基于高密度有機基板工藝的Ka 波段天線設計與制造

龐影影，周立彥，王劍峰，王波

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

0 引言

隨著無線通信技術的快速發展，便攜式消費電子產品成為主力軍，順應了半導體工藝集成度提高的趨勢，其關鍵技術主要由系統級芯片（SoC）和系統級封裝（SiP）來實現[1]。天線作為無線通信系統的重要組件，在SiP 中應用廣泛。傳統天線與射頻前端的集成占據的空間較大，阻礙了無線通信系統的小型化發展，片上天線技術（AoC）可以最大限度地縮小天線尺寸，但受到半導體工藝制程一致性的限制，成本和性能都難以滿足常規的應用需求，因此，業界提出了封裝天線（AiP）的概念[2]。封裝天線將天線、饋電網絡和射頻收發芯片集成到一起，組成一個標準的表面貼裝器件[3-4]，可以實現異質異構的微型化集成，并根據目標頻段實現高性能的天線設計。芯片盡可能靠近天線，以減小寄生效應[5]，通過倒裝芯片與引線鍵合技術最終實現芯片和天線的一體化封裝。

封裝天線采用的工藝有低溫共燒陶瓷（LTCC）、高密度互連（HDI）、嵌入式晶圓級球柵陣列封裝（eWLB）和PCB 等工藝，其中LTCC 工藝最早被采用。2013 年，韓國三星公司基于FR4 材料與HDI 工藝設計了60 GHz 的相控陣天線，如圖1 所示[6]。天線尺寸為20.000 mm×20.000 mm×0.838 mm，相較于IBM 公司設計的基于LTCC 工藝的天線[7]，性能相差不大，但整體尺寸更小。2015 年，谷歌公司基于eWLB 工藝設計了60 GHz 的六通道微帶天線[8]，如圖2 所示，其將芯片和收發天線集成在整體尺寸僅為14.000 mm×14.000 mm×0.800 mm 的晶圓上，可用于便攜式穿戴設備。2022 年，中國電子科技集團有限公司第二十九研究所的李秀梅等采用低損PCB 工藝設計了工作于Ka波段的封裝天線[9]，可用于衛星通信。

圖1 60 GHz 相控陣天線

圖2 60 GHz 的六通道微帶天線

毫米波相控陣封裝天線將相控陣天線與封裝工藝相結合，可用于軍事、衛星通信、車載雷達、安檢成像等領域[10]。相控陣天線是將陣列天線的輻射單元有序地排布，通過控制相位實現波束掃描，再將芯片倒裝在天線基板上，以形成相控陣天線封裝體，最終實現相控陣天線系統的高密度無引線集成，因此，要實現具有高性能、高可靠性的相控陣封裝天線，輻射單元的設計十分重要。

本文采用高密度基板工藝，開展工作于Ka 波段的毫米波微帶貼片天線的設計與制造。此天線不僅可以與射頻系統集成，通過有機基板內埋設計實現貼片與芯片的一體化封裝，還可作為相控陣天線的輻射單元進行陣列設計。有機基板作為天線的介質材料，可實現其小型化、高集成度、低成本的設計目標。有機基板提升了封裝天線的可靠性，使其大規模量產成為可能，可以在毫米波應用場景下被廣泛使用。

1 有機基板天線的結構與設計

1.1 微帶貼片天線的設計

1953 年，DESCHAMPS[11]提出了微帶天線的概念，微帶天線由頂層輻射貼片、介質基板、底層地平面3 部分組成，矩形貼片微帶天線模型如圖3 所示，貼片微帶天線的尺寸應基于襯底材料的特性和目標輻射頻段進行估算[12]。

圖3 矩形貼片微帶天線模型

矩形貼片的寬度W 的計算公式為

其中，c 為光速，εr為介質基板的介電常數，f0為中心頻率。

有效介電常數εe的計算公式為

其中，h 為介質基板的厚度。

波導波長λg的計算公式為

輻射貼片長度L 的計算公式為

等效輻射縫隙長度的計算公式為

在仿真工具中基于估算值建模后，對相關參數進行優化，以實現最優的天線性能。

1.2 基于有機基板的微帶貼片天線設計

本設計所用基板為本單位自主研發的高密度樹脂型封裝基板，可實現4～12 層的布線設計，其核心層（Core 層）采用有機介質材料，為了防止結構發生翹曲，Core 層采用上下對稱式布局。

本設計中包含10 層基板，在Core 層以下的金屬層中填充了大塊的金屬地，可以作為反射板，在Core層以上的部分金屬層中，利用接地的金屬環設計了天線腔體結構，通過改變金屬環的尺寸來調節天線的諧振頻率。對于毫米波天線來說，由于其輻射體和饋電線能被天線的地平面分開，因此可以選擇利用同軸饋電的微帶天線饋電。

圖4 為基于高密度有機基板工藝的天線結構剖面圖，該天線包含3 部分：Core 層、上層走線層、下層走線層。上層走線層和下層走線層分別由5 層金屬構成，金屬層間有介質層。Core 層以上的金屬地平面有3 層（TM1～TM3），Core 層 以 下 的 金 屬 地 平 面 有5 層（BM1～BM5）。天線包含雙層輻射貼片，TM4 層為下層貼片結構，其作為天線的饋電層，周圍有接地的金屬環（Metal Rings），TM5 層為上層貼片結構。同軸饋線從BM5 層穿過，經過具有反焊盤的地平面到達TM4層，為天線饋電。地平面之間通過地孔（Via）相連，除了BM1 層為中間挖空的金屬環結構，其余地平面均為完整的金屬地結構。由于受到加工尺寸的限制，同軸饋電口的阻抗小于50 Ω，需要調整同軸饋電的位置和輻射貼片的尺寸來實現阻抗匹配。

圖4 基于高密度有機基板工藝的天線結構剖面圖

本文設計的天線結構如圖5 所示，天線整體采用疊層貼片設計，上下兩層貼片尺寸相近，其諧振頻率非常接近，可以起到拓展帶寬的作用。Core 層厚度為400 μm，金屬銅層厚度為15 μm，通孔高度為30 μm，整體基板尺寸為5.500 mm×5.500 mm×0.820 mm，TM4層貼片單元的尺寸為2.250 mm×2.500 mm×0.015 mm，TM5 層貼片單元的尺寸為2.250 mm×2.250 mm×0.015 mm。

圖5 天線結構

2 天線制備工藝與在線測試

2.1 半加成法制備天線

工藝技術路線為增層膜疊層+半加成法布線技術。半加成法工藝（SAP）是指在基板上進行圖形電鍍，然后去除為了電鍍圖形涂的各類膠材，最后進行蝕刻得到所需要的圖形，加工流程如圖6 所示。由于金屬銅層和介質材料的結合強度差，需要選用穩定性高、與銅的結合力好、適合SAP 的介質材料，如增層膜材料。

圖6 半加成法工藝加工流程

高密度基板制作流程如下：選用增層膜作為介質材料，在覆銅板上下進行雙面壓膜（覆銅板結構如圖7所示），然后對增層膜進行研磨，磨到金屬銅柱露出，進行第1 層再布線（RDL）和植柱，以實現電氣連接。完成第1 層后，重復上述步驟進行下一層的制作，加工完成后對基板進行化鍍、切割、測試，高密度基板的制作流程如圖8 所示。圖9 為Ka 波段天線實物圖，天線整體尺寸僅為5.500 mm×5.500 mm×0.820 mm。

圖7 覆銅板結構

圖8 高密度基板制作流程

圖9 Ka 波段天線實物圖

2.2 天線參數測試

S 參數即散射參數，反映入射信號與反射信號之間的相位和幅度關系。使用電磁仿真軟件HFSS 進行天線仿真分析，使用由探針臺和矢量網絡分析儀組成的測試平臺進行天線的S 參數測試，仿真和實測結果如圖10 所示。在－10 dB 以下的帶寬范圍內，天線仿真和實測結果相當接近，仿真結果為35.4～36.4 GHz，實測結果為35.6～36.6 GHz。

圖11 為天線方向圖，天線增益最高為2.1 dBi。在微波暗室搭建的測試平臺上進行天線各方向的輻射特性測試，測試平臺如圖12 所示，使用喇叭天線不僅可以進行待測天線的校準，還可將其作為增益測試的通用標準，通過測試得到天線的各方向增益。

圖11 天線方向圖

圖12 測試平臺

3 Ka 波段有機基板天線的應用

天線和芯片的垂直互連結構如圖13（a）所示，天線和芯片通過凸點實現互連，天線與其他結構之間的耦合給天線設計帶來一定的難度。天線和芯片的水平互連結構如圖13（b）所示，通過倒裝芯片或引線鍵合技術實現天線和芯片的互連。本文設計的Ka 波段有機基板天線可通過垂直互連結構與芯片實現一體化集成封裝，與傳統的天線和芯片在分離設計后再進行組裝的方法相比，該設計方式縮短了天線與芯片的互連長度，降低了互連損耗，節省了排布空間，可應用于5G/6G 毫米波通信領域。采用本單位研發的有機基板工藝，有望實現該天線的量產加工，最終達到高性能、低成本的設計目標。

圖13 兩種互連結構

圖14 為相控陣天線封裝示意圖，芯片內埋于封裝基板中，與相控子陣模組集成，最后通過球柵陣列（BGA）集成到綜合母版上。相較于單天線設計，相控陣天線可通過調節波束的輻射方向來躲避障礙物，提高信號傳輸質量，基于Ka 波段相控陣天線的設計較少，本文設計的Ka 波段有機基板天線可作為輻射單元，通過特定的排列設計出子陣模組，將其與芯片集成，最終形成相控陣封裝體，可應用于衛星通信，實現遠距離信號傳輸。

圖14 相控陣天線封裝示意圖

4 結論

本文研究了基于高密度有機基板工藝的天線設計與制造，通過高密度布線和垂直互連結構，可實現天線與內埋芯片的無引線集成，有利于推動集成系統向小型化、高密度和高可靠性的方向發展。高密度有機基板的應用范圍廣泛，但開發程度還不夠。天線設計中仍存在阻抗匹配問題，考慮到過孔尺寸、節距等工藝標準對饋線的限制，可通過改變饋電點位置和輻射貼片的尺寸進行優化。成本限制了有機基板天線的大規模商用，其目前僅處于研究或小規模生產階段。采用本單位自主研發的高密度有機基板工藝進行加工制造，可極大地縮短加工周期，降低成本。通過工藝能力的提升和設計經驗的積累，基于有機基板的封裝天線的量產指日可待。