JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

The increase in mobile network data usage has led to interests in mm-wave frequencies (for example 26.5–29.5 GHz) on becoming fifth generation (5G) networks in addition to previously used sub-6 GHz frequencies. The advantage of mm-wave frequencies is larger bandwidth, leading to larger throughput with a tradeoff of smaller coverage due to shorter wavelength. The coverage issue can be compensated by using antenna arrays instead of one antenna. There have been some studies about stacking antenna module package vertically on motherboard, and in more advanced approach, the RFIC is integrated into the bottom of the antenna module package.

This thesis concentrates on developing the interconnection between two PWBs on mm-wave frequency (26.5–29.5 GHz) between the antenna module and motherboard. More accurately, creating interconnection around via structure, carrying RF-signal from antenna module to motherboard by applying vertical stacking. This method may reduce the overall price of the system, while increasing the level of integration in the system. The overall aim of this thesis was to provide a functional and optimized interconnection method with measurement results and limitations of Nokia Factory.

The interconnection can be created by using electromagnetic coupling or galvanic connection. The galvanic connection was chosen for many reasons and different interconnection methods applying galvanic connection were introduced. These methods include LGA and BGA soldering, traditional RF-connector and antenna array connector with 16-ports. After considering the options and Nokia Factory limitations, the most suitable interconnection method turned out to be LGA soldering.

The research work includes partial design of antenna module and motherboard, and the optimization for connection. Prototypes were created based on the design, and the measurement results and conclusions of interconnection functionality were provided as well. Six prototypes were made, from which prototypes 3–6 were functional in terms of solder height. The measurement results show that there was variation in matching between different prototypes and between simulation and measurement results. By doing x-ray and failure analysis, a few reasons were found to explain the variation. One reason can be found from voids in signal soldering, which widens the soldering horizontally, leading to decreased matching due to changed solder diameter and asymmetric grounding. However, by utilizing the solder bumping method, the appearance and diameter of voids can be minimized.

The conclusion with prototypes was that the system functions well, but improvements are recommended, and simulations should be re-done with modifications from failure analysis. Overall, the aim of the thesis was reached.

Antennimoduulipaketin liitäntöjen kehittäminen millimetriaalto taajuuksille

Tiivistelmä

Datankäytön jatkuvan kasvun takia viidennen sukupolven (5G) matkapuhelinteknologian kehitys on keskittynyt aiemmin käytettyjen alle 6 GHz taajuuksien lisäksi uusille, korkeammille, millimetriaaltojen (esim. 26.5–29.5 GHz) taajuuskaistalle. Korkeammat taajuudet tarjoavat mahdollisuuden käyttää suurempia kaistanleveyksiä kasvattaen läpikulkevan datan määrää, mutta sen hintana on signaalin kantomatkan pienentyminen aallonpituuden pienentymisen takia. Kantomatkan lyhenemistä voidaan kuitenkin kompensoida käyttämällä antenniryhmiä yksittäisten antennien asemasta. Antenniryhmien integroinnista systeemiin on tehty erilaisia tutkimuksia, joita ovat esimerkiksi vertikaalinen pinoaminen, jossa antennilevy juotetaan toiselle piirilevylle. Edistyksellisemmässä versiossa kyseisen antennilevyn pohjaan on liitetty RFIC piiri.

Tässä diplomityössä tutkittiin kahden piirilevyn välistä liityntäkohtaa vertikaalisella pinoamisella. Liityntäkohta kuljettaa millimetriaaltotaajuista RF-signaalia (26.5–29.5 GHz) antennilevyltä äitilevylle. Kyseisellä rakenteella voidaan saada pienennettyä mahdollisen tuotteen kustannuksia, samalla pienentäen myös sen fyysistä kokoa. Työn tarkoituksena on tarjota Nokialle valmiiksi optimoitu liitäntäratkaisu mittaustuloksineen ja tuotannon rajoitteineen dokumentoituna.

Tutkittu liityntäkohta voidaan muodostaa sähkömagneettisella kytkeytymisellä tai galvaanisesti, joista jälkimmäinen on huomattavasti järkevämpi ja tässä työssä on esitetty sille erilaisia vaihtoehtoja, joita on vertailtu toisiinsa. Näihin vaihtoehtoihin sisältyy koneellinen juottaminen LGA tai BGA tavalla, RF-liittimien käyttö ja antenniryhmää varten kehitetty 16 porttinen liitin. Kyseisistä liitäntä vaihtoehdoista parhaaksi ja soveltuvimmaksi osoittautui LGA juotos.

Tutkimustyö sisältää antennilevyn ja äitilevyn osittaisen suunnittelun ja optimoinnin, ja sen perusteella tehdyn prototyypin, mittaustulokset ja päätelmät liitynnän toimivuudesta. Prototyyppejä tehtiin kaikkiaan kuusi, joista viimeiset 3–6 olivat onnistuneita juotospaksuuden perusteella. Mittausten perusteella sovituksessa on paljon vaihtelua, jolle löydettiin muutamia syitä röntgen tarkastuksessa ja virheanalyysissa. Näihin syihin sisältyy juotoksesta löytyneet kaasukuplat, jotka johtavat juotoksen laajenemiseen horisontaalisesti, mikä taas heikentää maadoitusta ja täten sovitusta. Juotoksen kaasukuplat voidaan kuitenkin välttää niin kutsutulla juotoksen pallottamisella (Engl. Solder Bumping), jossa kaasukuplia ilmeni huomattavasti vähemmän ja ne olivat pienempiä.

Lopputulemana todettiin, että työ on onnistunnut ja prototyyppi on toimiva, mutta tarjotut kehitysideat kannattaa huomioida mahdollisessa jatkokehityksessä ja simuloinnit tulisi tehdä uudelleen virheanalyysistä saaduilla arvoilla ja tiedoilla.