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문제 정의
- 본 논문에서는 저 손실의 초소형 모듈의 구현을 위하여 3차원 LTCC 다층 회로 기판에 전력 증폭기 칩의 집적 시에 발생하는 연결 손실과 방사 손실의 감소를 위한 코프라나 형태의 와이어 본드 구조를 최적화하고 고 격리의 3차원 모듈 구조를 제안하였다. 저 손실 연결 구조와 3차원 초소형 고 격리 구조를 이용하여 60 GHz 초고속 무선 통신 시스템 응용을 위한 초소형 전력 증폭기 LTCC 모듈들을 설계 및 제작하여 그 특성을 측정하였다.
- 본 연구에서는 와이어 본드 연결에서 가장 큰 문제인 기생 인덕턴스와 불연속 방사를 감소시켜 저손실 상호 연결를 구현하기 위하여 최적화된 2개의 와이어를 이용한 코프라나 본드 와이어 연결 구조를 설계하였다. 최적의 구조와 전자계의 분석을 위하여 3차원 전자계 시뮬레이터인 CST사의 MWS기를 이용하였다.
- 본 논문에서는 60 GHz 초고속 무선 통신을 위한 송신기용 전력 증폭기 LTCC 모듈을 설계 및 제작하여 특성을 측정하였다. 와이어 본드 연결 구조에서 불연속으로 인한 방사 손실 및 기생 인덕턴스를 감소시키기 위해 코프라나 와이어 본드 구조를 설계 및 최적화하였다.
제안 방법
- 저 손실 연결 구조와 3차원 초소형 고 격리 구조를 이용하여 60 GHz 초고속 무선 통신 시스템 응용을 위한 초소형 전력 증폭기 LTCC 모듈들을 설계 및 제작하여 그 특성을 측정하였다.
- 구조를 나타내고 있다. 본드 와이어의 길이를 줄이고 MMIC와 LTCC 사이의 접지면 불연속을 감소시키기 위해, 캐비티 공정을 이용하여 MMIC의 접지면과 LTCC 전송선의 접지면 높이가 같도록 설계하였다. 사용된 와이어는 지름이 1 mil이고 길이는 310㎛이다.
- 와이 어 본드 연결 구조에서 발생하는 불연 속으로 인한 방사 손실을 감소하기 위하여 MMIC의 입출력 단의 접지 패드와 LTCC 기판의 CB-CPW 접지 면과 연결된 코프라나 와이어 본드 구조를 설계하였다. 여기서 와이어의 상호 인던턴스 감소를 위해 와이어 상호 간의 각도를 조정하였다.
- 설계하였다. 여기서 와이어의 상호 인던턴스 감소를 위해 와이어 상호 간의 각도를 조정하였다. 각도는 전송선 중앙을 기준으로 와이어와의 각도를 조정하여 전송 특성을 분석하였다.
- 여기서 와이어의 상호 인던턴스 감소를 위해 와이어 상호 간의 각도를 조정하였다. 각도는 전송선 중앙을 기준으로 와이어와의 각도를 조정하여 전송 특성을 분석하였다.
- 손실(b) 특성을 나타내고 있으며, 각각의 경우는 접지면 와이어가 없는 일반적인 구조와 코프라나 와이어 본드 구조의 특성을 비교하였다. 와이어와 전송선 중앙 사이 각이 20도에서 그 각도가 최적화됨을 알 수 있으며, 삽입 손실과 반사 손실이 일반적인 구조에 비해 최고 약 0.
- 또한, 2개의 와이어만으로 설계된 일반적인 구조(CA)에 비하여'접지면이상호 연결된 코프라나 와이어 본드 구조(NA)가 삽입 손실과 반사 손실 면에서 모든 각도에서 개선된 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이를 분석하기 위해, 와이어 상호 연결의 3차원 전계의 분포를 이용하였다.
- 다층 회로 층간 연결과 MMIC 칩의 집적을 위해 비아와 캐비티가 각각 이용되었다. 회로의 안정도를 높이기 위해, 전원 배선을 통한 누설과 이로 인한 피드백 효과를 방지하고자 증폭기의 DC 전원 배선을 모두 스트립라인 형태로 LTCC 다층 회로 내부에 내장시켰고 배선 주위를 비아로 모두 차폐시켰다. 그리고 LTCC 기판의 높은 유전율과 불연속 효과로 인한 표면파의 발생과 이의 전파를 방지하고 이를 통한 누설을 억제하기 위해 고 격리 전송선 구조인 CB-CPW을 기본적인 전송선으로 사용하였다.
- 회로의 안정도를 높이기 위해, 전원 배선을 통한 누설과 이로 인한 피드백 효과를 방지하고자 증폭기의 DC 전원 배선을 모두 스트립라인 형태로 LTCC 다층 회로 내부에 내장시켰고 배선 주위를 비아로 모두 차폐시켰다. 그리고 LTCC 기판의 높은 유전율과 불연속 효과로 인한 표면파의 발생과 이의 전파를 방지하고 이를 통한 누설을 억제하기 위해 고 격리 전송선 구조인 CB-CPW을 기본적인 전송선으로 사용하였다. 그러나, CB-CPW의 경우, 상하 접지면과 이의 연결을 위한 비아로 인해 기생적인 구형 도파관 모드나 마이크로스트립 패치 안테나 모드가 발생하여 모듈의 동작에 치명적인 영향을 줄 수 있다.
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2-3 초소형 LTCC 모듈의 제작
제안된 코프라나 와이어 상호 연결 구조와 고 격리 3차원 모듈 구조를 이용하여 60 GHz 전력 증폭기 LTCC 모듈을 제작하였다. 이용된 LTCC 다층 회로는 총 5층이며 총 두께는 500 ㎛이다.
- 다층 회로 내부용 도체는 Ag7|- 사용되었고, 와이어 본드와 DC 전원 부품의 탑재를 위해 외부 도체는 Ag/Pd가 사용되었다. 공정은 일반적인 LTCC 공정인 비아 펀칭, 비아 필링, 도체 프린트, 다층 회로 적층 및 열처리 순으로 진행되었다. 제작에 이용된 전력 증폭기 MMIC는 Velocium사의 ABH- 209 상용 칩이며, 55~65 GHz의 동작 주파수 범위에서 일반적인 이득은 11 dB, PldB 출력은 16 dBm, 그리고 크기는 1.
- RF 프로브를 이용하여 제작된 전력 증폭기 모듈의 특성을 평가하였다. 그림 6은 전력 증폭기 모듈의 소 신호 특성의 측정 결과를 나타내고 있다.
- 그림 6은 전력 증폭기 모듈의 소 신호 특성의 측정 결과를 나타내고 있다. 제안된 와이어 구조의 특성을 평가하기 위하여 제작된 전력 증폭기에서 제안된 코프라나 구조와 접지면 와이어가 없는 일반적인 와이어 구조를 각각 측정하여 비교하였다. 삽입 손실의 경우, 60 GHz에서 코프라나 구조가 OS dB의 미소한 개선을 보여 10 dB의 이득을 나타내고 있다.
- 특성을 측정하였다. 와이어 본드 연결 구조에서 불연속으로 인한 방사 손실 및 기생 인덕턴스를 감소시키기 위해 코프라나 와이어 본드 구조를 설계 및 최적화하였다. 또한 고 격리 모듈 구조를 위하여, LTCC 기판 내부에 DC 전원 배선을 내장시키고 비아로 그 주위를 차폐를 시킨 고 격리 3차원 모듈 구조를 제안하였다.
- 와이어 본드 연결 구조에서 불연속으로 인한 방사 손실 및 기생 인덕턴스를 감소시키기 위해 코프라나 와이어 본드 구조를 설계 및 최적화하였다. 또한 고 격리 모듈 구조를 위하여, LTCC 기판 내부에 DC 전원 배선을 내장시키고 비아로 그 주위를 차폐를 시킨 고 격리 3차원 모듈 구조를 제안하였다. 최적화된 코프라나 와이어 연결구조를 이용한 전력 증폭기 모듈의 경우, 60 GHz에서 입력 반사 손실(%) 및 출력 반사 손실(&2)이 일반적인 연결 구조에 비해 각각 9.
- 사용된 와이어는 지름이 1 mil이고 길이는 310㎛이다. 와이어의 인던턴스의 영향을 줄이기 위해 50 Q의 LTCC 접지면 코프라나 도파관(CB- CPW: conductor backed CPW) 전송선 선로에 넓은 면적의 커패시터 성분이 발생하도록 매칭 회로를 설계하였다. 설계에 이용된 LTCC 기판 및 GaAs의 유전율은 각각 7.
대상 데이터
- 최적의 구조와 전자계의 분석을 위하여 3차원 전자계 시뮬레이터인 CST사의 MWS기를 이용하였다.
- 본드 와이어의 길이를 줄이고 MMIC와 LTCC 사이의 접지면 불연속을 감소시키기 위해, 캐비티 공정을 이용하여 MMIC의 접지면과 LTCC 전송선의 접지면 높이가 같도록 설계하였다. 사용된 와이어는 지름이 1 mil이고 길이는 310㎛이다. 와이어의 인던턴스의 영향을 줄이기 위해 50 Q의 LTCC 접지면 코프라나 도파관(CB- CPW: conductor backed CPW) 전송선 선로에 넓은 면적의 커패시터 성분이 발생하도록 매칭 회로를 설계하였다.
- GaAs MMIC 위의 CB-CPW 패드의 경우, 선폭과 갭은 각각 100과 100 ㎛이다. 접지면의 크기는 200x100 ㎛2이며, 칩의 신호선인 마이크로 스트립의 폭과 길이는 각각 75와 200 ㎛이다.
- 모듈의 크기를 줄이기 위해 비아, 내부 접지면, 캐비티, 스트립라인, 그리고 CB-CPW와 같은 다양한 3차원 구조가 이용되었다. 다층 회로 층간 연결과 MMIC 칩의 집적을 위해 비아와 캐비티가 각각 이용되었다. 회로의 안정도를 높이기 위해, 전원 배선을 통한 누설과 이로 인한 피드백 효과를 방지하고자 증폭기의 DC 전원 배선을 모두 스트립라인 형태로 LTCC 다층 회로 내부에 내장시켰고 배선 주위를 비아로 모두 차폐시켰다.
- 이들 기생 모드들의 억제를 위해 비아를 CBCPW 전송선의 갭에 근접하여 형성함으로써 비아 사이의 거리를 감소시켜 구형 도파관 모드를 동작 주파수 영역보다 높게 할 수 있고, 갭을 통한 커플링(coupling)을 억제하여 패치 안테나 모드의 발생을 억제시킬 수 있다. 본 연구에서는 CB-CPW의 갭에서 100 ㎛ 떨어져 접지면에 비아를 배치하였고 이때의 비아 사이의 거리는 480 ㎛이다.
- 모듈을 제작하였다. 이용된 LTCC 다층 회로는 총 5층이며 총 두께는 500 ㎛이다. 기판의 유전율은 7.
- 8이다. 다층 회로 내부용 도체는 Ag7|- 사용되었고, 와이어 본드와 DC 전원 부품의 탑재를 위해 외부 도체는 Ag/Pd가 사용되었다. 공정은 일반적인 LTCC 공정인 비아 펀칭, 비아 필링, 도체 프린트, 다층 회로 적층 및 열처리 순으로 진행되었다.
- 공정은 일반적인 LTCC 공정인 비아 펀칭, 비아 필링, 도체 프린트, 다층 회로 적층 및 열처리 순으로 진행되었다. 제작에 이용된 전력 증폭기 MMIC는 Velocium사의 ABH- 209 상용 칩이며, 55~65 GHz의 동작 주파수 범위에서 일반적인 이득은 11 dB, PldB 출력은 16 dBm, 그리고 크기는 1.2x2.2 ㎛2이다.
성능/효과
- 밀리미터파 영역에서 와이어 본드의 특성과 연결 파라미터를 분석하기 위해 코프라나 구조를 제안하였으나, 와이어의 인덕턴스로 인해 제안된 구조의 손실이 60 GHz에서 약 -2 dB를 나타내었다. 또한 최근에는 매칭 회로와 MMIC와 기판 사이의 안정적인 접지를 위해 칩과 기판의 접지를 연결한 구조가 이용하여 우수한 연결 특성을 나타내었으나 매칭 회로를 포함한 본드 와이어 상호 연결 부분이 다소 커지는 단점이 있었다.
- 본드 구조의 특성을 비교하였다. 와이어와 전송선 중앙 사이 각이 20도에서 그 각도가 최적화됨을 알 수 있으며, 삽입 손실과 반사 손실이 일반적인 구조에 비해 최고 약 0.4 dB와 -20 dB 각각 개선된 결과를 얻었다. 이는 와이어의 상호 인덕턴스가 최적 화된 각도 (20도)에 의하여 그리고 와이 어 자체 의자기 인던턴스 성분은 매칭 회로에 의해, 각각 효과적으로 감소된 것으로 판단된다.
- 이는 와이어의 상호 인덕턴스가 최적 화된 각도 (20도)에 의하여 그리고 와이 어 자체 의자기 인던턴스 성분은 매칭 회로에 의해, 각각 효과적으로 감소된 것으로 판단된다. 또한, 2개의 와이어만으로 설계된 일반적인 구조(CA)에 비하여'접지면이상호 연결된 코프라나 와이어 본드 구조(NA)가 삽입 손실과 반사 손실 면에서 모든 각도에서 개선된 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이를 분석하기 위해, 와이어 상호 연결의 3차원 전계의 분포를 이용하였다.
- 따라서 본 연구에서 제안된 코프라나 본드 상호연결 구조는 와이어 각도의 최적화로 인한 기생 인덕턴스 감소와 접지면 와이어에 의한 전계 방사 감소로 와이어 상호 연결의 전송 손실과 반사 손실의 개선이 이루어진 것으로 판단된다. 설계 결과 최적화된 코프라나 와이어 연결 구조에 의해 60 GHz에서 삽입 손실이 0.105 dB 반사 손실이 -30 dB로 일반적인 구조에 비해 각각 0.05 dB와 -10 dB 개선시켰다.
- 또한 고 격리 모듈 구조를 위하여, LTCC 기판 내부에 DC 전원 배선을 내장시키고 비아로 그 주위를 차폐를 시킨 고 격리 3차원 모듈 구조를 제안하였다. 최적화된 코프라나 와이어 연결구조를 이용한 전력 증폭기 모듈의 경우, 60 GHz에서 입력 반사 손실(%) 및 출력 반사 손실(&2)이 일반적인 연결 구조에 비해 각각 9.2와 2.9 dB 개선되었고 삽입 손실이 0.5 dB 증가하여 기생 인덕턴스와방사 손실이 효과적으로 개선되었음을 확인하였다. 4.
- 5 dB 증가하여 기생 인덕턴스와방사 손실이 효과적으로 개선되었음을 확인하였다. 4.6x4.9x0.5 ㎣크기로 제작된 전력 증폭기 LTCC 모듈의 이득은 60 GHz에서 10 dB, 반사 손실은 -15 dB 이하를 나타내었다. 3 dBm의 입력 전력에서 PldB 출력 전력은 11 dBm을 나타내었다.
- 9 dB 각각 개선되었다. 따라서, 제안된 코프라나 구조의 와이어 연결이 밀리미터파 모듈의 연결로 우수한 특성을 나타냄을 확인하였다. DC 전력 소모는 Vg=-0.
후속연구
- 코프라나 형태의 와이어 본드 구조에서 전계가 방사하지 않고 접지면 와이어 본드 내부에 한정되는 것을 알 수가 있다. 따라서 본 연구에서 제안된 코프라나 본드 상호연결 구조는 와이어 각도의 최적화로 인한 기생 인덕턴스 감소와 접지면 와이어에 의한 전계 방사 감소로 와이어 상호 연결의 전송 손실과 반사 손실의 개선이 이루어진 것으로 판단된다. 설계 결과 최적화된 코프라나 와이어 연결 구조에 의해 60 GHz에서 삽입 손실이 0.
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