專欄文章

在天線設計議題上，基板材料特性對天線效能指標有其影響性，目前以LTCC製程為首的封裝技術在5G毫米波射頻前端模組中嶄露頭角；對於5G通訊應用而言，基板的選擇    不在僅考量電性，連散熱議題亦需一併納入評估。

LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)低溫共燒陶瓷製程常應用於射頻被動元件，包括電阻、電容、電感以及濾波器、多工器或微型化晶片天線等。在於LTCC基板材料具有介電常數選擇範圍大、優良的介電損失與極低的共振頻率溫度係數，因此，在設計高頻元件，LTCC製程仍有無法取代之優勢。

本專欄將說明幾種商用LTCC基板材料種類與特性，如圖一所示，以微帶貼片天線為例，將進一步分析基板特性對天線設計與效能指標之影響。微帶貼片天線設計首先要決定基板介電常數(Dk)，一般常用的FR-4、Rogers和Duroid基板之介電常數皆不超過10，而目前商用LTCC基板材料之Dk值也在10以內。由於需要兼顧天線操作頻寬與輻射效率，介電常數值仍不宜選擇較高，但若應用於終端裝置，選用高介電常數之材料可進而縮小天線元件物理尺寸。因此，在設計上需要從元件尺寸與效能面來衡量合適的方案。

圖一、微帶貼片天線之組成架構

表一為商用LTCC基板材料之介電特性彙總，Motorola T2000與Heraneus CT2000雖然有較低的介電損失，但介電常數為所有型號中最高。Kyocera GL-530有最低的介電損失，但介電常數也為最低。Emca T8800、Dupont-951與Dupont-943則有最適中的介電常數與介電損失值。

表一、商用LTCC基板材料之介電特性彙總

本文獻引用Ashby方法來選擇較佳的基板材料，通常材料選擇涉及多面向評估因素。因此，需從功能參數、幾何參數與材料指標做為函數分析，並透過圖形化方式呈現，讓設計者可清楚選擇適合的材料，以獲得較佳的元件效能。

圖二為使用不同商用LTCC材料進行設計，並同時對天線基板的長度/寬度及VSWR為2的頻寬做圖。從分佈來看，Dupont 951有較平均的天線尺寸與頻寬表現，Ferro A6雖然可以獲得較大的頻寬響應，但尺寸還是比Dupont 951稍大。再者，Dupont 951從其他效能指標包括彎曲強度與楊氏模數等性質皆優於其他基板型號，綜觀來說，DuPont-951在此應用上仍為最合適的候選板材。

圖二、不同商用LTCC材料基板之天線大小與頻寬性能分佈表現

參考資料

 [1] Navneet Gupta, “Material Selection of LTCC Based Microstrip Patch Antenna Substrate Using Ashby's Approach”, International Symposium on Computer, Consumer and Control, 2014.

[2] V. T. Srikar and S. Mark Spearing, “Materials Selection in Micromechanical Design: An Application of the Ashby Approach”, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol.12, No.1, 2003.