질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도도 및 고절연성을 가진 재료로서 최근 파인 세라믹스의 하나로 주목받고 있으며 특히 AlN이 가진 특성 중 열적 성질이 가장 주목받고 있다. 그 이유는 반도체 소자의 사용범위가 넓어짐에 따라 고전력 반도체 소자, 광소자의 급격한 수요와 산업전자 기기 등의 소형화 요청에 따른 고집적, 고밀도에 따른 단위체적당 ...
질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도도 및 고절연성을 가진 재료로서 최근 파인 세라믹스의 하나로 주목받고 있으며 특히 AlN이 가진 특성 중 열적 성질이 가장 주목받고 있다. 그 이유는 반도체 소자의 사용범위가 넓어짐에 따라 고전력 반도체 소자, 광소자의 급격한 수요와 산업전자 기기 등의 소형화 요청에 따른 고집적, 고밀도에 따른 단위체적당 발열량이 많게 되어 반도체 소자의 신뢰성에 크게 영향을 미치게 되기 때문이다. 본 논문에서는 통합된 AlN 기판을 이용하여 새로운 고전력 RF 모듈을 제안하였다. 이 패키지 구조는 고전력 RF 모듈의 저가격, 소형화, 효과적인 열 방출의 장점을 가진다. 열전도도가 우수한 AlN 기판에 thru-hole과 스크라이빙 라인을 형성하기 위해 CO₂ 레이저의 파라미터(초점 거리, 공기량, 레이저 빔 시간, 펄스 개수)를 실험하였다. 또한 AlN 기판의 수동 소자 연구를 위해 자체 정렬 마스킹 기법을 이용한 5 um 두께의 Cu 도금으로 AlN 기판에 마이크로스트립 선로와 나선형 평면 인덕터를 제작하였다. AlN 기판에 제작된 마이크로스트립 선로는 10 GHz 까지 0.1 dB/mm 감쇠를 보여준다. 5.65 nH의 나선형 평면 인덕터는 1 GHz에서 약 62의 최대 품질 계수를 가지며, SRF는 약 3 GHz 이다. 그리고 thru-hole을 가지는 AlN 기판에 RF 전력 증폭기를 실장하여 측정한 결과 13 GHz에서 15 GHz 주파수 대역에서 24 dB의 이득과 33.65 dBm(2.3 W)의 출력 전력을 가진다. 또한, 전력부가효율(PAE)은 전력 포화영역에서 약 34 %를 갖는다. 부가적으로, Flotherm 소프트웨어를 이용하여 RF 모듈 패키지 내의 열 분포 해석을 수행하였다. 이 시뮬레이션에 사용된 모델은 실제 패키지 구조와 동일하게 설계되었고, 각 재료의 열전도도 또한 포함한다. 실험 결과, thru-hole을 가지는 AlN 기판은 종래의 알루미나 기판보다 23 ℃의 낮은 온도 분포를 가진다. 열 해석 실험 결과로서 thru-hole을 가지는 AlN 기판은 종래의 알루미나 기판 보다 낮은 온도 분포 특성을 나타내는 것을 증명하였다. 따라서 열전도도가 우수한 AlN 기판의 고전력 RF 응용이 가능할 것으로 기대한다.
질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도도 및 고절연성을 가진 재료로서 최근 파인 세라믹스의 하나로 주목받고 있으며 특히 AlN이 가진 특성 중 열적 성질이 가장 주목받고 있다. 그 이유는 반도체 소자의 사용범위가 넓어짐에 따라 고전력 반도체 소자, 광소자의 급격한 수요와 산업전자 기기 등의 소형화 요청에 따른 고집적, 고밀도에 따른 단위체적당 발열량이 많게 되어 반도체 소자의 신뢰성에 크게 영향을 미치게 되기 때문이다. 본 논문에서는 통합된 AlN 기판을 이용하여 새로운 고전력 RF 모듈을 제안하였다. 이 패키지 구조는 고전력 RF 모듈의 저가격, 소형화, 효과적인 열 방출의 장점을 가진다. 열전도도가 우수한 AlN 기판에 thru-hole과 스크라이빙 라인을 형성하기 위해 CO₂ 레이저의 파라미터(초점 거리, 공기량, 레이저 빔 시간, 펄스 개수)를 실험하였다. 또한 AlN 기판의 수동 소자 연구를 위해 자체 정렬 마스킹 기법을 이용한 5 um 두께의 Cu 도금으로 AlN 기판에 마이크로스트립 선로와 나선형 평면 인덕터를 제작하였다. AlN 기판에 제작된 마이크로스트립 선로는 10 GHz 까지 0.1 dB/mm 감쇠를 보여준다. 5.65 nH의 나선형 평면 인덕터는 1 GHz에서 약 62의 최대 품질 계수를 가지며, SRF는 약 3 GHz 이다. 그리고 thru-hole을 가지는 AlN 기판에 RF 전력 증폭기를 실장하여 측정한 결과 13 GHz에서 15 GHz 주파수 대역에서 24 dB의 이득과 33.65 dBm(2.3 W)의 출력 전력을 가진다. 또한, 전력부가효율(PAE)은 전력 포화영역에서 약 34 %를 갖는다. 부가적으로, Flotherm 소프트웨어를 이용하여 RF 모듈 패키지 내의 열 분포 해석을 수행하였다. 이 시뮬레이션에 사용된 모델은 실제 패키지 구조와 동일하게 설계되었고, 각 재료의 열전도도 또한 포함한다. 실험 결과, thru-hole을 가지는 AlN 기판은 종래의 알루미나 기판보다 23 ℃의 낮은 온도 분포를 가진다. 열 해석 실험 결과로서 thru-hole을 가지는 AlN 기판은 종래의 알루미나 기판 보다 낮은 온도 분포 특성을 나타내는 것을 증명하였다. 따라서 열전도도가 우수한 AlN 기판의 고전력 RF 응용이 가능할 것으로 기대한다.
Recently, AlN(aluminum nitride) has been noticed as a new fine ceramic material because of it's excellent thermal properties including high thermal conductivity and high insulation characteristics. As the semiconductor device application range is broadened, the enormous demands for the high power se...
Recently, AlN(aluminum nitride) has been noticed as a new fine ceramic material because of it's excellent thermal properties including high thermal conductivity and high insulation characteristics. As the semiconductor device application range is broadened, the enormous demands for the high power semiconductor device as well as the optical devices are required for the industrial uses, and the reliability of such devices is strongly dependent on the thermal characteristics of the heat dissipate of the substrate. In this thesis, a new high power RF module using integrated AlN substrate has been proposed. This new package structure has the advantage of low cost, compact size and effective heat dissipation for high power RF module application. The key parameters of CO₂ laser(focus depth, air blow rate, total laser beam time, number of pulse) were experimented for thru-hole and scribing line on AlN substrate with high thermal conductivity. To investigate the performance of passive elements on AlN substrate, microstrip line and spiral planar inductor were fabricated on AlN substrate using 5 um Cu-plating with self-masking technique. The fabricated microstrip line of AlN substrate has 0.1 dB/mm attenuation up to 10 GHz. The fabricated spiral planar inductor has high quality factor, the maximum quality factor of 5.65 nH inductor is about 62 at 1 GHz. The SRF(Self-Resonant Frequency) has about 3 GHz. The packaging of RF power amplifier was implemented on AlN substrate with thru-hole. From the measured results, the gain has 24 dB from 13 to 15 GHz and output power has 33.65 dBm(2.3 W). Also, The power added efficiency(PAE) has about 34 % at the power saturation. Additionally, the RF module performed thermal analysis of the temperature distribution within the packaging using the Flotherm software. The model used in this simulation was built according to the actual package structure, and the thermal conductivity for the materials used in this model is also included. Experiment results, the temperature distribution of the AlN substrate with thru-hole is a 23 ℃ lower than that of the conventional alumina substrate with thru-hole. The thermal testing experiment results proved that the AlN substrate with thru-hole exhibits a lower temperature than that of conventional alumina substrate. Thus, the AlN substrate is promising for GHz applications of high power area.
Recently, AlN(aluminum nitride) has been noticed as a new fine ceramic material because of it's excellent thermal properties including high thermal conductivity and high insulation characteristics. As the semiconductor device application range is broadened, the enormous demands for the high power semiconductor device as well as the optical devices are required for the industrial uses, and the reliability of such devices is strongly dependent on the thermal characteristics of the heat dissipate of the substrate. In this thesis, a new high power RF module using integrated AlN substrate has been proposed. This new package structure has the advantage of low cost, compact size and effective heat dissipation for high power RF module application. The key parameters of CO₂ laser(focus depth, air blow rate, total laser beam time, number of pulse) were experimented for thru-hole and scribing line on AlN substrate with high thermal conductivity. To investigate the performance of passive elements on AlN substrate, microstrip line and spiral planar inductor were fabricated on AlN substrate using 5 um Cu-plating with self-masking technique. The fabricated microstrip line of AlN substrate has 0.1 dB/mm attenuation up to 10 GHz. The fabricated spiral planar inductor has high quality factor, the maximum quality factor of 5.65 nH inductor is about 62 at 1 GHz. The SRF(Self-Resonant Frequency) has about 3 GHz. The packaging of RF power amplifier was implemented on AlN substrate with thru-hole. From the measured results, the gain has 24 dB from 13 to 15 GHz and output power has 33.65 dBm(2.3 W). Also, The power added efficiency(PAE) has about 34 % at the power saturation. Additionally, the RF module performed thermal analysis of the temperature distribution within the packaging using the Flotherm software. The model used in this simulation was built according to the actual package structure, and the thermal conductivity for the materials used in this model is also included. Experiment results, the temperature distribution of the AlN substrate with thru-hole is a 23 ℃ lower than that of the conventional alumina substrate with thru-hole. The thermal testing experiment results proved that the AlN substrate with thru-hole exhibits a lower temperature than that of conventional alumina substrate. Thus, the AlN substrate is promising for GHz applications of high power area.
주제어
#AlN substrate Microstrip Line Spiral Planar Inductor Power Amplifier packaging
학위논문 정보
저자
김승용
학위수여기관
한국산업기술대학교 지식기반기술에너지대학원
학위구분
국내석사
학과
정보통신
발행연도
2009
총페이지
viii, 82 p.
키워드
AlN substrate Microstrip Line Spiral Planar Inductor Power Amplifier packaging
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