專欄文章

為因應第五代行動通訊系統在毫米波(mmWave)頻段(如28GHz /39GHz頻帶)，所提出之一種微小尺寸整合技術。封裝體將天線與射頻系統模組化，天線封裝基板堆疊架構之採用與考量，就顯得相當重要。

近年來，研發方向逐步朝向系統級封裝(SiP, System in Package)技術，藉由封裝技術將以不同材料為基礎的功能元件結合於單一系統中，提升系統性能性並減少功耗；而天線封裝（AiP, Antenna in Package）技術則是著重在天線與射頻電路之整合，乃由SiP概念延伸出來。以天線的角度來看，由於在前幾代的行動通訊規範下，我們所採用的頻率較低頻，路徑損失較小，只需單一天線單元即可完成傳播訊號之目的。進入第五代行動通訊，由於基板的高損耗特性，容易因多重路徑傳播(Multipath propagation)使得電磁波快速衰減，同時為了輕薄短小之需求，將IC晶片以及天線做在同一封裝體中，將是一大挑戰。本文從天線封裝基板堆疊架構出發。

天線封裝基板堆疊架構

首先，天線負責將輸出訊號輻射至大氣中以傳播，而主動電路必須將訊號在元件及走線內部傳輸，任何輻射對它們來說將是嚴重干擾，因此整合上需要依靠多層板，用金屬層將其隔離並作為共用地。其次，建構天線陣列時，最常見的天線單元為微帶天線(Microstrip antenna)，具有面積小、增益高、易於設計與製造之優勢。然而，微帶天線的輻射機制為空腔(cavity)輻射，限制上需要較厚之板材才能達到其應具備之輻射頻寬，因此必須引入多層板架構，並且採用較厚之板材以支持其輻射特性，對於原本應該要將元件越作越小的目標有所取捨，成本也隨之提高。

下圖所示的是台大團隊開發中的AiP Substrate Design。以較厚的核心層(core)為中心，上下對稱的各3層介質層及4層金屬層相互疊加構成，形成平衡式布局(Balanced SBT)架構，總厚度為0.85 mm。上層為微帶天線陣列，下層為走線及RF模組，中心層兩側的金屬層作為地層，使彼此特性不會相互影響，將其整合在一起形成一個天線封裝體。最外層需要用綠漆覆蓋以避免氧化。

圖、天線封裝基板疊構側視圖

封裝製程整合

基板的構造為環氧樹脂與經浸泡乾燥後的玻璃纖維布(glass fabric) 結合，稱作黏合（prepreg）作為介電層，而決定好銅箔厚度之後，藉由機械力高溫高壓使其結合在一起而成為銅箔基板。製程方面有低溫共燒陶瓷(LTCC)、高密度互連技術(HDI)以及多層板疊構等許多種類的製程。大部分的樣品製作上會使用半加成法(modified-semi-additive process；mSAP)的封裝流程，以中心層向外鋪銅→上光阻→蝕刻的方式疊合。

在設計時須考慮製程上的限制，需考慮以下重要參數：

(1)   感光綠漆 (Solder mask)

製程上會將基板之上下兩側蓋上綠漆以避免銅氧化，但在設計上多層板上層天線(尤其是常見的微帶天線)會受到綠漆之介電常數改變，輻射增益和操作頻寬會受影響，因此在天線設計時須預先加以考慮。

(2)   通孔壁(Via)

平衡式布局之多層板疊構架構中，一般交疊之金屬層和介質層，採用雷射鑽孔(Laser via)，一次鑽孔最多可穿過三個介質層，每當通過一個沒有金屬覆蓋之金屬層時，必須多給一個墊(Pad)以增加鑽孔精準度，若通過金屬覆蓋之金屬層但沒有電性連接，必須在靶外層增加絕緣錫墊(Anti-Pad)隔離。本文使用較厚之中心層(core layer)，由於厚度較厚，須採用較大孔徑之電鍍通孔(PTH, Plating Through Hole)，在走線設計上需考慮其引進之較大之電感性。

(3)   鋪銅率(Copper ratio)

為維持製程穩定性，每一層金屬層金屬銅覆蓋面積至少占整層15%以上，並且以中心層(core)作為基準，對稱層銅覆蓋面積差異小於35%，以避免造成基板翹曲(warpage)而造成良率下降之問題。

(4)   覆晶封裝(Flip Chip)

在毫米波高速封裝之下，主要封裝解決方案是覆晶封裝，將晶片連接點長凸塊(bump)，然後將晶片翻轉過來使凸塊與基板（substrate）直接連結。與傳統的打線技術(Wire Bonding)相比，倒裝晶片具有較好的熱性能和電氣性能，可滿足不同性能要求的基板靈活性，提供較低尺寸以及穩定的結構。不過相較之下成本高出許多。

參考資料

[1]  D. Liu, X. Gu, C. W. Baks and A. Valdes-Garcia, "Antenna-in-Package Design Considerations for Ka-Band 5G Communication Applications," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 12, pp. 6372-6379, Dec. 2017.