Las ondas milimétricas (mmWave), que antes se limitaban a aplicaciones militares, satelitales y de radar para automóviles, han entrado ahora en el espectro de frecuencias de las comunicaciones móviles, ofreciendo un alto rendimiento de datos de hasta 20 Gbps con una latencia ultrabaja de sólo 1 ms. Este cambio requiere avances tecnológicos innovadores en todos los dispositivos, incluidos componentes ópticos y de RF, materiales de bajas pérdidas y tecnologías avanzadas de encapsulado de semiconductores.

Entre estas innovaciones, el encapsulado destaca como un área crítica que requiere un desarrollo significativo. Es el tema central del nuevo informe de IDTechEx, "Antenna in Package (AiP) for 5G and 6G 2024-2034: Technologies, Trends, Markets".

Antenna-in-package (AiP) representa una tecnología avanzada de encapsulado de antenas utilizada en telecomunicaciones de alta frecuencia. Aprovechando las cortas longitudes de onda de las aplicaciones mmWave, la AiP permite crear antenas mucho más pequeñas que pueden integrarse a la perfección directamente en encapsulado de semiconductores, a diferencia de las antenas discretas tradicionales montadas como componentes individuales en placas de circuito impreso. Esta integración de la antena y el transceptor en un solo chip ofrece una serie de ventajas, entre ellas un mayor rendimiento de la antena y una huella de encapsulado mucho más reducida. En la gama de frecuencias inferiores a THz, potencialmente dentro del espectro de la 6G, se están investigando nuevas tecnologías de encapsulado de antenas para integrarlas directamente en los componentes de RF. Sin embargo, este campo está aún en fase de investigación debido a diversos problemas de fabricación y escalabilidad.

Panorama de las tecnologías de empaquetado de antenas en función de la frecuencia operativa. Fuente: IDTechEx - "Antena en paquete (AiP) para 5G y 6G 2024-2034: tecnologías, tendencias, mercados"

Consideraciones clave para el diseño de AiP

En el desarrollo de la tecnología AiP para dispositivos de comunicación de alta frecuencia, la rentabilidad surge como la consideración crucial más importante. Con un precio objetivo de 2 dólares por módulo AiP de 1x1, la asequibilidad es fundamental para su adopción generalizada, aunque esto plantea el problema del huevo y la gallina, ya que la adopción debe preceder a la reducción de costes mediante economías de escala. Es esencial utilizar materiales y procesos de encapsulado rentables. Además, la miniaturización desempeña un papel fundamental, sobre todo para la integración en dispositivos de consumo como los smartphones, donde el tamaño de los componentes es primordial. Para garantizar que el tamaño del encapsulado pueda reducirse manteniendo el rendimiento y la rentabilidad, es necesario aprovechar las nuevas tecnologías de encapsulado.

Además, conseguir un alto rendimiento es vital para las plataformas AiP. Esto implica la fabricación e integración de conjuntos de antenas de ondas milimétricas de banda ancha y alta ganancia, además de garantizar la compatibilidad electromagnética (CEM) dentro del sistema. Además, optimizar la potencia isotrópica radiada equivalente (EIRP) y garantizar la integridad de la señal (SI) y la integridad de la potencia (PI) son aspectos cruciales. La integración de pasivos con factor de alta calidad (factor Q) para codiseñar componentes activos de transceptores frontales de ondas milimétricas mejora aún más el rendimiento. Además, la fiabilidad es esencial, lo que exige un paso térmico directo del chip al exterior para disipar el calor de los amplificadores de potencia. La escalabilidad añade otra capa de versatilidad, permitiendo el diseño de módulos básicos que pueden ampliarse para satisfacer diversas aplicaciones con diferentes requisitos de potencia. Tener en cuenta todos estos requisitos es esencial a la hora de diseñar un módulo AiP para dispositivos de comunicación de alta frecuencia.

Este nuevo informe de IDTechEx profundiza en las tecnologías AiP adaptadas a las redes 5G mmWave y 6G emergentes. Analiza las tecnologías de sustratos, incluidos los orgánicos, LTCC y vidrio, junto con métodos de encapsulado como flip-chip y fan-out, desde las propiedades de los materiales hasta la viabilidad de la fabricación. El informe explora la integración de antenas más allá de los 100 GHz, ofrece estudios de casos y aborda los retos predominantes, proyectando un futuro impulsado por soluciones avanzadas de envasado de semiconductores.

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