工藝不損害襯底且更加環(huán)保，適合小規(guī)模和高密度的扇出封裝。

圖18 用于122 GHz 雷達芯片的封裝天線樣件與測試結(jié)果

在封裝天線中使用有機材料如環(huán)氧樹脂來形成垂直互連結(jié)構(gòu)，因其低成本以及環(huán)保的優(yōu)勢受到了廣泛的關(guān)注。TMV 工藝中通孔的制備方法發(fā)展出了多種形式。激光燒蝕的方法形成的孔壁較為光滑，應(yīng)用于高頻領(lǐng)域時的損耗較少，但激光燒蝕會存在損壞襯底和底部殘留造成污染等問題，因此采用此種方法制備通孔需要優(yōu)化工藝來盡量避免對底部的破壞。制備模塑通孔還可以采用壓印的方式，即制備母板在有機材料上壓出通孔。這種方式制備出的通孔側(cè)壁比較光滑，且具有較大的縱橫比。采用此種方法制備通孔，需要關(guān)注模具的制備和壓印的工藝。采用通孔完成互連是一種“去除”的思想，在TMV 采用有機材料的思路上，出現(xiàn)了在襯底上通過光刻先制備聚合物柱，再進行電鍍形成聚合物金屬柱的TPV 結(jié)構(gòu)。這種方式也可以完成垂直互連，工藝較為環(huán)保。采用此種方式來完成互連結(jié)構(gòu)，需要關(guān)注電鍍聚合物金屬柱的柱體表面的光滑度，以及電鍍后結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通性，還有完成整體結(jié)構(gòu)的工藝復(fù)雜度。上述幾種TMV 通孔制備方法及TPV 都已結(jié)合FOWLP 工藝實現(xiàn)了封裝天線的制備，經(jīng)過測試，天線性能也較為優(yōu)良。

6 結(jié)束語

基于FOWLP 工藝的TSV、TGV、TMV 垂直互連結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高頻領(lǐng)域時有著各自的優(yōu)缺點。硅材料本身的半導(dǎo)體特性、較大的損耗角正切值以及較大的介電損耗，使其應(yīng)用在封裝天線領(lǐng)域時存在著較大的傳輸損耗；但TSV 的結(jié)構(gòu)具有可減少電信號延遲等特點，使其在移動通信領(lǐng)域仍占有一席之地。玻璃材料具有絕緣特性且損耗角正切值極低，通孔孔徑可以做到很小且側(cè)壁足夠光滑，應(yīng)用于封裝天線中傳輸高頻信號時的損耗較低；但目前制造TGV 的工藝不夠成熟，無法進行大批量的生產(chǎn)。TMV 結(jié)構(gòu)的制備成本較低，符合AiP 兼顧成本、性能以及體積的要求，但在塑封材料上制備出的通孔，其直徑一般較大，且側(cè)壁不夠光滑。3 種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于封裝天線領(lǐng)域時需結(jié)合實際的需求，使封裝結(jié)構(gòu)更合理，優(yōu)點更突出。未來還需結(jié)合各自的應(yīng)用場景持續(xù)優(yōu)化各個垂直互連結(jié)構(gòu)，改善各結(jié)構(gòu)在高頻AiP 領(lǐng)域應(yīng)用的工藝方法，使其進一步獲得更廣泛的應(yīng)用。