近几年，在物联网(IoT)和虚拟实境/扩增实境(VR/AR)等新兴应用的驱动下，催生了具有高速传输、低延迟、大频宽、多连结等特性的第五代移动通信网络(简称5G)。目前世界各国主要使用的5G规格有两种，一是频谱范围介于450MHz到6GHz的Sub-6GHz，另一个是「毫米波」(mmWave)， 频谱范围落在较高频的24GHz到52GHz之间。Sub-6GHz是现有4G技术的延伸，基站容易布署，覆盖范围广，因此已成为不少国家电信营运商的首选规格。
然而，因为Sub-6GHz频段多数已经被占用，在资源有限但未来普及率将越来越高的情况下，当Sub-6GHz频段不敷使用时，电信营运商很可能转向mmWave。
mmWave由于频率比Sub-6GHz高出数倍，因而能够支持更高速与大容量的资讯传输，真正实现物联网和VR/AR应用端的低延迟要求，预期将带动新一波数位革命。因此，芯片设计公司无不使出浑身解数，希望打造其产品成为市场主流。
虽然预期mmWave能大幅提升网路速度，但由于电磁波的特性，较短波长的mmWave讯号容易受到周遭环境与地形影响而快速衰减，因此，如果要持续维持高速网路品质，广设基地台是不得不然的作法。除了外在因素，如何让讯号在装置(如手机)内部传输过程中有较低的损耗也至关重要，因而需要考虑天线设计、载体材料、阻抗匹配等问题，这就考验着设计者与制造商的功力。
为了一窥目前市面上最新mmWave芯片内部结构细节，泛铨科技(MSS Corp.)此次分析的重点是高通公司(Qualcomm)设计用于苹果(Apple)最新智能型手机iPhone 12的mmWave封装天线( Antenna in package；AiP)模组——QTM 525。该模组是由Apple官方网站所购买的iPhone 12 Pro手机上拆解下来的，外观照片如图1a所示，图1b则为拆解打开外壳后的正面照片。该AiP模组中包含一个发射器/接收器(Tx/Rx)芯片、一个电源管理芯片(PMIC)以及数个被动组件(如电感与电阻)，mmWAV天线则与下方芯片载板结合在一起。
图1a：Qualcomm QT 525 AiP外观照片。1b：打开AiP外壳后的照片。
拆解分析的第一步是在不破坏AiP试片状况下先确认天线位置，首先利用具有高空间分辨率的3D X-ray扫描整个AiP模组。图2b与图2c为正面与横截面AiP模组X-ray照片，为了便于比较，图2a显示其光学显微镜照片，让读者可以清楚了解X-ray照片与实际影像的差异。由截面Xray照片(图2c )，可以观察到芯片与被动组件下的多层载板结构，其大概厚度由侧边蓝色双箭号标示。
图2a：打开AiP外壳后的照片。2b：AiP正面3D X-ray照片。2c：AiP截面3D X-ray照片，绿色虚线方框标示其中一组mmWave天线结构的位置，载板厚度由右侧蓝色双箭号标示。
仔细观察载板内部结构，可以清楚看到有四个由绿色虚线方框标示的大区块，这些就是5G mmWave天线结构，由X-ray断层扫描分析(图3 )，可以清楚获得天线区块在载板中的分布位置，提供进一步分析需要的截面试片制备关键资讯。
图3：AiP X-ray断层扫描照片，mmWave天线位置较偏向于载板正面，载板背面接PMIC、Tx/Rx芯片以及被动组件。图中绿色虚线方框标示四个mmWave天线结构在载板底部的位置。
尽管由图2与图3的X-ray分析已能观察到天线结构，但为了解析更细致的内部结构，必须仰赖扫描式电子显微镜(SEM)。图4大图是mmWave天线截面扫描式电子显微镜影像，影像涵盖面积大致与上方小图(截面X-ray照片)绿色虚线方框相同，mmWave天线主结构则位于M1-M2之间，该天线是属于偶极子天线(Dipole antenna)，主结构由上下两片近乎正方形的平行金属板(A1 & A2)构成，其边长大约为1.7mm (A1)与1.6mm (A2)。
图4：上图为AiP截面3D X-ray照片，绿色虚线方框标示扫描式电子显微镜分析面积。下图为扫描式电子显微镜照片，偶极子天线位于载板最下方(载板正面，M1–D1–M2)，红色双箭号标示为垂直传输线，载板各层位置由下图左侧黑线与红线标示，M代表金属层，D代表介电层，M8–D8–M9为核心层。
仔细观察图4，此载板为16层的BT树脂载板，第8层(M8)与第9层(M9)金属层之间为核心层，往上(载板背面)与往下(载板正面)各增层7层，分别是M1到M7与M10到M16，各金属层厚度与之间的介电层(由D表示)厚度相对关系整理于图5中，由图中相关尺寸资讯来看，我们发现此载板增层并非是对称性的，往背面增层的介电层厚度较小，尤其越接近背面(D13-D15)，厚度甚至只有第一介电层(D1)的1/5，至于金属层厚度则介于13-17微米之间，所以整体来看，正面厚度大约是背面厚度的1.9倍。为何载板是采用非对称式的增层，这很可能是为了与mmWave波长匹配才有如此的设计考虑。
载板主要是由平面金属层、连结上下金属层的通孔(Via)以及介电层胶体所构成的。平面金属层包含铜箔(Cu foil)与电镀铜(Electroplated Cu)，通孔则是经由定位雷射钻出孔洞后，再利用电镀方式将孔洞填满。在此的观察重点为：电镀铜的品质、电镀铜/铜箔界面、铜箔/介电层胶体接口，以及通孔偏移量。
图5：载板各层厚度图，厚度由SEM影像量测。
图6：比较上图(a, b, c)与下图(a', b', c')——分别利用泛铨科技的新工法以及传统工法制备的截面SEM影像。6a为图4蓝色虚线方框标示”1″的放大影像。6b为a黄色虚线方框标示的放大影像，电镀铜与铜箔之间的界面由蓝色虚线标示，铜芽由红色箭头标示。6c为图4蓝色虚线方框标示”2″的放大影像。6b'为6a'绿色虚线方框标示的放大影像。下图分析位置大致与上图相似，只有研磨深度有些许差异。
铜晶粒方向(Orientation)分布状况是决定电镀铜品质重要的因素之一，铜的粒度(Grain)越大，方向越一致，晶界(Grain boundary)越少，则电阻越小，讯号传输效率越好，如何制备像图4这样大面积(3.5×1.7mm2 )的截面且仍观察到铜的晶粒分布状况并不容易，采用传统方法制备，研磨加上离子切削过程中，因为离子碰撞与扰动所造成的表面损伤，模糊了不同方向晶粒与晶界在电子显微镜成像上的差异，造成分析上的困扰。
为了解决这样的难题，泛铨科技开发大面积截面试片制备的工法，图6上图(a, b, c)与下图(a', b', c')分别比较泛铨新工法与传统工法的差异，利用新工法制备的试片，我们不但可以在金属层(a & b)与通孔(c)结构中清楚观察到不同方向铜晶粒的对比，且电镀铜与铜箔之间的界面(图6b，蓝色虚线)也清晰可见，容易辨认，这与采用传统制备工法(下图)的影像品质有着天差地别的差异。
仔细观察铜箔附近的影像，图6b为图6a黄色虚线方框的放大影像，我们可以清楚观察到铜箔与电镀铜之间的界面(蓝色虚线)是连续的，没有明显缺陷；至于铜箔与与介电层胶体的接合状况，受惠于新制备工法，让材质差异度大的接口原始结构得以保存与分析，由图6b的结果来看，铜箔与与介电层胶体的接合状况相当良好，接口也并没有发现孔洞，至于铜箔铜芽(Cu bud)相关尺寸则整理于参考资料中。
图7：图4蓝色虚线方框标示3的放大影像。
载板中不同金属层是利用垂直传输线(其中两条由红色双箭号标示)透过金属通孔连结以传输资讯，通孔虽是由定位雷射所钻出来的，有一定的精准度，但随着载板制程微小化，失之毫厘，差之千里，通孔中心如果偏移金属线中心太多，则会影响有效承载电流的截面面积，由图7的量测结果来看，此载板钻孔定位的偏差率(Offset ratio)只有4 %，显示载板制造商有相当不错的制程控制。
如何让高频的mmWave讯号在传输过程中减少损耗，正是获得高品质5G讯号最重要的课题。减少讯号传递损耗不单只是材料特性上的问题需要克服，制程技术也需要与时俱进，目前最常被科学与产业界讨论的两大方向为介电损耗(Dielectric loss)与集肤效应(Skin effect)。为了符合高频低损耗的需求，目前研发重心是开发新介电材料以获得较低的Dk与Df值，这不但对目前方兴未艾的5G至关重要，也关乎将来讯号是否能往更高频推进的关键因素。
集肤效应则是因为高频讯号在传输过程中，电流大部份只会在金属表面次微米区间内流动的现象，且频率越高，集肤深度则越浅(图8 )，因此金属的表面粗糙度、晶粒尺寸以及与介电层胶体接合接口状况，都是决定讯号品质重要的关键因素。为了解决此问题，研发工程师无一不设法减少接口粗糙镀，却往往带来接合不佳的问题，这些接合问题常因材料特性差异度大，分析过程产生的研磨应力或离子切削损伤导致的不正常破裂而衍生误判。
图8：集肤深度(δ)与频率(f)关系。
为了协助研发工程师获得最原始/正确试片样貌的资讯，泛铨科技开发独有的无损伤工法，为这类分析提供最佳的解决方案，加速研发时程。图9就是利用无损伤工法制备出的截面试片，不但可以清楚看到不同晶向金属铜的分布状况，铜箔与介电层胶体接合的最原始接口更是一览无遗；另外，由两张嵌入小图的比较也可以得知铜箔的粗糙度有着天差地别的差异，5G铜箔的粗糙度明显比一般主板的铜箔粗糙度小很多。
图9：Oppo Reno 10×。9a：QTM 525 AiP。9b：载板截面SEM影像。内嵌图为圆点附近的放大影像。
就如同高速逻辑芯片跨入先进制程，进入5G时代，为了符合高速传输与低延迟的广大应用，载板结合天线设计也必须朝微型化与细致化方向前进，泛铨科技透过从点、线到面的全方位材料分析，期望让读者对最新5G天线设计有更进一步的了解。
