Las metodologías de encapsulado de antenas han evolucionado para contrarrestar la creciente atenuación de la señal en las comunicaciones de alta frecuencia, como la 5G mmWave y las redes 6G previstas. Antes, las antenas se colocaban en placas de circuito impreso; ahora, se está produciendo un cambio hacia la integración de antenas directamente en el mismo encapsulado que el chip de radiofrecuencia. Conocida como Antenna-in-Package (AiP), esta avanzada técnica de empaquetado aprovecha las longitudes de onda corta de las aplicaciones mmWave, permitiendo la creación de antenas notablemente compactas integradas a la perfección en paquetes de semiconductores. A diferencia de las antenas discretas tradicionales montadas en placas de circuito impreso, AiP integra la antena con el transceptor en un solo chip, lo que ofrece ventajas como un mejor rendimiento de la antena y una reducción sustancial de la huella del paquete.

Mientras avanza la investigación en 6G, el mercado de ondas milimétricas 5G sigue en sus primeras fases, a la espera de una adopción generalizada en diversas aplicaciones y ecosistemas de usuarios. El avance de la tecnología Antenna-in-Package (AiP) está estrechamente relacionado con el crecimiento de los mercados 5G mmWave y 6G. Dado que se espera que la AiP forme parte integral de todas las estaciones basadas en ondas milimétricas 5G y de los dispositivos habilitados para 5G, como los teléfonos inteligentes, su desarrollo continuo es fundamental.

En el desarrollo de la tecnología Antenna-in-Package (AiP) para dispositivos de comunicación de alta frecuencia, la rentabilidad es primordial, con el objetivo de alcanzar un precio de 2 dólares por módulo AiP de 1x1 para permitir una adopción generalizada. Lograr la asequibilidad implica superar el reto del huevo y la gallina, en el que la adopción debe preceder a la reducción de costes mediante economías de escala. La utilización de materiales y procesos de envasado rentables y la miniaturización son cruciales, sobre todo para la integración en dispositivos de consumo como los smartphones. El alto rendimiento es vital, por lo que es necesario fabricar e integrar conjuntos de antenas mmWave de banda ancha y alta ganancia, además de abordar la compatibilidad electromagnética (EMC) y optimizar la integridad de la señal (SI) y la integridad de la potencia (PI). La fiabilidad se garantiza mediante una disipación eficiente del calor, mientras que la escalabilidad permite que los módulos satisfagan diversas necesidades de aplicación. El informe de IDTechEx «Antenna in Package (AiP) for 5G and 6G 2024-2034: Technologies, Trends, Markets» profundiza en consideraciones clave como la elección del elemento de antena, la tecnología de sustrato, la integración de dispositivos pasivos y la madurez de la cadena de suministro. Este artículo se centrará en la elección de la tecnología del sustrato, ya que es la que más influye en todos los requisitos mencionados.

Hay que tener en cuenta varios factores a la hora de determinar la tecnología de sustrato adecuada para AiP. Entre ellos están la elección del material del núcleo, como el coeficiente de expansión térmica (CET), el módulo de Young, la absorción de humedad y la conductividad térmica. También es crucial la capacidad de fabricación de los sustratos elegidos, incluido el tamaño de la vía, el número de capas metálicas y las características de línea/espacio. Además, la Dk y la Df de las capas de la antena, la tecnología de bumping y la tecnología de incrustación, entre otras, desempeñan un papel importante. Por ejemplo, una menor pérdida de inserción se correlaciona con la reducción del número de capas metálicas en el encaminamiento, lo que hace necesario escalar las dimensiones de las microvías (vías ciegas). Además, las altas densidades de corriente de los circuitos integrados amplificadores de potencia exigen numerosas vías pasantes o agujeros pasantes chapados (PTH) en el sustrato del encapsulado, lo que subraya la importancia de unas dimensiones precisas para soportar la densidad de E/S y la integridad de la señal. El suministro eficaz de potencia requiere relaciones de aspecto específicas con un paso < 20 µm, lo que pone de manifiesto la complejidad del diseño del sustrato. Los requisitos de material del sustrato AiP influyen significativamente en el rendimiento de la antena. Una constante dieléctrica (Dk) baja amplía el ancho de banda y mejora la ganancia, mientras que una Dk alta permite tamaños de AiP más pequeños. Una pérdida dieléctrica (Df) baja contribuye a aumentar la eficiencia. Un módulo de Young elevado garantiza la rigidez y reduce el alabeo, mientras que los núcleos con bajo coeficiente de expansión térmica (CTE) se adaptan mejor al silicio. La nula absorción de humedad es crucial para la estabilidad. La rugosidad de las superficies es necesaria para lograr interconexiones de bajas pérdidas. La integración de componentes pasivos requiere una metalización más gruesa, bajas pérdidas dieléctricas y flexibilidad en las capas metálicas.

Actualmente, se están estudiando cuatro sustratos candidatos para la tecnología AiP: HDI (High Density Interconnect) basado en materiales de bajas pérdidas, LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramics), High-Density Fan-Out y la tecnología de sustrato de vidrio. Entre estas opciones, HDI es actualmente la tecnología dominante para AiP. Por otro lado, la tecnología LTCC encuentra su principal aplicación en los sectores de comunicaciones de alta frecuencia, sobre todo en las industrias aeroespacial y de defensa, donde las consideraciones de coste tienen menos peso.

Autor: Dr. Yu-Han Chang, analista tecnológico principal de IDTechEx