中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目: 射頻功率放大器模組(RF Power Amplifier Module) 自動量測系統與失效模式分析之研究

系 所 別：科 技 管 理 研 究 所 學號姓名：E09003009 劉文鈞 指導教授：賀 力 行 博 士

中華民國 九十二 年 一 月

摘要

射 頻 功 率 放 大 器 模 組 (Radio Frequency Power Amplifier Module)為 無 線 通 訊 系 統 中 主 宰 訊 號 發 射 之 增 益 (Gain)與 輸 出 功 率強度 (Output Power)之關鍵性零組件，因通訊系統所使用之頻率 日益增高，其操作頻率 (Operating Frequency) 已 由 800/900MHz 提高至 ISM Band 所屬之 2.4GHz 及 5GHz 頻率區段，其中所需之 各項製程技術，已非傳統較低頻元件使用之傳統製程及儀器所能 完成，因此除了在元件設計階段，必須導入高頻特性較佳之砷化 鎵(GaAs)晶圓製程，在產品驗證及量產階段，急需快速之高頻自 動量測技術與系統失效模式分析等相關技術相互配合，以達到產 品驗證及大量高速量測之生產製程技術。

本研究係針對射頻放大器元件之量測，提出一種可行之整合 量測系 統，其中結合精密機械、伺服控制、微波電路設計、高頻 量測技術、程式化自動量測技術、統計技術及失效模式預測 及分 析(FMPA)等不同專業領域技術予以高度整合，以提供快速且精準 之先進製程技術，其核心模組包含：(i)精密移載機構模組；(ii) 伺服控制模組；(iii)高頻量測儀器整合模組；(iv)自動量測軟體模 組；(v)失效模式預 測及分析模組，以解決高頻放大器元件驗證及 量產之技術瓶頸。

本研究之射頻功率放大器模組自動量測系統，可成功的經由 上述各模組整合運作，完成精準且快速之量測，其系統流程係由 精密移載機構模組，執行進料 裝填、移載、嵌入及退料，其動作

乃經由伺服控制模組之可程式邏輯控制器，對各控制點之氣壓電 磁閥作循序控制，並與自動量測軟體控制迴路相結合，一 旦 待測 件 (Device Under Test)嵌入精密定位之模擬應用電路板(Ducking Board)，自動量測程式模組立刻啟動，以低損耗高頻纜線所聯結 之高頻量測儀器模組依循指令，測試各項電特性，其中包括直流 特性及各項高頻特性；例如：靜電流 (Quiescent Current) 、小信 號增益 (Small Signal Gain)、反射損失 (Return Loss)、最大輸 出功 率(Max. Output Power) 、相位角(Phase Angle)等等之各項電器特 性，皆可在極短之數十毫秒(Mini-Sec)內完成單項測試，至於全 頻段、多功率點之完整電特性規格值，亦可於２∼3 秒全數完成，

已測元件隨即經由自動退料裝置取出，並自動依測試結果置入導 管，以達成量產之自動、快速與精? 之需求。

本研究之量測系統所執行之全部量測數據，皆完整且即時地 儲存於電腦中，並可經由網路即時存取，進行各項生產管制圖之 即時監控，以及批量之各項統計分析，並可執行後續之失效模式 預測及分析 (Failure Mode Prediction and Analysis)，對量產化之產 品，能有效地預測失效模式，並找出可能之失效點； 於製程之初 始階段， 立即建立製程參數修正機制， 以預測模型之結果， 修正 製程參數，以求立即改善品質並提昇生產良率等效益。

關鍵字：射頻功率放大器、高頻模組、微波元件自動量測、失效 模式效應及分析、預測模型

Abstract

The automatic measurement in RF Power Amplifier Module is a major engineering task in wireless communications for producing the RF components. Due to the higher working frequency, from 800/900 MHz up to 2.4 & 5GHz which covering by ISM band for commercial applications, the traditional technology in testing process can’t fit the request of speed and accuracy for mass production with the limitation of instrument and matching issue.

The major task of the research is to provide a sort of automatic system solution for producing the RF Power module in fast and accuracy by several core module from different technology, which including (i) handler mechanisms module, (ii) server control module, (iii). integrate microwave instrument module, (iv) software module, (v) failure model prediction and analysis module.

The system had been proved in mass production, as a kind of automatic facility, for measuring the RF components by the quick and accurate approach. The electrical parameters of RF Module can be taken in Mini-Sec level, and full range specifications in 5GHz band width can be done within 2~3 seconds, which exactly fit the requirements of high productivity.

Keywords：RF Power Amplifier module, RF automatic measurement, Wireless communications, FMEA, Prediction Model

誌謝

本論文能夠順利完成，首先感謝指導教授 賀力行博士，給與 多方面的指導，並提供各項之支援與鼓勵，在此致上最誠摯的敬 意與感謝。在論文口試期間，承蒙口試委員王冠吾博士、李友錚 博士抽空閱覽我的論文，對於本論文提出諸多寶貴意見與建議，

致使本論文更完善，於此表達我由衷的感謝。

最後，感謝我摯愛的妻女與年邁的母親，在我重新踏入校園 期間給予最大的容忍與鼓勵，使我能專心研究；期望本研究之內 容、對社會國家能有所貢獻，在此願 將我完成論文之 榮耀與喜悅 和大家分享。

目錄

中文摘要… … … ..i

英文摘要… … … ..… … … … .… iii

誌謝… … … ..… … … ..iv

目錄… … … ..… … … ...v

圖目錄…

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表目錄… … … .… ..… … … ..… ..ix

第一章 緒 論… … … ..… ..… … … ..1

1.1 研究動機與背景 ... 1

1.2 研究目的 ... 4

1.3 研究範圍與假設 ... 6

1.4 研究方法及架構 ... 8

第二章 文獻探討.… … … ...11

2.1 微波基本原理與高頻元件特性 ... 11

2.1. 1 高頻放大器元件特性 ... 12

2.2 半導體元件量測及製程分析相關文獻 ... 16

2.3 失效模式之效應與分析相關文獻 ... 19

第三章 研究方法與架構… … … 23

3.1 自動量測系統研究之方法及步驟 ... 24

3.2 自動量測系統流程分析 ... 26

3.3 自動量測系統架構及介面 ... 28

3.4 量測及控制軟體流程... 30

3.5 嵌合匹配設計及網路分析 ... 31

3.5.1 嵌合聯結元件 ... 31

3.5.2 嵌合介面電路板設計 ... 32

3.5.3 S-參數量測及網路分析 ... 37

3.6 精密移載機構設計 ... 39

3.6.1 機構分項模組 ... 39

3.6.2 機構設計因子 ... 41

3.7 嵌合壓力量測實驗與統計分析 ... 43

3.7.1 實 驗測試條件 ... 41

3.7.2 嵌合壓力 量測數 據 ... 41

3.7.3 統計分析 ... 41

3.7.4 實驗結論 ... 41

3.8 失效模式效應分析 ... 48

3.8. 1 FMEA 系統架構與流程 ... 49

3.8. 2 失效模式預測模型 ... 51

3.8. 3 FMEA 風險優先度(RPN)評價法... 59

第四章 自動量測系統驗證… … … 62

4.1 系統量測速度驗證 ... 67

4.2 S 參數量測驗證 ... 67

4.3 失效預測模型驗證 ... 67

第五章 結論與建議… … … 67

5.1 結 論 ... 67

5.2 建 議 ... 69 參考文獻… … … . . 71

圖目錄

圖 1.1 全球無線區域網路市場值預估 ... 3

圖 1.2 全球 WLAN 各地區市場值預估 ... 3

圖 2.1 輸出功率定義圖 ... 13

圖 2.2 線性功率定義圖 ... 14

圖 2.3 特性阻抗等效電路圖 ... 16

圖 3.1 自動量測系統之研究方法及步驟圖 ... 25

圖 3.2 自動量測系統流程圖 ... 27

圖 3.3 自動量測系統架構及控制介面 ... 29

圖 3.4 自動量測軟體控制流程 ... 30

圖 3.5 自動量測軟嵌合結構示意圖 ... 31

圖 3.6 嵌合聯結器剖視圖... 32

圖 3.7 微傳輸線結構圖 ... 33

圖 3.8 嵌合介面電路板 ... 37

圖 3.9 傳輸線等效電路 ... 38

圖 3.10S-參數量測與網路分析 ... 38

圖 3.11 嵌合壓力與 S11 比較圖 ... 44

圖 3.12 嵌合壓力與 PHASE ANGLE 比較圖 ... 45

圖 3.13 失效模式分析流程圖 ... 50

圖 3.14 轉換函數網路模型... 51

圖 4.1 不同頻率之 S 參數量測比較圖 ... 65

表目錄

表 3.1 介電係數表 ... 34

表 3.2 嵌合壓力與 S 參數量測比較表 ... 44

表 3.3 嵌合壓力與 S11 敘述統計 ... 45

表 3.4 嵌合壓力與 S11 成對比較表 ... 46

表 3.5 調整後嵌合壓力與 S11 敘述統計 ... 46

表 3.6 嵌合壓力與 PHASE ANGLE 之敘述統計 ... 47

表 3.7 嵌合壓力與 PHASEANGLE 成對比較表 ... 47

表 3.8 相關系數強度表 ... 54

表 3.9 輸入變數 X 與輸出變數 Y 之平均數分析表 ... 56

表 3.10PEARSON 相關係數矩陣析表 ... 56

表 3.11 預測力檢定分析表 ... 57

表 3.12 預測力 ANOVA 檢定分析表 ... 57

表 3.13 預測模型係數表 ... 58

表 3.14 嚴重度計分表 ... 59

表 3.15 發生度計分表 ... 60

表 3.16 難檢度計分表 ... 60

表 3.17 風險優先度(RPN)評 估表 ... 61

表 4.1 S 參數量測數據表 ... 63

表 4.2 S 參數量 測敘述統計 表 ... 63

表 4.3 S 參數量 測相 關係數 表 ... 64

表 4.4 S 參數量 測迴歸模型表 ... 64

表 4.5 S 參數量 迴歸係數表 ... 64

表 4.6 S 參數量 測成 對 T檢定表 ... 65

表 4.7 預 測模型殘差表 ... 66

表 4.8 實 測驗證誤差 表 ... 66

第一章 緒 論

1.1 研究動機與背景

隨著資訊與通訊產業的蓬勃發展與跨領域技術之結合，無線 傳輸科技成為本世紀通訊產業的重要指標，舉凡行動電話通訊系 統、無線網路設備、衛星通訊系統、遙測技術及軍用科技之導控 系 統 ， 皆 屬 無 線 通 訊 科 技 相 關 產 業 ， 然 而 射 頻 功 率 放 大 器 模 組 (Radio Frequency Power Amplifier Module)更為無線通訊系統之 關鍵核心技術，主導系統傳輸之效率、功能及技術規格，例如：

訊號發射增益 (Gain)、輸出功率強度(Output Power)、輸出功率線 性度 (Linearity)、 發射效率 (Efficiency)等等，其影響所及，除無 線通訊系統傳輸距離之遠近、訊號之清晰與否、乃至耗用電源之 效率高低，無一不是由射頻功率放大器模組所主導，因此射頻功 率放大器模組各項規格之優劣對無線通訊系統之重要性，自然不 可言喻。

由於上述之射頻功率放大器模組，屬高頻微波元件，其核心 電 子 電 路 係 由 砷 化 鎵 (Gallium Arsenide)為 主 之 異 質 接 面 雙 載 子 電晶體 (Hetero-Junction Bipolar Transistor, HBT) 等之單晶微波積 體電路 (Monolithic Microwave Integrated Circuit)所組成，其高頻 特性方能滿足目前無線通訊系統，例如， Hyper LAN,IEEE802.11 a/b/g 等無線傳輸數位系統，皆已廣泛應用於 5GHz 及 2.4GHz 之 高頻頻寬之中，而過去矽晶圓製程所提供之 CMOS 等元件產品，

無法滿足上述之高頻需求，只有依賴本研究所述之射頻功率放大 器模組，其不但提供各項完整之各項電器特性，並在高頻及高功 率方面有極優異的表現，因此廣泛運用於蜂巢式行動通訊系統之 基地站、移動手機及無線網路卡等相關通訊產品之中，並主導下 一代無線通訊系統之各項重要無線傳輸規格，其製程技術除使用 砷化鎵特有之銦介質鑄晶 ( InGaAs Foundry Process)製程外，在元 件 封 裝 技 術 亦 採 用 高 頻 模 組 元 件 所 特 有 之 介 電 基 材 覆 模 封 裝 技 術( Dielectric Substrate Over Molding Package )，並以無焊腳晶元 裝載 ( Leadless Chip Carrier)方式呈現，由於屬於無焊腳元件，其 對測試嵌接之高頻匹配性(Matching)要求甚高，一般之元件測試 系統，甚難提供自動高頻量測及快速而準確之量產用系統，因此 本研究針對高頻功率放大器模組之量產需求，透過跨領域技術整 合及統計分析方法之驗證，提出一套可行之自動量測系統，以提 升產業界檢測能量，除能降低成本外，並能有效 控管產品品質，

強化產業在市場之競爭力。

無線通訊技術與數位系統結合，形成數位通訊系統，其系統 技術發展快速，應用面涵蓋 3C 產業，造成市場需求大增，其中 無線網路傳輸產業之產值，正逐年攀升中，如圖 1.1，為 IDC 及 In-Stat 於 2002 年四月提出之預測，對全 球 WLAN(Wireless Local Area Netwrok)市場之預估，其中 IDC ，認為全球 WLAN 產品銷 售量 2002 及 2003 年皆成長約四成，2000~2006 年的綜合成長率

為 35%，至於市場值因價格下跌，2002 及 2003 年成長率約三成，

2000~2006 年綜合成長率為 20.7%，另外 In-Stat 的估計，總產值 由 2002 年之 20 億美元一路攀升至 2005 年之 50 億美元，圖 1.2 為 IDC 2002 年四月，對全球 WLAN 各地區市場值預估。

圖 1.1、全球無線區域網路市場值預估

圖 1.2、全球 WLAN 各地區市場值預估

由於台灣致力於高科技產業之製程研發，早已成為 WLAN 之全球生產重鎮，年出貨量佔全球總數量之 80%，且預計於 2003 年 WLAN 產值仍可大幅成長五成以上， 因為台灣廠商市場佔有 率逐年提高，因此成長率高於全球，應有 10％ ~30%的持續季成

長空間。 因此，隨著市場需求迫切及出貨量快速成長，發展無線 通訊用射頻模組之相關自動化測試系統，已刻不容緩，本研究即 針對其中關鍵性元件－射頻功率放大器模組，以整合高頻微波量 測儀器、量測治具及設備、機構設計、精密定位系統設計及軟體 控制系統，發展可自動量測之量產用量測系統，藉此控管品質及 提升產能，並借由統計技術及 失效模式分析，提供產業完整之自 動化解決方案。

有鑑於斯，本研究所提出之製程技術，提供射頻功率放大器 模組，進行精密高頻自動量測，不但整合跨領域之自動化生產系 統，以及高頻自動量測技術，並以快速生產之專用系統，克服傳 統技術之瓶頸；再佐以失效模式及效應分析，其中本研究之重點 為失效預測模型之建構，以多因子迴歸分析為基礎，加上量產製 程所累積之資料庫，進行預測數學模型構建，在確認模型之預測 力之後，投入量產製程中，擔任各項製程參數之設定依據。經由 預測參數執行生產之結果，再匯入模型構建之資料庫，以驗證模 型之準確度，並藉以修正模型。因此，能積極係協助量產製程之 工程分析，使其在製程及工程設計時，早期發現潛在缺陷及其影 響程度，若能及早謀求解決之道，則可避免失效之發生或降低其 發生時產生之影響，提供系統品質及可靠度之改善機制，而為一 完整之量產系統。

1.2 研究目的

高頻微波元件，一直廣泛運用於軍用武器系統及航太工業，

由於市場需求及產業形態限制，對於大量生產相關製程技術及研 究，文獻多無著墨；近來由於數位資訊產業科技發達，帶動數位 通訊系統之科技成長迅速，高頻微波元件已廣泛運用於民間消費 性產品，其需求量亦隨之納入半導體產業中高需求量之項目，各 項相關之製程技術，也紛紛由軍用及航太工業轉入一般之民生工 業，然而在大量生產製程中之自動量測技術，仍甚匱乏，所知之 量測系統，多維持以往軍用及航太工業之架構，不但價格昂貴，

構建及操作不易，且自動量測系統之工作頻率較低，多在 3GHz 以下，無法與目前廣泛運用於民生用途之較高頻帶 I.S.M Band (2.4GHz, 5.xGHz)接軌，或者利用半自動之實驗室量測方式進行 人工量測，無法滿足現今市場之大量需求。

所謂滿足量產需求，無非是提供高頻元件各項電器規格及 特性之量測，然而元件不同，其測試條件及方 法迥異。本研究之 目的，係依半導體元件製程所需，針對上述高頻元件之功率放大 器，進行自動量測系統研究，並經由量測結果之大量數據，構建 失效模式及效應分析(FMEA)，並將各階段所產生之不同失效模 式於以歸類後，反饋於設計乃至於製程等一貫流程，建立產品品 質及可靠度之各項改善機制，以符合元件量產所需之各項要件。

因此，本研究主要之目的為－ 提供一種快速且準確之生產用量測 系統，其特性如下：

1. 速度—係指自動化量測速度，衡量指標為：

電器特性 測試時間 (Tr： RF/DC Test Time)、 IC 重複定位時間

(Ti： Index Time)、 全循環時間(Tc：Cycle Time)、 卡料中斷率 (Jam Rate)。

2. 精準度 —係指量測準確性，衡量方式：平均數之 t 檢定及變異 數分析。

3. 重覆性 —係指量測系統所需之生產一致性，衡量方式：平均數 之 t 檢定及變異數分析。

4. 可靠度—係指待測物之產品不良之改善與預防。

5. 系統其它特性及功能—操作簡易性、生產彈性。

本 研 究 針 對 射 頻 功 率 放 大 器 模 組 各 項 電 器 特 性 進 行 自 動 量 測之分析，並提出一種完整可行之自動化量測系統，以構建半導 體製程中高頻微波元件所需之自動量測能量，滿足因通訊產業之 高速成長，所造成對元件產量需求之殷 切，然而學海浩瀚， 本研 究自有其範圍限制與基本假設，茲敘述於下。

1.3 研究範圍與假設

類比通訊電子元件種類甚多，尤其近來通訊系統日趨複雜，

數位與類比電路經由高密度之積體電路整合後，各元件之區隔與 界線日益模糊，本研究整理相關文獻所述予以分類如下：

1. 依元件頻率分類，諸如：音頻元件 (Audio Frequency Devices)、

射 頻 元 件 (Radio Frequency Devices)、 微 波 元 件 (Microware Devices)及毫米波元件(Millimetreware Devices)等。

2. 依元件性質分類，諸如：被動元件 (Passive Devices)與主動元 件(Active Devices)。

3. 依元件功能分類，諸如：振盪器 (Oscillator)、濾波器 (Filter)、

功率分岐器 (Power Divider)、基頻元件(Base Band Device )、天 線 (Antenna) 、 混 波 器 (Mixer) 、 功 率 放 大 器 (Power Amplifier) 、 頻 率 合 成 器 (Frequency Synthesizer) 、 二 極 體 (Diode) 、 電 晶 體 (Transistor) 、 低 雜 訊 放 大 器 (Low Noise Amplifier)。

4. 依 元 件 製 程 方 式 分 類 ， 諸 如 ： 互 補 式 金 氧 半 導 體 製 程 (CMOS,)、雙極式半導體製程(Bi-Polar), 雙極互補式金氧半導 體 製 程 (Bi-CMOS) 、 矽 鍺 半 導 體 製 程 (SiGe) 、 砷 化 鎵 製 程 (GaAs)。

本研究之範圍，係針對射頻元件中，功率較高之射頻功率放 大 器 模 組 為 研 究 標 的 ， 其 電 子 電 路 係 由 多 組 上 述 之 功 率 放 大 器 (Power Amplifier) 為核心電路，並以各種波帶之濾波器 (Filter)及 被 動 元 件 (R,L,C Passive Devices)， 加 以 高 頻 效 應 之 匹 配 設 計 (Micro Strip Line matched design)，所組成之功率放大模組元件。

由於為系統中輸出功率最高之元件， 故廣泛使用於通訊系統之射 頻 後 級 放 大 ， 且 所 需 之 製 程 技 術 較 為 特 殊 ， 常 規 劃 為 一 獨 立 元 件。因此以射頻功率放大器模組為本研究之範圍，進行各項電器 特性自動量測之分析，並提出一種完整可行之自動化量測系統，

以構建半導體製程中微波高頻所需之元件自動量測能量，滿足因 通訊產業之高速成長對元件產量需求之殷切。

上 述 之 射 頻 功 率 放 大 器 模 組 ， 其 元 件 之 構 裝 技 術 (Package

Technology)係 以 目 前 高 頻 模 組 之 主 流 構 裝 技 術 L.C.C(Leadless Chip Carrier)為 封 裝 方 式 ， 其 基 材 採 用 低 能 量 損 耗 之 介 電 基 板 (Dielectric Substrate)，製程中合併表面黏接技術 (Surface Mount Technology)、晶圓黏接技術 (Chip on Board Technology)與覆模技 術(Over Molding Technology)等多項複合技術，以達到高頻特性 優 良 之 封 裝 型 式 ， 並 以 空 間 利 用 率 極 佳 之 無 腳 式 包 裝 (Leadless Package)形態呈現。

本研究之假設為射頻功率放大器模組，皆以上述之構裝技術 進行封裝，其外觀為無腳之封裝型式，並不包含傳統以導線架為 基材之有腳型式，以符合現況及產業之所需。

本研究之失效模式效應及分析，係以失效預測模型為主要範 圍，對於表列方式之各項失效分析方法及步驟，由於例證頗多，

且 偏 向 實 務 之 驗 證 ， 實 有 待 量 產 累 積 足 夠 資 料 庫 之 後 ， 再 行 分 析，在此並不贅述，僅以風險優先度之三項表列，說明各因子之 指標數，以結合失效預測模型之運作。

1.4 研究方法及架構

傳統矽晶圓半導體元件，多運用於數位或低頻類比系統，其 自動量測系統乃屬機電整合之跨領域特殊系統，此類傳統式量測 系統，係著重於自動化機構控制之速度與精? 度，並無高頻訊號 匹配之測試接點設計，故無法滿足高頻效應造成量測之不確定性 (Uncertainty)， 因 此 本 研 究 係 針 對 高 頻 砷化鎵(GaAs)半導體元件 自動量測之特殊需求進行規劃，除必須具備上述傳統式量測系統

之速度與精? 度之外，更需結合高頻測試儀器，如向量式網路分 析儀 (Vector Network Analyzer)及數位訊號產生器 (Digital Signal Generator)，與待測元件之各項射頻參數，再經由微波高頻電路 之匹配設計，研製出一種特殊匹配接點之測試介面板，以達到在 高頻度及高速度之量產狀態下，仍能完成穩定及快速之高頻訊號 傳輸；除此之外，再佐以貫穿各項流程之核心程式，其功能除控 制 各 項 硬 體 之 動 作 及 流 程 外 ， 並 做 為 測 試 資 料 之 擷 取 與 儲 存 之 用，最後經由後續之分析軟體完成各項失效模式分析，形成一套 完整之量產化系統。

本研究之基本架構分為五章：第一章為緒論，說明高頻砷化 鎵 (GaAs)半 導 體 元 件 中 射 頻 功 率 放 大 器 模 組 之 市 場 需 求 及 其 重 要性，並提出傳統之數位自動量測方式，無法涵蓋本研究所述之 高頻元件，在 IC 量產自動量測中所面臨之瓶頸與困難；而專用 測試機，除價格昂貴、操作複雜、建構不易及缺乏彈性外，並無 法滿足目前日益增高之頻率需求。因此本研究提出一種以功能性 為 主 軸 ， 結 合 各 項 高 頻 儀 器 為 主 機 (Main Frame)之 自 動 量 測 系 統，以個人電腦及視窗作業系統為控制平台，並透過本研究歸納 各項失效模式，完成失效模式分析軟體，提供一套完整之量產化 射頻功率放大器模組自動量測系統，期能解決產業界對高頻元件 自動量測之殷切需求。而下一章節就針對各種半導體元件之自動 量測、高頻微波電器特性及失效模式效應與分析之相關文獻加以 探討。第二章文獻回顧及探討，對現有之高頻元件原理與特性加

以分析探討，並綜合整理半導體元件量測與失效模式分析之 相關 文獻，以避免重複研究，並可適時充分應用其中較好的方法， 予 以 整 合 ， 作 為 本 系 統 構 建 時 之 參 考 ， 以 提 高 本 研 究 之 系 統 可 靠 度。第三章研究方法與架構，為本文之重點，說明如何使射頻功 率放大器模組，能以 高速自動化之方式，進行量產量測，而仍能 維持高頻特性量測值之一致性與重覆性。除整合微波線路設計之 匹配原理外，並配合自動控制系統與與界面控制技術，透過視窗 作業系統為平台，以 Visual Basic 撰寫控制核心程式，提高系統 之可攜性及彈性，佐以 VBA 為核心之失效模式分析程式，而失 效預測模型之構建，則以 SPSS 軟體分析，提供各項失效模式之 效應分析與預測，形成一套完整之量產系統，並方便產業進行良 率改善之各項矯正與預防措施。第四章則以實例驗證結果，以本 研究所完成之 功率放大器模組自動量測系統為實例，來進行系統 之各項功能驗證，以確認系統運作之可行性及準確性，並將驗證 之各項量測數據加以探討分析。第五章結論與建議，將前述之驗 證與分析結果，針對本研究之目的，作成結論，並提出本研究之 各項展望，以為未來進行相關研究者之參考方向。

第二章 文獻探討

本研究係針對 射頻功率放大器模組之自動量測系統， 探討多 項相關領域之整合性技術，對於高度整合特性之 微波元件自動量 測技術，學界著墨不多，且屬產業實證範疇，相關研究及技術，

皆為公司內部之機密智慧財，多秘而 不宣；而許多學者的文獻中 大都以局部性之單一領域之為主，鮮少有學者提出跨領域整合之 自動量測研究，於是本研究著重於整合不同領域之自動量測技術 研究。

雖然實證性系統整合文獻並不多見，但可透過各分項模組所 屬之專業領域，搜集相關文獻以一窺全貌。本章首先針對待測物

－射頻功率放大器模組之微波基本原理與相關文獻，加以回顧整 理，其次對於元件量測與失效模式效應分析相關文獻進行探討，

方便於日後系統模式之建立，有關文獻整理如下：

2.1 微波基本原理與高頻元件特性 ：

第一個電晶體是由貝爾實驗的研究團隊於西元 1947 年所發 明，並於 1948 年，由 John Bardeen 和 Walter brattain 聯合發表 所研發出鍺材料點接觸電晶體 (Point Contact Transistor) ，直接影 響 以 真 空 管 為 主 流 之 電 子 產 業 成 為 當 時 之 殺 手 應 用 (Killer Application)。 Willian Shockley 於 1949 發表接面二極體和電晶 體，隨後更多的矽質電晶體技術發表，並有重大突破，於是廣泛 地使用於高頻及高功率和開關應用電路上。 Shockley & Kroemer 在 1957 年所發表之 HBT，其基本觀念是在射極(Emitter)區，使

用寬能隙半導體(Wide Band Gap) ，來調和電流增益(Current Gain) 與基極 (Base)電阻之間的衝突。相較於矽質電晶體，木宗正 等【 1、

2、10、11】對 HBT 及砷化鎵(GaAs)之優點與應用整理如下：

1. 較高之基極參雜濃度(Base Doping)。

2. 大能障於基極與射極之間，電洞注入射極量遠小於基級，有效 提高電流增益 ß(Current Gain)。

3. 射極參雜濃度降低，有效減少基極與射極之間的電容。

4. 使用化合物半導體，減少基極的暫態時間，提高工作頻率。

5. 基板之半絕緣特性，減少寄生效應，實現積體化。

2.1.1 高頻 放大器 元件特性

木宗正 等【 1、 6】以混成式(Hybrid)與單晶式 (Monolithic)區 分微波基體電路之型式。一般所見之微波基體電路皆為混成式，

單晶式微波基體電路，至今仍未發展完成。對於混成微波基體電 路，主動元件係藉由銲接等方式連接基板，而被動元件可以為散 佈式 (Distributed)或塊狀式 (Lumped)；本研究之量測標的物－射頻 功率放大器模組，係結合上述之兩者，為微波通訊產業之極先進 製程。對於功率放大器模組之電器特性說明如下：

1. 放 大 器 輸 出 功 率 (Output Power)：

David 等【 23、 24、 27、 35】皆提出相仿之功率定義，以平 均 輸 出 功 率 (Average Output Powe) ， 最 大 輸 出 功 率 (Maximum Output Power)及最小輸出功率 (Minimum Output Power) 定義微 波功率放大器元件之量測功率；如圖 2.1 所示，隨著 X 軸之頻率

不同，功率有介於最大功率與最小功率之間不斷變化；選用之最 大功率或最小功率規格，係以應用之需求為定；有 些元件，甚至 以平均功率為定義，有賴使用者詳細判讀有關規格表。另外佐以 界定輸出功率規格之參數為功率平坦度(Flatness)， 圖 2.1 之最大 功率與最小功率區間即可定義出功率平坦度規格。

圖 2.1: 輸出功率定義圖 2. 放 大 器 線 性 度 (Amplify Linearity)：

David 等【 23、 24、 27】對功率線性定義，多以 P1dB 點輸 出功率為線性區之最大輸出功率。如圖 2.2，Y 軸為輸出功率，

相對於 X 軸之輸入功率，吾人可明顯看出，放大器之線性區域為 輸出曲線開始驟降之前。所有數位系 統皆以該線性區域為實際運 用範圍，若使用範圍超出該線性區，則訊號載波 (Carrier)無法有 效 解 調 及 調 變 ， 將 造 成 無 線 通 訊 系 統 之 傳 遞 誤 碼 率 (Bite Error Rate)提高，而不斷重複傳遞資料封包，使得通訊效率及品質大打

折 扣 。 因 此 ， 為 有 效 提 升 傳 輸 效 率 ， 對 功 率 放 大 器 之 線 性 度 (Linearity)多 以 P1dB 點之輸出功率定義該放大器之線性區最大 輸出功率。如圖 2.2，以線性區延伸之直線，與實際輸出曲線，

相差 1dB 輸出功率時之實際輸出功率，為 P1dB 點輸出功率之定 義，

圖 2.2 線性功率定義圖 3. 放 大 器 信 號 失 真 (Harmonic Distortion)：

所有放大器皆會產生多次諧振造成諧波失真；木宗正 等【 1、

10 、 11 、 27 】 皆 以 線 性 網 路 之 轉 換 函 數 (Transfer Function)

^H

⁽

^{j ω}

⁾

^{= H}

⁽

^{j ω}

^)exp

[ ^{j φ}

⁽

^{j ω}

⁾

]

會隨頻率 (Frequency)變化，來 解 釋 線 性 失 真 (Linear Distortion) 以 及 傳 輸 偏 移 度 (Transmission Deviation)。 其定義如下：

) ( )

(

t Kx t t

⁰

y = −

(公式一)

其轉換函數為：

) . exp(

)

(

j K j t

⁰

H ω = − ω

(公式二) 其中定值振幅 K 與負值線性相位

− j ω

.t⁰的認何偏移都會造成振幅 及相位失真。

木宗正【 1】對系統元件產生非線性失真 (Nonlinear Distortion) 為決定系統活動範圍(Dynamic Range)之上限，與雜訊指數所控制 之下限因子，共同決定系統是否處於高品質之信號範圍。

袁杰等【 10、11】對於交互調變失真之定義，以 雙頻訊號輸 入；包含兩組振幅相同，但頻率不同之訊號，同時輸入，對於 3 次交互調變失真以截斷點為其最佳解釋。至於 GaAs FET 交互調 變失真的來源可分為下列數種原因：

(1). 互導(Transconductance)會隨著閘極電壓而變化。

(2). 閘極和電源之間的電容會隨著電壓而變化。

(3). 吸極電導會隨著吸極電壓而變化。

(4). 吸極和源極之間的電容會隨著吸極電壓而變化。

4. 放 大 器 特 性 阻 抗 (Characteristic Impedance)：

Guy 等【 26、29】對特性阻抗以電壓與電流之比值 Z₀=V(t)/I(t) 為其基本定義，如圖 2.3，對於高速系統連接線而言，每點之電 壓與電流為位置與時間之函數，若假設於無限長且無損失的導線 中，可得到之 Z0係由每單位長之 R、 L、C、G 及 ? 決定而與長 度無關，其關係式如下：

L j G

L j Z R

ω ω +

= +

0 (公式三) 其中：R=每單位長度之電阻(O/m)

G=每單位長度之電導(S/m) L=每單位長度之電感(H/m) C=每單位長度之電容(F/m)

圖 2.3 特性阻抗等效電路圖 2.2 半導體元件量測及製程分析相關文獻 ：

桂台麟【 12】提出自動量測設備 ATE 可靠度之研究，強調系 統完整性乃建構於軟硬體兩者可靠度之上，任何環節出現漏洞，

皆會造成無可彌補之失效；因此，對於各項錯誤之偵測需以自動 診斷之機制為之。

David【 25】對於電子元件之各項基本 DC 量測，提出完整概 況，包含基礎儀器之量測原理與方法，闡述詳細；例如多用電錶

在數位及類比量測之原理與運用、頻率量測基礎、量測精度與誤 差之分析及儀器校驗之各項方法，但皆侷限於傳統電路之基本量 測，對於高頻特性之各項參數量測，並無著墨。

Thomas 【 35】 則 提 出 較 完 整 之 微 波 高 頻 特 性 量 測 方 法 及 說 明：包括信號產生器(Signal Generator)之訊號源設定、功率量測、

雜訊指數儀量測、頻普分析儀量測及網路分析等。其對於功率之 量測定義如下：

P=EI (公式四) 其中 P=Power

E=Voltage I=Current

取對數以分貝表示兩功率之比值則得：

Pin

dB =

10log₁₀

Pout

(公式五)

當 Pin 以 1mW 為基準時，則可得到以 dBm 為單位比值

mV dBm Pout

log 1 10

₁₀

=

(公式六)

對於高中低三種功率之界定，則用以下之範圍區分之：

低功率(Lower Power ) < 1mW (Below 0 dBm)

中功率(Medium Power) = 1mW ~10 W(0dBm~+40dBm) 高功率(High Power) > 10 W (> +40 W)

本研究之自量測標的物，係介於 0.5W~4W 之中，屬中功率

元件之範圍。由於不同範圍之功率，其量測技術有極大之差異，

當 功 率 愈 高 則 量 測 難 度 愈 高 ， 且 儀 器 亦 須 備 有 高 功 率 之 能 量 源 (Power Source)與散熱裝置。 ViSzekely 等【 37】針對 2 W 之 QFN 元件的散熱進行研究與分析；經由 COSMOS 之 FEA 軟體分析結 果顯示，設計者以多數之導通孔來解決元件熱量傳導問題，可得 到最佳之效果。

David 【 25】則在量測誤差之研究中，提出總體誤差之定義 如下：

) 2 1

( ) 2 1 ( ) 2 2

( ) 1 1

(

V V V V V V V V

E = ± ∆ + ± ∆ ≅ + ± ∆ + ∆

(公式七) 故量測中，整體誤差將因多部不同機台之各 別誤差而累加。

必須分別調校各分項之準度，以免累積大量之誤差。

葉怡成【 17】研究以品質設計程序，構建因子相關模型，

經參數優化後，提出製程與產品之最佳化分析模型，其中品質設 計運用雙反應曲面法及田口方法，進行穩健設計。對於製程中多 變因子與產出之依變數間得以建立數學模式，並進行改善。對於 模型之構建，仍以多因子迴歸分析為基礎，推導及檢定相關模型 之各項參數。

邱皓政【 4】針對量化研究提出多種實例，說明 SPSS 軟體之 建模與判讀，對於 t 檢定、ANOVA 及迴歸分析，可輔助各種量 產系統，於各項繁瑣數據中，找出具有統計意義之 數學模式，提 供製程及失效分析之用。

2.3 失 效模式之效應與分析 相關文獻

失效一詞乃指出物品的功能失去原先設定的運用效果，失效 模式與效應分析(Failure Mode Effect Analysis, FMEA) 是一種系 統化之工程設計輔助工具，失效的原因，可能來自：錯誤、遺漏、

沒有動作、產生危險及有障礙等，與原先產品設定機能不符的情 形。針 對失效的原因，利用表格方式協助工程師進行工程分析，

使其在工程設計時早期發現潛在缺陷及其影響程度，對於設計、

生產乃至檢驗者而言，都需要對自己負責的部份將隱藏的失效因 素排除。若能及早謀求解決之道，則可避免失效之發生或降低其 發生時產生之影響，提高系統之可靠度。 失效是客戶抱怨的主要 來源，所以必須依照一定的步驟予以分析，將這樣具模組化的作 業方式整合成一種模式，稱之為失效模式分析。

柯煇耀【 8】以系統分析技術探討失效之各種分析方法，其 中歸納法(Inductive Approach)，係指由各別情況與條件，建構合 理之總體結論，包含下列之方法：

1. 初步危害分析(Preliminary Hazard Analysis；PHA) 。 2. 事件樹分析(Event Tree Analysis；ETA)。

3. 失效模式、效應與關鍵性分析(FMECA)

演繹法 (Deductive Approach) ，係指由整體事件之發生，由 其因果關係判斷、推導至各別單元或組件之狀況，並作成合理之 推論。例如，故障樹分析法(Failure Tree Analysis)即為典型之演 繹分析法。

對於分失效模式析的適用範圍，Price 等【 21、22、28、29、

32、 33、 34】， 皆提出不同之運用領域與對向，失效模式分析對 產品從設計完成之後，到首次樣品的發展而後生產製造，到品管 驗收等階段都可說皆有許多適用範圍，基本上可以活用在 3 個階 段，茲說明如下：

第一階段 設計階段的失效模式分析：

1.針對已設計的構想作為基礎，逐項檢討系統的構造、機能上的 問題點及預防策略。

2.對於零件的構造、機能上的問題點及預防策略的檢討。

3.對於數個零件組或零件組之間可能存在的問題點作檢討。

第二階段 試驗計劃訂定階段的失效模式分析：

1.針對試驗對象的選定及試驗的目的、方法的檢討。

2.試驗法有效的運用及新評價方法的檢討。

3.試驗之後的追蹤和有效性的持續運用。

第三階段 製程階段的 FMEA

1.製程設計階段中，被預測為不良製程及預防策略的檢討。

2.製 程設計階段中，為了防止不良品發生，而必須加以管理之特 性的選定，或管理重點之檢討。

3.有無訂定期間追蹤的效益。

柯煇耀 等【 8、 26、 37】並以 其它方式，如 SAE J-1739 之標 準作業為估算風險優先度之準則；使用者亦可自行運用在合適的 地方。但是在運用上要注意到下列要點：

1.要充分收集失效模式分析檢討對象的資訊情報：

如能在事前收集好對象產品、製程、機能等的相關資訊情報，

對於分析有很大的幫助。在收集資料上要把握不輕言放棄任 何 可能的因素，如果難以判斷，就交由專案小組討論確定。

2.參與分析檢討的人員要足夠：

為防止分析時的偏差導致 差之毫釐、失之千里的謬誤，並能收 集思廣益之功，一定的人數參與是必要的，至於多少人才算足 夠，當視分析對象的特徵或公司能力而定。對這一點，固然在 量上面要足夠，質方面也要考量各個層面的代表性，每個功能 別要有 組織，專業技術和管理人員則 應具 周延性。對於初次導 入失效模式分析手法的企業而言，延聘外部顧問或指導者，進 行人員訓練、執行協助是一項可行的作法。

3.考慮開發計劃時間上的整合：

由於絕大部份進行此類分析的人員，都有既定的任務，一方面 要能進行日常工作，另一方面要能順 利分析工作，因此開發時 間的妥善安排是非常重要的，可由專案性工作組織來進行失效 模式分析，才能獲得更有利的分工。同時，也要明示設計審查 的檢討對象，界定誰有權利作最後定案的人。

4.實施結果要加以追蹤：

任何專案工作都須訂定追蹤日期，比較好的作法是將追蹤的作 業也當成分析工作的一部份，並且安排 在工作計畫中；當 然 ， 負責排定工作 者，也要安排負責人員 追蹤工作，最好能對追蹤

情形定期提一份報告給公司執行長。專案進度是檢視失效模式 分析成就多寡的重要指標，依照後續 的實施步驟，建立一套模 式化的分析流程。

Charles 等【 21、 26、 31】提出有關失效分析之研究，多偏向 事後補救之推導，唯應用之領域不同；Price 等 【 23、 24】提出 以電子裝備為研究，並構建失效模式分析系統； 柯煇耀【 8】並 以失效機率密度函數，構建可靠度模型，並以失效樹分析，作為 預防性失效分析模式。

在量產製程之大量需求之下，無論是 ISO 品質系統、美國汽 車界的系統與製程要求 (QS9000)，都有 FMEA 的規定，因此瞭解 與推動失效分析技術，是業界進軍國際市場必備的條件之一。

FMEA 建 立 之 資 料 可 以 成 為 公 司 知 識 之 根 源 ， 亦 可 轉 成 故 障 樹 (FTA)及可靠度方塊圖分析之資料，用以分析系統的可靠度及安 全性，在產品研發設計之初即能在產品使用之前預測其結果，此 手法可以協助設計人員改良產品，並於產品設計階段就能將可靠 度植入。

本研究對於 FMEA 之部份，係著重於失效模式之預測模型分 析，有別於一般演繹 法推導方式，完全以數學模型分析推導，得 以架構較佳之失效預測能力，防患於未然。

第三章 研究方法與架構

高頻半導體元件之射頻功率放大器模組，因積體電路 (I.C)模 組構裝 (Packaging)方式種類繁多、功能日趨複雜、且元件之工作 頻率已由 ISM 2.4GHz 頻帶擴升至 5GHz 之頻帶，目前並無完整 之高速自動量測系統解決方案，傳統之高頻元件量測專用機(Turn Key System)，仍受限於 3GHz 以下之系統規格，無法提供 5GHz 操作頻帶之元件使用，其中系統測試之接合介面板設計複雜，製 作費時且價格昂貴，無法滿足本世紀以來，產業以速度及價格取 向之需求；因此，本研究針對射頻功率放大器模組之自動量測系 統，進行各項完整之細部研究，期能提供一種適合產業使用之量 產系統解決方案。

本研究首先依據量測系統需求考慮下列各項因素：

1. 系統之功能性，必須能滿足工作頻帶 5GHz 以上之元件量測。

2. 提供功率放大器模組所需之各項電特性量測功能，諸如前章所 述之增益(Gain)、 P1dB & Psat 輸出功率 (Output Power)、反射 損失 (Return Loss)、相位角 (Phase Angle)及各項直流參數 (D.C Parameter) 。

3. 提供自動化機構，以完成自動進料與出料，達到自動化量產之 水準。送料機構之移載精度，需快速且精? ，以滿足待測件與 測試介面接合板之高精度接合。

4. 測試介面接合板以元件輸入與輸出之阻抗為基礎，進行微波匹 配設計並以低損耗之匹配傳輸線路，傳導高頻訊號，降低量測

之誤差。

5. 全系統之軟硬體作業平台，則採用價格及功能普及之 PC Base 視窗作業系統。

6. 透 過 Visual Basic 之物件導向程式，控制各項量測流程、量測 儀器、及自動化機構，並提供完整之量測資料記錄。

7. 國際標準介面，連結後段統計及失效模式分析軟體，提供產品 與製程技術之改進資訊，形成完整之量產化自動量測系統。

茲將本研究中，射頻功率放大器模組之自動量測系統研究方法與 步驟詳述如下：

3.1 自動量測系統研究之方法及步驟

本研究針對高頻元件量產量測之問題，以跨領域整合之自動 量 測 系 統 ， 取 代 人 工 之 慢 速 量 測 以 及 建 置 昂 貴 之 Turn-Key System，提高量產產能及產品可靠度，降低產品不良率為目標；

因此，研究之方法及步驟以產業之實務為重點，佐以各相關領域 之學理，相互映證之。

如圖 3.1 所 示 研究之方法及步驟，首先進行文獻搜集及整 理，找出相關之研究參考資料，以為基礎之研究；其次為自動量 測系統流程分析，以建構本研究之系統流程；而後進行系統架構 及介面規劃，完成本研究之跨領域系統整合介面與完整解決方案 之量產架構。接著進行量測及控制軟體設計，以核心程式串接本 研究之系統流程，並聯結軟硬體資料傳遞，便利後續之分析；在 硬體方面則以 嵌合匹配網路設計，針對待測元件之匹 配性為細部

研究重點。對於自動化之機構，則以精密移載機構設計，詳細探 討各項模組及其設計重點，系 統乃經 由統計分析加以驗證；最後 通盤檢討量測數據，並據以進行測試元件之 失效模式預 測分 析，

作為元件設計及製程持續改善之有效工具。

圖 3.1 自動量測系統之研究方法及步驟 8.失效模式分析

7.量測實驗與統計分析 6.精密移載機構設計 5.嵌合匹配設計及網路分析

4.量測及控制軟體設計 3.系統架構及介面規劃 2.自動量測系統流程分析 1.文獻探討與歸納

3.2 自動量測系統流程分析

射頻功率放大器模組，為高頻半導體元件之中，輸出功率較 大之電子元件。因此在自動量測之系統要求上，除具備一般半導 體元件所應有 的各項條件之外，更重要的是，能提供高頻電氣特 性量測功能，例如：高頻 S 參數量測、輸出功率量測與增益量測 等功能；因此，量測流程與系統之建置皆以此重點為核心，考量 各項需求。

本研究之自動量測系統流程，如圖 3.2 所示，待測元件經由 自動化機構 (Handler)，執行進料、移載、定位及嵌接等精密移載 功能，待測元件於量測定位點嵌合後，核心程式會控制高頻量測 儀器，例如：向量綱路分析儀、數位信號產生器、功率量測儀、

偏壓電源供應器及多用電表，執行一連串之量測指令，並將量測 結果， 以核心程式儲存於磁碟機之中 ；量測數據經由核心程式，

以預先設定之條件及規格，作出立即之判定，隨即通知自動化機 構進行退料及分類，並同時載入下一待測元件，使該元件同樣進 入量測定位點，準備接受下一新循環之量測。

儲存於磁碟機之中的大量量測數據，可經由本系統所提供之 統計分析軟體，進行各項量測參數之統計與分析，進而構建製程 參數，再以多因子迴歸模型，預測不同批量之生產製程參數，以 提高製程良率；對於量測後之數據，同時進行失效模式之研究，

以失效 分析等方式歸納各種失效模式，作為設計及製程之改善依 據，提高產品之可靠度。

上述為本研究針對功率放大器模組自動量測，所分析之各項 流程；全系統係架構於個人電腦，視窗作業系統之中，以 Visual Basic 為核心程式之引擎，貫穿量測系統流程，後段之統計分析 與失效模式分析，則以各項便於統計分析之軟體為之。

圖 3.2 自動量測系統流程圖 Windows / PC / Intranet

Visual Basic

進料

移載

定位

判定 量測 嵌接

退料

分類

Handler/PLC

記錄 統計分析

Network Analyzer DC&Multi-Meter

S.A FMEA

失效分析 製程優化

改善/預防

3.3 自動量測系統架構及介面

射頻功率放大器模組之自動量測系統 ，如圖 3.3 自動量測系 統架構及控制介面 圖所示，在高頻之量測儀器介面，需要傳速度 較高，且同時多工串接之並 列埠，IEEE 於 1975 年公佈，使用於 儀器之標準介面 IEEE488， 而 GPIB 介面即為符合該標準，且廣 泛運用於工業電子儀器控制之傳輸介面規格，該介面可提供主控 制電腦同時串接 15 臺儀器，總長度可以 到 20 公尺或每臺儀器 2 公尺。因為並列式傳輸，提供高速之數據傳輸速度。

GPIB 使用線組架構 (Party-Line Architecture)，即所有裝置並 聯且分享訊號線。在匯流排上的每一儀器，皆能接收 (Listen)，發 訊(Talk)及控制 (Control)，或合併三者。本研究之高頻微波量測儀 器，皆採用 GPIB 介 面 串 接後，再與主控電腦聯結成一完整之 GPIB 控制迴路。

自動化精密移載機構，屬邏輯程序控制，由 PLC 主控，需要 傳輸之資料量極小，且 PLC 並無 GPIB 介面之建置，因此考慮個 人電腦內建同時又是最為普遍之 RS232 串列埠，及其所提供之標 準通訊協定。 RS232C 介面係由 EIA 於 1969 年公布，1981 年認 可；其中對於資料傳送方式，採用移位暫存器，將電腦內部處理 之並列資料，變換為串列資料送出，接收時則以移位暫存器將資 料轉成並列資料，再經由內部匯流排傳輸。

對於 PLC 端，除須配置 RS232 標準介面外，亦需具備指令 暫存器，以儲存自動機構端之待機狀態指令，及主控核心程端所

傳遞之量測結果，為執行後段分類動作之依據。

量測結果之數據檔，為資料庫系統， 其 傳輸之介面， 乃經由 網 路 環 境 之 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)，屬於 Internet/Intranet 常用之開放架構，對於量產系統 之數據資料庫，提供快速及直接之傳輸介面，便於後續流程之各 項分析與管理，並可提供即時監控之數據傳輸功能。

圖 3.3 自動量測系統架構及控制介面 量測儀器：

˙RF：Network Analyzer、Power Meter、Signal Generator

˙DC：Power Supplier、Multi-Meter

精密移載機構：

˙可程式控制器(PLC)

˙汽壓元件

˙線性運動移載機構

˙進出料及定位嵌接 控制核心：

(Auto-RF-Tech-Info-SysTem)

˙PC Base

˙ARTIST By Visual Basic 分析軟體：

˙S.A Software

˙FMEA

GPIB

RS232 TCP/IP

3.4 量測及控制軟體流程

如圖 3.4 為核心控制軟體之流程分析圖 (ARTIST Automatic RF Technical-Information System)， 藉由 PLC 傳遞及讀取狀態至 核心程式，經初始值設定後，進入量測迴路，以完成各項自動化 量測步驟。

圖 3.4 自動量測軟體控制流程

移載機構狀態讀取

DC Test Passed？

NG/OK 分裝

結束

否

是 待測物是否嵌

接完成？

初始值設定

DC BIAS Apply

否

是

量測結果傳送 量測結果存檔

是

RF Test Passed？

PLC 讀取狀態

結束量測?

PLC 送出狀態

定位

進料 移載 嵌接

3.5 嵌合匹配設計及 網 路 分 析

嵌合匹配網路設計 為微波元件自動量測之研究重點，亦為系 統成敗之關鍵，其中包含嵌合聯結器與介面電路板(Docking Test Board)，其功能為高速及重覆嵌合待測件之金屬接腳，使元件之 傳遞訊號得以保持不失真為最高境界，用以取代並模擬元件以銲 錫焊接於應用電路板後之原貌。由於嵌接屬於壓力式接觸，並無 法完全模擬焊接式接合，因此嵌合聯結元件及嵌合壓力為極重要 之因素。再者傳導訊號之測試電路板，需傳輸高頻微波訊號，其 網路之匹配狀況不良，將導致傳遞訊號衰減，而影響量測之精?

度，因此傳輸匹配數學模式之建立亦為板本章之重點，以下為嵌 合介面電路板設計之內容說明：

3.5.1 嵌 合 聯 結 元 件

嵌合介面電路板(Docking Board)與待測元件，係經由嵌合聯 結器為介面元件，傳遞高頻訊號，如圖 3.5 之嵌合結構示意圖，

嵌合聯結器置於嵌合電路板與待測元件之間，以框架固定之。

圖 3.5 自動量測軟嵌合結構示意圖

圖 3.6 為嵌合聯結器之剖視圖，係由間距 0.25mm 之微細隔離 排針所組成，排針上下平面偏移 0.15mm，以形成吸收測試下壓 壓力之緩衝條件，厚度由 0.1mm 至 0.25mm，依不同之測試條件 及壓力選用合適聯結器。

圖 3.6 嵌合聯結器剖視圖

聯結器之規格，與測試之壓力條件息息相關，此部份將於後 面系統驗證內容中詳加討論，並說明實驗驗證之結果。

3.5.2 嵌 合 介 面 電 路 板 設 計

微傳輸線(Micro Strip Line)之阻抗匹配設計，為 嵌合介面板 設計之重要步驟，如圖 3.7 所示之微傳輸線結構圖，寬度為 w 厚 度為 t 之微傳輸線 (Micro Strip Line)係以厚膜或薄膜技術生長於 介電基材(Dielectric Substrate)表面，基材之介電係數為 er，常用 之基材，其介電係數介於 2 到 12，依不同之需求選定之；基材下 方為金屬構成訊號接地平面(Ground Plane)，上方為空氣，其介電 係數為 1。上述結構使訊號能量以近似 TEM 電磁傳輸模式傳遞，

其傳輸之特性阻抗 (Characteristic Impedance)以傳輸阻抗 Z0，及傳 輸介電係數 er’ 為代表，兩參數之數學模式如下：

圖 3.7 微傳輸線結構圖

當

≤ 1 H

W

時：



 +

=

′ ⁿ _W^{H W}_H

r 4

Z 8

60

0

λ

ε

(公式八)

2 1

1

r

12 0 . 04 1

2 1 ' 2

e 



 

  −

 +



 

  + +

=

^{+ −}

H W W

H

r

r

ε

ε

(公式九)

當

≥

1

H

W

時：



 

 +

′

+ +

=

444 . 1 Z

667 . 0 393

. 1

120

0

W H H n

W

r

ε λ

π

(公式十)

 

 

  + +

=

^{+ −}

W H

r

r

12

2 1 ' 2

e

^r

ε

¹

ε

¹

(公式十一)

在實務設計中，基材之介電係數 er可由查表得知，表 3.1 為 常見之介電係數表，本研究選用廣泛運用於產業界之 FR-4 玻璃 纖維基材，其介電係數 er=4.3。

表 3.1 介電係數表

材質 e_r 材質 e_r

空氣 ¹ 木材 ^1.5~4

玻璃 ^4~7 橡膠 ^2.5~4

耐龍 ⁴ 冰 ^4.2

石英 ^3.8 水 ⁸⁰

鐵扶龍 ^2.5 雪 ^3.3

FR-4 ^4.3 海水 ²⁰

由於阻抗特性取決於待測元件，而一般待測之微波射頻元件 皆已設計完成，嵌合介面板之阻抗特性，必須與該元件之輸出入 阻抗相匹配，即所謂高頻阻抗匹配設計，因此上述之數學模式，

於阻抗 Z0及操作頻率 f 已知之條件下，可推導出下列公式，便於 找出最佳之微傳輸線線寬，以提供嵌合電路板基材之電路部局與 加工依據：

當

≤ 2 H

W

, 且微傳輸線厚度不計，即 t=0 時：

( )

²

( )

²

8

= −

A Exp

A Exp H

W

(公式十二)

其中





 



 +

+ + −

 

 



=  +

r r

r

Z

r

A ε ε

ε

ε

0.11

23 . 1 0 1 2

1 60

0

當

≥ 2 H

W

, 且微傳輸線厚度不計，即 t⁼⁰ 時：

( ) ( ) _ ^

 

 



 

 − + −

+ −

−

−

−

=

r n

r r

n

B B

H B W

ε ε

ε π

61 . 39 0 . 0 2 1

1 1 2 2 1

λ

λ

(公式十三)

其中

Z

r

B ε

π 2

0

= 377

當

2

≥ π H

W

且 考 慮 微 傳 輸 線 厚 度 ， 即 t^{? 0 ，}W_e =線 寬 ：

 

 

  + +

= t

n H W t

W

^e 2

1

λ

π

(公式十四)

當

2

≤ π H

W

且 考 慮 微 傳 輸 線 厚 度 ， 即 t? 0 ，W_e =線 寬 ：

 

 

  + +

= t

n W W t

W

^e

π

π

1

λ

4 (公式十五)

當考慮操作頻率 f 時，Z₀及 e_r’ 皆為頻率 f 之函數，即

ε

^r

' = ^f ( ^Freq )

^,

( ^Freq )

f

Z

⁰

=

，若

f = GHz

且 H=CM則兩參數之數學模式如下：

( )

(

⁰

)

2

009 . 0 6 . 0 1

' '

f Z f f

p

r r r

r

 +

  + 

− −

= ε ε ε

ε

(公式十六)

其中

H

f

^p

Z π

8

=

0

由上式可知，當

f

^p

>> f

時,

^ε

^r

^' ( ^Freq ) ^{= ε}

^{r ，且阻抗 Z0 及線寬}

We對頻率之函式如下：

( )^{f r} ( ^f )

We

H

'

377 f

Z⁰

= ε





(公式十七)

2 0

1

) 0 ( ' ) 0 (

377

 

  +

− +

=



 





p r e

f f Z W

H W

f

W ε

(公式十八)

其中介電層損失(Dielectric Loss)可由下式表之：

( ) (

¹

)

' tan 1 3 '

. 27

0

−

= −

r r

r r

d

λ ε ε

δ ε

α ε

dB/cm (公式十九)

相位速度(Phase velocity)由下式表之：

'

r p

V C

= ε

^{， C=}光 速 (公式二十 )

微傳輸線波長(Wave length)由下式表之：

f f V

r p

' 803 . 11

λ = = ε

(公式二十一) 本 研 究 所 述 之 射 頻 功 率 放 大 器 模 組 ， 其 中 心 操 作 頻 率 為 及 f=5.35GHz ， 選 用 FR-4 基 材 之 介 電 係 數 為 e_{r =}4.3 ， 板 厚 H=0.8mm，傳輸線金屬膜厚 t=0.036mm，待代測元件輸出入阻抗 皆為 Z0=50O，因此可由(3.1)~(3.14)之公式求出下列微傳輸線之 匹配線寬：

We=1.23 mm (當 f=2.45GHz) We=1.10 mm (當 f=5.35GHz)

如圖 3.8 所示之嵌合電路板，係依上述之阻抗匹配線寬，連 接 待 測 模 組 元 件 之 輸 出 與 輸 入 端 ， 另 一 端 經 由 高 頻 傳 輸 接 頭 ， SMA 聯接器，傳輸及轉換訊號，以達到嵌合待測元件功能，並

於進行各項量測時，得以最低損耗傳遞微波之訊號。

圖 3.8 嵌合介面電路板 3.5.3 S-參 數 量 測 及 網 路 分 析

高頻系統皆具被備功率源 (Source Of Power)，其部份能量經 由傳輸線(Transmission Line)傳送至負載(Loading)，如圖 3.9 之負 載阻抗為 ZL；若電壓、電流及功率視為傳導線上之傳導波，則負 載與功率源之間，由於傳導波不斷的入射與反射，於是形成傳導 線的駐波(Standing Wave)。若匹配愈良好，則駐波愈小，一般以 反射系數(Reflection Coefficient)G 表示， G 為複數形態，其定義 如下所示：

等效電路中之阻抗為：

C

Z

⁰

= L

, 負載之阻抗為 Z_L 則

0 0 L-Z Z

Z Z E E

L r i

= +

=

∠

=

Γ ρ θ

(公式二十二)

由上式可知，當

Z

⁰= ZL時反射系數 G=0，無駐波形成。

為便利實際運用，將傳輸線特性阻抗正規化後得到 ZN，如下式：

− Γ Γ

= +

=

1

1

Z

0

Z

N

Z

^L (公式二十三 )

圖 3.9 傳輸線等效電路

圖 3.10 為 Doubt Port 之網路，為典型分析 S-參數量測之網 路，正式之定義如下：

圖 3.10 S-參數量測與網路分析

b1=S11a1 + S12a2

b2=S21a1 + S22a2

S11= 輸入端之反射系數，有時以反射損失(Return Loss)表之。

S₂₁= 輸入端之順向增益(Insertion Gain)。

S₁₁ 與 S₂₁之量測方式為輸出端加負? ，使得阻抗值與傳導線 之阻抗相同，即得：

S₁₁= b₁/a₁，S₂₁= b₂/a₁ (a₂=0)

至於 S₂₂ 與 S₁₂之量測方式為輸入端加負? ，即得：

S₂₂= b₂/a₂，S12= b₁/a₂ (a₁=0) 3.6 精密移載 機構設計

本研究之精密移載機構，可經由線性移載機構或圓形之迴轉 盤移載機構等兩種方式達成，由於機構之差異而各有優缺點，其 中線性移載機構，主要優點為系統簡單、組裝較易、定位較佳及 成本較低，而其缺點為動作循環時間稍長；迴轉盤移載機構雖相 對擁有較短之動作循環時間，但機電系統整合複雜，組裝精度要 求較高，製作成本相對增高，且需多站定位，其定位精度不易控 制，而有累積誤差產生；本研究基於量測精度及系統穩定性採用 線性移載之自動化機構，其中包含下各分項模組：

3.6.1 機 構 分 項 模 組

1.進料機構：負責射頻功率放大器模組 (RFIC)之進料轉換，機構 之功能，係將管裝(Tube)之模組 IC 導入自動量測系統之線性進 料口，包含待測元件由料管中取出與轉向，為避免模組 IC 之

鍍 金 銲 錫 墊 ， 因 移 載 之 相 對 運 動 而 磨 擦 ， 進 而 造 成 鍍 金 面 磨 損；故鍍金銲錫墊，必須於高速磨擦行程中，鍍金面向上， 以 避免過度磨擦而破壞鍍金銲錫墊。

2.出料及移載機構：包含出料機構、自動移載機構、翻轉機構機 構、自動取放機構及分類機構。其功能為傳遞待測元件，以便 導入嵌合機構之中，並將已測之元件移出，依量測結果分類裝 管，設計重點為機構之速度與低卡料率，並將量測後之元件，

分別以不同之方向性裝管，以利後續作業。

3.自動定位及嵌合機構模組：本模組之功能為能將待測元件導入 嵌 合 電 路 板 之 精 密 定 位 及 嵌 合 機 構 ， 其 設 計 重 點 為 定 位 精 ? 度，及重覆操作之一致性。另外對於待測元件上方之定位棒材 質，須進行反射損失(Return Loss)之模擬驗證，避免因元件上 方之場效變化，形成駐波效應 (Standing Wave Effect)，增加量 測之不確定性(Uncertainty)。

4.壓力調整模組：本模組之功能為提供壓力可調整式之機構，當 待測物與嵌合電路板定位嵌合後，必須以穩且一致之壓力，持 續接合，以便進入高頻自動量測之迴路，此機構必須為可調式 壓力，一般可透過精密汽壓調整閥完成，同時必需考慮汽壓源 所提供之汽壓大小及流量，以確定能滿足壓力之持續穩定，不 會出現瞬間壓降之現象，因此其設計重點為，調整式壓力之精 度控制、汽壓流量控制及壓力源之緩衝儲槽設計。

5.可程式控制模組：本分項之程式控制模組，係由可程式邏輯控