合金共熔製程電路構裝結果

圖 2.11 60GHz 發射器採用合金共熔製程構裝規劃圖

圖 2.12 60GHz 接收器採用合金共熔製程構裝規劃圖

2.4.2 合金共熔製程電路構裝結果

在圖 2.13 及圖 2.14 中，此兩個 60GHz 毫米波傳送器電路是依照圖 2.11 與 2.12 規劃圖製作而成，皆採用合金共熔製程構裝而成。

圖 2.13 60GHz 發射器採用合金共熔製程構裝圖

圖 2.14 60GHz 接收器採用合金共熔構裝圖

2.5 毫米波收發器覆晶構裝技術

本節將詳細探討覆晶(Flip-chip)製程技術，由文字的字意可看出此種 構裝技術，是將裸晶片翻覆後與與氧化鋁薄膜基板黏著的一種技術，因其黏 著面為裸晶片的正面，故黏著點只有訊號潰出/入點、訊號兩旁的接地點、

直流偏壓潰入點、及增進覆晶強度所增加的支撐點(Dummy)，並沒有整個裸 晶片面都黏著，而是距離氧化鋁薄膜基板有一定的距離。其製作方式是設計 氧化鋁薄膜基板上的線路，使其能與裸晶片覆晶時配合，並於氧化鋁薄膜基 板上製作完成後，並於覆晶黏著點要先鍍上 50um 的金凸塊（Gold bump），

機進行構裝，如圖 2.16 所示。此機器的構裝方式是分別先採用真空方式將 氧化鋁薄膜基板與裸晶片吸附，利用熱將金凸塊與裸晶片表面的電路結合共 構，其結合所需要的力量(Force),加熱的溫度及時間都跟裸晶片大小及金凸 塊多寡有關。此製程構裝過程須注意靜電(Electrostatic Discharge; ESD) 防護，包含製程中所使用到的機器與儀器設備。覆晶構裝疊構完成後，如圖 2.17 所示。

圖 2.15 氧化鋁薄膜基板上製作金凸塊

圖 2.16 覆晶構裝機

圖 2.17 覆晶構裝疊構圖

法傳遞訊號，由圖 2.19 所示，為覆晶製程疊構圖，由疊構圖對應高頻傳輸介電 損耗，如表 2.1 所示。

圖 2.19 覆晶構裝高頻訊號傳輸路徑疊構圖

Dielectric constant Loss tangent

Substrate

(Al2O3)

9.7 0.0002

Chip

(GaAs)

12.9 0.005

Underfill

(epoxy-based)

3~5 ~0.02

Air

~1 ~0

表 2.1 覆晶製程高頻傳輸介電損耗表

由表 2.1 可得知，覆晶構裝製程所得到的高頻傳輸介電損耗表，可知覆晶製程符 合高頻構裝使用。

覆晶構裝製程訊號傳輸採用金凸塊構裝技術，故其高頻訊號由金凸塊傳遞；

而銀膠構裝製程與合金共熔製程採用磅線技術，故其高頻訊號由金線傳遞，其高 頻訊號的傳遞介質及長短不同，其所產生傳輸路徑等效的電感值，也會有很大的 差異，使其電路造成的影響程度也不相同，如表 2.2 所示。

Method FC WB Interconnect Bump Wire Interconnect length/ mm 0.1 1

Inductance / nH 0.05-0.1 1.0-2.0

表 2.2 覆晶製程與磅線比較表

覆晶構裝製程完成後，在 2.3 節討論的銀膠製程將整個覆晶模組黏著於系統 模組的金屬基座上，如圖 2.20 所示。

圖 2.20 覆晶模組與金屬基座疊構圖

2.5.1 覆晶製程電路規劃

除了上述的製程考量外，尚須注意的還有電路設計與制作，在電路設計上，

須先規劃覆晶製程構裝模組所須要的氧化鋁薄膜基板大小，以符合電路規劃的訊 號潰入端、訊號潰出端、電源的潰入端及磅線連接方式，並且還要考慮此模組如 何與整個大模組的電路構裝，都須列入電路設計的考慮範圍。設計規劃 60GHz 覆 晶製程構裝傳送路徑模組與接收路徑模組，如圖 2.21 與 2.22。

圖 2.21 60GHz 接收路徑採用覆晶製程構裝規劃圖

圖 2.22 60GHz 傳送路徑採用覆晶製程構裝規劃圖

2.5.2 覆晶製程電路構裝結果

依照圖 2.21 與 2.22 設計規劃，採用覆晶製程構裝完成 60GHz 毫米波傳送路 徑模組與接收路徑模組製做，如圖 2.23 及圖 2.24 所示。

圖 2.23 60GHz 接收路徑採用覆晶製程構裝圖

圖 2.24 60GHz 傳送路徑採用覆晶製程構裝圖

2.6 構裝金屬載具基座設計

金屬機構基座(Housing base)對 60GHz 毫米波 MCM 模組做為接地、散熱與 機械支撐用，同時亦方便各模組之量測與功能驗證。金屬機構基座的構裝結構可 提供機械與溼氣防護，提供介於電路和系統間電與熱的連接，並能預防寄生電磁 干擾。此構裝架構通常包含一金屬基座(做為熱傳導和機械支撐)、射頻電路、模 組基板、金屬塗料密封環(seal ring)、及提供機械、電子與溼氣防護之金屬上 蓋。。在 2.3 節、2.4 節與 2.5 節中，詳細的說明了所有裸晶片(Bare Die)應用 於毫米波多晶片的構裝方式，其構裝製程的不同，則其所對映的構裝金屬基座設 計也不同，後續將分項詳細說明。

2.6.1 銀膠構裝製程金屬機構基座設計

使用銀膠構裝(Epoxy Die Attach)製程時，其所金屬基座設計需針對裸晶、

氧化鋁薄膜基板及其他電路的置放位置，在其厚度較薄的裸晶片置放位置進行凸 島設計，使組裝完成後其裸晶片表面與氧化鋁薄膜基板等高，如圖 2.25 所示。

如果沒有設計金屬凸島的話，也可將較薄的裸晶片先經過合金共熔構裝製程，構 裝鍍金金屬薄片(Thick Moly Tab)，使其厚度增加後，再來進行銀膠構裝製程。

圖 2.25 銀膠製程構裝疊構圖

2.6.2 合金共熔構裝製程金屬機構基座設計

使用合金共熔構裝(Eutectic Die Attach)製程，需要有單獨的鍍金載具 (Carrier)，但其所使用的機械機構基座較容易設計，只須在機械機構基座先規 劃出其載具大小和其載具固定所需的螺絲孔位，如圖 2.26 所示。等待鍍金載具 上的線路組裝完成後，再將其固定到此機械機構基座中，並將其訊號潰入端、訊 號輸出端及電源供應端加以磅線(Wire Bonding)，合金共熔製程構裝模組就組裝 完成了，如圖 2.27 與圖 2.28 所示。使用此種組裝方式，因鍍金載具須加螺絲固 定於機械機構基座上占了相當的空間，使得整個多晶片模組(multi-chip module) 的大小變的更加的龐大，但此機械機構基座的設計相較於另外兩種製程簡單;在 其在鍍金載具上的電路組裝，因為裸晶的高度與氧化鋁薄膜基板(Alumina Thin-Film substrate)會有構裝會有高度落差，故須於裸晶下方加墊一塊薄的鍍 金金屬薄片(Thick Moly Tab)，使組裝完成後其裸晶表面與氧化鋁薄膜基板等 高，如圖 2.29 所示。

金屬凸島

圖 2.26 合金共熔製程構裝機械機構基座設計參考圖

圖 2.27 合金共熔製程構裝機械機構基座完成圖

圖 2.28 合金共熔製程構裝模組與機械機構基座構裝圖

圖 2.29 合金共熔製程構裝疊構圖

2.6.3 覆晶構裝製程金屬機構基座設計

因覆晶製程構裝所使用的氧化鋁薄膜基板上的傳輸線路皆為共面波導 (Coplanar Waveguide;CPW)架構，故需要於此氧化鋁薄膜基板上 CPW 構裝於機械 模組的位置，需挖出對應的孔洞，以免氧化鋁薄膜基板上的傳輸線變成 GCPW，

影響電路傳輸特性，如圖 2.30 所示。再配合銀膠構裝製程技術，將覆晶多晶片 模組構裝於機械基座上。

圖 2.30 覆晶製程構裝金屬機構基座設計參考圖

2.7 關鍵製程技術選擇與應用

在 2.3 節、2.4 節與 2.5 節中，詳細的說明了所有裸晶片、氧化鋁薄膜基板 及電容應用於毫米波多晶片的構裝製程技術，並於 2.6 節中詳細說明構裝製程技

術所對應的金屬機構基座設計，但要如何的去選擇合適構裝製程技術呢?以下將

6. 晶片接地特性較佳。

缺點:

1.採用獨立的金屬載具,且載具表面需鍍金處理，故成本較高。

2.採用金融解共構，故其成本較高。

3.金屬載具需用螺絲固定於金屬基座，故其體積較為龐大。

2.7.3 覆晶構裝製程技術優缺點 優點:

1. 可以減少晶體磅線數量與磅線產生電感效應的影響。

缺點:

1. 需要於氧化鋁薄膜基板上長金凸塊(bump)，故其製程較複雜 2. 氧化鋁薄膜基板使用量較大。

3. 基板還需要靠銀膠製程構裝於金屬基座。

4. 晶體接地面太小，導致散熱差，易受干擾。

2.7.4 構裝製程技術總結

應用在毫米波的構裝製程技術不段的進步，每一種構裝製程技術也各有其優 缺點，但只要能充分運用設計，一定能構裝至做出好的產品。

第三章 60GHz 毫米波多模組整合與量測

在本章節中，將詳細介紹毫米波收發器的構裝技術及構裝所需注意的事項，

並於構裝系統加入做了實現了系統化封裝(SOP)整合的概念。如圖 3.1 所示，此 為構裝完成後的收發器的訊號饋入/出位置圖，此訊號饋入/出的位置與一開始規 劃有差異，最主要是把整個模組設計的更小，因而改變 TX IFINPUT 與 RX IFOUTPUT

的位置，使收發器模組的空間更能夠妥善運用，進而減少訊號在模組內的傳遞路 徑，可以達到減少訊號的損耗與干擾。

圖 3.1 60GHZ毫米波多晶體模組饋出/入圖

3.1 元件之間的耦合效應

由於本篇論文所選用元件操作頻率非常高，電路中各種主、被動元件很容易 產生電磁輻射，造成不同元件間的電磁耦合。構裝結構設計的好壞，將影響整個 電路的電氣特性。由於波長短的些微尺寸的差異皆會產生特性改變。因此必須對 整體設計之構裝結構進行嚴格的三維電磁分析，方能克盡其功。

構裝內之寄生空腔效應可藉由數種技術來抑制。最簡單的方法是減少構裝尺 寸或適當設計結構，以提高空腔模態(cavity modes)及導波管模態的截止頻率

當所欲整合之模組增加，或操作頻率增加時，構裝結構內的電子尺寸亦將隨之增

(Stopbands)的共振頻率(Resonant Frequency)，達到防止傳送電路模組 (Transmitter module)、接收電路模組(Receiver module)與本地訊號(Local Signal)間相互干擾，EBG 架構去抑制其耦合現象，後續將分項詳細說明。

3.2.1 常見的電磁能隙架構種類

常見的電磁能隙架構可分為下列四種類型:

圖 3.2 中心點連結型 EBG Cell [2]

圖 3.3 環狀型 EBG Cell [2]

圖 3.4 平面實心型 EBG Cell [2]

圖 3.5 混合型 EBG Cell [2]

將中心點連結型 EBG Cell、環狀型 EBG、平面實心型 EBG Cell 或混合 型 EBG Cell 排列成週期型(periodic structure)的架構，便能等效成電容 與電感並連，經過設計後產生所要的截止共振頻率，達到防止模組間相互干 擾現象。上面所介紹的是二維度的 EBG(UC-EBG)架構，更可以將其加以改良，

將平面實心型 EBG Cell 加入了金屬灌穿孔(VIAs)，便是 3 維度的 EBG 架構，

如圖 3.6 所示。

圖 3.6 3 維度 EBG Cell [2]

3.2.2 電磁能隙架構位置規劃

在整個系統模組中，將利用各個模組組裝的剩餘空間，採用厚度為 20mil，介電係數為 3.5 的陶瓷基板(Roger 4003)，初步規劃了規劃 EBG 的 位置，共有兩個方案，如圖 3.7 與圖 3.8 所示；在圖 3.7 中，將 EBG 位置設

Via hole PMC

PEC

Ground plane

計在傳送器與接收器的偏壓穩定電路板子上，利用偏壓穩定電路剩餘的空間

計在傳送器與接收器的偏壓穩定電路板子上，利用偏壓穩定電路剩餘的空間