近幾年，在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和虛擬實(shí)境/擴(kuò)增實(shí)境(VR/AR)等新興應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，催生了具有高速傳輸、低延遲、大頻寬、多連結(jié)等特性的第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱5G)。目前世界各國(guó)主要使用的5G規(guī)格有兩種，一是頻譜范圍介于450MHz到6GHz的Sub-6GHz，另一個(gè)是「毫米波」(mmWave)， 頻譜范圍落在較高頻的24GHz到52GHz之間。Sub-6GHz是現(xiàn)有4G技術(shù)的延伸，基站容易布署，覆蓋范圍廣，因此已成為不少國(guó)家電信營(yíng)運(yùn)商的首選規(guī)格。
然而，因?yàn)镾ub-6GHz頻段多數(shù)已經(jīng)被占用，在資源有限但未來(lái)普及率將越來(lái)越高的情況下，當(dāng)Sub-6GHz頻段不敷使用時(shí)，電信營(yíng)運(yùn)商很可能轉(zhuǎn)向mmWave。
mmWave由于頻率比Sub-6GHz高出數(shù)倍，因而能夠支持更高速與大容量的資訊傳輸，真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和VR/AR應(yīng)用端的低延遲要求，預(yù)期將帶動(dòng)新一波數(shù)位革命。因此，芯片設(shè)計(jì)公司無(wú)不使出渾身解數(shù)，希望打造其產(chǎn)品成為市場(chǎng)主流。
雖然預(yù)期mmWave能大幅提升網(wǎng)路速度，但由于電磁波的特性，較短波長(zhǎng)的mmWave訊號(hào)容易受到周遭環(huán)境與地形影響而快速衰減，因此，如果要持續(xù)維持高速網(wǎng)路品質(zhì)，廣設(shè)基地臺(tái)是不得不然的作法。除了外在因素，如何讓訊號(hào)在裝置(如手機(jī))內(nèi)部傳輸過(guò)程中有較低的損耗也至關(guān)重要，因而需要考慮天線設(shè)計(jì)、載體材料、阻抗匹配等問(wèn)題，這就考驗(yàn)著設(shè)計(jì)者與制造商的功力。
為了一窺目前市面上最新mmWave芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，泛銓科技(MSS Corp.)此次分析的重點(diǎn)是高通公司(Qualcomm)設(shè)計(jì)用于蘋果(Apple)最新智能型手機(jī)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(wǎng)站所購(gòu)買的iPhone 12 Pro手機(jī)上拆解下來(lái)的，外觀照片如圖1a所示，圖1b則為拆解打開(kāi)外殼后的正面照片。該AiP模組中包含一個(gè)發(fā)射器/接收器(Tx/Rx)芯片、一個(gè)電源管理芯片(PMIC)以及數(shù)個(gè)被動(dòng)組件(如電感與電阻)，mmWAV天線則與下方芯片載板結(jié)合在一起。
圖1a：Qualcomm QT 525 AiP外觀照片。1b：打開(kāi)AiP外殼后的照片。
拆解分析的第一步是在不破壞AiP試片狀況下先確認(rèn)天線位置，首先利用具有高空間分辨率的3D X-ray掃描整個(gè)AiP模組。圖2b與圖2c為正面與橫截面AiP模組X-ray照片，為了便于比較，圖2a顯示其光學(xué)顯微鏡照片，讓讀者可以清楚了解X-ray照片與實(shí)際影像的差異。由截面Xray照片(圖2c )，可以觀察到芯片與被動(dòng)組件下的多層載板結(jié)構(gòu)，其大概厚度由側(cè)邊藍(lán)色雙箭號(hào)標(biāo)示。
圖2a：打開(kāi)AiP外殼后的照片。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(biāo)示其中一組mmWave天線結(jié)構(gòu)的位置，載板厚度由右側(cè)藍(lán)色雙箭號(hào)標(biāo)示。
仔細(xì)觀察載板內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以清楚看到有四個(gè)由綠色虛線方框標(biāo)示的大區(qū)塊，這些就是5G mmWave天線結(jié)構(gòu)，由X-ray斷層掃描分析(圖3 )，可以清楚獲得天線區(qū)塊在載板中的分布位置，提供進(jìn)一步分析需要的截面試片制備關(guān)鍵資訊。
圖3：AiP X-ray斷層掃描照片，mmWave天線位置較偏向于載板正面，載板背面接PMIC、Tx/Rx芯片以及被動(dòng)組件。圖中綠色虛線方框標(biāo)示四個(gè)mmWave天線結(jié)構(gòu)在載板底部的位置。
盡管由圖2與圖3的X-ray分析已能觀察到天線結(jié)構(gòu)，但為了解析更細(xì)致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)則位于M1-M2之間，該天線是屬于偶極子天線(Dipole antenna)，主結(jié)構(gòu)由上下兩片近乎正方形的平行金屬板(A1 & A2)構(gòu)成，其邊長(zhǎng)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(biāo)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，偶極子天線位于載板最下方(載板正面，M1–D1–M2)，紅色雙箭號(hào)標(biāo)示為垂直傳輸線，載板各層位置由下圖左側(cè)黑線與紅線標(biāo)示，M代表金屬層，D代表介電層，M8–D8–M9為核心層。
仔細(xì)觀察圖4，此載板為16層的BT樹(shù)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(duì)關(guān)系整理于圖5中，由圖中相關(guān)尺寸資訊來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn)此載板增層并非是對(duì)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，至于金屬層厚度則介于13-17微米之間，所以整體來(lái)看，正面厚度大約是背面厚度的1.9倍。為何載板是采用非對(duì)稱式的增層，這很可能是為了與mmWave波長(zhǎng)匹配才有如此的設(shè)計(jì)考慮。
載板主要是由平面金屬層、連結(jié)上下金屬層的通孔(Via)以及介電層膠體所構(gòu)成的。平面金屬層包含銅箔(Cu foil)與電鍍銅(Electroplated Cu)，通孔則是經(jīng)由定位雷射鉆出孔洞后，再利用電鍍方式將孔洞填滿。在此的觀察重點(diǎn)為：電鍍銅的品質(zhì)、電鍍銅/銅箔界面、銅箔/介電層膠體接口，以及通孔偏移量。
圖5：載板各層厚度圖，厚度由SEM影像量測(cè)。
圖6：比較上圖(a, b, c)與下圖(a', b', c')——分別利用泛銓科技的新工法以及傳統(tǒng)工法制備的截面SEM影像。6a為圖4藍(lán)色虛線方框標(biāo)示”1″的放大影像。6b為a黃色虛線方框標(biāo)示的放大影像，電鍍銅與銅箔之間的界面由藍(lán)色虛線標(biāo)示，銅芽由紅色箭頭標(biāo)示。6c為圖4藍(lán)色虛線方框標(biāo)示”2″的放大影像。6b'為6a'綠色虛線方框標(biāo)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)分布狀況是決定電鍍銅品質(zhì)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(hào)傳輸效率越好，如何制備像圖4這樣大面積(3.5×1.7mm2 )的截面且仍觀察到銅的晶粒分布狀況并不容易，采用傳統(tǒng)方法制備，研磨加上離子切削過(guò)程中，因?yàn)殡x子碰撞與擾動(dòng)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，泛銓科技開(kāi)發(fā)大面積截面試片制備的工法，圖6上圖(a, b, c)與下圖(a', b', c')分別比較泛銓新工法與傳統(tǒng)工法的差異，利用新工法制備的試片，我們不但可以在金屬層(a & b)與通孔(c)結(jié)構(gòu)中清楚觀察到不同方向銅晶粒的對(duì)比，且電鍍銅與銅箔之間的界面(圖6b，藍(lán)色虛線)也清晰可見(jiàn)，容易辨認(rèn)，這與采用傳統(tǒng)制備工法(下圖)的影像品質(zhì)有著天差地別的差異。
仔細(xì)觀察銅箔附近的影像，圖6b為圖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界面(藍(lán)色虛線)是連續(xù)的，沒(méi)有明顯缺陷；至于銅箔與與介電層膠體的接合狀況，受惠于新制備工法，讓材質(zhì)差異度大的接口原始結(jié)構(gòu)得以保存與分析，由圖6b的結(jié)果來(lái)看，銅箔與與介電層膠體的接合狀況相當(dāng)良好，接口也并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)孔洞，至于銅箔銅芽(Cu bud)相關(guān)尺寸則整理于參考資料中。
圖7：圖4藍(lán)色虛線方框標(biāo)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(hào)標(biāo)示)透過(guò)金屬通孔連結(jié)以傳輸資訊，通孔雖是由定位雷射所鉆出來(lái)的，有一定的精準(zhǔn)度，但隨著載板制程微小化，失之毫厘，差之千里，通孔中心如果偏移金屬線中心太多，則會(huì)影響有效承載電流的截面面積，由圖7的量測(cè)結(jié)果來(lái)看，此載板鉆孔定位的偏差率(Offset ratio)只有4 %，顯示載板制造商有相當(dāng)不錯(cuò)的制程控制。
如何讓高頻的mmWave訊號(hào)在傳輸過(guò)程中減少損耗，正是獲得高品質(zhì)5G訊號(hào)最重要的課題。減少訊號(hào)傳遞損耗不單只是材料特性上的問(wèn)題需要克服，制程技術(shù)也需要與時(shí)俱進(jìn)，目前最常被科學(xué)與產(chǎn)業(yè)界討論的兩大方向?yàn)榻殡姄p耗(Dielectric loss)與集膚效應(yīng)(Skin effect)。為了符合高頻低損耗的需求，目前研發(fā)重心是開(kāi)發(fā)新介電材料以獲得較低的Dk與Df值，這不但對(duì)目前方興未艾的5G至關(guān)重要，也關(guān)乎將來(lái)訊號(hào)是否能往更高頻推進(jìn)的關(guān)鍵因素。
集膚效應(yīng)則是因?yàn)楦哳l訊號(hào)在傳輸過(guò)程中，電流大部份只會(huì)在金屬表面次微米區(qū)間內(nèi)流動(dòng)的現(xiàn)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接口狀況，都是決定訊號(hào)品質(zhì)重要的關(guān)鍵因素。為了解決此問(wèn)題，研發(fā)工程師無(wú)一不設(shè)法減少接口粗糙鍍，卻往往帶來(lái)接合不佳的問(wèn)題，這些接合問(wèn)題常因材料特性差異度大，分析過(guò)程產(chǎn)生的研磨應(yīng)力或離子切削損傷導(dǎo)致的不正常破裂而衍生誤判。
圖8：集膚深度(δ)與頻率(f)關(guān)系。
為了協(xié)助研發(fā)工程師獲得最原始/正確試片樣貌的資訊，泛銓科技開(kāi)發(fā)獨(dú)有的無(wú)損傷工法，為這類分析提供最佳的解決方案，加速研發(fā)時(shí)程。圖9就是利用無(wú)損傷工法制備出的截面試片，不但可以清楚看到不同晶向金屬銅的分布狀況，銅箔與介電層膠體接合的最原始接口更是一覽無(wú)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(nèi)嵌圖為圓點(diǎn)附近的放大影像。
就如同高速邏輯芯片跨入先進(jìn)制程，進(jìn)入5G時(shí)代，為了符合高速傳輸與低延遲的廣大應(yīng)用，載板結(jié)合天線設(shè)計(jì)也必須朝微型化與細(xì)致化方向前進(jìn)，泛銓科技透過(guò)從點(diǎn)、線到面的全方位材料分析，期望讓讀者對(duì)最新5G天線設(shè)計(jì)有更進(jìn)一步的了解。
