專欄文章

第五代行動通訊頻段愈趨高頻發展，在毫米波頻段為克服傳輸損耗需仰賴AiP封裝整合，但亦衍生模組化後無法單獨對天線端口進行效能評估，因此，相關AiP量測工法與標準測試治具陸續被提出與開發。

第五代行動通訊朝向毫米波頻段發展，有賴於高頻段可提供較大且連續性通道頻寬，但也相對面臨傳輸路徑損耗大之缺憾。因此，為了減少各射頻元件連接所造成的訊號衰減，需透過系統層級封裝技術將天線與主被動元件進行整合設計。使得不論在封裝結構乃至於引線至基板端，電性連接長度需達到最小。如圖一所示為5G毫米波AiP模組功能方塊圖，AiP模組之關鍵元件為天線陣列與波束成型收發晶片，該晶片內部電路架構包括: (1)TX-RX路徑切換之開關元件(SW)，(2)TX端功率放大器(PA)，(3)RX端低雜訊放大器(LNA)，(4)相移器(Phase Shifter)，(5)功率分配電路(Power Splitter)，(6)升降頻元件(U/D Converter)等，並藉由數位控制訊號調整天線陣列各單元間之相位與能量分佈，以獲得波束偏轉效果。另外，毫米波頻段降至中頻輸出之目的在於低頻段傳輸損耗較少，可允許較長的射頻路徑至調變解調器(Modem)端，讓元件在佈排上更具彈性。

圖一、5G毫米波AiP模組之功能方塊圖

然而，為了減少整體互連長度並保留更多空間放置天線陣列，因此，AiP模組皆以覆晶封裝形式居多。有鑒於此，文獻上提出一種針對AiP模組效能驗測之探針量測技術，利用探針直接接觸封裝接腳的方式進行天線場型分析，並且在此被動量測架構下能轉化成OTA(Over-the-Air)的測試方案。對於毫米波頻段而言，根據遠近場分野條件d=2D²/λ [D為天線尺寸、λ為操作頻段之波長]，以一般適用於毫米波微基站之AiP大小估算，其遠場距離d為50-70cm。圖二為一種垂直探針平台之天線輻射場型量測環境，該架構遠場距離達85cm，能對Φ與θ方向進行球面掃描。

圖二、基於垂直探針量測平台之無反射室系統架構

而圖三為探針連接局部示意圖，探針從背饋方式連接AiP模組，由於待測物具有高指向性場型朝上方分佈，因此，僅需針對上半部球面之場型進行測試，同時也能降低待測物下方治具易反射電磁波訊號之影響。此種量測方式目前是利用網路分析儀以連續波訊號進行場型增益量測，若能依照毫米波的調變頻寬進行設定，採用訊號產生器加上頻譜分析儀進行系統層級效能分析，即可建構完善的OTA量測環境。對於半導體封裝產業而言，可以有依循的測試工法與建置環境做為參考，並在系統設備組裝前可先行驗證模組端的效能規格。

圖三、探針與DUT連接之局部示意圖

參考資料

[1] Bo-Siang Fang, Kuan-Ta Chen, Cha-Chu Lai, Jui-Ching Cheng,“Millimeter Wave Antenna in Package (AiP) Measured in Far-Field by a Vertical Probe Station”, IEEE 20th EPTC, 2018.