Page 60 - 電路板季刊第112期

58 專業技術 毫米波天線之老化影響評估

所產生的德拜環將隨之消失，而僅留fcc 五、銅線路老化對天線性能的影響
銅的繞射訊號(圖5a’’)。換言之，Cu O的
2 5.1反射係數(S )
生成僅於線路表面產生。此繞射分析結 11
果與XPS結果一致(圖3–4)，在等溫退火 根據文獻[26]，介電材料之介電特
150 °C下，銅的氧化物主要由Cu O所構 性是宰制天線性能的重要因子。本研究
2
成，而非CuO。為了更詳細地觀察銅氧 在室溫下透過V NA搭配開放式共振器
化的分佈情形，底下將藉由TEM-EDS來 (iProphet)，以量測天線基材(Rogers
進行分析。 RO3003)於不同退火時間後之介電常數
圖5(c)是以TEM-EDS所進行的銅 (Dk)與耗散因子(Df)。其中，退火溫度
(Cu Kα)與氧(O Kα)的分佈圖。薄膜樣品 定於150 °C，分析頻率(f )為77 GHz。
的承載為Mo網，以避免Cu訊號的干擾。 量測結果顯示，基板的介電特性在退火
由元素分佈可清楚看到，銅元素遍及整 48 h後幾乎沒有變化(表1)，顯現選用介
個膜層，而氧元素卻主要集中在表面區 電材具有一定之熱可靠度。在排除介電
域(圖5c)，此與XPS縱深分析一致。值得 特性的影響後，底下將透過HFSS模擬與
釐清的是，在銅線路內部亦可偵測到微 VNA量測，以分析饋入端訊號反射情形
量氧的存在。這可能源於EDS分析時常 (S )。訊號反射情形將可作為評估微帶
11
見的背景污染所致。 天線之銅線路表面氧化(Cu O)對天線性
2
能影響的重要指標。
圖6(a)是天線在150 °C下，退火0 h
(initial)、24 h、及48 h之S 模擬數值。
11
圖6(b)則是對應6(a)的實際量測結果。
其中，HFSS模擬已將銅線路的氧化情
形(圖3–5)及退火後的Dk/Df數值(表1)納
入考量。整體而言，HFSS模擬數值(圖
6a)與VNA量測結果(圖6b)十分吻合。在
工作頻段內(f < 79 GHz)，S 均小於-10
11
dB，表示天線饋入端有良好的阻抗匹

配(Z = 50 Ω)，亦表示銅線路氧化並未
0
明顯減損天線的反射特性。值得注意的
是，模擬及量測結果皆顯示，天線的老
圖5、 ( a) 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 ( T E M ) 拍 攝
微帶天線 ( 裸銅線 ) 於 150 °C 下， 化將導致諧振頻率(f )向高頻偏移。以量
c
退火 4 8 h 後的橫截面影像。 (a ’ – 測為例做說明，f 在退火0 h、24 h、及
a ’’ ) 穿透式電子顯微鏡的選區繞射 c
圖(SADP1與SADP2)；(b)銅表面 48 h時分別為79.22 GHz、79.54 GHz、
的放大影像；(c)T E M-E D S元素分 及79.36 GHz (圖6b)。基於Dk/Df數值於
佈圖疊加於圖 b 的影像，其中橘色 高溫退火後未有明顯改變(表1)，因此可
和綠色分別代表銅(C u Kα )與氧(O 初步排除介電材之介電特性對f 值的影
Kα ) 元素的分佈。本圖引用自文獻 c
[17,25]。 響。頻偏原因將於下文進一步探討。