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5Gおよび6G向けアンテナ・イン・パッケージ（AiP）2024-2034：技術、動向、市場Antenna in Package (AiP) for 5G and 6G 2024-2034: Technologies, Trends, Markets ミリ波（mmWave）は、以前は軍事、衛星、自動車レーダー・アプリケーションに限定されていたが、現在ではモバイル通信周波数スペクトラムに参入し、わずか1msの超低遅延で最大20Gbpsの高データ・スループット... もっと見る
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サマリー
ミリ波（mmWave）は、以前は軍事、衛星、自動車レーダー・アプリケーションに限定されていたが、現在ではモバイル通信周波数スペクトラムに参入し、わずか1msの超低遅延で最大20Gbpsの高データ・スループットを提供している。このシフトに伴い、RFや光学部品、低損失材料、先進的な半導体パッケージング技術など、デバイス全体の革新的な技術進歩が必要となっている。このような技術革新の中でも、パッケージングは大きな発展を必要とする重要な分野として際立っており、IDTechExのレポート「5Gおよび6G向けアンテナ・イン・パッケージ（AiP）2024-2034：技術、動向、市場」の主要な焦点となっている。
IDTechExのレポート「5Gおよび6G向けアンテナインパッケージ（AiP）2024-2034」は、5G mmWaveおよび今後の6Gネットワークの要件を満たすように設計されたAiP技術を詳細に調査している。有機、LTCC、ガラスなどの多様な基板材料や、フリップチップ、ファンアウトなどのパッケージング方式を包括的に分析している。本レポートでは、材料特性、製造可能性、サプライチェーンの観点からこれらの側面を徹底的に検証している。
さらに、100GHzを超えるアプリケーションのためのアンテナ統合についても掘り下げ、洞察に満ちたケーススタディを提供し、この分野で広く見られる課題を取り上げている。IDTechExの専門知識を活用し、本レポートはアンテナパッケージング技術のダイナミックな状況について貴重な洞察を提供し、先進半導体パッケージングソリューションを核とした業界の将来的な軌道を予測している。
アンテナパッケージング技術における包括的なトレンドは、特に高周波数において、より大きな統合に向かっている。
アンテナ・イン・パッケージ(AiP)は、高周波通信で利用される先進的なアンテナパッケージング技術である。mmWaveアプリケーションの短い波長を活用し、AiPは、PCB上に個々のコンポーネントとして組み立てられた従来のディスクリートアンテナとは異なり、半導体パッケージに直接シームレスに統合することができる著しく小さいアンテナの作成を可能にします。このようにアンテナとトランシーバーを1つのチップに統合することで、アンテナ性能の向上やパッケージ・フットプリントの大幅削減など、多くの利点が得られます。サブTHz帯に進むと、6Gの周波数帯になる可能性があり、RFコンポーネントに直接アンテナを統合することを目的とした新しいアンテナパッケージング技術の研究が進行中です。しかし、この分野は、製造やスケーラビリティに関するさまざまな課題があるため、まだ研究段階にある。
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出典：5Gおよび6G向けアンテナ・イン・パッケージ（AiP）2024-2034：技術、動向、市場
AiPの主な設計上の考慮点
高周波通信機器向けのAiP技術の開発では、費用対効果が最も重要な検討事項として浮上している。1x1AiPモジュールあたりの目標価格が2米ドルであることから、普及には手頃な価格が極めて重要になりますが、これは規模の経済によるコスト削減よりも普及が先行しなければならないという鶏と卵のような課題をもたらします。費用対効果の高いパッケージング材料とプロセスの活用が不可欠である。さらに、小型化は、特にスマートフォンのような消費者向け機器への統合において重要な役割を果たす。性能とコスト効率を維持しながらパッケージサイズを確実に縮小するには、新しいパッケージング技術を活用する必要がある。
さらに、AiPプラットフォームでは高性能を達成することが不可欠である。これには、システム内の電磁両立性（EMC）の確保とともに、高利得で広帯域のmmWaveアンテナ・アレイの製造と統合が必要です。さらに、等価等方放射電力（EIRP）を最適化し、シグナル・インテグリティ（SI）とパワー・インテグリティ（PI）を確保することも極めて重要です。高品質ファクター（Qファクター）の受動素子を統合して、アクティブなミリ波フロントエンド・トランシーバー・コンポーネントを共同設計することで、性能はさらに向上します。さらに、信頼性は不可欠であり、電力増幅器からの熱を放散するために、チップから外部への直接的な熱通路が必要となる。スケーラビリティは、異なる電力要件を持つ様々なアプリケーションに対応するために拡張可能な基本モジュールの設計を可能にし、汎用性をさらに高めます。高周波通信機器用のAiPモジュールを設計する際には、これらすべての要件に対応することが不可欠です。IDTechExのレポートでは、アンテナ素子の選択、基板技術、基板材料、各基板技術の限界、受動デバイスの統合、サプライチェーンの成熟度といった疑問についてすべて検討している。
レポートの主な内容
5G mmWave開発の概要と6Gロードマップ：
a. 5G mmWaveの開発状況、技術革新ロードマップ、主要アプリケーション、市場展望を探る。
b. 潜在的なスペクトラム、実現可能なテラヘルツ通信技術、主要な研究・産業活動、ロードマップ、技術目標、アプリケーションを含む6Gの状況を理解する。
5G mmWave向けフェーズドアレイアンテナによるビームフォーミング技術の深堀り：
a. 5G sub-6とmmWaveのビームフォーミング技術の比較。
b. アンテナ、半導体、パッケージングの統合コンポーネント、技術要件、トレンド、設計上の考慮事項など、フェーズドアレイ技術を検証する。
5G mmWaveのアンテナ統合技術：
a. フェーズドアレイのアンテナ基板技術、ベンチマーク、材料要件、パッケージングについて説明する。
b. 5G mmWave向けの様々なアンテナパッケージング技術（PCB上のアンテナ、パッケージ内のアンテナ（AiP）を含む）を、パッケージング技術ごとに分類して説明します： フリップチップとファンアウト。また、LTCC、低損失有機ベース、ガラスなどの基板材料の選択についても説明し、製造上の課題、材料の選択とベンチマーク、主要企業のソリューション/ケーススタディ、各パッケージング技術における基板設計上の留意点を取り上げます。
100 GHz を超えるアプリケーションのためのアンテナ集積技術：
a. 電力要件、アンテナ利得、フェーズドアレイの需要に焦点を当て、6Gトランシーバ開発における課題を取り上げる。
b. 100GHzを超えるアプリケーションのための様々な潜在的パッケージング技術について説明し、熱管理オプションやアンテナ基板の低損失材料の選択肢を取り上げる。D バンド（110-170GHz）のフェーズドアレイ技術を紹介するケーススタディを含む。
10年間のきめ細かな市場予測：
5G民生機器：mmWave対応スマートフォンにおけるスマートフォンとCPE-AiPモジュールの出荷予測 2023-2034
目次
Summary
この調査レポートは、5G mmWaveおよび今後の6Gネットワークの要件を満たすように設計されたAiP技術についてについて詳細に調査・分析しています。
主な掲載内容（目次より抜粋）
Report Summary
Millimeter-wave (mmWave), previously confined to military, satellite, and automotive radar applications, has now entered the mobile communications frequency spectrum, offering high data throughput of up to 20 Gbps with an ultralow latency of just 1 ms. This shift necessitates innovative technological advancements across devices, including RF and optical components, low-loss materials, and advanced semiconductor packaging technologies. Among these innovations, packaging stands out as a critical area requiring significant development and is the key focus of IDTechEx's report "Antenna in Package (AiP) for 5G and 6G 2024-2034: Technologies, Trends, Markets".
IDTechEx's report, "Antenna in Package (AiP) for 5G and 6G 2024-2034," offers an in-depth exploration of AiP technologies designed to meet the requirements of 5G mmWave and upcoming 6G networks. It provides comprehensive analysis of diverse substrate materials including organic, LTCC, and glass, as well as packaging methods like flip-chip and fan-out. The report thoroughly examines these aspects from material properties, manufacturing feasibility, and supply chain viewpoints.
Additionally, it delves into antenna integration for applications beyond 100 GHz, offering insightful case studies and addressing prevalent challenges in the field. Leveraging IDTechEx's expertise, the report provides valuable insights into the dynamic landscape of antenna packaging technologies, forecasting the industry's future trajectory with advanced semiconductor packaging solutions at its core.
The overarching trend in antenna packaging technologies, especially at higher frequencies, is towards greater integration.
Antenna-in-package (AiP) represents an advanced antenna packaging technology utilized in high-frequency telecommunications. Leveraging the short wavelengths of mmWave applications, AiP enables the creation of significantly smaller antennas that can be seamlessly integrated directly into semiconductor packages, unlike traditional discrete antennas assembled as individual components on PCB. This integration of the antenna with the transceiver on a single chip offers a host of advantages, including enhanced antenna performance and greatly reduced package footprints. Advancing into the sub-THz range, potentially within the spectrum of 6G, research is underway on new antenna packaging technologies aimed at integrating antennas directly onto RF components. However, this area is still in the research phase due to various manufacturing and scalability challenges.
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Overview of antenna packaging technologies vs operational frequency. Source: Antenna in Package (AiP) for 5G and 6G 2024-2034: Technologies, Trends, Markets from IDTechEx
Key design considerations for AiP
In the development of AiP technology for high-frequency communication devices, cost-effectiveness emerges as the utmost crucial consideration. With a target price of US$2 per 1x1 AiP module, affordability becomes pivotal for widespread adoption, although this presents a chicken-and-egg challenge where adoption must precede cost reduction through economies of scale. Utilizing cost-effective packaging materials and processes is essential. Additionally, miniaturization plays a critical role, especially for integration into consumer devices like smartphones, where component size is paramount. Ensuring that package size can be shrunk while maintaining performance and cost-effectiveness necessitates leveraging new packaging technologies.
Moreover, achieving high performance is vital for AiP platforms. This entails the fabrication and integration of high-gain, broadband mmWave antenna arrays, along with ensuring intra-system electromagnetic compatibility (EMC). Additionally, optimizing equivalent isotropic radiated power (EIRP) and ensuring signal integrity (SI) and power integrity (PI) are crucial aspects. Integrating high-quality factor (Q factor) passives to co-design active mmWave front-end transceiver components further enhances performance. Furthermore, reliability is essential, necessitating a direct thermal passage from the chip to the exterior to dissipate heat from power amplifiers. Scalability adds another layer of versatility, enabling the design of basic modules that can be upscaled to meet various applications with different power requirements. Addressing all these requirements is essential when designing an AiP module for high-frequency communication devices. Questions such as the choice of antenna element, substrate technology, substrate materials, limitations of each substrate technology, integration of passive devices, and supply chain maturity are all explored in IDTechEx's report.
Key aspects in the report:
Overview of 5G mmWave Development and 6G Roadmap:
a. Explore the status of 5G mmWave development, technology innovation roadmap, key applications, and market outlook.
b. Understand the landscape of 6G, including potential spectrum, enabling THz communication technologies, key research and industry activities, roadmap, technical targets, and applications.
Deep Dive into Beamforming Technologies Enabled by Phased Array Antenna for 5G mmWave:
a. Compare beamforming technologies of 5G sub-6 vs mmWave.
b. Examine phased array technologies, including antenna, semiconductor, and packaging integration components, technical requirements, trends, and design considerations.
Antenna Integration Technologies for 5G mmWave:
a. Discuss antenna substrate technology, benchmarking, material requirements, and packaging for phased arrays.
b. Explore various antenna packaging technologies for 5G mmWave, including antenna on PCB and antenna in package (AiP), categorized by packaging technologies: Flip-chip vs fan-out. Also, discuss substrate material choices, such as LTCC, low-loss organic-based, and glass, covering production challenges, material choices and benchmark, solutions/case studies from key players, and substrate design considerations for each packaging technology.
Antenna Integration Technologies for Applications Beyond 100 GHz:
a. Address challenges in 6G transceiver development, focusing on power requirements, antenna gain, and phased array demands.
b. Discuss various potential packaging technologies for beyond 100 GHz applications, covering thermal management options and low-loss material choices for antenna substrates. Include case studies showcasing D-band (110-170 GHz) phased array technology.
10-year granular market forecast of:
5G consumer devices: Smartphone and CPE-AiP module shipment in mmWave compatible smartphone forecast 2023-2034
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