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專欄文章

【十分鐘看懂】5G AiP:低溫共燒陶瓷封裝技術

2020-06-03 伍吉嘉

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5G毫米波通訊目前以28/39GHz為主要操作頻段,為滿足高頻與高速傳輸效能需求,以低溫共燒陶瓷封裝技術之AiP逐漸受到重視,該基板材料具有低介質損耗特性,並具有天線與射頻元件高度整合之優勢。

 

隨著毫米波無線通訊發展與應用,例如5G通訊系統,汽車雷達與高解析成像系統等,高增益與高輻射效率之毫米波天線系統在此應用上顯得相形重要。AiP封裝技術可將毫米波陣列天線與射頻元件進行模組化整合,使得各元件間電性連接損耗可達最小化功效。以低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)技術為主之AiP封裝,由於基板具有低介電損失與絕佳的熱傳導性,且易於嵌射頻被動元件於多層基板內,達到射頻模組微型化與高度整合優勢,目前在E-Band車用雷達乃至於更高頻段THz皆有相關應用案例。

 

圖一為LTCC AiP封裝架構,低溫共燒陶瓷技術為將多層陶瓷生胚網印相應金屬層線路,並透過穿孔填充金屬,將各層陶瓷生胚進行疊壓對位,之後再進行燒結成型。由於陶瓷生胚內含高分子材料,因此,在燒結過程中必須有效控制升溫曲線,使得高分子黏著劑與溶劑緩慢裂解揮發,並藉由玻璃相與陶瓷間潤濕性達到基板燒結緻密度。一般用於LTCC金屬層材料以銀膠為主,由於銀熔點為961℃,因此,低溫共燒製程溫度需控制在1000℃以下。由於以LTCC技術實現之AiP,具有多層積板厚度(12.5~250μm)與介電常數(4~75)選擇範圍大之優點,且材質介電損耗低。目前對於極高頻且性能要求高之應用領域,以LTCC製程為主之AiP仍然有不可替代的高頻效能表現。

 圖一、LTCC AiP封裝架構

圖一、LTCC AiP封裝架構

日系被動元件大廠TDK2019發佈可應用於5G毫米波頻段之LTCC AiP天線模組,如圖二所示。該AiP模組為不同介電材料疊壓燒結而成,包括4x4天線陣列佈排於低介電常數材料層,以及帶通濾波器配置於低介電損耗材料層,從而獲取各元件最佳效能表現。該系列AiP模組可支援毫米波頻段26GHz28GHz39GHz,且在環境耐受性與基板散熱能力皆優於以樹脂基板為主之AiP。目前該LTCC AiP模組也成功導入5G通訊基站射頻前端模組上。

 圖二、5G通訊應用之LTCC AiP封裝架構

圖二、5G通訊應用之LTCC AiP封裝架構

 

參考資料

[1] Yueping Zhang, Junfa Mao, “An Overview of the Development of Antenna-in-Package Technology for Highly Integrated Wireless Devices”, PROCEEDINGS OF THE IEEE, Nov. 2019.

[2] TDK’s LTCC AiP Technology Supports 5G Communications, TDK Front Line Vol.3. (https://www.tdk.com/tech-mag/front_line/003)

Ü本文網址:https://www.5g-jump.org.tw/zh-tw/report/content/389



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