[논문]35 GHz 대역을 위한 LCP 기판 적용된 커패시터 및 인덕터 구현

이지연; 유종인; 최세환; 이재영

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.067

[국내논문] 35 GHz 대역을 위한 LCP 기판 적용된 커패시터 및 인덕터 구현
Implementation of Capacitor and Inductor Applied LCP Substrate for 35-GHz frequency band 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.67 - 75

이지연 (한국전자기술연구원 ICT.디바이스패키징연구센터) , 유종인 (한국전자기술연구원 ICT.디바이스패키징연구센터) , 최세환 (한국전자기술연구원 ICT.디바이스패키징연구센터) , 이재영 (한국전자기술연구원 ICT.디바이스패키징연구센터)

초록
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본 논문에서는 LCP(Liquid Crystal Polymer) 기판을 적용하여 35 GHz 대역 회로에서 사용될 수 있는 커패시터 및 인덕터를 다양한 용량으로 구현하였다. 회로에 적용하는 데에 따라 높은 용량을 갖는 수동소자가 필요하고, 이는 기본 구조인 전극형 커패시터와 Spiral 구조 인덕터로 설계할 수 있으나, 이 구조는 SRF(Self-Resonant Frequency)가 사용 주파수인 35 GHz 보다 낮아 고주파 영역에서는 사용 불가능하다. 이러한 주파수 한계를 발견하여, 본 논문에서는 DC와 고주파 영역 사용 수동소자를 분류하여 고안하였다. 기본 구조는 DC와 같은 낮은 주파수 사용에 적합하며, 35 GHz 대역인 고주파용으로는 마이크로스트립 λ/8 길이 stub 구조로 설계하였으며, open 및 short stub 구조는 각각 커패시터 및 인덕터로 동작하고, stub의 임피던스로부터 계산식을 통해 용량 값을 추출할 수 있다. 유전율 2.9인 LCP 기판으로 제작하고 측정하여, DC 사용 기본 구조 커패시터와 인덕터는 각각 1.12 ~ 13.9 pF, 0.96 ~ 4.69 nH 용량의 라이브러리를 구성하였다. 고주파 영역에서 사용 가능한 stub 구조의 커패시터와 인덕터는 각각 0.07 ~ 2.88 pF, 0.34 ~ 1.27 nH 으로 라이브러리를 구축하였다. 측정을 통해 용량 값을 다양화하는 방법을 검증하였으므로 더욱 세분화된 라이브러리를 구축할 수 있으며, 이들은 사용 주파수 35 GHz 대역의 TRM(Transmit-Receive Module)에서 동작 회로와 집적화가 가능하고, 회로에 적절히 활용될 수 있는 수동소자의 대안이 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, by applying LCP substrate, the capacitor and inductor are implemented with a variety of value that can be used in 35 GHz circuits. Depending on how to apply it to the circuit, it is required high value by designing the basic structures such as electrode capacitor and spiral inductor. However they are not available in high-frequency domain, because their SRF(Self-Resonant Frequency) is lower than the frequency of 35-GHz. By finding the limit, this paper devised classifying passive devices for the DC and the high-frequency domain. The basic structure is suitable for DC and microstrip λ/8 length stub structure can be used for high-frequency. The open and short stub structure operate as a capacitor and inductor respectively in the frequency of 35 GHz. If their impedance is known, it is possible to extract the value through the impedance-related equation. By producing with the permittivity 2.9 LCP substrate, the basic structure which are available in the DC constituted a library of capacitance of 1.12 to 13.9 pF and inductance of 0.96 to 4.69 nH, measured respectively. The stub structure available in the high-frequency domain were built libraries of capacitance of 0.07 to 2.88 pF and inductance of 0.34 to 1.27 nH, calculated respectively. The measurements have proven how to diversify value, so libraries can be built more variously. It is possible to integrate with the operation circuit of TRM(Transmit-Receive Module) for the frequency 35-GHz, it will be an alternative to the passive devices that can be properly utilized in the circuit.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Layer configurations of LCP substrate.
표 Table 1. Characteristics of materials.
그림 Fig. 2. Basic capacitor structures. (a) A capacitor with 2 electrodes. (b) A capacitor with 3 electrodes.
그림 Fig. 3. Top view of basic capacitor structure.
그림 Fig. 4. Capacitance result simulated according to frequency under designed 1 pF and 10 pF.
그림 Fig. 5. λ/8-length open stub structure. (a) Full view of λ/8-length open stub. (b) Top view of λ/8-length open stub.
그림 Fig. 6. Smith chart results simulated of 50Ω microstrip and λ/8-length open stub.
그림 Fig. 7. Basic inductor structures. (a) 2-layer spiral structure design. (b) 3-layer spiral structure design. (c) Top view of 2-layer design. (d) Top view of 3-layer design.
그림 Fig. 8. Inductance result simulated according to frequency under designed 5 nH and 10 nH.
그림 Fig. 9. λ/8-length short stub structure. (a) Full view of λ/8-length short stub. (b) Top view of λ/8-length short stub.
그림 Fig. 10. Smith chart results simulated of 50Ω microstrip and λ/8-line short stub.
그림 Fig. 11. Experimental setup. (a) Equipment configuration diagram. (b) A vector network analyzer connected with probe tips through coaxial cables.
그림 Fig. 12. A sample of basic capacitor structure applied LCP substrate. (a) 2D CAD of capacitor with 3 electrodes. (b) A LCP sample of capacitor with 3 electrodes.
그림 Fig. 13. A sample of λ/8-line open stub structure applied LCP substrate. (a) 2D CAD of λ/8-line open stub. (b) A LCP sample of λ/8-line open stub.
표 Table 2. Capacitor library measured from basic structures (with 3 electrodes) for DC domain use.
그림 Fig. 14.Measurement data plotted of capacitors. (a) A basic capacitor structure of 5.25 pF(@100 MHz). (b) λ/8-line open stub structure of 0.24 pF(@35 GHz) from -j0.37Ω normalized.
그림 Fig. 15. A samples of basic inductor structures applied LCP substrate. (a) 2D CAD of 1-layer design. (b) A LCP sample of 1-layer design. (c) 2D CAD of 2-layer design. (d) A LCP sample of 2-layer design. (e) 3D CAD of 3-layer design. (f) A LCP sample of 3-layer design.
표 Table 3. Capacitor library measured from λ/8-length open stub for high frequency domain use.
표 Table 4. Inductor library measured from basic structures (spiral) for DC domain use.
그림 Fig. 16. A sample of λ/8-line short stub structure applied LCP substrate. (a) 2D CAD of λ/8-line short stub. (b) A LCP sample of λ/8-line short stub.
그림 Fig. 17.Measurement data plotted of inductors. (a) A basic inductor structure of 2.7 nH(@100 MHz). (b) λ/8-line short stub structure of 0.51 nH(@35 GHz) from j2.25Ω normalized.
표 Table 5. Inductor library measured from λ/8-length short stub for high frequency domain use.

AI 본문요약
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문제 정의

35 GHz 대역에서 동작하는 TRM(Transmit-Receive Module)에 적용하기 위해 다양한 용량 값을 갖는 커패시터와 인덕터가 필요하며, 본 논문에서는 이에 따른 라이브러리를 구성하였다. LCP를 적층하여 다층 구조의 수동소자를 설계하면 단층에 비해 더 넓은 범위의 용량으로 구현이 가능하다.
회로에서 높은 용량을 갖는 수동소자가 필요할 때, 이는 SRF(Self-Resonant Frequency)가 사용 주파수인 35 GHz 보다 낮아 고주파 영역에서는 사용 불가능하다. 이를 해결하기 위해, 본 논문에서는 LCP기판으로 DC, 고주파 영역 사용 수동소자를 분류하여 고안하였다.

가설 설정

[Fig. 2]의 (a)와 같이 2개의 전극만으로 큰 용량 값으로 커패시터를 설계하게 되면, 전극의 면적이 커져 회로 기판에 사용될 경우 비효율적이다. 이를 보완하기 위해, 본 논문에서는 [Fig.
25 pF(@100 MHz). (b) λ/8-line open stub structure of 0.24 pF(@35 GHz) from -j0.37Ω normalized.
7 nH(@100 MHz). (b) λ/8-line short stub structure of 0.51 nH(@35 GHz) from j2.25Ω normalized.

제안 방법

12]는 커패시터의 기본형인 전극 구조이다. (Xe×Ye)에 따라 커패시터를 설계하였으며, 측정 후 1.12 pF ~ 13.9 pF 용량의 라이브러리를 구성하였다. [Table 2]에서 측정된 전극 구조 커패시터는 SRF가 사용 주파수인 35 GHz 보다 낮아 DC 영역에서만 사용할 수 있다.
[Fig. 11]의 (a)는 측정 장비 구성도이며, (b)와 같이 계측기는 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer, VNA)를 사용하였고, port 1 또는 port 2에 동축케이블을 통하여 측정 시료에 프로빙하는 probe tip과 연결하였다. SLOT(short, load, open, through) 방식을 이용하여 calibration을 수행하고, 시료를 측정하여 s1p 또는 s2p 형식의 데이터를 저장하고 Origin S/W를 이용하여, 그래프형태로 plot하였다.
2장 2절에는 기본형인 전극 구조의 커패시터를 설계하였고, 고주파에서 적용이 불가능한 주파수 한계를 확인하여, 사용하고자 하는 주파수에서 적용 가능한 마이크로스트립 stub 구조를 제시하였다. 2장 3절에서는 같은 방법으로 기본형인 spiral 구조의 인덕터와 마이크로스트립 stub 구조, 2장 4절에는 수동소자 구현 및 측정 결과, 3장에는 결론으로 구성하였다.
⁵⁾ 일반적으로 2개의 고체면을 접착시키려면 화학적으로 결합시키기 위해 접착제가 필요하며, 접착 강도 등의 많은 연구가 필요하다.6) LCP는 에폭시와 같은 별도의 접착층이 필요하지 않으며, 이러한 여러 장점으로 인하여 LCP를 다층회로 기판에 적용하기 위해 적층 기술에 대해서 많은 연구가 진행 중이며, ⁷⁾ 본 논문에서는 이러한 연구 방향에 부합하여 4층 구조의 LCP를 적용하고 이를 이용하여 수동소자를 구현하였다.
Signal과 GND 핀 사이의 간격이 250 μm인 probe tip으로 프로빙하기 위해 수동소자 종단에 GSG패턴을 추가하였고, GSG 패턴의 유무에 따른 시뮬레이션을 하여, 결과가 동일함을 검증하였다. Deembeddinge 측정할 때, 신호 핀의 프로빙을 고려하여 깊이를 200 μm로 설정하여 설계하였다.
11]의 (a)는 측정 장비 구성도이며, (b)와 같이 계측기는 벡터 네트워크 분석기(Vector Network Analyzer, VNA)를 사용하였고, port 1 또는 port 2에 동축케이블을 통하여 측정 시료에 프로빙하는 probe tip과 연결하였다. SLOT(short, load, open, through) 방식을 이용하여 calibration을 수행하고, 시료를 측정하여 s1p 또는 s2p 형식의 데이터를 저장하고 Origin S/W를 이용하여, 그래프형태로 plot하였다. 그래프의 해당 주파수 대역에서 용량 또는 임피던스 값을 기록 및 계산으로 값을 추출하여 라이브러리를 구현하였다.
제작하였다. Signal과 GND 핀 사이의 간격이 250 μm인 probe tip으로 프로빙하기 위해 수동소자 종단에 GSG패턴을 추가하였고, GSG 패턴의 유무에 따른 시뮬레이션을 하여, 결과가 동일함을 검증하였다. Deembeddinge 측정할 때, 신호 핀의 프로빙을 고려하여 깊이를 200 μm로 설정하여 설계하였다.
13]과 같은 open stub 구조의 커패시터를 기판 두께와 선폭 (W_m)을 달리하여 제작하였다. [Table 3]과 같이 stub의 임피던스를 측정하여 커패시터 용량을 계산하였고, 0.07 pF~2.88 pF의 커패시터 라이브러리를 구축하였다. [Fig.
16]와 같이 기판 두께, 선폭 W_m을 달리하여 제작하였다. stub의 임피던스를 측정하고, 인덕터 용량을 계산하였으며, [Table 5]와 같이 0.34 nH~1.27 nH 라이브러리를 구축하였다. [Fig.
커패시터와 마찬가지로 임피던스 50Ω인 마이크로스트립선폭인 W_m=130 μm으로 0층에 리드선을 형성하였다. via의 D_L과 D_V는 각각 250 μm, 80 μm으로 설계하였으며, 시뮬레이션 편의상 원이 아닌 직사각형으로 모델링을 하였다.
SLOT(short, load, open, through) 방식을 이용하여 calibration을 수행하고, 시료를 측정하여 s1p 또는 s2p 형식의 데이터를 저장하고 Origin S/W를 이용하여, 그래프형태로 plot하였다. 그래프의 해당 주파수 대역에서 용량 또는 임피던스 값을 기록 및 계산으로 값을 추출하여 라이브러리를 구현하였다.
본 논문에서 고안한 수동소자는 LCP 공정 기술로 제작하였으며, 측정을 위해 0층의 리드선 양단에 GSG(ground-signal-ground) 패턴을 적용하고, 접지 층과 패턴연결을 위해 via의 hole과 land 직경을 각각 80 μm, 250 μm으로 제작하였다. Signal과 GND 핀 사이의 간격이 250 μm인 probe tip으로 프로빙하기 위해 수동소자 종단에 GSG패턴을 추가하였고, GSG 패턴의 유무에 따른 시뮬레이션을 하여, 결과가 동일함을 검증하였다.
본 논문에서는 다층 회로기판에 인덕터를 구현하므로, 층간 전선 패턴을 via로 연결하여 spiral 구조로 설계하였다. [Fig.
Cu 사이의 유전체인 LCP는 두께를 모두 50 μm으로 제작하였으며, 유전체만 고려하였을 때 설계 가능한 최소 및 최대 기판 두께는 50 μm와 150 μm이다. 본 논문은 설계 S/W로 SONNET을 사용하였으며, [Table 1]과 같이 유전체인 LCP는 유전율 2.9, 유전 손실 0.002, 투자율 1을 설정 값으로 입력하였으며, 도체인 Cu는 투자율 0.99, 전도도 5.5×10 으로 설정하여 설계를 진행하였다.
본 본문에서는 LCP 기판을 적용한 수동소자를 구현할 때, 기본형인 전극형 구조 커패시터와 spiral 구조 인덕터는 35GHz 대역 주파수 보다 낮은 SRF 발생으로 구조적인 한계를 발견하여, 마이크로스트립 λ/8 길이 stub 구조를 추가하여 DC영역과 고주파 영역 사용 수동소자를 분류하여 설계를 고안하였다. DC영역 커패시터는 전극 면적이 넓을수록, 인덕터는 층간 겹치는 전선 패턴이 길수록 권선수를 높여 큰 용량 값을 얻음을 검증하였다.
인덕터 사용 주파수 문제를 해결하기 위해 [Fig. 9]와 같이 λ/8 길이 short stub 구조로 인덕터 설계를 고안하였다.
그런 다음 시트에 FCCL Cu 시트를 부착한 뒤 전체적으로 도금을 진행하며, 이것은 Cu plating이 된다. 회로 패터닝을 위해 마스크를 이용하여 노광 공정을 한 뒤, 화학적 처리를 통해 식각 공정을 진행한다. 이와 같은 방법으로 FCCL LCP 시트 양면에 도체 Cu 층이 형성되어 [Fig.

대상 데이터

25 pF이다. 35 GHz에서 사용 가능한 [Fig. 13]과 같은 open stub 구조의 커패시터를 기판 두께와 선폭 (W_m)을 달리하여 제작하였다. [Table 3]과 같이 stub의 임피던스를 측정하여 커패시터 용량을 계산하였고, 0.
9로 동일하다. Cu 사이의 유전체인 LCP는 두께를 모두 50 μm으로 제작하였으며, 유전체만 고려하였을 때 설계 가능한 최소 및 최대 기판 두께는 50 μm와 150 μm이다. 본 논문은 설계 S/W로 SONNET을 사용하였으며, [Table 1]과 같이 유전체인 LCP는 유전율 2.
2의 (b)와 같이 0층과 2층의 전극을 하나로 묶고, 1층의 전극과 3층의 공통 접지층을 하나로 묶어 각각 0층에 리드선을 형성하였다. [Fig. 3]에서 커패시터의 리드선 선폭 Wme임피던스가 50Ω인 마이크로스트립 선폭 130 μm이며, 층간 패턴을 연결하는 via의 랜드 D_L와 via 직경 D_V는 각각 250 μm, 80 μm으로 설계하였다. 이 때, 시뮬레이션 편의상 원이 아닌 직사각형으로 모델링하였으며, 둘의 결과에는 차이가 거의 없다.
7 nH이다. 고주파 영역에서 사용 가능하도록 설계한 short stub 구조의 인덕터를 [Fig. 16]와 같이 기판 두께, 선폭 W_m을 달리하여 제작하였다. stub의 임피던스를 측정하고, 인덕터 용량을 계산하였으며, [Table 5]와 같이 0.
본 논문에서는 [Fig. 1]과 같이 4층 구조 단면을 가지는 LCP(Liquid Crystal Polymer) 적층 기판으로 수동소자를 설계하고 제작하였다. LCP 기판 4층 공정은 다음과 같이 이루어진다.

성능/효과

[Fig. 7]의 (b)인 3층 디자인은 2층 디자인에 비해 감겨 있는 부분이 더 많아 시뮬레이션 결과 100 MHz에서 10 nH으로 더 큰 인덕터 용량으로 설계되었다. [Fig.
1) 치수 안정성이 우수하다. 이는 회로 기판으로 양산할 때 큰 이점이 된다.
²⁾ LCP의 유전율은 2.9로 낮아 high speed 전송 회로에 적합하고, ³⁾ 흡습률은 0.04% 미만으로 낮아 제조 공정 시 baking 단계가 필수적이지 않아 공정 단계를 줄일 수 있으며, 안정적인 전기적 특성을 갖는다.⁴⁾ 또한 30 GHz 이상의 고주파 대역에서 0.
설계를 고안하였다. DC영역 커패시터는 전극 면적이 넓을수록, 인덕터는 층간 겹치는 전선 패턴이 길수록 권선수를 높여 큰 용량 값을 얻음을 검증하였다. 고주파용 커패시터로 고안한 λ/8 길이 open stub는 선폭이 넓고 기판 높이가 얇으면 임피던스가 작아지므로 큰 용량 값을 얻을 수 있고, 고주파용 인덕터로 고안한 λ/8 길이 short stub는 이와 반대로 선폭이 얇고 기판 높이가 두꺼우면 임피던스가 커지므로 큰 용량 값을 얻을 수 있다는 것을 검증하였다.
DC영역 커패시터는 전극 면적이 넓을수록, 인덕터는 층간 겹치는 전선 패턴이 길수록 권선수를 높여 큰 용량 값을 얻음을 검증하였다. 고주파용 커패시터로 고안한 λ/8 길이 open stub는 선폭이 넓고 기판 높이가 얇으면 임피던스가 작아지므로 큰 용량 값을 얻을 수 있고, 고주파용 인덕터로 고안한 λ/8 길이 short stub는 이와 반대로 선폭이 얇고 기판 높이가 두꺼우면 임피던스가 커지므로 큰 용량 값을 얻을 수 있다는 것을 검증하였다.

후속연구

002 정도로 낮은 loss tangent 값을 가지며 밀리미터파 대역에서 저손실 기판으로 사용될 수 있다.⁵⁾ 일반적으로 2개의 고체면을 접착시키려면 화학적으로 결합시키기 위해 접착제가 필요하며, 접착 강도 등의 많은 연구가 필요하다.6) LCP는 에폭시와 같은 별도의 접착층이 필요하지 않으며, 이러한 여러 장점으로 인하여 LCP를 다층회로 기판에 적용하기 위해 적층 기술에 대해서 많은 연구가 진행 중이며, ⁷⁾ 본 논문에서는 이러한 연구 방향에 부합하여 4층 구조의 LCP를 적용하고 이를 이용하여 수동소자를 구현하였다.

참고문헌 (9)

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상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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