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解析5G毫米波天线在设计与制程上的挑战

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AiP阵列天线的设计与制造制程议题经纬万端,除了新兴智能材料的引进之外,对於供应链上、中、下游间的彼此搭配更是非常重要。DIGITIMES摄
AiP阵列天线的设计与制造制程议题经纬万端,除了新兴智能材料的引进之外,对於供应链上、中、下游间的彼此搭配更是非常重要。DIGITIMES摄

大湾大学电机系教授周锡增在天线设计领域受到产业界的倍加推崇,这次受邀主讲「5G AiP天线技术发展趋势」,他的简报聚焦於毫米波技术的发展,当中射频天线的使用变得更加重要,尤其毫米波在传输上的损耗大,高增益阵列天线系统的重要性无可取代。

今天无论5G智能手机、低轨道卫星(SATCOM)、O-RAN、自动辅助驾驶(ADAS)、WiGi与智能影像医疗等高速传输技术,都陆续进入毫米波频谱的应用范围,由於每一种应用所需要的阵列天线数量不尽相同,这些数以亿计的装置总数乘以阵列天线数量,是令人相当咋舌的天文数字,所以天线设计与制造技术的需求庞大,让大量工程团队面对巨大挑战。

而从传统Sub-6 GHz的移动设备到使用90 GHz频谱的影像医疗应用,以及未来的6G通讯时代所用到的110 GHz以上的频段来看,天线尺寸一路从3厘米(Cm)微缩到2.7公厘(mm),物理尺寸的变化相当大。

再者,天线系统从单一单元的设计,将一路成长到超过5,000阵列单元的使用,甚至连低轨道卫星的天线都用到了高达1,280单元等巨大的阵列天线的设计,再加上天线极化的不同,以及支持多频段的技术,让天线设计变得非常繁复与困难,为了商品化与成本上的考量,采用单一封装与单芯片设计的AiP天线的诞生,立即跃升为产业关注重点。

毫米波技术驱动AiP天线成为主流

材料议题也是千头万绪,AiP的基板材料特性对天线效能具有指标性的影响,除了传统多层板压合技术之外,系统级封装(SiP)有机基板出现多种选择,举凡低温陶瓷共烧(LTCC)制程,还有包括Flip Chip/Fan Out封装,以及玻璃基板整合液晶等技术,或使用CMOS半导体技术,多种基板的选择不仅考量导电性,连散热议题也成为重要的评估项目,因为温度变化而产生的尺寸热涨冷缩的影响,所以材料的抗温物理特性需要被小心地评估,再加上射频元件的多样化发展,复杂度攀升是必然。

最令人意外的是连机构尺寸精准度都形成挑战,举凡连机械或雷射钻孔的精密度都大意不得。此外,金属面黏贴至基板的工艺愈来愈重要,当中牵涉到金属表面粗糙度、连接点与接头,或是防焊油墨(Solder Mask)损耗都成为制程上需要克服与解决的议题,毕竟高频毫米波的环境下,射频特性的改变复杂度远超预期。目前产业界关注的量产进度时程,预期汽车防撞雷达2021年底可量产,5G毫米波手机2023年可以量产,而低轨道卫星的天线量产要等到2024年,设计技术与制程处处皆是挑战。

组成一个台湾国家队来进行AiP天线的精密整合

天线的室内布建容易遇到大楼内的多通道与墙壁隔间的信号反射与干扰,所以使用多个阵列天线搭配全向性(Omnidirectional)天线来进行信号最大涵盖的设计,这同时也创造新形态的专业工程技术服务商与整合设计业者的诞生。

由於AiP生产与设计端的考量经纬万端,对於供应链的上、中、下游间的彼此搭配非常重要,举凡未来的无线连接技术、热处理技术、机构整合等等议题,都牵涉到大量的研发成本。因此周锡增在演讲最後特别指出,组成一个台湾国家队来进行精密整合,将是协助产业发展的重要诉求。