章節介紹

本篇論文共分四大章。第一章主要為緒論及毫米波技術的簡介，並且對 近年來 60GHz 頻段制定傳輸規格應用作ㄧ些探討。第二章描述所提之射頻前 端模組內部構裝製程技術，除了構裝製程的步驟之外，還詳細的描述其對應 的金屬機構基座的注意要點。第三章則將所有模組個別量測，並將其組裝在 金屬機構模組之內，並且整合了電磁共振抑制架構，進行模組系統量測。最 後，在第四章做一個總結。

第二章 60GHz 毫米波收發器構裝技術與系統規 劃

在本章節中，將詳細介紹毫米波收發器的構裝所需注意事項及構裝技術，進 而實現了系統化封裝(System On Package ; SOP)整合的概念。首先要探討的是 電路訊號潰入端、訊號潰出端及電源部分的潰入位置也需依照整體系統規劃及單 一元件規格做相對的規劃，其中包含了高頻傳輸路徑（Radio Frequency Path）

是否會有交錯，電源路徑是否跟高頻路徑有交錯，其結果對於系統組裝完成後的

2. 合金共熔製程構裝（Eutectic Die Attach）技術 3. 和覆晶製程構裝(Flip-chip Die attach)技術

除了上列三種製程外，尚須配合磅線(Wire Bonding)的方式來連接 IC 進行 高頻訊號或電源傳輸，將於 2.3~2.7 節中詳細說明。

2.1 60GHz 毫米波收發器系統規劃

在 60GHz 毫米波收發器系統中，共包含了兩個傳輸路徑，分別為 60GHz 毫米 波 發 射 器 傳 輸 路 徑 (Transmitter Path) 與 60GHz 毫 米 波 接 收 器 傳 輸 路 徑 (Receiver Path)，整個系統高頻訊號的潰入端(Input Port)與潰出端(Output Port)包含有:

1. 發射器的系統訊號潰出端(Transformer RF Output)

2. 發射器的中頻訊號潰入端(Transformer IF Input) 3. 接收器的系統訊號潰入端(Receiver RF Input) 4. 接收器的中頻訊號潰出端(Receiver IF Output) 5. 發射器與接收器的本地訊號潰入端(Lo Signal Input)

共需五組高頻潰入端/潰出端訊號。而此五組訊號潰入/出頻率不同，故其連接的 方式也不同，在發射器的系統訊號潰出端與接收器的系統訊號潰入端傳輸的頻率 為 60GHz，故選用 Anritsu V103 的 V 頻段母接頭連接器(V-Band Female Connector) 當作系統訊號的傳遞連接使用，當系統整合完成後，將連接 V 頻段天線，作為系 統發射端與接收端的訊號傳遞；在發射器的中頻訊號潰入端(Tx IF Input)、接 收器的中頻訊號潰出端(Rx IF Output)及本地訊號的潰入端(Lo Signal Input)，

因其傳遞訊號的頻率皆小於 10GHz，故採用 SMA 3.5mm 母接頭，其系統規劃的潰 出/潰入位置如圖 2.1 所示。

圖 2.1 60GHz 毫米波多晶片模組潰出/入規劃位置圖 Tx IF Input

Lo Input

Rx IF Output Tx RF

Output

Rx RF Input

60GHz 毫米波多晶片模組內部電路規劃，包含了 Tx RF Path、Rx RF Path、

在發射路徑(Transmitting Path)規劃了升頻諧波抑制混波器(Up Converter Image Rejection Mixer)、驅動放大器(Driver Amplifier; DA)及功率放大器 (Power Amplifier; PA);升頻諧波抑制混波器在發射路徑中的功用是將中頻訊號 (Intermediate Frequency; IF )與本地訊號(Local Signal; Lo)混頻後，取其 諧波訊號(Harmonic Signals)，並有抑制其他諧波(Image Rejection)的功能；

驅動放大器在發射路徑的功能是將升頻諧波抑制混波器混頻出來的訊號做第一

大，功率放大器為傳送路徑的最後一級，故須針對功率飽和點(P1dB)去挑選合用 的裸晶片，以免驅動放大器達到飽和點，造成了系統發射訊的的失真。

在接收路徑(Receiving Path)規劃了低雜訊放大器( Low Noise Amplifier ; LNA)、帶通濾波器(Bandpass filter; BPF)、驅動放大器及降頻諧波抑制混波器 (Down Converter Image Recjection Mixer)，低雜訊放大器在接收路徑的功用 是將接收訊號放大且能有保有低雜訊的效果；帶通濾波器在接收路徑的功用是將 的潰入端與 60GHz 天線連結使用，此系統的中頻訊號，規劃連結 802.11a/b/g Wifi 無線通訊模組測試。經由上面所描述的，即可劃成方塊圖,如圖 2.3 所示。

RX Module (60GHz) TX Module (60GHz)

LNA IF Amp

DA

2.3 毫米波收發器銀膠製程技術

2.3.1 銀膠製程構裝技術

本節將詳細探討銀膠製程構裝(Epoxy Die Attach)技術，由字意來看便不難 看出，此製成是採用銀膠將裸晶片及氧化鋁薄膜基板黏著固定於系統金屬基座 上，此製程需在落塵數 10000 級以內的實驗室進行，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，實驗室的溫度需控制在 25℃、濕度需控制在 48%，需要於顯微鏡底下作業，

構裝步驟如圖 2.4 所示，後續會對每個構裝步驟詳細說明。

圖 2.4 銀膠製程構裝流程圖

1.材料準備 (Material Prepare)

準備銀膠構裝製程所需要的材料，包含了氧化鋁薄膜基板及金屬基座的設計及製 (Material Prepare)

銀膠塗怖 (Apply Epoxy)

2.金屬基座清潔 (Base-plate Clean):

由於銀膠製程技術的電路設計，需要考量到 RF(Radio Frequency)訊號的走 向及金屬基座的使用空間規劃，而且需要考慮系統模組 IF 訊號、Lo 訊號與 RF 訊號的潰入(Input)與潰出(Output)位置，因為這些訊號不能彼此交錯，不然會 造成訊號間的彼此干擾(Cross talk)，尚須要考慮到直流偏壓潰入位置。在圖

2.5 中，採用銀膠製程構裝設計的傳送器，電路包含了升頻混波器、驅動放大器 及功率放大器。在圖 2.6 中，採用銀膠製程構裝設計的傳送器，電路包含了升頻 混波器及高功率放大器。依照此設計製作級與級間連結所需電路，因傳輸頻率為 60GHz 且有磅線的需求，故採用氧化鋁薄膜基板(Al2O3 Substrate)進行製作，並 需規劃級與級間連接及電源潰入裸晶片所需要的磅線路徑。

圖 2.5 傳送器採用銀膠製程構裝設計規劃圖(一)

圖 2.6 傳送器採用銀膠製程構裝規劃圖(二)

2.3.3 銀膠製程構裝結果

在圖 2.7 及圖 2.8 中，此兩個 60GHz 毫米波傳送器電路是依照圖 2.5 與 2.6 規劃圖製作而成，皆採用銀膠製程構裝而成。

圖 2.7 傳送器採用銀膠製程構裝完成圖(一)

圖 2.8 傳送器採用銀膠製程構裝完成圖(二)

2.4 毫米波收發器合金共熔晶體製程技術

本節將詳細探討合金共熔製程晶體構裝(Eutectic Die Attach)技術，由文 字的字意可看出此種構裝技術，是靠高溫熔解而產生合金的共構，進而將晶體與 氧化鋁薄膜基板黏著固定於金屬載具(Carrier)上，此種技術最主要是靠加熱溶 解金去黏著金屬載具與電路元件，因此對於構裝的黏著面的要求除了平整度要夠 之外，就是黏著面須要鍍金，其中包含了載具的正面、裸晶片、電容及氧化鋁薄 膜基板的背面，這樣才能達到穩定黏著的效果。此製程需在落塵數 10000 級以內 的實驗室進行，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，實驗室的溫度需控制在 25℃、濕度需控 制在 48%，需要於顯微鏡底下作業，構裝步驟如圖 2.10 所示，後續會對每個構

圖 2.9 合金共熔製程構裝疊構圖

圖 2.10 銀膠製程構裝流程圖

1.材料準備 (Material Prepare)

準備合金共熔構裝製程所需要的材料，包含了氧化鋁薄膜基板及金屬載具及製作 等先前作業要先完成，還需準備構裝過程所要使用的裸晶片、電容、AU/GE 及 AU/SN 等。

2. 將 AU/GE 薄片放置於載具上(Add Au/Ge on Carrier)

將適量的 Au/Ge 薄片放置於載具上，此 Au/Ge 薄片將加溫溶解當黏著氧化鋁薄膜 基板與金屬載具使用，故需考慮其黏貼面積與 Au/Ge 的使用量。

模組烘烤 (Curing) 金屬基座清潔 (Baseplate Clean)

裸晶片組裝 (Die Attach)

材料準備 (Material Prepare)

銀膠塗怖 (Apply Epoxy)

3. 置 放 氧 化 鋁 薄 膜 基 板 於 載 具 上 並 加 熱 (Add Substrate on Carrier and

需規劃級與級間連接及電源潰入裸晶片所需要的磅線路徑(Wire bonding Path)。

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。