專欄文章

天線封裝(Antenna-in-Package, AiP)為因應第五代行動通訊系統在毫米波(mmWave)頻段(如28GHz /39GHz頻帶)，所提出之一種微小尺寸整合技術。如何在具高功率傳播損耗之毫米波環境下維持行動通訊，是值得探討的議題。

第五代行動通訊系統期望在毫米波(mmWave)頻段提供高資料傳輸率。由於電磁波傳播於空氣與介電基板，因此天線設計需考慮陣列天線來產生高增益和可調式動態波束掃描以提供足夠的信號強度。為了減少傳輸線損耗與製程穩定度來提高良率，通過系統封裝(SiP, System-in-Package)與多層介電基板疊層架構技術將微波主動電路元件和陣列天線整合在一起，因此微小尺寸且具穩定輻射特性之陣列天線封裝扮演著不可或缺的角色。同時，未來將天線與IC晶片一同封裝在同一個架構，除了體積縮小，可以讓我們在有限尺寸裡，多置入一些天線單元用來提高增益，封裝體中RF電路的走線線寬也會縮小了不少。因此對於製程上的精確度更是要求，藉由封裝可以達成。

天線封裝之建構

天線封裝與模組化是基於多層介電基板，將天線與射頻晶片整合在一個封裝體或模組中，實現系統整合化的無線功能之技術。毫米波頻段之天線封裝與模組化設計，目前還沒有各國統一標準，根據許多文獻探討歸納出在做天線設計時，須針對天線所需的增益，頻寬和輻射場型進行優化，以發展大型天線陣列高增益波束成形、多輸出多輸入系統、波束掃描與波束合成、分佈式天線系統等技術，並同時兼顧微小的產品尺寸以符合其應用情境。

1.      天線封裝整合模組架構

天線封裝與模組化架構概念圖如圖一所示，此為整合式多層介電基板模組架構，其中在架構的上層為天線架構，下層為走線與射頻模組架構。操作頻率選擇28GHz/ 39 GHz兩個主要頻段，其中射頻元件的輸出饋入至天線的輸入端來激發天線，而射頻元件的輸入端形成整體天線與射頻整合模組的輸入端，此輸入端可以與其他的射頻元件相整合。此架構針對5G毫米波頻段，天線在整合射頻元件來形成模組及封裝時的架構。

圖一、天線與射頻整合模組之架構示意圖

2.      天線封裝基板堆疊架構

圖二所示的是IBM為毫米波5G通信系統開發之HDI疊構之AiP結構側視圖^[1]。由核心層(core)為中心，上下對稱的各5層介質層及6層金屬層相互疊加構成，形成平衡式布局(Balanced SBT)之層壓板(Laminate)架構，厚度為1.61 mm。上層為天線陣列，下層為走線及RF模組，將其整合在一起形成一個天線封裝體。

圖二、天線封裝基板疊構側視圖^[1]

由此可見在5G中AiP將扮演一個重要的角色，未來的實際產品應會採用此種多層板的疊構來實現。值得注意的是，以往都是朝著產品微小化的方向前進，採用更薄之基板，但將使得天線的輻射效率大幅降低，因此在整合的過程中，將會在製造成本與產品效能中做取捨。

參考文獻

[1]  D. Liu, X. Gu, C. W. Baks and A. Valdes-Garcia, "Antenna-in-Package Design Considerations for Ka-Band 5G Communication Applications," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 12, pp. 6372-6379, Dec. 2017.