智慧化雷射修整天線技術與設備

摘要：隨著多樣性產品與元件對於輕薄短小之體積要求逐漸增加，微波介質陶瓷元件因具有體積小、元件密度高等優勢，而需求量大幅增加。但由於微波介質陶瓷元件的製作方式是使用銀漿料或銅漿料置於網版中進行圖案印刷後，再將陶瓷基板進行高溫燒結，銀膠高溫燒結後與陶瓷二次燒結所產生的膨脹係數差異將導致尺寸收縮，將會造成造成線路偏移，導致微波介質陶瓷元件之訊號不準確，故目前廠商採取人工修整方式，進行天線訊號調整，需耗費大量人力與品質不穩定等問題。本論文開發智慧化雷射修整天線技術，整合紅光雷射、視覺系統、向量分析儀等進行線上天線訊號量測與中心頻率修整，可取代傳統人工手動修整天線方式，智慧化雷射修整天線時間只需要20秒內，大幅降低天線修整時間達3倍以上，最小修整線寬可達60 µm以內，符合未來B4G (Beyond 4G)或5G高頻模組之發展需求。
Abstract：With the increasing demand for products variety and components miniaturization, the demand for microwave dielectric ceramic components also substantially increases due to their small size and high component density. Because microwave dielectric ceramic components are fabricated by applying silver paste or copper paste on ceramic substrates with screen printing technology followed by sintering at a high temperature, the difference in thermal expanding coefficient between the metal paste and the ceramic will lead to size shrinking after sintering. The size shrinking will cause line shifting and further result in inaccurate signals of the microwave dielectric ceramic component. Therefore, most of current manufacturer trim the components by manually adjust the antenna signals, which are labor intensive, and the quality is also compromised.  A novel intelligent laser trimming antenna technology is developed, which integrates red laser, vision system, and vector analyzer, etc. to measure the antenna signal and center frequency modification in the production line. It can replace the traditional manual trimming antenna method. With the intelligent laser trimming antenna technology, it takes less than 20 seconds to finish the trimming process,which massively reduces the antenna trimming time by more than 3 folds. The minimum trimming line width can be achieved to 60 μm, which meets the development needs of B4G or 5G high-frequency modules.
關鍵詞：天線修整、雷射、天線
Keywords：Antenna trimming, Laser, Antenna

簡介

隨著3C產品及行動通訊市場高速成長，產品與元件對於輕薄短小之體積要求逐漸增加，根據產科國際所IEK統計，2016年台灣微波介質陶瓷元件與被動元件產值達1233億元，年成長達5.4%。微波介質陶瓷元件因具有體積小、元件密度高等優勢，而需求量大幅增加，目前微波介質陶瓷元件可應用於微波頻段(主要是UHF、SHF頻段，300MHz～300GHz)，可製作陶瓷天線、濾波器、陶瓷振盪器、介質導波迴路等陶瓷元件[1-4]。根據MarketsandMarkets Analysis市場調查機構統計，2009年全球微波介質陶瓷元件市場規模為68.2億美金，每年成長率超過15%，於2015年全球微波介質陶瓷元件市場規模將超過158.7億美元，需求量達63.4億個元件，其中，以GPS天線市場產值為最高，達83億美金以上，並隨著未來B4G/5G高頻產品增加與產品體積縮小，全球微波介質陶瓷元件將持續提高市場規模與產值。在未來B4G或5G高頻模組中，由於需要多天線 MIMO系統進行資料大量傳輸，其為5G高頻(38GHz)陣列天線模組，未來行動通訊產品必須在有限產品空間內放入更多天線元件，此小型化之微波介電陶瓷元件亦為重要元件製程，我國微波介電陶瓷元件產業其全球市占率超過30%，每年可生產超過20億個相關陶瓷元件。

目前微波介質陶瓷元件的製作方式是使用銀漿料或銅漿料置於網版中進行圖案印刷後，再將陶瓷基板於800-900℃進行一小時以上之高溫燒結，為了使銀漿料或銅漿料內的高分子去除而產生良好金屬電性，必須在高溫下長時間燒結，其整個製程屬於高耗能之產業，此外，由於銀膠高溫燒結後與陶瓷二次燒結所產生的膨脹係數差異導致尺寸收縮，將會造成造成5~14%之線路偏移誤差，導致日後訊號頻偏的問題，目前廠商大多採取人工手動修整天線方式，進行天線元件微調至可出貨規格。

微波介電陶瓷元件雖然具有高介電常數、高介電品質因素(Q值)、低介電損失之特性，亦表示此陶瓷元件之共振頻寬越小，其天線或通訊元件之中心頻率要越精準，製程容許誤差越小。Q值表示振子阻尼性質的物理量，也可表示振子的共振頻率相對於頻寬的大小，高Q值表示振子能量損失的速率較慢，振動可持續較長的時間，Q因子較高的振子在共振時，在共振頻率附近的振幅較大，但會產生的共振的頻率範圍比較小，此頻率範圍可以稱為頻寬。共振的頻寬和Q值成反比，所以愈高的Q值其頻寬愈窄，針對高Q因子的系統，也可以用下式計算的Q因子[5-6]：

     (1)

其中f_r為共振頻率，Δf為頻寬，ω_r= 2πf_r是以角頻率表示的共振頻率，Δω是以角頻率表示的頻寬

現今無論日本或台灣業界大多使用銀漿網印技術與金屬漿料燒結技術，進行微波介電陶瓷元件之金屬線路製作，由於金屬線路因高溫燒結造成線路尺寸與位置之偏差，約有5-14%位置精度誤差(誤差高達±200μm)，且因為微波介電陶瓷元件之Q因子較高，頻寬較小，造成天線頻率偏移量大，後續需倚靠大量人工進行手動天線修整，故許多微波介電陶瓷天線廠商需要大量的人工以手動方式並配網路分析儀進行天線訊號修整。由於手動刮除線路需在高倍顯微鏡下進行線路移除，因此，此站之工作人員除需具備長期的訊號修整經驗外，常因不小心造成線路過度移除或刮傷基板等問題造成產品的二次報廢，除此之外，由於手工移除無法精準控制線路移除的線寬，因此需修整面積就無法固定，且一但人員流失其製程技術均無法傳承。因此在訊號修整的過程當中不僅耗費大量人力、測量設備、以及生產時間。

故本論文開發智慧化雷射自動修整天線設備，使天線訊號修整技術能到標準化之製程製作，此套系統除具備即時量測陶瓷天線訊號之共振頻率圖、Smith圖以及場型圖等線上量測資料外，並且建立一套標準天線訊號圖譜與智慧修整法則形成智慧修整資料庫系統，再搭配雷射移除線路之最佳化參數的測試(包括瓦數、移動速率等)，此整套設備具有智慧化自我判斷，即時量測即時修正之功能性，使其修整後之線路資料能有完整的量測追蹤記錄，確保出貨之品質。

智慧化雷射自動修整天線設備之優勢

傳統GPS天線製作方式於高溫厚膜銀漿網印、燒結至修整等過程中，大部分都是以半自動化設備或者是大量人力來執行，而且製程參數、生產排程、維護紀錄、以及產品履歷也都是由單一工作站以人工方法來進行品質監控與管理，因此在GPS天線產品追溯與良率生產管理上將有下列傳統生產線的問題：

1.人工修整精度不良

傳統陶瓷天線與GPS天線修整方式是經由大量的人工以手動方式並配網路分析儀進行訊號修整，由於手動刮除線路需在高倍顯微鏡下進行線路移除，因此；修整工作人員除需具備長期的訊號修整經驗外，常因不小心造成線路過度移除或刮傷基板等問題造成產品的二次報廢，除此之外，由於手工移除無法精準控制線路移除的線寬，因此需修整面積與位置也就無法固定，然而以雷射加工進行GPS天線修整方式，不但可以精準控制線路移除的線寬、面積、以及位置而且具有良好的精度重現性，可以避免人工修整線路過度移除或刮傷基板所造成的產品報廢之問題。

2.診斷監控未具備即時性

傳統陶瓷天線與GPS天線檢測是以人工上下料方式在網路分析儀器進行訊號量測，技術人員於取放物料過程中還需微調物件的位置以確保量測點之定位準確性，整體物料取放與對位的過程不僅耗時繁瑣且不具有及時性。

3.生產製造數據與資料不具有系統化

人工修整過程中，訊號量測與修整量的生產數據都是採取手動方式記錄保存，此種方式不僅無法有效管控生產流程而且對於後續追蹤物料上也相當不容易，因此經由系統化的管控方式將生產過程之數據統一建構於資料庫中，並經由上傳資料庫將有利於後端分析數據改善良率以及消費者加值服務。