5GAiP天線工藝技術之FOWLP

電子萬花筒 2022-08-29 08:23

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高頻率造成天線有源化趨勢，手機側的AiP天線應運而生

與2G/3G/4G移動網絡相比，5G網絡將在更高的頻段C-Band（3.7-4.2GHz）和毫米波（24.25GHz-52.6GHz）上部署，而更高頻率的信號就意味著更大的饋線損耗，根據碩貝德測算，傳統4G手機射頻前端的饋線損耗只有1dB不到，但是在毫米波頻段線損在2-4dB。

因此，5G時代將天線與射頻前端進一步集成就成為大勢所趨，而這一集成趨勢在宏基站側就體現為基于Massive MIMO的AAU，在室分基站側就體現為由DAS向數字化室分的演進，在手機側就體現為AiP（Antenna in Package）天線的誕生。所謂AiP天線是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的技術。AiP技術順應了硅基半導體工藝集成度提高的趨勢，兼顧了天線性能、成本及體積，代表著近年來天線技術的重大成就及5G毫米波頻段終端天線的技術升級方向。

FOWLP有望成為AiP天線的主流技術工藝

盡管目前AiP的實現工藝主要有LTCC（低溫共燒結陶瓷）、HDI（高密度互聯）及FOWLP（晶圓級扇出式封裝）三種，但是我們認為，基于更高的集成度、更好的散熱性、更低的傳輸損耗等優勢，結合目前的產業化進度，FOWLP有望成為AiP天線的主流技術工藝。

FOWLP是fan-out Wafer Level Package的縮寫，其中WLP（晶圓級封裝）是以BGA（Ball Grid Array）技術為基礎，以wafer為加工對象，在wafer上同時對眾多芯片進行封裝測試，最后切割成單個器件，可直接貼裝到基板或者PCB板上的封裝方案。WLP由于不需要中介層（interposer）、填充物（underfill）與導線架，并且省略黏晶、打線等制程，因此能夠大幅減少材料及人工成本，此外，WLP大多采用RDL（重布線層）與Bumping（凸塊）技術作為I/O排線手段，因此具有較小的封裝尺寸和較佳電性表現等優勢，多應用于注重輕薄、節能的3C芯片中。

WLP可分為fan-in（標準型扇入式）及fan-out（擴散性扇出式）兩種，其中fan-in是在wafer未進行切片前對wafer進行封裝，之后再進行切片分割，完成后的封裝大小和芯片尺寸接近。而fan-out則是基于wafer重構技術，將芯片重新布局到一塊人工晶圓上，然后按照與標準的WLP工藝類似的步驟進行封裝，封裝面積大于芯片面積。傳統的WLP封裝多采用fan-in形態，應用于pin（引腳）數量較少的IC芯片，伴隨著IC引腳數目的增加，對錫球間距的要求日趨嚴格，加上PCB排線對于IC封裝后尺寸以及引腳位置的調整要求，因此衍生出fan-out。

FOWLP的具體實現步驟如下圖所示，第一步需要完成晶圓的制備及切割，即將晶圓放入劃片膠帶中，切割成各個單元，與此同時準備潔凈處理后的金屬載板；第二步將芯片從晶圓拾取并排布在金屬載板上；第三步以模塑料（molding compound）密封載板完成制模；第四步從載板上移走已經成型的重建芯片；第五步在重分布層（RDL）上配置I/O連接；第六步在I/O連接口形成銅凸塊；最后對已成型的塑封體進行切割。

由于FOWLP是從裸晶端點拉出所需電路到RDL層進而形成封裝，因此在最終的產品形態中不存在封裝載板，可以減少成本并降低芯片厚度，此外，由于RDL層有助于縮短互聯電路的長度，可有效降低高頻信號的傳輸損耗。

蘋果A10處理器是FOWLP工藝大范圍推廣的催化劑

2009-2010年間Intel Mobile率先推動FOWLP在手機基帶芯片的單芯片封裝過程中得到應用。2014年臺積電宣布其inFOWLP（integrated fan-out）進入量產準備，可實現封裝厚度250um，RDL間距10um，從具體應用而言，臺積電8mm x 8mm平臺可用于射頻和無線芯片的封裝，15mm x 15mm可用于應用處理器和基帶芯片封裝，而更大尺寸如25mm x 25mm可用于圖形處理器和網絡等應用的芯片封裝。

在臺積電inFOWLP工藝中，銅互連形成在鋁PAD上，應用于扇出型區域以制造出高性能的無源器件如電感和電容。以3.3nH的電感為例，根據麥姆斯咨詢數據，65nm的CMOS采用on-chip封裝其品質因子Q為12，而InFO封裝則可達到峰值42。電感與模塑料越接近，損耗因子越小，Q值越高，由此也印證了如前所述的FOWLP的低傳輸損耗的優勢。

2016年蘋果首次在iPhone中采用了基于FOWLP工藝的處理器A10，根據Techinsights數據，由臺積電代工的A10處理器基于16nm finFET制程工藝，采用inFO（integrated fan-out）封裝工藝，使用了5-5μm、10-10μm和10-10μm三層RDL。在蘋果和臺積電的合力推動下，設備商Veeco、封裝測試供應商Amkor、日月光、星科金朋、晶圓代工廠Global Foundries等均在2016年大力加碼FOWLP相關技術、產品布局。

根據Yole數據，在蘋果A10、A11處理器的帶動下，2015-2017年全球FOWLP市場規模CAGR接近90%，于2018年達到約14億美金規模，面對漸行漸近的5G時代，在高通、三星、華為海思等玩家陸續進入的過程中，FOWLP全球總產值有望在2022年超過23億美金，2019-2022年間的CAGR接近20%。

碩貝德聯合中芯長電已成功發布了基于inFO的AiP天線產品

19年3月19日中芯長電在CSTIC發布了世界首個超寬頻雙極化的5G毫米波AiP天線，該產品采用了基于FOWLP封裝SmartAiP工藝技術，該工藝能夠幫助客戶實現24GHz-43GHz超寬頻信號收發、達到12.5dB的超高天線增益、以及適合智能手機終端對超薄厚度要求等優勢，并且有進一步實現射頻前端模組集成封裝的能力。

根據中芯長電訊，該工藝方案與領先的天線方案提供商碩貝德合作，現已獲得中國和美國專利授權，可通過超高的垂直銅柱互連提供更強的三維集成功能，加上中芯長電成熟的多層雙面RDL技術，結合晶圓級精準的多層天線結構、芯片倒裝及表面被動組件,使得SmartAiP實現了5G天線與射頻前端芯片模塊化和微型化的高度集成加工。