Diese fortschrittliche Gehäusetechnik, bekannt als Antenna-in-Package (AiP), nutzt die kurzen Wellenlängen von Millimeterwellenanwendungen und ermöglicht so die Herstellung bemerkenswert kompakter Antennen, die nahtlos in Halbleitergehäuse integriert sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen diskreten Antennen auf Leiterplatten integriert AiP die Antenne zusammen mit dem Transceiver auf einem einzigen Chip. Dies bietet Vorteile wie eine verbesserte Antennenleistung und eine deutliche Reduzierung der Gehäusegröße.

Während die 6G-Forschung Fortschritte macht, befindet sich der Markt für 5G-Millimeterwellen noch in den Anfängen und wartet auf eine breite Akzeptanz in verschiedenen Anwendungen und Nutzerökosystemen. Die Weiterentwicklung der Antenna-in-Package (AiP)-Technologie ist eng mit dem Wachstum sowohl des 5G-Millimeterwellen- als auch des 6G-Marktes verknüpft. Da AiP voraussichtlich ein integraler Bestandteil aller 5G-Millimeterwellen-Basisstationen und 5G-fähigen Geräte wie Smartphones werden wird, ist ihre kontinuierliche Weiterentwicklung von entscheidender Bedeutung.

Bei der Entwicklung der Antenna-in-Package (AiP)-Technologie für Hochfrequenz-Kommunikationsgeräte steht die Kosteneffizienz an erster Stelle. Ziel ist ein Preis von 2 US-Dollar pro 1x1-AiP-Modul, um eine breite Anwendung zu ermöglichen. Erschwinglichkeit erfordert die Überwindung des Henne-Ei-Problems: Die Markteinführung muss der Kostenreduzierung durch Skaleneffekte vorausgehen. Der Einsatz kostengünstiger Verpackungsmaterialien und -prozesse sowie die Miniaturisierung sind entscheidend, insbesondere für die Integration in Endgeräte wie Smartphones. Hohe Leistung ist unerlässlich und erfordert die Fertigung und Integration von Breitband-Millimeterwellen-Antennenarrays mit hoher Verstärkung sowie die Berücksichtigung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und die Optimierung der Signal- und Stromversorgungsintegrität. Effiziente Wärmeableitung gewährleistet Zuverlässigkeit, während die Skalierbarkeit es den Modulen ermöglicht, vielfältige Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Der IDTechEx-Bericht „Antenna in Package (AiP) für 5G und 6G 2024–2034: Technologien, Trends, Märkte“ beleuchtet wichtige Aspekte wie die Auswahl von Antennenelementen, Substrattechnologie, die Integration passiver Bauelemente und die Reife der Lieferkette. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Auswahl der Substrattechnologie, da diese den größten Einfluss auf alle genannten Anforderungen hat.

Bei der Auswahl der geeigneten Substrattechnologie für AiP müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Dazu gehört die Wahl des Kernmaterials, insbesondere dessen Wärmeausdehnungskoeffizient (CET), Elastizitätsmodul, Feuchtigkeitsaufnahme und Wärmeleitfähigkeit. Die Herstellbarkeit der gewählten Substrate ist ebenfalls entscheidend, einschließlich der Größe der Durchkontaktierungen, der Anzahl der Metallisierungsebenen und der Leiterbahn-Raum-Eigenschaften. Darüber hinaus spielen unter anderem die Dk- und Df-Werte der Antennenschichten, die Bump-Technologie und die Einbettungstechnologie eine wichtige Rolle. Beispielsweise korreliert eine geringere Einfügedämpfung mit einer reduzierten Anzahl von Metallisierungsebenen in der Leiterbahnführung, was eine Vergrößerung der Abmessungen von Mikro-Vias (Blind-Vias) erforderlich macht. Die hohen Stromdichten von Leistungsverstärker-ICs erfordern zudem zahlreiche Durchkontaktierungen oder durchkontaktierte Löcher (PTHs) im Gehäusesubstrat, was die Bedeutung präziser Abmessungen für die I/O-Dichte und Signalintegrität unterstreicht. Eine effiziente Stromversorgung erfordert spezifische Aspektverhältnisse mit einem Rastermaß von < 20 µm, was die Komplexität des Substratdesigns verdeutlicht. Die Anforderungen an das Substratmaterial von AiP-Antennen haben einen signifikanten Einfluss auf die Antennenleistung. Eine niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk) erweitert die Bandbreite und verbessert die Verstärkung, während eine hohe Dk kleinere AiP-Baugrößen ermöglicht. Geringe dielektrische Verluste (Df) tragen zu einem höheren Wirkungsgrad bei. Ein hoher Elastizitätsmodul gewährleistet Steifigkeit und reduziert Verformungen, während Kerne mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) besser für Silizium geeignet sind. Feuchtigkeitsfreiheit ist für die Stabilität entscheidend. Eine gewisse Oberflächenrauheit ist notwendig, um verlustarme Verbindungen zu realisieren. Die Integration passiver Bauelemente erfordert dickere Metallisierungen, geringe dielektrische Verluste und Flexibilität in den Metallschichten.

Aktuell werden vier Substratkandidaten für die AiP-Technologie untersucht: HDI (High Density Interconnect) auf Basis verlustarmer Materialien, LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramics), High-Density Fan-Out und Glassubstrattechnologie. HDI ist derzeit die dominierende Technologie für AiP. Die LTCC-Technologie hingegen findet vor allem in der Hochfrequenzkommunikation Anwendung, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Verteidigungsindustrie, wo Kosten eine geringere Rolle spielen.

Autor: Dr. Yu-Han Chang, leitender Technologieanalyst bei IDTechEx