關鍵詞：5G高導熱絕緣透波低介電材料，氮化硼材料

導語：5G時代巨大數據流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時，引起了這些部位發熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當前5G射頻芯片、毫米波天線、AI、物聯網等領域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

致力于解決當前我國電子封裝及熱管理領域面臨的瓶頸技術問題，建立了國際先進的熱管理解決方案及相關材料生產技術，是國內低維材料技術領域頂尖的創新型研發團隊。本產品是國內首創自主研發的高質量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導熱、高柔性、低介電系數、低介電損耗等多種優異特性,解決了當前我國電子封裝及熱管理領域面臨的“卡脖子”問題，擁有國際先進的熱管理TIM解決方案及相關材料生產技術，是國內低維材料技術領域頂尖的創新型高科技產品。

產品的應用方向為5G通訊絕緣熱管理，主要目標市場可分為終端設備，智能工業，及新能源汽車三大板塊。5G技術是近年來最受矚目的關鍵科技，也是國內外重點發展的核心產業之一。隨著5G商用，工業4.0、智慧城市、無人駕駛等科技建設的推進，該項目已經初步形成了萬億的市場規模，并持續快速發展。

5G通信系統毫米波天線的介紹

眾所周知，5G將會擁有低頻段和毫米波兩個頻段，而毫米波的波長很短損耗很大，所以在5G通信里面，我們必須解決這一問題。第一個方案是，襯底集成天線（substrateintegrated antenna，即SIA）。這種天線主要基于兩個技術：空波導傳輸的時候介質帶來的損耗很小，所以可以用空波導來進行饋源傳輸。但這存在幾個問題，因為是空氣波導，尺寸非常大，而且無法和其它電路集成，所以比較適合高功率、大體積的應用場景；另一個是微帶線技術，它可以大規模生產，但它本身作為傳輸介質的損耗很大，而且很難構成大規模天線陣列。

基于這兩個技術就可以產生襯底集成的波導技術。這一技術最早由日本工業界提出來，他們在1998年發表了第一篇關于介質集成的波導結構論文，提到了在很薄的介質襯底上實現波導，用小柱子擋住電磁波，避免沿著兩邊擴。這不難理解，當兩個小柱子的間距小魚四分之一波長的時候，能量就不會泄露出去，這就可以形成高效率、高增益、低輪廓、低成本、易集成、低損耗的天線。利用這一技術在LTCC上做出來的60GHz的天線，增益達到了25dB，尺寸8×8單元。這一方案是適合于毫米波在基站上的應用，在移動終端上有另外一種方案。第二個解決方案是把天線設計在封裝（package integrated antenna，即PIA）。因為天線在芯片上最大的問題就是損耗太大，而且芯片本身的尺寸很小，把天線設計進去會增加成本，所以在工程上幾乎無法得到大規模應用。如果用封裝（尺寸比芯片大）作為載體來設計天線，不僅能設計出單個天線，還能設計天線陣列，這就避免了硅上直接做天線在體積、損耗和成本上的限制。

另外有一點需要注意的問題是，能否用PCB板做天線？答案是肯定的。關鍵的瓶頸并不是材料自身，而是材料帶來的設計問題和加工上的問題。不過PCB只適合在60GHz以下的頻段，在60GHz以后推薦用LTCC，但到200GHz后，LTCC也存在瓶頸。未來天線必須要和系統一起設計而不是單獨設計，甚至可以說天線將會成為5G的一個瓶頸，如果不突破這一瓶頸，系統上的信號處理都無法實現，所以天線已經成為5G移動通信系統的關鍵技術。天線不只是一個輻射器，它有濾波特性、放大作用、抑制干擾信號，它不需要能量來實現增益，因此天線不僅僅是一個器件。

5G毫米波集成天線一體化技術發展趨勢的介紹

一

5G毫米波集成天線

作為5G大規模多輸入/多輸出( MIMO) 的技術支持，毫米波天線集成技術是實現高分辨數據流、移動分布式計算等應用場景的關鍵技術。討論了封裝天線(AiP) 、片上天線( AoC) 、混合集成等毫米波天線集成技術發展狀況、關鍵技術及其解決方案，剖析了幾種典型集成天線技術，分析了技術發展脈絡，總結了5G毫米波集成天線一體化技術的發展趨勢。比如：針對生命體征監測和姿勢識別，IMEC開發了一款帶有片上天線的140GHz FMCW雷達收發器。雷達的工作范圍為0.15米至10米，分辨率為11毫米，射頻帶寬為13GHz，中心頻率為145GHz，收發器IC采用28nm模塊CMOS技術制造，可實現低成本的解決方案。

二

毫米波集成天線技術發展趨勢的探討

毫米波半導體是第五代移動通信技術( 5G ) 的基礎器件，采用毫米波頻率進行定向通信的技術是5G預期配置的關鍵技術之一。毫米波的頻率范圍為30～300 GHz。目前研究的波段范圍有28 GHz頻段、 38 GHz頻段、 60 GHz頻段和E頻段( 71 ～ 76 GHz、 81～86 GHz) 。5G技術將通信頻段移向比第四代移動通信技術(4G) 高得多的毫米波頻率。5G的頻譜帶寬較4G會有10倍至20倍的提升，最高數據傳輸速率可以提高20倍，且天線陣列和基站設備的尺寸更小、成本更低。在毫米波頻段中， 28 GHz頻段、 60 GHz頻段是最有希望應用于5G的兩個頻段。

作為收發ＲF信號的無源器件，天線決定了通信質量、信號功率、信號帶寬、連接速度等通信指標，是通信系統的核心。如何增加頻譜數據吞吐量是從4G 到5G的重大挑戰。5G的關鍵技術為大規模多輸入、多輸出( MIMO )的集成毫米波天線技術。每一個MIMO信道有著自身的從接收天線、發射天線到微處理器的信號通路。接收信道的作用是實現從天線接收ＲF 信號到輸入采樣基帶頻率的下變頻， 以及模數信號轉換等功能。發射信道的功能是將上變頻后的數字信號轉換為模擬ＲF信號?？s小尺寸是5G天線的一個重要挑戰。最小的基站天線尺寸將縮小到信用卡大小，這會增大毫米波天線及電路在集成度、低功耗和連接方面的要求。提升功率密度是5G天線的另一個重要挑戰。

多天線系統集成是應對5G系統 MIMO 、縮小尺寸、提升功率密度等挑戰的重點技術之一。由于SiGe和 CMOS ＲF集成電路已經達到高的fT、 fmax和高的集成密度，能采用CMOS、 SOI和SiGe工藝來設計大規模全集成硅毫米波相控陣電路。基于全ＲF結構、 8～32元的發射( Tx ) 、接收( Ｒx ) 或收/發( T/ Ｒ) 模式已成功用于45～110 GHz頻段。硅集成方案可以在同一芯片上集成多個元件。與GaAs和InP等 Ⅲ-Ⅴ族半導體技術相比較，硅基技術具有更高的集成度和更低的成本。硅相控陣芯片在毫米波領域中應用廣泛。該項技術所面臨的挑戰是，在信號鏈單元上的ＲF功率放大器、低噪聲接收機放大器、 A/D轉換器或D/A轉換器都需要很大的效率提升。

無線通信和傳感器系統均可以通過ＲF系統提高集成度和采用新封裝技術的方法來提高性能。目前實現前端電路和集成天線的方案有三種。第一種為天線封裝( AiP ) 技術，天線采用IC封裝工藝制作。第二種為芯片上天線( AoC) 技術，天線直接在 硅襯底上制作。第三種為AiP和AoC的混合技術，天線饋電點制作在芯片上，輻射元件在片外實現。AiP技術中，芯片和天線的互連在某個頻率范圍內應該達到信號傳輸的有效效率，其主要的封裝工藝有引線鍵合工藝和倒裝芯片工藝。但是，器件在高頻時的損耗較大，成本將升高。

1、相控陣接收機的結構

硅毫米波相控陣技術在5G通信中的應用范圍不斷擴大。多家公司采用SiGe 和CMOS工藝來制作IC，其工作頻率已達60～100GHz。例如，北美豐田研究所研制了一種具有ＲF波束形成能力的SiGe單芯片汽車相控陣接收機［1］，如圖1所示。

汽車相控陣接收機采用低成本的鍵合線技術進行封裝，并與16元線性微帶陣列連接。該天線在77～ 81 GHz頻率的指向性為29. 3 dB，增益為28 dB，每步( 1°) 在方位角平面中能掃描到±50°。該芯片中，平面相控陣天線陣列間距只有0.5λ( λ=3. 75 mm，頻率80 GHz 以下) ，這個參數對于可用面積很小的毫米波電路尤其重要。這種相陣列需要盡可能多地在SiGe或者CMOS芯片上集成更多電路，不僅包括移相器和VGA，而且包括全部的發射/接收電路、功率合成網絡、數字與SPI控制、偏置電路，某些情況下還包括完整的上/下轉換器。

圖1毫米波汽車相控陣接收機

2、天線集成技術

目前， 60 GHz封裝的天線和片上天線均使用商用電磁仿真軟件進行設計。對于混合解決方案，已開發出補充標準IC設計工具的建模方法，以實現引線鍵合與 IC 的協調集成。AiP技術需要確保整體性能的IC與天線間的寬帶低損耗互連設計。AoC技術需要先進的后處理步驟或封裝工藝，以減少嚴重的介電損耗?；旌咸炀€集成技術則融合了AiP和AoC的優勢，可實現高輻射效率，無需芯片與封裝的低損耗互連設計。但是，該方案的設計靈活性不高，且在寬側方向上呈現輻射零點，阻止了其在某些場合的應用。

2. 1 AiP技術

2. 1. 1結構

AiP技術是將一元或多元天線集成到ＲF封裝內的關鍵技術，其典型方案是采用集成電路封裝工藝。在硅毫米波收發器中，封裝內集成了天線陣列，有助于提供足夠的信號增益，實現尺寸最小化。這種工藝是毫米波ＲF集成方案規模應用的關鍵技 術。例如，30 GHz天線元的尺寸為毫米量級，在單個封裝內需要采用新類型的天線陣列集成技術。具有光束轉向功能的微小相控陣天線是毫米波無線電的關鍵器件［2］。為了在收發器封裝內集成天線陣列，需要考慮芯片組裝方案、陣列元和饋電網絡、芯片與封裝互連、封裝材料等。如果收發器采用多層封裝，需要在芯片與天線之間采用先進的互連技術，滿足天線饋電插入損耗最小的要求。芯片可以放置 在封裝正面，也可以放置在封裝底部。

將芯片放置在封裝底部的方案對芯片接收和發射的影響最小。一種可用于5G無線通信的有機芯片封裝中的相控陣毫米波天線如 圖2所示。為了提高天線帶寬、增益和輻射效率，在一個厚的覆板上放置了一個寄生平面結構，構成一個雙貼片天線疊層。為了達到優化ＲF設計和制造的目標，對封裝層疊片和低介電常數材料的參數作了優化選擇，如表1所示。

表1天線陣列設計要求

2. 1. 2設計與制造

在AiP設計中，除了波束形成、信號放大和具有頻率轉換功能的相控陣IC外，具有極化特性的天線也是天線陣列的關鍵器件。在最早的硅基毫米波IC設計發展階段，天線設計采用襯底、形狀和成本與硅基毫米波IC兼容的技術［3］。目前，已有多種頻率的硅襯底片上毫米波天線，但由于面積較大、發射效率有限，在100 GHz以上的天線才有研究價值。在60 GHz頻率內，在液晶聚合物( LCP) 、有機高密度互連襯底、玻璃襯底、高/低溫共燒陶瓷襯底、硅襯底和模制物料基晶圓級襯底等材料上制作的硅相控陣天線陣列已被報道。通常需要對AiP陣列的增益、帶寬和輻射圖形進行優化。同時，需要考慮襯底材料、陣列尺寸(即元件和貼片的數量) 、互連靈活性(如連接電源和控制信號) 、熱性能與機械性能的相容性、 IC組裝和板集成等因素。

一種新的天線與 IC/載體結構如圖3所示［4］。天線結構通過PCB板制作于厚度為T的介質襯底上，并懸空倒置，翻轉在IC/載體之上。IC封裝基的地也作為天線的鏡像地，天線與地的間距為H。該結構中，天線與地板之間具有非常低的介電常數，天線結構之上有一層具有較高介電常數的覆板材料。在保持高天線效率的前提下，相比于標準PCB天線結構，這種堆疊結構具有更高的帶寬。一個帶有焊球的墊片可以放置在天線覆板的另一端，作為支撐。

圖3天線與IC/載體結構

AiP設計中通常采用集成電路封裝工藝進行封裝，需要將天線與片上電路進行物理連接。低溫共燒陶瓷( LTCC) 工藝可實現任意數量層的安裝結構， 具有跨層過孔、層間形成開放腔或密閉腔(IC 可集成于此) 等靈活性。采用該工藝封裝的毫米波天線越來越受到關注［5］。有些方案采用傳統的鍵合線、 倒裝芯片和C4焊接等工藝。例如， 60 GHz硅相控陣芯片封裝需要有芯片與天線間低損耗分布網絡的多層毫米波襯底，必須是多層低損耗的Teflon基或 LTCC 基，成本昂貴。因此，典型的硅相控陣AiP可以達到30 ～ 60 GHz頻率［6］，達到80 GHz的難度更大。

較之LTCC封裝方案，印刷電路板( PCB) 封裝方案可以降低成本。有采用PCB等較低成本高頻電路材料制成多層安裝結構的封裝方案，如ＲO3000系列和ＲO4000系列［7-8］的封裝。還有采用液晶聚合物作為基板的低成本方案。但由于使用盲孔或埋孔，層的數量增多，會導致PCB技術的機械制造成本升高。另外， PCB工藝在極高頻段實現高密度化的難度增加，這將嚴重影響系統性能，導致效率降低。因此， LTCC工藝是大多數多層結構陣列的選擇，采用該工藝方案的天線性能有改善。

2. 2 AoC技術

2. 2. 1片上天線

片上天線是采用片上金屬化連線工藝集成制作的天線。在芯片上直接集成和組合天線的制作方法是太赫茲通信器件研究最少的領域之一。在當前技術條件下，由于襯底吸收和傳導電流等原因，消除ＲF電路與天線間所有的連接會使得設計成本大幅 降低，設計更加靈活。傳統觀念認為，由于沒有介電鏡( Dielectric Lenses) 補償結構，片上天線對于消費類的小功率器件并不是最佳結構。雖然典型片上天線的效率只能達到10%，但如果能在片上設計并制造出亞毫米天線( 采用選頻性質的表面［9］或者Yagi高方向性的天線［10］) ，則會帶來成本大幅降低和設計靈活性大幅增加的優勢，這會超過使用效率更高、但昂貴且復雜的片下天線的優勢，從而增加了應用的可能性。

隨著載波頻率和帶寬移向亞太赫茲，高寬帶和高載波頻率使得金屬引線變得不穩定，片上天線被認為是替代印刷板上芯片金屬互連的方法之一。除了片上天線，片上波導和硅穿孔( TSV) 波導也是亞太赫茲頻段大帶寬應用中替代金屬連線的有前景的技術。片上天線的成功實現將會使得高集成度收發器、60 GHz 空間電源組合和更高頻率毫米波系統等眾多應用受益。頻率從0. 9GHz［11］到77 GHz［12的多種頻率片上天線已有不少報道。德國高性能微電子研究所( IHP) 采用標準SiGe BiCMOS工藝，設計并制作了一種130 GHz的片上天線，峰值增益達到8. 4 dBi。

2. 2. 2 CMOS片上天線

CMOS工藝是 ＲF IC 的一條重要發展途徑。隨著CMOS管特征頻率( fT) 接近400 GHz［14］， CMOS工藝在毫米波 IC 中得到進一步應用。文獻［ 15］提 出了一種在CMOS芯片上集成人工磁導體和寬帶窄槽天線的新方法，采用標準CMOS工藝實現了60 GHz下2 dBi的增益和大于126%的阻抗帶寬。文獻［ 16］采用0. 18 μm CMOS工藝，制作了一種60 GHz的圓極化環形天線，具有覆蓋57～67 GHz的模擬和測量的軸向比( axial ratio， AＲ＜3) 帶寬，增益達4. 4dBi。文獻［ 17］采用能制作阻抗帶寬為25 GHz ( 45～70 GHz) 的器件的Si CMOS工藝，制作了一種60 GHz寬帶的單極子天線，在60 GHz下實現了－ 4. 96 dB的增益。文獻［18］提出了一種高增益( 8 dBi 最大增益) 和高效率( 96. 7%峰值天線效率) 的片上天線，采用CMOS 0. 18 μm工藝制作，天線的－ 10 dB帶寬為4 GHz。文獻［19］采用0. 18 μm CMOS工藝，制作了一種60 GHz帶寬的CPW饋電環形單極子天線。

通常，制作在摻雜硅襯底上的片上天線只有約10%的低效率。但若采用成本較高的封裝天線，可實現比片上天線更高的效率。可采用容性耦合等先進連接技術，將成熟、低成本、較少摻雜的襯底上制作的天線芯片與有源60 GHz毫米波ＲF芯片連接起來，以實現比采用標準鍵合工藝的器件高得多的工作頻率范圍。天線可以用低成本的工藝( 如0. 18或0. 35 μm) 和較低摻雜的襯底來制作，再通過容性耦合，連接到含60 GHz 功率放大器等有源元件上，而不采用更先進工藝［20］。一種通過容性耦合將天線芯片與有源60 GHz ＲF芯片連接的毫米波集成天線如圖4所示。該天線不僅具有舊工藝的低摻雜濃度、高電阻率所致的低電導性、低損失襯底，而且具有更高效率。制作天線陣列時，低速有源開關( 如二極管) 可以集成到芯片上，采用分相位無源饋線來執行元件調諧、移相和波速控制。

圖4通過容性耦合將天線芯片與有源60 GHz ＲF芯片 連接的毫米波集成天線

2. 3混合集成毫米波天線

混合集成毫米波天線就是采用專用工藝，將天線與前端 IC 集成在同一封裝中。這種制作技術是純AiP和AoC的替代技術?；旌霞商炀€的示意圖如圖5所示［21］。熔融石英襯底上的偶極天線的 一半安裝在片上，另一半安裝在片下。這種結構的天線可以直接連接到片上電子器件。在60 GHz全頻段內，當增益為6～8 dBi時，芯片最大輻射效率可達90%。

圖5混合集成天線概念示意圖

3、毫米波天線集成技術進展

3. 1學術界發展情況

物聯網(IoT) 和5G要實現全面互聯的目標，就需要開發不同毫米波頻段的天線，并實現商業化量產。表2總結了用于廣域IoT和5G無線通信的近期文獻中毫米波天線及其性能比較。可以看出，實用的解決方案仍然較少，多數方案仍然需要解決結構復雜、增益減少、效率低和功耗高等問題。

60 GHz毫米波段器件將應用5G并量產化。片上系統或片上前端小型化系統集成的發展趨勢要求在不犧牲輻射效率、帶寬、增益的前提下，AoC器件、AiP器件的成本、尺寸和功耗必須向更小化方向發展。使用硅IC工藝提供了最大的集成度、低成本和低功耗，表明GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物工藝并不一定是最佳選擇，尤其是考慮封裝、集成和互連問題時。

表2近期文獻中5G毫米波天線及其性能比較

天線元件通常制作于片下，也可以被完整地集成在單個芯片上。硅襯底由于介電常數高、電阻率低，片上集成天線的增益很小、輻射效率很低，可以通過提高襯底的電阻率來改善性能。例如制作高性能低成本的SoC時，將天線和IC集成到高電阻率絕緣層上硅( HＲ SOI) 上。在AiP方案中，為解決毫米波頻率下硅襯底上天線陣列的平面饋電器件插入損耗過大的問題，可采用將天線集成在附加基板上的混合集成創新技術，充分利用封裝和在這種有限空間內的耦合可能性。該方案顯現出較高的設計靈活性。

IBM公司在過去的14年中發展了ＲFIC和AiP系列: 成像和通信應用的具有波束形成和波束掃描能力的性能驅動相控陣( 如60 GHz、 94 GHz和28 GHz相控陣) ，支持便攜裝置的V-波段、W波段和Ka波段毫米波模塊( 如60 GHz單元件、開關波束模塊)［27］。

文獻［ 28］提出一種多層LTCC基板上構建的線性極化6 GHz天線陣列。這些陣列使用4×4微帶貼片輻射元件，分別由四分之一波長匹配的T型接頭網絡和Wilkinson功率分配器網絡饋電。測量結果表明，由前者饋電的陣列比由后者饋電的陣列表現更好。對于帶有和不帶有嵌入式腔的陣列，測量的阻抗帶寬分別為9. 5%和5. 8%，最大增益分別為18. 2 dBi和15. 7 dBi。

文獻［ 29］報道了一種在熔融石英基板上構建的線性極化60 GHz天線陣列。該陣列使用由饋電網絡饋電的2×4微帶貼片輻射元件，饋電網絡使用了共面條帶和共面條波導。通過金屬腔增強的陣列實現了大于9 GHz的測量阻抗帶寬和約15 dBi的最大增益。

文獻［ 30］提出一種采用LTCC工藝、具有2×2微帶貼片輻射元件的天線陣列，制作出具有線性極化的60 GHz發射器模塊。

文獻［ 31］分別使用1×8和2×5微帶貼片輻射元件，制作出兩個有源線性極化60 GHz天線陣列。

文獻［ 32］提出了一種具有由波后波導網絡饋電的槽輻射元件、線性極化60 GHz的天線陣列。

文獻［ 33］提出了一種圓極化60 GHz的天線陣列，該陣列通過對原始天線元件、疊層波導、調整圓極化軸比進行精細設計，實現了寬帶寬。

文獻［ 34］提出了一種在 LCP 基板上制作的圓極化 60 GHz 天線陣列。該陣列采用了新的槽輻射元件和新穎的開腔反射器。測量結果表明， 2×4輻射元件陣列的峰值增益為15. 6 dBic。

3. 2 商業化發展態勢

據Gartner 預測，到2021年，市場將有9%的智能手機支持5G網絡。5G采用波束成形技術，必須采用多天線陣列系統( Massive MIMO) 。這將導致天線呈量級增長，并推動天線向高度集成化、復雜化的方向發展，工藝技術不斷升級，新材料不斷應用。例如，新型材料液晶高分子聚合物( LCP) 材料具有低損耗、高靈活性、高密封性等優點，非常適用于制作微波、毫米波器件。蘋果公司推出的毫米波天線解決方案中包含采用LCP材料制作的天線，這是5G天線大規模商用化的一個重要方向［35］。

高通公司QTM052毫米波天線模組系列支持緊湊封裝尺寸，適合于移動終端集成。配置QTM052的毫米波天線模組的終端將于2019年上半年推向市場，顯示出在5G中集成天線和ＲF前端等元器件的發展趨勢。意法半導體公司、 STATS ChipPAC和英飛凌科技公司在英飛凌第一代嵌入式晶圓級球柵陣列 ( eWLB) 技術的基礎上，合作開發了下一代的eWLB半導體產品封裝技術。目前已開發出具有8 mm×8 mm封裝的集成天線制作的四通道收發器。該天線采用ＲDL層中的金屬結構，并集成于封裝中，為在5G等毫米波領域應用的雷達系統封裝提供了解決方案［36］。近期，中芯長電公司發布了SmartAiPTM工藝平臺制作的世界首個超寬頻雙極化的5G毫米波天線芯片的晶圓級集成封裝，具有集成度高、散熱性好、工藝簡練的特點，能夠實現24～43 GHz的超寬頻信號收發，達到 12. 5 dB的超高天線增益。

4、結束語

在未來的較長時間里， 5G架構將繼續在網絡、 無線訪問和物理層不斷發展，需要在ＲF/ 毫米波集成電路、毫米波天線陣列技術等方面擁有多種創新型產品組合，從而推動5G無線電和產業化發展。例如， 5G中功率放大器、天線、濾波器和匹配電路的數量可以高達64個或更多。這些組件在效率和集成度方面的提升對無線電的總體能效和性能十分重要。具有大量天線、頻率為27 GHz及以上的高集成度MIMO無線電是5G系統的關鍵技術。上述三種集成方案可用于毫米波天線設計。以60 GHz頻段為例， AoC器件的輻射效率和增益指標落后于AiP器件和混合方案。AiP器件和混合器件實現了最佳輻射效率，因此可以認為選用AiP技術比選用AoC技術更合適。
AiP技術具有設計靈活性和印刷天線結構的優勢，但對于復雜的多層封裝結構，可能不具備與AoC技術和混合方案同等成本競爭的條件。此外， AiP方案芯片到芯片的互連會導致熱損失、延遲和設計量增加。混合方案似乎是最好的方案。但是，當頻率超過60 GHz時，典型的混合技術、 AiP都是不夠成熟的方案。而AoC方案會更加完善，且已在THz波段進行了測試。據預期，AoC方案在高頻具有更大發展空間。

天線集成的一個根本解決方案是將一個相控陣所需的所有東西集成到一個芯片上，這是硅基毫米波天線系統的優勢所在。不僅集成電子器件，而且集成通向晶圓級實現的高效率天線。晶圓級相控陣就可放置在輸入/輸出數據信號高達Gbit/s、布置有控制器件和電源器件的低成本印刷電路板上。整個毫米波功能均集成于同一芯片上，這種晶圓規模的實現是一個完全自包含的解決方案。（參考文獻略）。

5G毫米波天線陣列方式

不管是在消費電子領域，工業自動化領域，還是在汽車自動駕駛領域，毫米波的應用現在越來越多，實現了更智能化的感知通信體驗。通常，毫米波模塊安裝在由收發器、天線、電源管理電路、存儲器和接口外設組成的印刷電路板上。其中毫米波天線在毫米波組件中的地位舉足輕重。毫米波波長要比低頻率波波長短很多，而天線尺寸與電磁波波長成正比，因此毫米波天線的尺寸要比低頻率天線小很多，也因此波束寬度要小很多，能量更加集中。

雖然客觀上毫米波雷達天線尺寸小一些，但是不同的天線技術會直接影響到天線在板上損耗和效率，尤其是損耗這一方面，毫米波的路徑損耗本身就會比低頻率波大?？梢哉f毫米波天線集成技術是實現毫米波高分辨數據流、移動分布式計算等應用場景的關鍵技術。

毫米波天線陣列實現方式

目前毫米波天線集成的實現方式可分為兩大類——AoC和AiP。AoC天線將輻射原件直接集成到射頻芯片棧的后端，這種集成方式可以在一個僅幾平方毫米小尺寸單一模塊上做到沒有任何射頻互連和射頻與基帶功能的相互集成。AiP則基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內，實現系統級無線功能。AoC技術需要先進的后處理步驟或封裝工藝，以減少嚴重的介電損耗。在當前的技術條件下，這種集成方式目前看來競爭力并不在毫米波頻段，該天線集成技術在成本和性能上的性價比更適合較毫米波有更高寬帶和更高載波頻率的頻段。

AiP技術可以說是5G毫米波頻段毫米波終端天線最適合的方案。AiP技術能兼顧天線性能、成本及體積，相比傳統天線與射頻模塊的分散式設計更順應硅基半導體工藝集成度提高的潮流。AiP天線集成技術進一步將各類通信元件，如傳送收發器、電源管理芯片、射頻前端等元件與天線整并在一起，達到縮小厚度與減少PCB面積的目的。目前大多數60GHz無線通信和雷達芯片都采用了AiP技術。AiP技術助力下的毫米波雷達毫米波對于垂直行業的價值已經得到各產業界廣泛的認同，AiP天線技術無疑在其中發揮了重要作用。利用AiP天線技術，布板空間的節省大大降低了模塊的外形尺寸，器件到天線的布線距離縮短也有利于降低功率損耗。另一方面，我們知道PCB 上的天線是需要使用高頻基板材料的，AiP天線技術可以降低天線對高頻基板材料的需求。如TI的AiP技術利用倒裝芯片封裝技術直接將天線集成到無塑封裝基板上，防止因天線穿過塑封材料時產生損耗而降低效率并導致雜散輻射。

但雷達傳感方面AiP的應用也不是沒有劣勢，以TI的6843為例，其AiP方案和普通方案芯片性能完全一致，區別僅由天線差異引入。可以很明顯地看到由于采用了小型天線，雷達增益降低，導致探測威力下降，這也是為什么AiP毫米波雷達一般只用于近場感應。另一個劣勢在于空間角分辨能力減弱，對于復雜的靜態場景反而不能很好地構建出空間模型。在各種需要傳感器近場感知環境的場景里，可以說有著毫米波雷達廣闊的用武之地，AiP天線技術則幫助毫米波雷達大大強化了近場感知能力。下圖是加特蘭基于AiP毫米波雷達的人員檢測演示截圖，從3D追蹤效果來看AiP技術大大增加了雷達的距離分辨率，而且視野足夠寬闊。在汽車ADAS應用里，利用AiP高度集成的毫米波傳感器也能應用在各種檢測中，點云效果也很優秀。AiP毫米波雷達解決了普通毫米波雷達尺寸大、功耗高等一系列問題。AiP技術助力下的毫米波通信在通信方面AiP技術同樣效果明顯，目前AiP技術的開發主要集中在諸如高通及海思等芯片設計公司、臺積電及三星等半導體集成電路制造公司、日月光及矽品等封裝測試廠家。

5G毫米波特性帶動了天線尺寸縮小，但將不同元件整合在單一封裝中，仍然會存在散熱等諸多問題。高通的QTM毫米波模塊方案利用AiP天線技術解決這些問題，支持多達64個雙極化天線單元以實現范圍更廣的最優毫米波覆蓋。該全集成系統級解決方案整合了最新的毫米波技術，如面向雙向通信的波束成形、波束導向和波束追蹤技術，在5G毫米波通信集成天線封裝模塊上處于領先地位。射頻元件商如Skyworks、Qorvo，封測代工廠如日月光、Amko等，也都選擇以AiP技術為研發方向切入5G通訊市場。Qorvo就基于OTM設計對AiP模組進行了研發設計升級，整個 AiP 設計更小，成本更低，與此同時整個AIP的發射功率不變化，但直流功耗變小，天線設計更簡單。5G毫米波模塊的升級也帶動了天線封裝AiP技術的持續發展。

小結天線集成的根本是將一個相控陣所需的所有組件集成到一個芯片上，這是硅基毫米波天線系統的優勢所在。在毫米波應用大放異彩的今天，AiP技術優化了毫米波性能，給予了毫米波充裕的設計靈活性，也將毫米波推向更多的應用領域。

5G通訊技術

一

移動通信產業的新發動機---5G

什么是5G？

“5G”一詞通常用于指代第 5 代移動網絡。5G 是繼之前的標準（1G、2G、3G、4G 網絡）之后的最新全球無線標準，并為數據密集型應用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G 有助于建立一個新的、更強大的網絡，該網絡能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯網”的設備爆炸式增長的連接——該網絡不僅可以連接人們通常使用的端點，還可以連接一系列新設備，包括各種家用物品和機器。公認的5G的優勢是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網絡

?更高的峰值數據速度（多 Gbps）

?超低延遲

與前幾代網絡不同，5G 網絡利用在 26 GHz 至 40 GHz 范圍內運行的高頻波長（通常稱為毫米波）。由于干擾建筑物、樹木甚至雨等物體，在這些高頻下會遇到傳輸損耗，因此需要更高功率和更高效的電源。5G部署最初可能會以增強型移動寬帶應用為中心，滿足以人為中心的多媒體內容、服務和數據接入需求。增強型移動寬帶用例將包括全新的應用領域、性能提升的需求和日益無縫的用戶體驗，超越現有移動寬帶應用所支持的水平。

毫米波是5G的關鍵技術

毫米波通信是未來無線移動通信重要發展方向之一，目前已經在大規模天線技術、低比特量化ADC、低復雜度信道估計技術、功放非線性失真等關鍵技術上有了明顯研究進展。但是隨著新一代無線通信對無線寬帶通信網絡提出新的長距離、高移動、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應用場景的需求，針對毫米波無線通信的理論研究與系統設計面臨重大挑戰，開展面向長距離、高移動毫米波無線寬帶系統的基礎理論和關鍵技術研究，已經成為新一代寬帶移動通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優勢： 毫米波由于其頻率高、波長短，具有如下特點：

頻譜寬，配合各種多址復用技術的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業務；可靠性高，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩定的傳輸信道；方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄，增大了竊聽難度，適合短距離點對點通信；波長極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內集成大規模天線陣。

毫米波的缺點：毫米波也有一個主要缺點，那就是不容易穿過建筑物或者障礙物，并且可以被葉子和雨水吸收。這也是為什么5G網絡將會采用小基站的方式來加強傳統的蜂窩塔。

主要方向。

氮化硼

氮化硼是由氮原子和硼原子所構成的晶體?；瘜W組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纖鋅礦氮化硼（WBN）。

氮化硼問世于100多年前，最早的應用是作為高溫潤滑劑的六方氮化硼，不僅其結構而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人發現的化合物。國外對BN材料從第二次世界大戰后進行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發展起來的。美國金剛石公司和聯合碳公司首先投入了生產，1960年已生產10噸以上。1957年R·H·Wentrof率先試制成功CBN，1969年美國通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國宣布制成CBN刀具。1975年日本從美國引進技術也制備了CBN刀具。1979年首次成功采用脈沖等離子體技術在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。

20世紀90年代末，人們已能夠運用多種物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）的方法制備c-BN薄膜。從中國國內看，發展突飛猛進，1963年開始BN粉末的研究，1966年研制成功，1967年投入生產并應用于我國工業和尖端技術之中。

物質特性：

CBN通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結構，具有良好的導熱性。硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。

氮化硼具有抗化學侵蝕性質，不被無機酸和水侵蝕。在熱濃堿中硼氮鍵被斷開。1200℃以上開始在空氣中氧化。真空時約2700℃開始分解。微溶于熱酸，不溶于冷水，相對密度2.29。壓縮強度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達2800℃，但在常溫下潤滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優。對于六方氮化硼：摩擦系數很低、高溫穩定性很好、耐熱震性很好、強度很高、導熱系數很高、膨脹系數較低、電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。

物質結構：

氮化硼六方晶系結晶，最常見為石墨晶格，也有無定形變體，除了六方晶型以外，氮化硼還有其他晶型，包括：菱方氮化硼（r-BN)、立方氮化硼（c-BN）、纖鋅礦型氮化硼（w-BN)。人們甚至還發現像石墨稀一樣的二維氮化硼晶體。

通常制得的氮化硼是石墨型結構，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉變為金剛石的原理類似，石墨型氮化硼在高溫（1800℃）、高壓（8000Mpa）[5~18GPa]下可轉變為金剛型氮化硼。是新型耐高溫的超硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。

應用領域：

1. 金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤滑劑。

2. 高溫狀態的特殊電解、電阻材料。

3. 高溫固體潤滑劑，擠壓抗磨添加劑，生產陶瓷復合材料的添加劑，耐火材料和抗氧化添加劑，尤其抗熔融金屬腐蝕的場合，熱增強添加劑、耐高溫的絕緣材料。

4. 晶體管的熱封干燥劑和塑料樹脂等聚合物的添加劑。

5. 壓制成各種形狀的氮化硼制品，可用做高溫、高壓、絕緣、散熱部件。

6. 航天航空中的熱屏蔽材料。

7. 在觸媒參與下，經高溫高壓處理可轉化為堅硬如金剛石的立方氮化硼。

8. 原子反應堆的結構材料。

9. 飛機、火箭發動機的噴口。

10.高壓高頻電及等離子弧的絕緣體。

11.防止中子輻射的包裝材料。

12.由氮化硼加工制成的超硬材料，可制成高速切割工具和地質勘探、石油鉆探的鉆頭。

13.冶金上用于連續鑄鋼的分離環，非晶態鐵的流槽口，連續鑄鋁的脫模劑。

14.做各種電容器薄膜鍍鋁、顯像管鍍鋁、顯示器鍍鋁等的蒸發舟。

15.各種保鮮鍍鋁包裝袋等。

16.各種激光防偽鍍鋁、商標燙金材料，各種煙標，啤酒標、包裝盒，香煙包裝盒鍍鋁等等。

17.化妝品用于口紅的填料，無毒又有潤滑性，又有光澤。

未來前景：

由于鋼鐵材料硬度很高，因而加工時會產生大量的熱，金剛石工具在高溫下易分解，且容易與過渡金屬反應，而c-BN材料熱穩定性好，且不易與鐵族金屬或合金發生反應，可廣泛應用于鋼鐵制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有優良的耐磨性能外，耐熱性能也極為優良，在相當高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、鐵合金、淬火鋼等，并且能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的Si-Al合金等。實際上，由c-BN晶體（高溫高壓合成)的燒結體做成的刀具、磨具已應用于各種硬質合金材料的高速精密加工中。

c-BN作為一種寬禁帶（帶隙6.4 eV）半導體材料，具有高熱導率、高電阻率、高遷移率、低介電常數、高擊穿電場、能實現雙型摻雜且具有良好的穩定性，它與金剛石、SiC和GaN一起被稱為繼Si、Ge及GaAs之后的第三代半導體材料，它們的共同特點是帶隙寬，適用于制作在極端條件下使用的電子器件。與SiC和GaN相比，c-BN與金剛石有著更為優異的性質，如更寬的帶隙、更高的遷移率、更高的擊穿電場、更低的介電常數和更高的熱導率。顯然作為極端電子學材料，c-BN與金剛石更勝一籌。然而作為半導體材料金剛石有它致命的弱點，即金剛石的n型摻雜十分困難（其n型摻雜的電阻率只能達到102Ω·cm，遠遠未達到器件標準），而c-BN則可以實現雙型摻雜。例如，在高溫高壓合成以及薄膜制備過程中，添加Be可得到P型半導體；添加S、C、Si等可得到n型半導體。因此綜合看來c-BN是性能最為優異的第三代半導體材料，不僅能用于制備在高溫、高頻、大功率等極端條件下工作的電子器件，而且在深紫外發光和探測器方面有著廣泛的應用前景。事實上，最早報道了在高溫高壓條件下制成的c-BN發光二極管，可在650℃的溫度下工作，在正向偏壓下二極管發出肉眼可見的藍光，光譜測量表明其最短波長為215 nm（5.8 eV）。c-BN具有和GaAs、Si相近的熱膨脹系數，高的熱導率和低的介電常數，絕緣性能好，化學穩定性好，使它成為集成電路的熱沉材料和絕緣涂覆層。此外c-BN具有負的電子親和勢，可以用于冷陰極場發射材料，在大面積平板顯示領域具有廣泛的應用前景。在光學應用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且從紫外（約從200 nm開始）到遠紅外整個波段都具有高的透過率，因此適合作為一些光學元件的表面涂層，特別適合作為硒化鋅（ZnSe）、硫化鋅（ZnS）等窗口材料的涂層。此外，它具有良好的抗熱沖擊性能和商硬度，有望成為大功率激光器和探測器的理想窗窗口材料。

高導熱絕緣氮化硼膜材

六方氮化硼（h-BN）這種二維結構材料，又名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一樣，僅有一個原子厚度。但是兩者很大的區別是六方氮化硼是一種天然絕緣體而石墨烯是一種完美的導體。與石墨烯不同的是，h-BN的導熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術層面上講，一個聲子即是一組原子中的一個準粒子）。有材料專家說道：“使用氮化硼去控制熱流看上去很值得深入研究。我們希望所有的電子器件都可以盡可能快速有效地散射。而其中的缺點之一，尤其是在對于組裝在基底上的層狀材料來說，熱量在其中某個方向上沿著傳導平面散失很快，而層之間散熱效果不好，多層堆積的石墨烯即是如此?！迸c石墨中的六角碳網相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網狀層面，互相重疊，構成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數兩者也頗為相近。

二維氮化硼散熱膜是一種性能優異的均熱散熱材料。傳統的人工石墨膜和石墨烯薄膜具有電磁屏蔽的特性，在5G通訊設備中的應用場景受限，特別是在分布式天線的5G手機中。二維氮化硼散熱膜具有極低的介電系數和介電損耗，是一種理想的透電磁波散熱材料，能被用于解決5G手機散熱問題。

基于二維氮化硼納米片的復合薄膜，此散熱膜具有透電磁波、高導熱、高柔性、高絕緣、低介電系數、低介電損耗等優異特性，是5G射頻芯片、毫米波天線領域最為有效的散熱材料之一。

高導熱透波絕緣氮化硼膜材主要應用

超薄高導熱絕緣氮化硼膜材のTG值測試結果