揭開5G毫米波天線的神秘面紗

作者 : 汎銓科技

為了一窺目前最新mmWave晶片內部結構細節,汎銓科技分析高通(Qualcomm)設計用於Apple最新智慧型手機iPhone 12的mmWave封裝天線(AiP)模組...

近幾年,在物聯網(IoT)和虛擬實境/擴增實境(VR/AR)等新興應用的驅動下,催生了具有高速傳輸、低延遲、大頻寬、多連結等特性的第五代行動通訊網路(簡稱5G)。目前世界各國主要使用的5G規格有兩種,一是頻譜範圍介於450MHz到6GHz的Sub-6GHz,另一個是「毫米波」(mmWave), 頻譜範圍落在較高頻的24GHz到52GHz之間。Sub-6GHz是現有4G技術的延伸,基地台容易佈署,覆蓋範圍廣,因此已成為不少國家電信營運商的首選規格。

然而,因為Sub-6GHz頻段多數已經被佔用,在資源有限但未來普及率將越來越高的情況下,當Sub-6GHz頻段不敷使用時,電信營運商很可能轉向mmWave。mmWave由於頻率比Sub-6GHz高出數倍,因而能夠支援更高速與大容量的資訊傳輸,真正實現物聯網和VR/AR應用端的低延遲要求,預期將帶動新一波數位革命。因此,晶片設計公司無不使出渾身解數,希望打造其產品成為市場主流。

雖然預期mmWave能大幅提升網路速度,但由於電磁波的特性,較短波長的mmWave訊號容易受到周遭環境與地形影響而快速衰減,因此,如果要持續維持高速網路品質,廣設基地台是不得不然的作法。除了外在因素,如何讓訊號在裝置(如手機)內部傳輸過程中有較低的損耗也至關重要,因而需要考量天線設計、載體材料、阻抗匹配等問題,這就考驗著設計者與製造商的功力。

為了一窺目前市面上最新mmWave晶片內部結構細節,汎銓科技(MSS Corp.)此次分析的重點是高通公司(Qualcomm)設計用於蘋果(Apple)最新智慧型手機iPhone 12的mmWave封裝天線(Antenna in package;AiP)模組——QTM 525。該模組是由Apple官方網站所購買的iPhone 12 Pro手機上拆解下來的,外觀照片如圖1a所示,圖1b則為拆解打開外殼後的正面照片。該AiP模組中包含一個發射器/接收器(Tx/Rx)晶片、一個電源管理晶片(PMIC)以及數個被動元件(如電感與電阻),mmWAV天線則與下方晶片載板結合在一起。

圖1a:Qualcomm QT 525 AiP外觀照片。1b:打開AiP外殼後的照片。

拆解分析的第一步是在不破壞AiP試片狀況下先確認天線位置,首先利用具有高空間解析度的3D X-ray掃描整個AiP模組。圖2b圖2c為正面與橫截面AiP模組X-ray照片,為了便於比較,圖2a顯示其光學顯微鏡照片,讓讀者可以清楚了解X-ray照片與實際影像的差異。由截面Xray照片(圖2c),可以觀察到晶片與被動元件下的多層載板結構,其大概厚度由側邊藍色雙箭號標示。

圖2a:打開AiP外殼後的照片。2b:AiP正面3D X-ray照片。2c:AiP截面3D X-ray照片,綠色虛線方框標示其中一組mmWave天線結構的位置,載板厚度由右側藍色雙箭號標示。

仔細觀察載板內部結構,可以清楚看到有四個由綠色虛線方框標示的大區塊,這些就是5G mmWave天線結構,由X-ray斷層掃描分析(圖3),可以清楚獲得天線區塊在載板中的分佈位置,提供進一步分析需要的截面試片製備關鍵資訊。

圖3:AiP X-ray斷層掃描照片,mmWave天線位置較偏向於載板正面,載板背面接PMIC、Tx/Rx晶片以及被動元件。圖中綠色虛線方框標示四個mmWave天線結構在載板底部的位置。

儘管由圖2圖3的X-ray分析已能觀察到天線結構,但為了解析更細緻的內部結構,必須仰賴掃描式電子顯微鏡(SEM)。圖4大圖是mmWave天線截面掃描式電子顯微鏡影像,影像涵蓋面積大致與上方小圖(截面X-ray照片)綠色虛線方框相同,mmWave天線主結構則位於M1-M2之間,該天線是屬於偶極子天線(Dipole antenna),主結構由上下兩片近乎正方形的平行金屬板(A1 & A2)構成,其邊長大約為1.7mm (A1)與1.6mm (A2)。

圖4:上圖為AiP截面3D X-ray照片,綠色虛線方框標示掃描式電子顯微鏡分析面積。下圖為掃描式電子顯微鏡照片,偶極子天線位於載板最下方(載板正面,M1–D1–M2),紅色雙箭號標示為垂直傳輸線,載板各層位置由下圖左側黑線與紅線標示,M代表金屬層,D代表介電層,M8–D8–M9為核心層。

仔細觀察圖4,此載板為16層的BT樹脂載板,第8層(M8)與第9層(M9)金屬層之間為核心層,往上(載板背面)與往下(載板正面)各增層7層,分別是M1到M7與M10到M16,各金屬層厚度與之間的介電層(由D表示)厚度相對關係整理於圖5中,由圖中相關尺寸資訊來看,我們發現此載板增層並非是對稱性的,往背面增層的介電層厚度較小,尤其越接近背面(D13-D15),厚度甚至只有第一介電層(D1)的1/5,至於金屬層厚度則介於13-17微米之間,所以整體來看,正面厚度大約是背面厚度的1.9倍。為何載板是採用非對稱式的增層,這很可能是為了與mmWave波長匹配才有如此的設計考量。

載板主要是由平面金屬層、連結上下金屬層的通孔(Via)以及介電層膠體所構成的。平面金屬層包含銅箔(Cu foil)與電鍍銅(Electroplated Cu),通孔則是經由定位雷射鑽出孔洞後,再利用電鍍方式將孔洞填滿。在此的觀察重點為:電鍍銅的品質、電鍍銅/銅箔介面、銅箔/介電層膠體介面,以及通孔偏移量。

圖5:載板各層厚度圖,厚度由SEM影像量測。

圖6:比較上圖(a, b, c)與下圖(a’, b’, c’)——分別利用汎銓科技的新工法以及傳統工法製備的截面SEM影像。6a為圖4藍色虛線方框標示”1″的放大影像。6b為a黃色虛線方框標示的放大影像,電鍍銅與銅箔之間的介面由藍色虛線標示,銅芽由紅色箭頭標示。6c為圖4藍色虛線方框標示”2″的放大影像。6b’為6a’綠色虛線方框標示的放大影像。下圖分析位置大致與上圖相似,只有研磨深度有些許差異。

銅晶粒方向(Orientation)分佈狀況是決定電鍍銅品質重要的因素之一,銅的粒度(Grain)越大,方向越一致,晶界(Grain boundary)越少,則電阻越小,訊號傳輸效率越好,如何製備像圖4這樣大面積(3.5×1.7mm2 )的截面且仍觀察到銅的晶粒分佈狀況並不容易,採用傳統方法製備,研磨加上離子切削過程中,因為離子碰撞與擾動所造成的表面損傷,模糊了不同方向晶粒與晶界在電子顯微鏡成像上的差異,造成分析上的困擾。

為了解決這樣的難題,汎銓科技開發大面積截面試片製備的工法,圖6上圖(a, b, c)與下圖(a’, b’, c’)分別比較汎銓新工法與傳統工法 的差異,利用新工法製備的試片,我們不但可以在金屬層(a & b)與通 孔(c)結構中清楚觀察到不同方向銅晶粒的對比,且電鍍銅與銅箔之間 的介面(圖6b,藍色虛線)也清晰可見,容易辨認,這與採用傳統製備工法(下圖)的影像品質有著天差地別的差異。

仔細觀察銅箔附近的影像,圖6b圖6a黃色虛線方框的放大影像,我們可以清楚觀察到銅箔與電鍍銅之間的介面(藍色虛線)是連續的,沒有明顯缺陷;至於銅箔與與介電層膠體的接合狀況,受惠於新製備工法,讓材質差異度大的介面原始結構得以保存與分析,由圖6b的結果來看,銅箔與與介電層膠體的接合狀況相當良好,介面也並沒有發現孔洞,至於銅箔銅芽(Cu bud)相關尺寸則整理於參考資料中。

圖7:圖4藍色虛線方框標示3的放大影像。

載板中不同金屬層是利用垂直傳輸線(其中兩條由紅色雙箭號標示)透過金屬通孔連結以傳輸資訊,通孔雖是由定位雷射所鑽出來的,有一定的精準度,但隨著載板製程微小化,失之毫釐,差之千里,通孔中心如果偏移金屬線中心太多,則會影響有效承載電流的截面面積,由圖7的量測結果來看,此載板鑽孔定位的偏差率(Offset ratio)只有4 %,顯示載板製造商有相當不錯的製程控制。

如何讓高頻的mmWave訊號在傳輸過程中減少損耗,正是獲得高品質5G訊號最重要的課題。減少訊號傳遞損耗不單只是材料特性上的問題需要克服,製程技術也需要與時俱進,目前最常被科學與產業界討論的兩大方向為介電損耗(Dielectric loss)與集膚效應(Skin effect)。為了符合高頻低損耗的需求,目前研發重心是開發新介電材料以獲得較低的Dk與Df值,這不但對目前方興未艾的5G至關重要,也關乎將來訊號是否能往更高頻推進的關鍵因素。

集膚效應則是因為高頻訊號在傳輸過程中,電流大部份只會在金屬表面次微米區間內流動的現象,且頻率越高,集膚深度則越淺(圖8),因此金屬的表面粗糙度、晶粒尺寸以及與介電層膠體接合介面狀況,都是決定訊號品質重要的關鍵因素。為了解決此問題,研發工程師無一不設法減少介面粗糙鍍,卻往往帶來接合不佳的問題,這些接合問題常因材料特性差異度大,分析過程產生的研磨應力或離子切削損傷導致的不正常破裂而衍生誤判。

圖8:集膚深度(δ)與頻率(f)關係。

為了協助研發工程師獲得最原始/正確試片樣貌的資訊,汎銓科技開發獨有的無損傷工法,為這類分析提供最佳的解決方案,加速研發時程。圖9就是利用無損傷工法製備出的截面試片,不但可以清楚看到不同晶向金屬銅的分佈狀況,銅箔與介電層膠體接合的最原始介面更是一覽無遺;另外,由兩張嵌入小圖的比較也可以得知銅箔的粗糙度有著天差地別的差異,5G銅箔的粗糙度明顯比一般主板的銅箔粗糙度小很多。

圖9:Oppo Reno 10×。9a:QTM 525 AiP。9b:載板截面SEM影像。內嵌圖為圓點附近的放大影像。

就如同高速邏輯晶片跨入先進製程,進入5G時代,為了符合高速傳輸與低延遲的廣大應用,載板結合天線設計也必須朝微型化與細緻化方向前進,汎銓科技透過從點、線到面的全方位材料分析,期望讓讀者對最新5G天線設計有更進一步的了解。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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