AiP持續(xù)進(jìn)階，為5G和6G技術(shù)鋪墊

作為下一代電信技術(shù)，6G有望取得比5G毫米波（mmWave）更大的進(jìn)步。6G的工作頻率超過(guò)100GHz，接近太赫茲頻譜，可以提供Tbps的數(shù)據(jù)速率、微秒級(jí)的延遲和廣泛的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

6G的能力也超越了連接本身，擴(kuò)展到了能量采集、傳感、成像和精確定位等應(yīng)用領(lǐng)域。不過(guò)，與5G毫米波相比，由于頻率更高，6G在技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)滲透率方面將面臨更大的挑戰(zhàn)。

IDTechEx高級(jí)技術(shù)分析師Yu Han Chang博士認(rèn)為：“克服這些障礙需要開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的技術(shù)解決方案，包括天線封裝技術(shù)的進(jìn)步，以最大限度地減少信號(hào)傳輸損失的問(wèn)題。此外，還迫切需要加強(qiáng)對(duì)未來(lái)應(yīng)用的市場(chǎng)識(shí)別，以推動(dòng)6G技術(shù)的采用。這不僅需要發(fā)現(xiàn)殺手級(jí)應(yīng)用，還需要培養(yǎng)成功實(shí)施這些應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)?！?/p>

AiP的演進(jìn)

封裝天線（AiP）技術(shù)對(duì)高頻電信應(yīng)用至關(guān)重要，與傳統(tǒng)的分立式天線不同，它能夠?qū)⑻炀€與RF組件直接集成到半導(dǎo)體封裝中。這一為毫米波應(yīng)用量身定制并可能擴(kuò)展到6G亞太赫茲頻譜的進(jìn)步，有望實(shí)現(xiàn)更小的占板面積和更高的性能。

隨著頻率的提升，AiP技術(shù)正在不斷發(fā)展。其天線元件類型、基板技術(shù)、材料和無(wú)源器件集成的設(shè)計(jì)選擇至關(guān)重要。此外，供應(yīng)鏈的成熟度和制造可擴(kuò)展性也是兩個(gè)不應(yīng)忽視的關(guān)鍵方面，因?yàn)檫@兩個(gè)因素與最終產(chǎn)品成本密切相關(guān)，經(jīng)常成為采用新技術(shù)的瓶頸。

成本效益是AiP技術(shù)的一個(gè)基本要求。實(shí)現(xiàn)可負(fù)擔(dān)性需要利用具有成本效益的封裝材料和工藝以及必要的小型化設(shè)計(jì)，以便無(wú)縫集成到智能手機(jī)等消費(fèi)設(shè)備中。

此外，還要滿足制造高增益、寬帶毫米波天線陣列，同時(shí)解決電磁兼容性、信號(hào)完整性和電源完整性的問(wèn)題。將品質(zhì)因數(shù)無(wú)源器件集成到封裝中可確保最佳的性能，并通過(guò)高效散熱保持可靠性，而可擴(kuò)展性將進(jìn)一步使模塊設(shè)計(jì)適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

運(yùn)營(yíng)商部署現(xiàn)狀

從頻率劃分的5G商用/預(yù)商用服務(wù)現(xiàn)狀來(lái)看，目前許多運(yùn)營(yíng)商都支持多頻段服務(wù)，包括低頻段、中頻段和毫米波5G。根據(jù)IDTechEx分析，已推出或正在試驗(yàn)的5G服務(wù)中，有近50%的運(yùn)營(yíng)商使用Sub-6GHz頻段。該頻段更具吸引力的兩個(gè)原因：一是覆蓋范圍和容量之間更好的平衡，二是與4G頻段相鄰。

另外23%的運(yùn)營(yíng)商使用的是中頻（1-2.6GHz），這些頻段以前是4G，后來(lái)改為了5G頻段。使用低于1GHz和毫米波頻段的運(yùn)營(yíng)商分別占17%和9%。低頻段（＜Sub-1GHz）頻譜提供了廣泛的5G層，并為毫米波提供了急需的補(bǔ)充。

毫米波為5G通信提供了最重要的功能，如超快速度，但覆蓋范圍非常有限（不到一平方英里），而且很難穿透物理障礙（如無(wú)法穿過(guò)厚墻）。

5G和6G市場(chǎng)的AiP挑戰(zhàn)

AiP市場(chǎng)與5G毫米波和未來(lái)6G市場(chǎng)直接相關(guān)，預(yù)計(jì)AiP將用于所有基于5G毫米波的基站和支持5G的電子產(chǎn)品（如智能手機(jī)）。雖然5G正在全球范圍內(nèi)逐步商業(yè)化，但主要關(guān)注的仍然是中頻（Sub-6GHz）部署。截至目前，只有不到10%的商業(yè)化或預(yù)商業(yè)化5G服務(wù)基于毫米波頻段。這在一定程度上是由于毫米波部署所面臨的挑戰(zhàn)：根據(jù)物理定律高頻信號(hào)在空氣中容易衰減，且極易受到障礙物的影響。

電信運(yùn)營(yíng)商希望通過(guò)使用最少的基站最大限度地?cái)U(kuò)大覆蓋范圍，優(yōu)先創(chuàng)建具有成本效益的網(wǎng)絡(luò)。不過(guò)，由于毫米波傳播距離較短，與4G低中頻站相比，需要大約十倍多的毫米波站來(lái)覆蓋相同區(qū)域。因此，5G覆蓋主要依賴于低/中頻和Sub-6GHz頻段。IDTechEx預(yù)計(jì)，毫米波頻段將主要服務(wù)于擁擠的體育場(chǎng)等數(shù)據(jù)密集型熱點(diǎn)，支持實(shí)時(shí)流媒體和高清視頻上傳等關(guān)鍵應(yīng)用。

目前，確定毫米波技術(shù)真正能大放異彩的殺手級(jí)應(yīng)用仍然是行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。雖然最初將5G毫米波與VR/AR集成用于實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程游戲/工作的概念很有希望，但VR/AR設(shè)備市場(chǎng)和生態(tài)系統(tǒng)尚未足夠成熟，5G毫米波無(wú)法利用。

為了促進(jìn)毫米波市場(chǎng)增長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)有吸引力和經(jīng)濟(jì)回報(bào)的商業(yè)用例至關(guān)重要。這些案例必須展示5G毫米波的優(yōu)勢(shì)，證明部署所需的大量投資是合理的。這一過(guò)程需要時(shí)間，IDTechEx預(yù)測(cè)，此類案例可能還要3-5年才能顯著增加。不過(guò)，隨著不斷的創(chuàng)新和探索，預(yù)計(jì)毫米波技術(shù)的廣泛采用和高利潤(rùn)機(jī)會(huì)將不可避免地到來(lái)。

IDTechEx在《2024-2034年5G和6G封裝天線（AiP）：技術(shù)、趨勢(shì)和市場(chǎng)》中也預(yù)測(cè)，2023年到2034年，應(yīng)用于5G毫米波的AiP復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)40.7%。

天線封裝技術(shù)是關(guān)鍵

以前，毫米波僅限于軍事、衛(wèi)星和汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用，現(xiàn)在已進(jìn)入移動(dòng)通信頻譜，提供高達(dá)20Gbps的高數(shù)據(jù)吞吐量和僅1毫秒的超低延遲。這一轉(zhuǎn)變需要跨設(shè)備的創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)步，包括射頻（RF）和光學(xué)組件、低損耗材料和先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)。在這些創(chuàng)新中，封裝是一個(gè)亟待發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域。

天線封裝技術(shù)的總體趨勢(shì)是在更高頻率下朝著更高集成化方向發(fā)展。而AiP代表了一種用于高頻電信的先進(jìn)天線封裝技術(shù)。利用毫米波應(yīng)用的短波長(zhǎng)，AiP能夠創(chuàng)建明顯更小的天線，并直接無(wú)縫集成到半導(dǎo)體封裝中，而不像傳統(tǒng)的分立式天線那樣是在PCB上組裝成單獨(dú)組件。

這種天線與收發(fā)器在單個(gè)芯片上的集成具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括增強(qiáng)天線性能和大大減少封裝面積。目前正在研究的新天線封裝技術(shù)旨在將天線直接集成到RF組件上，使應(yīng)用進(jìn)入6G頻譜內(nèi)的亞太赫茲范圍。不過(guò)，由于各種制造和可擴(kuò)展性的挑戰(zhàn)，該技術(shù)仍處于研究階段。

AiP設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量

在開(kāi)發(fā)用于高頻通信設(shè)備的AiP技術(shù)時(shí)，成本效益是最關(guān)鍵的考慮因素。由于每個(gè)1×1 AiP模塊的目標(biāo)價(jià)格為2美元，用戶可負(fù)擔(dān)性成為廣泛采用的關(guān)鍵。盡管這是一個(gè)“先有雞后有蛋”的挑戰(zhàn)，還是要通過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)來(lái)降低成本。

在AiP制造中，利用具有成本效益的封裝材料和工藝至關(guān)重要；小型化也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其是在集成到智能手機(jī)等消費(fèi)設(shè)備中時(shí)，組件尺寸至關(guān)重要，需要在保持性能和成本效益的同時(shí)縮小封裝尺寸，因此必須利用新的封裝技術(shù)。

集成高質(zhì)量因數(shù)（Q因數(shù)）無(wú)源器件，共同設(shè)計(jì)有源毫米波前端收發(fā)器組件可進(jìn)一步提高性能。為了保證可靠性，還需要利用芯片到外部的直接熱通道來(lái)耗散功率放大器的熱量?？蓴U(kuò)展性可增加另一層多功能性，能夠升級(jí)基本模塊設(shè)計(jì)，以滿足不同功率要求的各種應(yīng)用。在為高頻通信設(shè)備設(shè)計(jì)AiP模塊時(shí)，需要滿足所有這些要求。

毫米波與AiP

毫米波的目標(biāo)應(yīng)用包括：網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)（室外/室內(nèi)）、固定無(wú)線接入、企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)。其業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)在于：由于缺乏推動(dòng)采用的殺手級(jí)應(yīng)用，客戶需求較低，設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)也不成熟；運(yùn)營(yíng)商和供應(yīng)鏈在毫米波中面臨巨大的前期投資成本，現(xiàn)階段回報(bào)有限。

不過(guò)，由于具有大帶寬、低空口時(shí)延和靈活彈性空口配置等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，毫米波可滿足未來(lái)無(wú)線通信對(duì)系統(tǒng)容量、傳輸速率和差異化應(yīng)用的需求。特別是在5G網(wǎng)絡(luò)中，作為重要的基礎(chǔ)技術(shù)，毫米波設(shè)備通過(guò)波束賦形技術(shù)提高信號(hào)質(zhì)量和覆蓋范圍，為智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了強(qiáng)大支持。

此外，毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛和安防監(jiān)控等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。毫米波雷達(dá)的高精度障礙物檢測(cè)和測(cè)距能力可為自動(dòng)駕駛車輛提供關(guān)鍵感知能力。在安防監(jiān)控領(lǐng)域，因其對(duì)人體檢測(cè)和人臉識(shí)別的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，毫米波雷達(dá)已成為監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分。

毫米波技術(shù)中的AiP是一種創(chuàng)新性解決方案，特別適用于5G毫米波頻段毫米波終端天線。它可以將天線與相關(guān)通信元件（如傳送收發(fā)器、電源管理芯片、RF前端等）集成在一起，優(yōu)化天線性能同時(shí)降低成本和體積。

AiP技術(shù)的出現(xiàn)順應(yīng)了提高硅基半導(dǎo)體工藝集成度的趨勢(shì)，能夠顯著縮小設(shè)備厚度和減少PCB面積，進(jìn)而降低模塊的外形尺寸。此外，由于器件到天線的布線距離縮短，有助于降低功耗。AiP技術(shù)還降低了對(duì)高頻基板材料的需求，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。

在毫米波雷達(dá)領(lǐng)域，采用AiP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)生命體征探測(cè)，如檢測(cè)駕駛員心跳呼吸等，以及檢測(cè)艙內(nèi)是否有活體存在。此外，在智能空調(diào)、監(jiān)控領(lǐng)域等也有廣泛的應(yīng)用前景。

作為毫米波技術(shù)中的重要組成部分，AiP基板技術(shù)涵蓋多種基板材料以及封裝方案。AiP技術(shù)使用的基板材料種類多樣，包括有機(jī)材料、LTCC（低溫共燒陶瓷）和玻璃等。這些材料各自具有不同的成本、加工性和高頻性能、穩(wěn)定性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和頻率范圍。

AiP常見(jiàn)的封裝方案包括倒裝芯片和扇出等，旨在實(shí)現(xiàn)天線與芯片的高度集成，同時(shí)確保良好的電氣性能和機(jī)械穩(wěn)定性。倒裝芯片連接路徑更短，功耗更低；扇出封裝則可在芯片周圍放置更多元件，提高集成度并減小整體尺寸。

AiP基板技術(shù)的重要目標(biāo)是提高集成度，將更多元件和功能整合到更小空間內(nèi)，以縮小設(shè)備體積和重量，降低制造成本，提高系統(tǒng)可靠性。

在制造工藝方面，AiP基板技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要依賴先進(jìn)的制造工藝和技術(shù)，包括精密基板加工、元件放置、焊接和測(cè)試等步驟，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)需求的不斷變化，AiP基板技術(shù)也在不斷發(fā)展和完善。未來(lái)將有更多創(chuàng)新性的基板材料和封裝方案出現(xiàn)，以滿足更高頻率、更高集成度和更低成本的需求。搭載AiP的技術(shù)將為無(wú)線通信和汽車?yán)走_(dá)等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變革。