垂直互联结构的封装天线技术研究.pdf

电子与封装第2 3卷，第7 期Vol.23,No.7封装总第2 43期ELECTRONICS&PACKAGING2023年7 月测试综述垂直互联结构的封装天线技术研究陈晨1，尹春燕，夏晨辉？，尹宇航，周超杰，王刚？，明雪飞（1.东南大学微电子学院，江苏无锡2 14111；2.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡2 140 35）摘要：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。关键词：扇出型晶圆级封装；垂直互连；通孔技术；封装天线；树脂通孔中图分类号：TN305.94；T N453D0I:10.16257/ki.1681-1070.2023.0092中文引用格式：陈晨，尹春燕，夏晨辉，等.垂直互联结构的封装天线技术研究J.电子与封装，2 0 2 3，2 3（7)：070205.英文引用格式:CHEN Chen,YIN Chunyan,XIA Chenhui,et al.Research on technology of antenna in package ofvertical interconnection structureJJ.Electronics&Packaging,2023,23(7):070205.Research on Technology of Antenna in Package of Vertical Interconnection StructureCHEN Chen,YIN Chunyan,XIA Chenhui,YIN Yuhang,ZHOU Chaojie,WANG Gang,MING Xuefei?(1.School of Electronic Science&Engineering,Southeast University,Wuxi 214111,China;2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214035,China)Abstract:Antenna in package(Aip)is a technology that can realize the fabrication of low-cost,high-performance and small size antenna,and has a wide range of applications in mobile communication andother fields.In fan-out wafer-level packaging(FOWLP),the through-via process can realize the verticalinterconnection structure for electrical signals,supporting the development of AiP technology.Thepreparation methods of through silicon via(TSV),through glass via(TGV)and through mold via(TMV)inFOWLP process,as well as the application of vertical interconnection structures realized by the threethrough-via technologies in the field of AiP are mainly described.The packaged antennas prepared by thesethree vertical interconnection structures can achieve three-dimensional integration,thus further reducing theoverall package volumes of the antennas.Three preparation processes for through-via and the application ofFOWLP process using through-via technology in the field of AiP are introduced.The advantages and文献标志码：A文章编号：16 8 1-10 7 0（2 0 2 3）0 7-0 7 0 2 0 5收稿日期:2 0 2 2-12-2 1E-mail：陈晨139 6 6 56 8 0 50 16 ；尹春燕（通信作者）070205-1第2 3卷第7 期disadvantages of each vertical interconnection structure applied in AiP are clarified,which can provide areference for the technical development and exploration of FOWLP technology in the AiP field.Keywords:fan-out wafer-level packaging;vertical interconnection;through-via technology;antenna inpackage;through mold via1引言近几年，无线通信、汽车雷达等领域都有长足的发展。在这些领域中，天线至关重要。天线的形式有集成和分离两种。较常见和较常使用的是分离天线，较晚出现却有显著优势的是集成天线。集成天线可以分为片上天线(AoC)和封装天线(AiP)两大类型。采用封装天线技术能够很好地制备低成本、高性能以及小体积的天线。封装天线是基于封装材料与工艺，将天线与芯片集成在封装体内，实现系统级无线功能的一门技术，即将射频前端和辐射单元进行集成融合，进而有效地降低内部损耗和输入输出接口的复杂度-2 。毫米波天线技术的发展逐渐趋向于低成本、芯片化和晶圆级封装等。封装天线技术能够实现高度集成的天线，综合了微电子技术和三维微纳集成工艺，能够极大地降低系统内部的互连损耗,大幅提升系统能效2 45。扇出型晶圆级封装(FOWLP)工艺是实现封装天线技术的主要方式之一6 ,此外较常使用的还有低温共烧陶瓷(LTCC)技术、引线键合(QFN)技术以及高密度互连(HDI)技术。相较于传统的先切片再单独封装的工艺7,FOWLP是先对一个晶圆整体进行封装，之后再进行切片。FOWLP技术允许天线通过再布线层(RDL)与集成电路相连8-13,采用FOWLP工艺制备的封装天线可以借助三维堆叠的方式在三维尺度上进行微缩，在后摩尔时代，为超越摩尔定律提供了有力的手段。而LTCC封装虽然具有低损耗正切、高导热系数和低热膨胀系数(CTE)的优点1410,然而,其共烧温度远高于Si电路能够承受的温度。因此天线基板是单独制造的，然后再进行组装，这在封装制造中增加了额外的步骤。此外,在LTCC工艺中制成的金属图案具有相对较大的表面粗糙度，这在毫米波应用中是不希望出现的。采用QFN工艺也能够实现天线与集成电路的互连，但由于毫米波的波长与QFN工艺中的导线长度相差较小，采用QFN工艺将会引入不可控制的寄生效应及相应的制造公差17-1。为了满足射频(RF)要求，键合工艺变得昂贵、耗时，性能却改善有限。比较来看，电子与封装FOWLP工艺是实现封装天线兼顾成本、性能以及体积目标的可靠选择。在FOWLP工艺中，垂直互连结构的应用使得三维堆叠的封装方法成为现实，因此垂直互连结构对三维封装集成能力以及实现系统整合具有不可替代的作用2 0 。在先进封装领域中较常使用的垂直互连结构有硅通孔(TSV)、塑封通孔（TMV）以及玻璃通孔(TGV)3种结构。采用垂直互连的结构不仅可以使封装体整体的高密度互连能力得到提高，还使得其高频特性更加优越，从而可以应用到天线领域中2 1。扇出型晶圆级封装天线是将FOWLP工艺与封装天线技术进行结合，采用三维堆叠的方式实现封装天线的基础模块，从而满足天线单元的轻薄化，很好地兼顾天线的性能、成本以及体积，最终促成采用FOWLP工艺制备的封装天线的低成本广泛应用。了解采用FOWLP工艺制备的封装天线的应用背景，同时结合3种垂直互连结构梳理扇出型晶圆级封装天线的制备方法，探究应用于封装天线领域时的有待改善之处，对持续推进FOWLP封装天线的研究具有重要意义，能够助力封装天线技术推广到更多的应用场景。2封装天线的应用场景FOWLP工艺最初是为高引脚数应用而开发的，其具备卓越的布线能力，能够满足精细间距的需求。FOWLP工艺的应用场景如图1所示2 。采用FOWLP工艺制备封装天线是其广阔应用中的重要部分。扇出型晶圆级封装天线被广泛应用于移动终端、基站以及汽车雷达等场景。一种适用于汽车雷达应用的7 7 GHz菱形封装天线和一种适用于汽车雷达应用的菱形天线阵如图2所示2 3,该结构在封装中集成了一个2 mmx2 mm的单片微波集成电路(MMIC）,其中包括一个7 7 GHz的收发器和一个倍频器。目前汽车雷达的应用集中在2 4GHz和 7 7 GHz这2 个窄频带内。随着科研工作者不断地深入研究，毫米波封装天线将在汽车雷达领域获得更广泛的关注。070205-第2 3卷第7 期陈晨，尹春燕，夏晨辉，等：垂直互联结构的封装天线技术研究Carrier size,PanelChiptechnologiesFurtherfunctionalitiesHealth integrationRF-antennaCostAntenna in packageRF-performanceBoard levelReliabilityRF-layoutSimulationtoolsPackageon packageRoutingdesign rulesVerticalinterconnectstefenChip-package-board interaction图1FOWLP工艺的应用场景如图4所示。TSV的互连结构具有低容和低感的电学0000O000001400000000MMIC(2 mm2 mm)ZOyPackageX(6mmx6 mm)（a）7 7 G H z 的菱形封装天线0000000000特性，并在减少电信号延迟方面具有良好的作用，因其高速通信能力而被普遍应用于移动设备和物联网等领域。近年来，FOWLP工艺结合TSV互连结构逐渐应用于封装天线领域。0000000000MMICz0y(2mmx2mm)PackageX(b）菱形天线阵图2 用于汽车雷达的天线单元与天线阵基于FOWLP工艺制备的封装天线多采用三维堆叠的形式，相对于在二维上的缩减，三维堆叠的制备方法更能缩小AiP的尺寸。一种集成在嵌人式晶圆级球栅阵列(eWLB)封装内的用于单端口和四端口的矩形天线如图3所示2 4。该天线的工作频段为6 0 GHz,相对带宽约为15%,四端口的最大增益约为10 dBi。它的尺寸足够小,适用于随身携带的设备。3基于TSV互连的AiP技术TSV是通过在硅上形成通孔，从而实现垂直互连的结构。根据TSV在工艺制备中