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解析5G毫米波天線在設計與製程上的挑戰

  • DIGITIMES企劃

AiP陣列天線的設計與製造製程議題經緯萬端,除了新興智慧材料的引進之外,對於供應鏈上、中、下游間的彼此搭配更是非常重要。DIGITIMES攝

國立台灣大學電機系教授周錫增在天線設計領域受到產業界的倍加推崇,這次受邀主講「5G AiP天線技術發展趨勢」,他的簡報聚焦於毫米波技術的發展,當中射頻天線的使用變得更加重要,尤其毫米波在傳輸上的損耗大,高增益陣列天線系統的重要性無可取代。

今天無論5G智慧型手機、低軌道衛星(SATCOM)、O-RAN、自動輔助駕駛(ADAS)、WiGi與智慧影像醫療等高速傳輸技術,都陸續進入毫米波頻譜的應用範圍,由於每一種應用所需要的陣列天線數量不盡相同,這些數以億計的裝置總數乘以陣列天線數量,是令人相當咋舌的天文數字,所以天線設計與製造技術的需求龐大,讓大量工程團隊面對巨大挑戰。

而從傳統Sub-6 GHz的行動裝置到使用90 GHz頻譜的影像醫療應用,以及未來的6G通訊世代所用到的110 GHz以上的頻段來看,天線尺寸一路從3公分(Cm)微縮到2.7公釐(mm),物理尺寸的變化相當大。

再者,天線系統從單一單元的設計,將一路成長到超過5,000陣列單元的使用,甚至連低軌道衛星的天線都用到了高達1,280單元等巨大的陣列天線的設計,再加上天線極化的不同,以及支援多頻段的技術,讓天線設計變得非常繁複與困難,為了商品化與成本上的考量,採用單一封裝與單晶片設計的AiP天線的誕生,立即躍升為產業關注重點。

毫米波技術驅動AiP天線成為主流

材料議題也是千頭萬緒,AiP的基板材料特性對天線效能具有指標性的影響,除了傳統多層板壓合技術之外,系統級封裝(SiP)有機基板出現多種選擇,舉凡低溫陶瓷共燒(LTCC)製程,還有包括Flip Chip/Fan Out封裝,以及玻璃基板整合液晶等技術,或使用CMOS半導體技術,多種基板的選擇不僅考量導電性,連散熱議題也成為重要的評估項目,因為溫度變化而產生的尺寸熱漲冷縮的影響,所以材料的抗溫物理特性需要被小心地評估,再加上射頻元件的多樣化發展,複雜度攀升是必然。

最令人意外的是連機構尺寸精準度都形成挑戰,舉凡連機械或雷射鑽孔的精密度都大意不得。此外,金屬面黏貼至基板的工藝愈來愈重要,當中牽涉到金屬表面粗糙度、連接點與接頭,或是防焊油墨(Solder Mask)損耗都成為製程上需要克服與解決的議題,畢竟高頻毫米波的環境下,射頻特性的改變複雜度遠超預期。目前產業界關注的量產進度時程,預期汽車防撞雷達2021年底可量產,5G毫米波手機2023年可以量產,而低軌道衛星的天線量產要等到2024年,設計技術與製程處處皆是挑戰。

組成一個台灣國家隊來進行AiP天線的精密整合

天線的室內佈建容易遇到大樓內的多通道與牆壁隔間的訊號反射與干擾,所以使用多個陣列天線搭配全向性(Omnidirectional)天線來進行訊號最大涵蓋的設計,這同時也創造新形態的專業工程技術服務商與整合設計業者的誕生。

由於AiP生產與設計端的考量經緯萬端,對於供應鏈的上、中、下游間的彼此搭配非常重要,舉凡未來的無線連接技術、熱處理技術、機構整合等等議題,都牽涉到大量的研發成本。因此周錫增在演講最後特別指出,組成一個台灣國家隊來進行精密整合,將是協助產業發展的重要訴求。