5G毫米波天线设计及集成天线一体化技术的发展趋势

关键词：5G高导热绝缘透波低介电材料，氮化硼材料

导语：5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起了这些部位发热量的急剧增加。BN氮化硼散热膜是当前5G射频芯片、毫米波天线、AI、物联网等领域最为有效的散热材料，具有不可替代性。

致力于解决当前我国电子封装及热管理领域面临的瓶颈技术问题，建立了国际先进的热管理解决方案及相关材料生产技术，是国内低维材料技术领域顶尖的创新型研发团队。本产品是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片，成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜，具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题，拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术，是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。

产品的应用方向为5G通讯绝缘热管理，主要目标市场可分为终端设备，智能工业，及新能源汽车三大板块。5G技术是近年来最受瞩目的关键科技，也是国内外重点发展的核心产业之一。随着5G商用，工业4.0、智慧城市、无人驾驶等科技建设的推进，该项目已经初步形成了万亿的市场规模，并持续快速发展。

5G通信系统毫米波天线的介绍

众所周知，5G将会拥有低频段和毫米波两个频段，而毫米波的波长很短损耗很大，所以在5G通信里面，我们必须解决这一问题。第一个方案是，衬底集成天线（substrateintegrated antenna，即SIA）。这种天线主要基于两个技术：空波导传输的时候介质带来的损耗很小，所以可以用空波导来进行馈源传输。但这存在几个问题，因为是空气波导，尺寸非常大，而且无法和其它电路集成，所以比较适合高功率、大体积的应用场景；另一个是微带线技术，它可以大规模生产，但它本身作为传输介质的损耗很大，而且很难构成大规模天线阵列。

基于这两个技术就可以产生衬底集成的波导技术。这一技术最早由日本工业界提出来，他们在1998年发表了第一篇关于介质集成的波导结构论文，提到了在很薄的介质衬底上实现波导，用小柱子挡住电磁波，避免沿着两边扩。这不难理解，当两个小柱子的间距小鱼四分之一波长的时候，能量就不会泄露出去，这就可以形成高效率、高增益、低轮廓、低成本、易集成、低损耗的天线。利用这一技术在LTCC上做出来的60GHz的天线，增益达到了25dB，尺寸8×8单元。这一方案是适合于毫米波在基站上的应用，在移动终端上有另外一种方案。第二个解决方案是把天线设计在封装（package integrated antenna，即PIA）。因为天线在芯片上最大的问题就是损耗太大，而且芯片本身的尺寸很小，把天线设计进去会增加成本，所以在工程上几乎无法得到大规模应用。如果用封装（尺寸比芯片大）作为载体来设计天线，不仅能设计出单个天线，还能设计天线阵列，这就避免了硅上直接做天线在体积、损耗和成本上的限制。

另外有一点需要注意的问题是，能否用PCB板做天线？答案是肯定的。关键的瓶颈并不是材料自身，而是材料带来的设计问题和加工上的问题。不过PCB只适合在60GHz以下的频段，在60GHz以后推荐用LTCC，但到200GHz后，LTCC也存在瓶颈。未来天线必须要和系统一起设计而不是单独设计，甚至可以说天线将会成为5G的一个瓶颈，如果不突破这一瓶颈，系统上的信号处理都无法实现，所以天线已经成为5G移动通信系统的关键技术。天线不只是一个辐射器，它有滤波特性、放大作用、抑制干扰信号，它不需要能量来实现增益，因此天线不仅仅是一个器件。

5G毫米波集成天线一体化技术发展趋势的介绍

一

5G毫米波集成天线

作为5G大规模多输入/多输出( MIMO) 的技术支持，毫米波天线集成技术是实现高分辨数据流、移动分布式计算等应用场景的关键技术。讨论了封装天线(AiP) 、片上天线( AoC) 、混合集成等毫米波天线集成技术发展状况、关键技术及其解决方案，剖析了几种典型集成天线技术，分析了技术发展脉络，总结了5G毫米波集成天线一体化技术的发展趋势。比如：针对生命体征监测和姿势识别，IMEC开发了一款带有片上天线的140GHz FMCW雷达收发器。雷达的工作范围为0.15米至10米，分辨率为11毫米，射频带宽为13GHz，中心频率为145GHz，收发器IC采用28nm模块CMOS技术制造，可实现低成本的解决方案。

二

毫米波集成天线技术发展趋势的探讨

毫米波半导体是第五代移动通信技术( 5G ) 的基础器件，采用毫米波频率进行定向通信的技术是5G预期配置的关键技术之一。毫米波的频率范围为30～300 GHz。目前研究的波段范围有28 GHz频段、 38 GHz频段、 60 GHz频段和E频段( 71 ～ 76 GHz、 81～86 GHz) 。5G技术将通信频段移向比第四代移动通信技术(4G) 高得多的毫米波频率。5G的频谱带宽较4G会有10倍至20倍的提升，最高数据传输速率可以提高20倍，且天线阵列和基站设备的尺寸更小、成本更低。在毫米波频段中， 28 GHz频段、 60 GHz频段是最有希望应用于5G的两个频段。

作为收发ＲF信号的无源器件，天线决定了通信质量、信号功率、信号带宽、连接速度等通信指标，是通信系统的核心。如何增加频谱数据吞吐量是从4G 到5G的重大挑战。5G的关键技术为大规模多输入、多输出( MIMO )的集成毫米波天线技术。每一个MIMO信道有着自身的从接收天线、发射天线到微处理器的信号通路。接收信道的作用是实现从天线接收ＲF 信号到输入采样基带频率的下变频， 以及模数信号转换等功能。发射信道的功能是将上变频后的数字信号转换为模拟ＲF信号。缩小尺寸是5G天线的一个重要挑战。最小的基站天线尺寸将缩小到信用卡大小，这会增大毫米波天线及电路在集成度、低功耗和连接方面的要求。提升功率密度是5G天线的另一个重要挑战。

多天线系统集成是应对5G系统 MIMO 、缩小尺寸、提升功率密度等挑战的重点技术之一。由于SiGe和 CMOS ＲF集成电路已经达到高的fT、 fmax和高的集成密度，能采用CMOS、 SOI和SiGe工艺来设计大规模全集成硅毫米波相控阵电路。基于全ＲF结构、 8～32元的发射( Tx ) 、接收( Ｒx ) 或收/发( T/ Ｒ) 模式已成功用于45～110 GHz频段。硅集成方案可以在同一芯片上集成多个元件。与GaAs和InP等 Ⅲ-Ⅴ族半导体技术相比较，硅基技术具有更高的集成度和更低的成本。硅相控阵芯片在毫米波领域中应用广泛。该项技术所面临的挑战是，在信号链单元上的ＲF功率放大器、低噪声接收机放大器、 A/D转换器或D/A转换器都需要很大的效率提升。

无线通信和传感器系统均可以通过ＲF系统提高集成度和采用新封装技术的方法来提高性能。目前实现前端电路和集成天线的方案有三种。第一种为天线封装( AiP ) 技术，天线采用IC封装工艺制作。第二种为芯片上天线( AoC) 技术，天线直接在 硅衬底上制作。第三种为AiP和AoC的混合技术，天线馈电点制作在芯片上，辐射元件在片外实现。AiP技术中，芯片和天线的互连在某个频率范围内应该达到信号传输的有效效率，其主要的封装工艺有引线键合工艺和倒装芯片工艺。但是，器件在高频时的损耗较大，成本将升高。

1、相控阵接收机的结构

硅毫米波相控阵技术在5G通信中的应用范围不断扩大。多家公司采用SiGe 和CMOS工艺来制作IC，其工作频率已达60～100GHz。例如，北美丰田研究所研制了一种具有ＲF波束形成能力的SiGe单芯片汽车相控阵接收机［1］，如图1所示。

汽车相控阵接收机采用低成本的键合线技术进行封装，并与16元线性微带阵列连接。该天线在77～ 81 GHz频率的指向性为29. 3 dB，增益为28 dB，每步( 1°) 在方位角平面中能扫描到±50°。该芯片中，平面相控阵天线阵列间距只有0.5λ( λ=3. 75 mm，频率80 GHz 以下) ，这个参数对于可用面积很小的毫米波电路尤其重要。这种相阵列需要尽可能多地在SiGe或者CMOS芯片上集成更多电路，不仅包括移相器和VGA，而且包括全部的发射/接收电路、功率合成网络、数字与SPI控制、偏置电路，某些情况下还包括完整的上/下转换器。

图1毫米波汽车相控阵接收机

2、天线集成技术

目前， 60 GHz封装的天线和片上天线均使用商用电磁仿真软件进行设计。对于混合解决方案，已开发出补充标准IC设计工具的建模方法，以实现引线键合与 IC 的协调集成。AiP技术需要确保整体性能的IC与天线间的宽带低损耗互连设计。AoC技术需要先进的后处理步骤或封装工艺，以减少严重的介电损耗。混合天线集成技术则融合了AiP和AoC的优势，可实现高辐射效率，无需芯片与封装的低损耗互连设计。但是，该方案的设计灵活性不高，且在宽侧方向上呈现辐射零点，阻止了其在某些场合的应用。

2. 1 AiP技术

2. 1. 1结构

AiP技术是将一元或多元天线集成到ＲF封装内的关键技术，其典型方案是采用集成电路封装工艺。在硅毫米波收发器中，封装内集成了天线阵列，有助于提供足够的信号增益，实现尺寸最小化。这种工艺是毫米波ＲF集成方案规模应用的关键技 术。例如，30 GHz天线元的尺寸为毫米量级，在单个封装内需要采用新类型的天线阵列集成技术。具有光束转向功能的微小相控阵天线是毫米波无线电的关键器件［2］。为了在收发器封装内集成天线阵列，需要考虑芯片组装方案、阵列元和馈电网络、芯片与封装互连、封装材料等。如果收发器采用多层封装，需要在芯片与天线之间采用先进的互连技术，满足天线馈电插入损耗最小的要求。芯片可以放置 在封装正面，也可以放置在封装底部。

将芯片放置在封装底部的方案对芯片接收和发射的影响最小。一种可用于5G无线通信的有机芯片封装中的相控阵毫米波天线如 图2所示。为了提高天线带宽、增益和辐射效率，在一个厚的覆板上放置了一个寄生平面结构，构成一个双贴片天线叠层。为了达到优化ＲF设计和制造的目标，对封装层叠片和低介电常数材料的参数作了优化选择，如表1所示。

表1天线阵列设计要求

2. 1. 2设计与制造

在AiP设计中，除了波束形成、信号放大和具有频率转换功能的相控阵IC外，具有极化特性的天线也是天线阵列的关键器件。在最早的硅基毫米波IC设计发展阶段，天线设计采用衬底、形状和成本与硅基毫米波IC兼容的技术［3］。目前，已有多种频率的硅衬底片上毫米波天线，但由于面积较大、发射效率有限，在100 GHz以上的天线才有研究价值。在60 GHz频率内，在液晶聚合物( LCP) 、有机高密度互连衬底、玻璃衬底、高/低温共烧陶瓷衬底、硅衬底和模制物料基晶圆级衬底等材料上制作的硅相控阵天线阵列已被报道。通常需要对AiP阵列的增益、带宽和辐射图形进行优化。同时，需要考虑衬底材料、阵列尺寸(即元件和贴片的数量) 、互连灵活性(如连接电源和控制信号) 、热性能与机械性能的相容性、 IC组装和板集成等因素。

一种新的天线与 IC/载体结构如图3所示［4］。天线结构通过PCB板制作于厚度为T的介质衬底上，并悬空倒置，翻转在IC/载体之上。IC封装基的地也作为天线的镜像地，天线与地的间距为H。该结构中，天线与地板之间具有非常低的介电常数，天线结构之上有一层具有较高介电常数的覆板材料。在保持高天线效率的前提下，相比于标准PCB天线结构，这种堆叠结构具有更高的带宽。一个带有焊球的垫片可以放置在天线覆板的另一端，作为支撑。

图3天线与IC/载体结构

AiP设计中通常采用集成电路封装工艺进行封装，需要将天线与片上电路进行物理连接。低温共烧陶瓷( LTCC) 工艺可实现任意数量层的安装结构， 具有跨层过孔、层间形成开放腔或密闭腔(IC 可集成于此) 等灵活性。采用该工艺封装的毫米波天线越来越受到关注［5］。有些方案采用传统的键合线、 倒装芯片和C4焊接等工艺。例如， 60 GHz硅相控阵芯片封装需要有芯片与天线间低损耗分布网络的多层毫米波衬底，必须是多层低损耗的Teflon基或 LTCC 基，成本昂贵。因此，典型的硅相控阵AiP可以达到30 ～ 60 GHz频率［6］，达到80 GHz的难度更大。

较之LTCC封装方案，印刷电路板( PCB) 封装方案可以降低成本。有采用PCB等较低成本高频电路材料制成多层安装结构的封装方案，如ＲO3000系列和ＲO4000系列［7-8］的封装。还有采用液晶聚合物作为基板的低成本方案。但由于使用盲孔或埋孔，层的数量增多，会导致PCB技术的机械制造成本升高。另外， PCB工艺在极高频段实现高密度化的难度增加，这将严重影响系统性能，导致效率降低。因此， LTCC工艺是大多数多层结构阵列的选择，采用该工艺方案的天线性能有改善。

2. 2 AoC技术

2. 2. 1片上天线

片上天线是采用片上金属化连线工艺集成制作的天线。在芯片上直接集成和组合天线的制作方法是太赫兹通信器件研究最少的领域之一。在当前技术条件下，由于衬底吸收和传导电流等原因，消除ＲF电路与天线间所有的连接会使得设计成本大幅 降低，设计更加灵活。传统观念认为，由于没有介电镜( Dielectric Lenses) 补偿结构，片上天线对于消费类的小功率器件并不是最佳结构。虽然典型片上天线的效率只能达到10%，但如果能在片上设计并制造出亚毫米天线( 采用选频性质的表面［9］或者Yagi高方向性的天线［10］) ，则会带来成本大幅降低和设计灵活性大幅增加的优势，这会超过使用效率更高、但昂贵且复杂的片下天线的优势，从而增加了应用的可能性。

随着载波频率和带宽移向亚太赫兹，高宽带和高载波频率使得金属引线变得不稳定，片上天线被认为是替代印刷板上芯片金属互连的方法之一。除了片上天线，片上波导和硅穿孔( TSV) 波导也是亚太赫兹频段大带宽应用中替代金属连线的有前景的技术。片上天线的成功实现将会使得高集成度收发器、60 GHz 空间电源组合和更高频率毫米波系统等众多应用受益。频率从0. 9GHz［11］到77 GHz［12的多种频率片上天线已有不少报道。德国高性能微电子研究所( IHP) 采用标准SiGe BiCMOS工艺，设计并制作了一种130 GHz的片上天线，峰值增益达到8. 4 dBi。

2. 2. 2 CMOS片上天线

CMOS工艺是 ＲF IC 的一条重要发展途径。随着CMOS管特征频率( fT) 接近400 GHz［14］， CMOS工艺在毫米波 IC 中得到进一步应用。文献［ 15］提 出了一种在CMOS芯片上集成人工磁导体和宽带窄槽天线的新方法，采用标准CMOS工艺实现了60 GHz下2 dBi的增益和大于126%的阻抗带宽。文献［ 16］采用0. 18 μm CMOS工艺，制作了一种60 GHz的圆极化环形天线，具有覆盖57～67 GHz的模拟和测量的轴向比( axial ratio， AＲ＜3) 带宽，增益达4. 4dBi。文献［ 17］采用能制作阻抗带宽为25 GHz ( 45～70 GHz) 的器件的Si CMOS工艺，制作了一种60 GHz宽带的单极子天线，在60 GHz下实现了－ 4. 96 dB的增益。文献［18］提出了一种高增益( 8 dBi 最大增益) 和高效率( 96. 7%峰值天线效率) 的片上天线，采用CMOS 0. 18 μm工艺制作，天线的－ 10 dB带宽为4 GHz。文献［19］采用0. 18 μm CMOS工艺，制作了一种60 GHz带宽的CPW馈电环形单极子天线。

通常，制作在掺杂硅衬底上的片上天线只有约10%的低效率。但若采用成本较高的封装天线，可实现比片上天线更高的效率。可采用容性耦合等先进连接技术，将成熟、低成本、较少掺杂的衬底上制作的天线芯片与有源60 GHz毫米波ＲF芯片连接起来，以实现比采用标准键合工艺的器件高得多的工作频率范围。天线可以用低成本的工艺( 如0. 18或0. 35 μm) 和较低掺杂的衬底来制作，再通过容性耦合，连接到含60 GHz 功率放大器等有源元件上，而不采用更先进工艺［20］。一种通过容性耦合将天线芯片与有源60 GHz ＲF芯片连接的毫米波集成天线如图4所示。该天线不仅具有旧工艺的低掺杂浓度、高电阻率所致的低电导性、低损失衬底，而且具有更高效率。制作天线阵列时，低速有源开关( 如二极管) 可以集成到芯片上，采用分相位无源馈线来执行元件调谐、移相和波速控制。

图4通过容性耦合将天线芯片与有源60 GHz ＲF芯片 连接的毫米波集成天线

2. 3混合集成毫米波天线

混合集成毫米波天线就是采用专用工艺，将天线与前端 IC 集成在同一封装中。这种制作技术是纯AiP和AoC的替代技术。混合集成天线的示意图如图5所示［21］。熔融石英衬底上的偶极天线的 一半安装在片上，另一半安装在片下。这种结构的天线可以直接连接到片上电子器件。在60 GHz全频段内，当增益为6～8 dBi时，芯片最大辐射效率可达90%。

图5混合集成天线概念示意图

3、毫米波天线集成技术进展

3. 1学术界发展情况

物联网(IoT) 和5G要实现全面互联的目标，就需要开发不同毫米波频段的天线，并实现商业化量产。表2总结了用于广域IoT和5G无线通信的近期文献中毫米波天线及其性能比较。可以看出，实用的解决方案仍然较少，多数方案仍然需要解决结构复杂、增益减少、效率低和功耗高等问题。

60 GHz毫米波段器件将应用5G并量产化。片上系统或片上前端小型化系统集成的发展趋势要求在不牺牲辐射效率、带宽、增益的前提下，AoC器件、AiP器件的成本、尺寸和功耗必须向更小化方向发展。使用硅IC工艺提供了最大的集成度、低成本和低功耗，表明GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物工艺并不一定是最佳选择，尤其是考虑封装、集成和互连问题时。

表2近期文献中5G毫米波天线及其性能比较

天线元件通常制作于片下，也可以被完整地集成在单个芯片上。硅衬底由于介电常数高、电阻率低，片上集成天线的增益很小、辐射效率很低，可以通过提高衬底的电阻率来改善性能。例如制作高性能低成本的SoC时，将天线和IC集成到高电阻率绝缘层上硅( HＲ SOI) 上。在AiP方案中，为解决毫米波频率下硅衬底上天线阵列的平面馈电器件插入损耗过大的问题，可采用将天线集成在附加基板上的混合集成创新技术，充分利用封装和在这种有限空间内的耦合可能性。该方案显现出较高的设计灵活性。

IBM公司在过去的14年中发展了ＲFIC和AiP系列: 成像和通信应用的具有波束形成和波束扫描能力的性能驱动相控阵( 如60 GHz、 94 GHz和28 GHz相控阵) ，支持便携装置的V-波段、W波段和Ka波段毫米波模块( 如60 GHz单元件、开关波束模块)［27］。

文献［ 28］提出一种多层LTCC基板上构建的线性极化6 GHz天线阵列。这些阵列使用4×4微带贴片辐射元件，分别由四分之一波长匹配的T型接头网络和Wilkinson功率分配器网络馈电。测量结果表明，由前者馈电的阵列比由后者馈电的阵列表现更好。对于带有和不带有嵌入式腔的阵列，测量的阻抗带宽分别为9. 5%和5. 8%，最大增益分别为18. 2 dBi和15. 7 dBi。

文献［ 29］报道了一种在熔融石英基板上构建的线性极化60 GHz天线阵列。该阵列使用由馈电网络馈电的2×4微带贴片辐射元件，馈电网络使用了共面条带和共面条波导。通过金属腔增强的阵列实现了大于9 GHz的测量阻抗带宽和约15 dBi的最大增益。

文献［ 30］提出一种采用LTCC工艺、具有2×2微带贴片辐射元件的天线阵列，制作出具有线性极化的60 GHz发射器模块。

文献［ 31］分别使用1×8和2×5微带贴片辐射元件，制作出两个有源线性极化60 GHz天线阵列。

文献［ 32］提出了一种具有由波后波导网络馈电的槽辐射元件、线性极化60 GHz的天线阵列。

文献［ 33］提出了一种圆极化60 GHz的天线阵列，该阵列通过对原始天线元件、叠层波导、调整圆极化轴比进行精细设计，实现了宽带宽。

文献［ 34］提出了一种在 LCP 基板上制作的圆极化 60 GHz 天线阵列。该阵列采用了新的槽辐射元件和新颖的开腔反射器。测量结果表明， 2×4辐射元件阵列的峰值增益为15. 6 dBic。

3. 2 商业化发展态势

据Gartner 预测，到2021年，市场将有9%的智能手机支持5G网络。5G采用波束成形技术，必须采用多天线阵列系统( Massive MIMO) 。这将导致天线呈量级增长，并推动天线向高度集成化、复杂化的方向发展，工艺技术不断升级，新材料不断应用。例如，新型材料液晶高分子聚合物( LCP) 材料具有低损耗、高灵活性、高密封性等优点，非常适用于制作微波、毫米波器件。苹果公司推出的毫米波天线解决方案中包含采用LCP材料制作的天线，这是5G天线大规模商用化的一个重要方向［35］。

高通公司QTM052毫米波天线模组系列支持紧凑封装尺寸，适合于移动终端集成。配置QTM052的毫米波天线模组的终端将于2019年上半年推向市场，显示出在5G中集成天线和ＲF前端等元器件的发展趋势。意法半导体公司、 STATS ChipPAC和英飞凌科技公司在英飞凌第一代嵌入式晶圆级球栅阵列 ( eWLB) 技术的基础上，合作开发了下一代的eWLB半导体产品封装技术。目前已开发出具有8 mm×8 mm封装的集成天线制作的四通道收发器。该天线采用ＲDL层中的金属结构，并集成于封装中，为在5G等毫米波领域应用的雷达系统封装提供了解决方案［36］。近期，中芯长电公司发布了SmartAiPTM工艺平台制作的世界首个超宽频双极化的5G毫米波天线芯片的晶圆级集成封装，具有集成度高、散热性好、工艺简练的特点，能够实现24～43 GHz的超宽频信号收发，达到 12. 5 dB的超高天线增益。

4、结束语

在未来的较长时间里， 5G架构将继续在网络、 无线访问和物理层不断发展，需要在ＲF/ 毫米波集成电路、毫米波天线阵列技术等方面拥有多种创新型产品组合，从而推动5G无线电和产业化发展。例如， 5G中功率放大器、天线、滤波器和匹配电路的数量可以高达64个或更多。这些组件在效率和集成度方面的提升对无线电的总体能效和性能十分重要。具有大量天线、频率为27 GHz及以上的高集成度MIMO无线电是5G系统的关键技术。上述三种集成方案可用于毫米波天线设计。以60 GHz频段为例， AoC器件的辐射效率和增益指标落后于AiP器件和混合方案。AiP器件和混合器件实现了最佳辐射效率，因此可以认为选用AiP技术比选用AoC技术更合适。
AiP技术具有设计灵活性和印刷天线结构的优势，但对于复杂的多层封装结构，可能不具备与AoC技术和混合方案同等成本竞争的条件。此外， AiP方案芯片到芯片的互连会导致热损失、延迟和设计量增加。混合方案似乎是最好的方案。但是，当频率超过60 GHz时，典型的混合技术、 AiP都是不够成熟的方案。而AoC方案会更加完善，且已在THz波段进行了测试。据预期，AoC方案在高频具有更大发展空间。

天线集成的一个根本解决方案是将一个相控阵所需的所有东西集成到一个芯片上，这是硅基毫米波天线系统的优势所在。不仅集成电子器件，而且集成通向晶圆级实现的高效率天线。晶圆级相控阵就可放置在输入/输出数据信号高达Gbit/s、布置有控制器件和电源器件的低成本印刷电路板上。整个毫米波功能均集成于同一芯片上，这种晶圆规模的实现是一个完全自包含的解决方案。（参考文献略）。

5G毫米波天线阵列方式

不管是在消费电子领域，工业自动化领域，还是在汽车自动驾驶领域，毫米波的应用现在越来越多，实现了更智能化的感知通信体验。通常，毫米波模块安装在由收发器、天线、电源管理电路、存储器和接口外设组成的印刷电路板上。其中毫米波天线在毫米波组件中的地位举足轻重。毫米波波长要比低频率波波长短很多，而天线尺寸与电磁波波长成正比，因此毫米波天线的尺寸要比低频率天线小很多，也因此波束宽度要小很多，能量更加集中。

虽然客观上毫米波雷达天线尺寸小一些，但是不同的天线技术会直接影响到天线在板上损耗和效率，尤其是损耗这一方面，毫米波的路径损耗本身就会比低频率波大。可以说毫米波天线集成技术是实现毫米波高分辨数据流、移动分布式计算等应用场景的关键技术。

毫米波天线阵列实现方式

目前毫米波天线集成的实现方式可分为两大类——AoC和AiP。AoC天线将辐射原件直接集成到射频芯片栈的后端，这种集成方式可以在一个仅几平方毫米小尺寸单一模块上做到没有任何射频互连和射频与基带功能的相互集成。AiP则基于封装材料与工艺，将天线与芯片集成在封装内，实现系统级无线功能。AoC技术需要先进的后处理步骤或封装工艺，以减少严重的介电损耗。在当前的技术条件下，这种集成方式目前看来竞争力并不在毫米波频段，该天线集成技术在成本和性能上的性价比更适合较毫米波有更高宽带和更高载波频率的频段。

AiP技术可以说是5G毫米波频段毫米波终端天线最适合的方案。AiP技术能兼顾天线性能、成本及体积，相比传统天线与射频模块的分散式设计更顺应硅基半导体工艺集成度提高的潮流。AiP天线集成技术进一步将各类通信元件，如传送收发器、电源管理芯片、射频前端等元件与天线整并在一起，达到缩小厚度与减少PCB面积的目的。目前大多数60GHz无线通信和雷达芯片都采用了AiP技术。AiP技术助力下的毫米波雷达毫米波对于垂直行业的价值已经得到各产业界广泛的认同，AiP天线技术无疑在其中发挥了重要作用。利用AiP天线技术，布板空间的节省大大降低了模块的外形尺寸，器件到天线的布线距离缩短也有利于降低功率损耗。另一方面，我们知道PCB 上的天线是需要使用高频基板材料的，AiP天线技术可以降低天线对高频基板材料的需求。如TI的AiP技术利用倒装芯片封装技术直接将天线集成到无塑封装基板上，防止因天线穿过塑封材料时产生损耗而降低效率并导致杂散辐射。

但雷达传感方面AiP的应用也不是没有劣势，以TI的6843为例，其AiP方案和普通方案芯片性能完全一致，区别仅由天线差异引入。可以很明显地看到由于采用了小型天线，雷达增益降低，导致探测威力下降，这也是为什么AiP毫米波雷达一般只用于近场感应。另一个劣势在于空间角分辨能力减弱，对于复杂的静态场景反而不能很好地构建出空间模型。在各种需要传感器近场感知环境的场景里，可以说有着毫米波雷达广阔的用武之地，AiP天线技术则帮助毫米波雷达大大强化了近场感知能力。下图是加特兰基于AiP毫米波雷达的人员检测演示截图，从3D追踪效果来看AiP技术大大增加了雷达的距离分辨率，而且视野足够宽阔。在汽车ADAS应用里，利用AiP高度集成的毫米波传感器也能应用在各种检测中，点云效果也很优秀。AiP毫米波雷达解决了普通毫米波雷达尺寸大、功耗高等一系列问题。AiP技术助力下的毫米波通信在通信方面AiP技术同样效果明显，目前AiP技术的开发主要集中在诸如高通及海思等芯片设计公司、台积电及三星等半导体集成电路制造公司、日月光及矽品等封装测试厂家。

5G毫米波特性带动了天线尺寸缩小，但将不同元件整合在单一封装中，仍然会存在散热等诸多问题。高通的QTM毫米波模块方案利用AiP天线技术解决这些问题，支持多达64个双极化天线单元以实现范围更广的最优毫米波覆盖。该全集成系统级解决方案整合了最新的毫米波技术，如面向双向通信的波束成形、波束导向和波束追踪技术，在5G毫米波通信集成天线封装模块上处于领先地位。射频元件商如Skyworks、Qorvo，封测代工厂如日月光、Amko等，也都选择以AiP技术为研发方向切入5G通讯市场。Qorvo就基于OTM设计对AiP模组进行了研发设计升级，整个 AiP 设计更小，成本更低，与此同时整个AIP的发射功率不变化，但直流功耗变小，天线设计更简单。5G毫米波模块的升级也带动了天线封装AiP技术的持续发展。

小结天线集成的根本是将一个相控阵所需的所有组件集成到一个芯片上，这是硅基毫米波天线系统的优势所在。在毫米波应用大放异彩的今天，AiP技术优化了毫米波性能，给予了毫米波充裕的设计灵活性，也将毫米波推向更多的应用领域。

5G通讯技术

一

移动通信产业的新发动机---5G

什么是5G？

“5G”一词通常用于指代第 5 代移动网络。5G 是继之前的标准（1G、2G、3G、4G 网络）之后的最新全球无线标准，并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外，5G 有助于建立一个新的、更强大的网络，该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点，还可以连接一系列新设备，包括各种家用物品和机器。公认的5G的优势是：

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度（多 Gbps）

•超低延迟

与前几代网络不同，5G 网络利用在 26 GHz 至 40 GHz 范围内运行的高频波长（通常称为毫米波）。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体，在这些高频下会遇到传输损耗，因此需要更高功率和更高效的电源。5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心，满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验，超越现有移动宽带应用所支持的水平。

毫米波是5G的关键技术

毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一，目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求，针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战，开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究，已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势： 毫米波由于其频率高、波长短，具有如下特点：

频谱宽，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务；可靠性高，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，提供稳定的传输信道；方向性好，毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信；波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点：毫米波也有一个主要缺点，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸收。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

主要方向。

氮化硼

氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。化学组成为43.6%的硼和56.4%的氮，具有四种不同的变体：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纤锌矿氮化硼（WBN）。

氮化硼问世于100多年前，最早的应用是作为高温润滑剂的六方氮化硼，不仅其结构而且其性能也与石墨极为相似，且自身洁白，所以俗称：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人发现的化合物。国外对BN材料从第二次世界大战后进行了大量的研究工作，直到1955年解决了BN热压方法后才发展起来的。美国金刚石公司和联合碳公司首先投入了生产，1960年已生产10吨以上。1957年R·H·Wentrof率先试制成功CBN，1969年美国通用电气公司以商品Borazon销售，1973年美国宣布制成CBN刀具。1975年日本从美国引进技术也制备了CBN刀具。1979年首次成功采用脉冲等离子体技术在低温低压卜制备崩c—BN薄膜。

20世纪90年代末，人们已能够运用多种物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）的方法制备c-BN薄膜。从中国国内看，发展突飞猛进，1963年开始BN粉末的研究，1966年研制成功，1967年投入生产并应用于我国工业和尖端技术之中。

物质特性：

CBN通常为黑色、棕色或暗红色晶体，为闪锌矿结构，具有良好的导热性。硬度仅次于金刚石，是一种超硬材料，常用作刀具材料和磨料。

氮化硼具有抗化学侵蚀性质，不被无机酸和水侵蚀。在热浓碱中硼氮键被断开。1200℃以上开始在空气中氧化。真空时约2700℃开始分解。微溶于热酸，不溶于冷水，相对密度2.29。压缩强度为170MPa。在氧化气氛下最高使用温度为900℃，而在非活性还原气氛下可达2800℃，但在常温下润滑性能较差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更优。对于六方氮化硼：摩擦系数很低、高温稳定性很好、耐热震性很好、强度很高、导热系数很高、膨胀系数较低、电阻率很大、耐腐蚀、可透微波或透红外线。

物质结构：

氮化硼六方晶系结晶，最常见为石墨晶格，也有无定形变体，除了六方晶型以外，氮化硼还有其他晶型，包括：菱方氮化硼（r-BN)、立方氮化硼（c-BN）、纤锌矿型氮化硼（w-BN)。人们甚至还发现像石墨稀一样的二维氮化硼晶体。

通常制得的氮化硼是石墨型结构，俗称为白色石墨。另一种是金刚石型，和石墨转变为金刚石的原理类似，石墨型氮化硼在高温（1800℃）、高压（8000Mpa）[5~18GPa]下可转变为金刚型氮化硼。是新型耐高温的超硬材料，用于制作钻头、磨具和切割工具。

应用领域：

1. 金属成型的脱模剂和金属拉丝的润滑剂。

2. 高温状态的特殊电解、电阻材料。

3. 高温固体润滑剂，挤压抗磨添加剂，生产陶瓷复合材料的添加剂，耐火材料和抗氧化添加剂，尤其抗熔融金属腐蚀的场合，热增强添加剂、耐高温的绝缘材料。

4. 晶体管的热封干燥剂和塑料树脂等聚合物的添加剂。

5. 压制成各种形状的氮化硼制品，可用做高温、高压、绝缘、散热部件。

6. 航天航空中的热屏蔽材料。

7. 在触媒参与下，经高温高压处理可转化为坚硬如金刚石的立方氮化硼。

8. 原子反应堆的结构材料。

9. 飞机、火箭发动机的喷口。

10.高压高频电及等离子弧的绝缘体。

11.防止中子辐射的包装材料。

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质勘探、石油钻探的钻头。

13.冶金上用于连续铸钢的分离环，非晶态铁的流槽口，连续铸铝的脱模剂。

14.做各种电容器薄膜镀铝、显像管镀铝、显示器镀铝等的蒸发舟。

15.各种保鲜镀铝包装袋等。

16.各种激光防伪镀铝、商标烫金材料，各种烟标，啤酒标、包装盒，香烟包装盒镀铝等等。

17.化妆品用于口红的填料，无毒又有润滑性，又有光泽。

未来前景：

由于钢铁材料硬度很高，因而加工时会产生大量的热，金刚石工具在高温下易分解，且容易与过渡金属反应，而c-BN材料热稳定性好，且不易与铁族金属或合金发生反应，可广泛应用于钢铁制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有优良的耐磨性能外，耐热性能也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、铁合金、淬火钢等，并且能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的Si-Al合金等。实际上，由c-BN晶体（高温高压合成)的烧结体做成的刀具、磨具已应用于各种硬质合金材料的高速精密加工中。

c-BN作为一种宽禁带（带隙6.4 eV）半导体材料，具有高热导率、高电阻率、高迁移率、低介电常数、高击穿电场、能实现双型掺杂且具有良好的稳定性，它与金刚石、SiC和GaN一起被称为继Si、Ge及GaAs之后的第三代半导体材料，它们的共同特点是带隙宽，适用于制作在极端条件下使用的电子器件。与SiC和GaN相比，c-BN与金刚石有着更为优异的性质，如更宽的带隙、更高的迁移率、更高的击穿电场、更低的介电常数和更高的热导率。显然作为极端电子学材料，c-BN与金刚石更胜一筹。然而作为半导体材料金刚石有它致命的弱点，即金刚石的n型掺杂十分困难（其n型掺杂的电阻率只能达到102Ω·cm，远远未达到器件标准），而c-BN则可以实现双型掺杂。例如，在高温高压合成以及薄膜制备过程中，添加Be可得到P型半导体；添加S、C、Si等可得到n型半导体。因此综合看来c-BN是性能最为优异的第三代半导体材料，不仅能用于制备在高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件，而且在深紫外发光和探测器方面有着广泛的应用前景。事实上，最早报道了在高温高压条件下制成的c-BN发光二极管，可在650℃的温度下工作，在正向偏压下二极管发出肉眼可见的蓝光，光谱测量表明其最短波长为215 nm（5.8 eV）。c-BN具有和GaAs、Si相近的热膨胀系数，高的热导率和低的介电常数，绝缘性能好，化学稳定性好，使它成为集成电路的热沉材料和绝缘涂覆层。此外c-BN具有负的电子亲和势，可以用于冷阴极场发射材料，在大面积平板显示领域具有广泛的应用前景。在光学应用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且从紫外（约从200 nm开始）到远红外整个波段都具有高的透过率，因此适合作为一些光学元件的表面涂层，特别适合作为硒化锌（ZnSe）、硫化锌（ZnS）等窗口材料的涂层。此外，它具有良好的抗热冲击性能和商硬度，有望成为大功率激光器和探测器的理想窗窗口材料。

高导热绝缘氮化硼膜材

六方氮化硼（h-BN）这种二维结构材料，又名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一样，仅有一个原子厚度。但是两者很大的区别是六方氮化硼是一种天然绝缘体而石墨烯是一种完美的导体。与石墨烯不同的是，h-BN的导热性能很好，可以量化为声子形式（从技术层面上讲，一个声子即是一组原子中的一个准粒子）。有材料专家说道：“使用氮化硼去控制热流看上去很值得深入研究。我们希望所有的电子器件都可以尽可能快速有效地散射。而其中的缺点之一，尤其是在对于组装在基底上的层状材料来说，热量在其中某个方向上沿着传导平面散失很快，而层之间散热效果不好，多层堆积的石墨烯即是如此。”与石墨中的六角碳网相似，六方氮化硼中氮和硼也组成六角网状层面，互相重叠，构成晶体。晶体与石墨相似，具有反磁性及很高的异向性，晶体参数两者也颇为相近。

二维氮化硼散热膜是一种性能优异的均热散热材料。传统的人工石墨膜和石墨烯薄膜具有电磁屏蔽的特性，在5G通讯设备中的应用场景受限，特别是在分布式天线的5G手机中。二维氮化硼散热膜具有极低的介电系数和介电损耗，是一种理想的透电磁波散热材料，能被用于解决5G手机散热问题。

基于二维氮化硼纳米片的复合薄膜，此散热膜具有透电磁波、高导热、高柔性、高绝缘、低介电系数、低介电损耗等优异特性，是5G射频芯片、毫米波天线领域最为有效的散热材料之一。

高导热透波绝缘氮化硼膜材主要应用

超薄高导热绝缘氮化硼膜材のTG值测试结果