초소형 60 GHz LTCC 전력 증폭기 모듈

이영철,Lee, Young-Chul 한국전자파학회 2006 한국전자파학회논문지 Vol.17 No.11

본 논문에서는 저온 소성 세라믹(LTCC)에 기초한 SiP 기술을 이용하여 60 GHz 무선 통신을 위한 송신기용 초소형 전력 증폭기 LTCC모듈을 설계 및 제작하여 그 특성을 측정하였다. 60 GHz대역에서 LTCC 다층 기판과 전력 증폭기 MMIC의 상호 연결 손실을 줄이기 위해 와이어 본드와 기판 사이의 천이를 최적화하였고, MMIC 집적을 위한 고 격리 구조를 제안하였다. 와이어 본드 천이의 경우, 와이어의 인덕턴스를 감소시키기 위해 매칭 회로의 설계와 와이어 상호간의 간격을 최적화하였다. 또한 상호 연결 불연속 효과로 인한 전계의 방사를 억제하기 위해 코프라나 와이어 본드 구조를 이용하였다. 고 격리 모듈 구조를 위하여, LTCC 기판 내부에 DC 전원 배선을 내장시키고 비아로 그 주위를 차폐를 시켰다. 5층의 LTCC 기판을 사용하여 제작된 전력 증폭기 LTCC모듈의 크기는 $4.6{\times}4.9{\times}0.5mm^3$이고, $60{\sim}65GHz$ 대역에서 이득과 P1dB 출력 전력은 각각 10 dB와 11 dBm이다. In this paper, using low-temperature co-fired ceramic(LTCC) based system-in-package(SiP) technology, a very compact power amplifier LTCC module was designed, fabricated, and then characterized for 60 GHz wireless transmitter applications. In order to reduce the interconnection loss between a LTCC board and power amplifier monolithic microwave integrated circuits(MMIC), bond-wire transitions were optimized and high-isolated module structure was proposed to integrate the power amplifier MMIC into LTCC board. In the case of wire-bonding transition, a matching circuit was designed on the LTCC substrate and interconnection space between wires was optimized in terms of their angle. In addition, the wire-bonding structure of coplanar waveguide type was used to reduce radiation of EM-fields due to interconnection discontinuity. For high-isolated module structure, DC bias lines were fully embedded into the LTCC substrate and shielded with vias. Using 5-layer LTCC dielectrics, the power amplifier LTCC module was fabricated and its size is $4.6{\times}4.9{\times}0.5mm^3$. The fabricated module shows the gain of 10 dB and the output power of 11 dBm at P1dB compression point from 60 to 65 GHz.

LTCC 기술을 이용한 MEMS 소자 진공 패키징

전종인,최혜정,김광성,이영범,김무영,임채임,황건탁,문제도,최원재 한국마이크로전자및패키징학회 2003 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.10 No.1

MEMS 소자는 현재의 전자산업환경에서 여러 요구조건을 만족시킬 수 있는 특징을 갖추고 있으며 이러한 MEMS 소자를 이용한 MEMS 구조물의 packaging 방법에 있어서는 내부 MEMS 소자의 동작을 위한 외부 환경으로부터의 보호를 위하여 Hermetic sealing에 대한 요구를 충분히 만족시켜야 한다. 본 논문에서는 이와 같은 MEMS device의 진공 패키지를 구현함에 있어서 기판내부에 수동소자를 실장할 수 있는 LTCC 기술$^{1)}$ 을 이용하여 진공 패키징하는 방법에 대하여 소개한다. 본 기술을 이용하는 경우 기존의 Hermetic sealing이외에 향후 적층 기판 내부에 수동소자를 내장시켜 배선 길이 및 노이즈 성분을 감소시켜 더욱 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있게된다. 본 논문에서는 LTCC기판을 이용하여 패키징 시킨 후, 내부 진공도에 영향을 줄 수 있는 계면들에서의 시간에 따른 진공도 변화로부터 leakage rate를 측정 (stacked via : $4.1{\pm}1.11{\times}10^{-12}$/Torr1/sec, LTCC 기판/AgPd/solder/Cu의 여러 가지 계면구조: $3.4{\pm}0.33{\times}10^{-12}$/ Torrl/sec)하여 LTCC 기판의 Hermetic sealing 특성에 관하여 조사하였다. 실제 적용의 한 예로 LTCC 기술을 이용하여 Bolometer를 성공적으로 진공패키징할 수 있었으며 실제 관찰된 이미지를 함께 소개한다. In the current electronic technology atmosphere, MEMS (Microelectromechanical System) technology is regarded as one of promising device manufacturing technologies to realize market-demanding device properties. In the packaging of MEMS devices, the packaged structure must maintain hermeticity to protect the devices from a hostile atmosphere during their operations. For such MEMS device vacuum packaging, we introduce the LTCC (Low temperature Cofired Ceramic) packaging technology, in which embedded passive components such as resistors, capacitors and inductors can be realized inside the package. The technology has also the advantages of the shortened length of inner and surface traces, reduced signal delay time due to the multilayer structure and cost reduction by more simplified packaging processes owing to the realization of embedded passives which in turn enhances the electrical performance and increases the reliability of the packages. In this paper, the leakage rate of the LTCC package having several interfaces was measured and the possibility of LTCC technology application to MEMS devices vacuum packaging was investigated and it was verified that improved hermetic sealing can be achieved for various model structures having different types of interfaces (leak rate: stacked via; $4.1{\pm}1.11{\times}10^{-12}$/ Torrl/sec, LTCC/AgPd/solder/Cu-tube; $3.4{\pm}0.33{\times}10^{-12}$/ Torrl/sec). In real application of the LTCC technology, the technology can be successfully applied to the vacuum packaging of the Infrared Sensor Array and the images of light-up lamp through the sensor way in LTCC package structure was presented.

고유전율/저유전율 LTCC 동시소성 기판의 휨 현상

조현민,김형준,이충석,방규석,강남기,Cho, Hyun-Min,Kim, Hyeong-Joon,Lee, Chung-Seok,Bang, Kyu-Seok,Kang, Nam-Kee 한국마이크로전자및패키징학회 2004 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.11 No.3

In this paper, warpages of heterogeneous LTCC substrates comprised of high K/low K hi-layered structure were investigated. The effect of glass content in high K LTCC layer on the warpage of substrate during co-firing process was examined. Shrinkage and dielectric properties of high K and low K green sheets were measured. In-situ camber observation by hot stage microscopy showed different camber development of heterogeneous LTCC substrates according to glass content in high K green sheet. High K green sheet containing $50\%$ glass was matched to low K green sheet in the shrinkage. Therefore, LTCC substrate of Low K/High K+$50\%$ glass structure showed flat surface after sintering. 본 연구에서는 고유전율(K100) 및 저유전율(K7.8) LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 그린 시트를 이종 LTCC 기판으로 동시 소성하는 경우, 고유전율 LTCC 내의 유리 분말 함유량에 따라 발생하는 수축 거동 변화가 이종 LTCC기판의 휨 특성에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 유리 분말 함유량의 증가에 따른 고유전율 LTCC 그린시트의 수축률 및 유전 특성을 측정하였으며, 고유전율/저유전율 비대칭형 적층체의 소결 거동을 고온 현미경을 이용하여 실시간으로 측정하였다. $50\%$ 유리가 첨가된 K100 조성의 경우 수축 개시 온도 및 수축 구간의 범위 , 최종 수축률이 K7.8 조성과 유사하였으며, 동시 소성 시 가장 우수한 휨 특성을 나타내었다.

K/Ka 대역에서의 LTCC를 이용한 송수신 겸용 L형태 광대역 원형 편파 안테나

오민석,천영민,김성남,이종문,표철식,최재익,천창율,Oh Min-Seok,Cheon Yung-Min,Kim Sung-Nam,Lee Jong-Moon,Pyo Cheol-Sig,Choi Jae-Ick,Cheon Changyul 한국전자파학회 2004 한국전자파학회논문지 Vol.15 No.9

본 논문에서는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 공정을 이용한 K/Ka 대역(20~21 GHz/30~31 GHz) 위성통신 송수신 겸용 L형태의 광대역 원형편파 안테나를 제안하였다. 이 안테나는 상대 유전율이 5.2인 LTCC 공정을 이용하여 제작되었으며 적층형 구조로서 다른 RF 회로와 집적화가 가능하다. 또한 LTCC을 이용하였으므로 가벼우면서 다른 RF 회로와의 집적화를 통해 손실을 줄일 수 있고, 전체적으로 시스템 크기를 줄일 수 있다. 본 논문에서 사용한 안테나는 모노폴 안테나의 구부러진 L형태의 간단한 구조로서 LTCC 공정상에서의 구현을 쉽게 하고 손실을 최소화할 수 있도록 하였다. The TX/RX broadband L-type circular polarization antenna using LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) for satellite communication at K, Ka band(20~21 GHz/30~31 GHz) has been presented. This antenna has been analyzed in compensation for LTCC with relative permittivity 5.2 and could have been integrated with RF component. Also antennas on LTCC enable :o reduce loss of RF system due to integrate with RF circuits and to light weight, and thus, generally one can reduce size of the RF system. As the geometry of this antenna presented is made simple by L type of monopole antenna, it is easily manufactured by LTCC progress and enables to reduce loss.

2.4GHz 무선랜 대역을 위한 Front End Module 구현

이윤상,류종인,김동수,김준철,박종대,강남기,Lee, Yun-Sang,Ryu, Jong-In,Kim, Dong-Su,Kim, Jun-Chul,Park, Jong-Dae,Kang, Nam-Kee 한국마이크로전자및패키징학회 2008 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.15 No.1

본 논문에서는 2.4GHz의 무선랜 대역에 사용하고 LTCC 다층 기술이 적용된 Front-end Module를 제작하였다. 제안된 FEM은 전력증폭기 IC, 스위치 IC와 LTCC 모듈로 구성하였다. LTCC 모듈은 송신단은 출력 매칭회로(matching circuit)와 저역통과필터, 수신단은 대역통과필터로 구성하였다. 출력 매칭회로를 LTCC에서 구현하기 위해 PCB에서 구현한 출력 매칭회로의 매칭 파라미터를 이용하였다. LTCC 기판의 특성은 유전율 9.0이다. 기판은 각 층의 두께가 30um인 그린시트를 총 26장을 사용하였다. 패턴용 도체는 Ag 페이스트를 사용하였다. 모듈의 크기는 $4.5mm{\times}3.2mm{\times}1.4mm$이다. 제작된 FEM은 21dB의 이득과 -31dBc(1st side lobe)와 -594Bc(2nd side lobe)의 ACPR, 그리고 23dBm의 P1dB 특성을 가짐을 확인하였다. In this paper, the front end module (FEM) was proposed for 2.4GHz WLAN band by LTCC multilayer application. The FEM was composed of power amplifier IC, switch IC, and LTCC module. LTCC module consists of output matching circuit and lowpass filter as Tx part, bandpass filter as Rx part. Design of output matching circuit for LTCC was used matching parameter from output matching circuit based on lumped circuit on the PCB board. The dielectric constant of LTCC substrate is 9. The substrate was composed of total 26 layers with each 30um thickness. Ag paste was used for the internal pattern as the conductor material. The size of the module is $4.5mm{\times}3.2mm{\times}1.4mm$. The fabricated FEM showed the gain of 21dB, ACPR of less than -31dBc first side lobe and Less than -59dBc second side lobe and the output power of 23Bm at P1dB.

세라믹 패키지 내에서 비아에 따른 열적 거동에 관한 연구

이우성,고영우,유찬세,김경철,박종철 한국마이크로전자및패키징학회 2003 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.10 No.1

열전달에 대해 고려하는 것은 LTCC와 같은 고밀도 회로기판을 설계하는데 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 열전달 효과를 조사하기 위해서 LTCC 기판 내에 열 비아 및 패드를 위치시킨 기판을 제작하였다. 제작된 기판의 정확한 열적인 분석을 이해하기 위해서 Laser Flash Method에 의한 샘플의 열전도도 분석 및 수치해석을 수행하였다. 열비아 및 열방출을 위한 패드로 구성된 LTCC 기판의 열전도 특성은 순수 Ag재료의 44%인 103 W/mK 값을 초과하는 특성을 나타내었다. 수치해석에 의해서 LTCC 기판내의 비아 배열, 크기, 밀도 변화에 따른 열거동의 해석을 수행하였다. Thermal management is very important for the success of high density circuit design in LTCC. In this paper, LTCC substrates containing thermal via and pad were fabricated in order to study the influence of the thermal dissipation. To realize the accurate thermal analysis for structure design, a series of simple thermal conductivity measurement by laser flash method and parametric numerical analysis have been carried out. The LTCC substrate including via and Ag pad has good thermal conductivity over 103 W/mK which is 44% value of pure Ag material. Thermal behaviors with via arrays, size and density in the LTCC substrate were studied by numerical method.

LTCC 기판 시스템의 고주파 특성 비교

이영신,김경철,박성대,박종철 한국마이크로전자및패키징학회 2002 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.9 No.3

LTCC(Low temperature Cofiring Ceramics)기판의 고주파특성 평가에 있어서, 기판은 전극 패터닝 공정 방식이 결합된 하나의 시스템으로 평가되어야 한다. LTCC의 경우 시스템마다 상이한 소결 수축 과정, 전극과 기판의 접합 특성(matching) 차이, 사용 도체간 전기 전도도의 차이 등으로 인해 유전 특성 및 신호손실이 차이를 나타내었다. 본 논문에서는 FR-4, Duroid, Teflon등 기존의 상용 PCB(Printed Circuit Board) 와의 상대적인 비교를 통해 현재 사용되고 있는 LTCC 기판의 주파수 응용도를 확인하였으며, 20 ㎓까지 측정을 수행하였다. 측정방식으로는 Ring 공진기와 Series-Gap 공진기를 활용한 마이크로 스트립 공진기 방법을 채택하였으며, 실험 결과 기판손실 측정은 Ring 공진기 방식이 유효하였으며 유전률 측정은 Series-Gap 공진기 방식이 유효함을 확인하였다. 또한 주파수 증가에 따라 LTCC 기판의 전극 패터닝 방식이 시스템의 손실에 미치는 영향에 대해 분석하였다. In the measurement of the RF properties, the LTCC substrate must be considered as a system including various conductor patterning processes. In this paper, the LTCC substrate system is compared with a conventional PCB(Printed Circuit Board) substrate such as FR-4, Duroid and Teflon, etc. The microstrip resonator method is employed for the measurement of the RF properties in the range of DC to 20 GHz. Experimental results show that the ring resonator method is suitable for system loss measurement, and the series gap resonator method for dielectric constant measurement. The process of conductor patterning and its effect on the system loss were also studied.

LTCC 기술을 이용한 집적형 컴라인 대역 통과 여파기

임옥근,김용준 한국마이크로전자및패키징학회 2004 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.11 No.1

무선 이동 통신에 응용할 수 있는 소형의 집적된 형태의 여파기를 LTCC기술과 인터디지털 커패시터 (Interdigital capacitor)를 가진 컴라인 타입(Combline type)의 구조를 이용해 구현했다. 또한 T 패턴을 가지는 마이크로스트립(Microstrip)타입의 공진기를 이용해 LTCC 기판의 전기적 성능을 측정했다. 구현된 여파기는 인터디지털과 컴라인 구조를 이용해 2.7mm${\times}$2.03mm의 비교적 소형으로 구현할 수 있었고 5.09 GHz의 중심주파수에서 1.8 dB의 삽입손실, 37.6 dB의 반사손실, 그리고 280 MHz의 대역폭을 가졌다. 제안된 여파기는 작은 크기와 간단한 구조로 인해 여러 가지 LTCC기판의 집적형 여파기로 응용될 수 있을 것이다. A compact embedded tapped-line combline filter with interdigital capacitors using low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology for wireless application is proposed. Also, in-situ measurement using T-pattern microstrip resonator was performed to acquire exact knowledge of electrical properties of the LTCC substrate. The proposed filter makes it possible to realize a relatively small size, 2.7mm${\times}$2.03mm. by employing interdigital and combline structure. It shows 1.8 ㏈ insertion loss, 37.6㏈ return loss, and 280 MHz bandwidth at the center frequency of 5.09 GHz. Its small size and simple structure make it a good candidate as an integrated filter for various LTCC substrates.

LTCC기술을 활용한 VCO모듈

이영신,유찬세,이우성,강남기 한국전자파학회 2001 전자파기술 Vol.12 No.3

최근에 이동통신 시스템의 다기능/고기능화에 따 라 여러 선진업체에서 RF부품의 모듈화 개발이 추 진되고 있으며, 이에 대응하여 LTCC를 이용한 MCM (Multi-Chip Module)적층기술의 개발이 확대되고 있 다. 이 기술은 세라믹기판 내부에 L, C, R등의 수 동소자를 3차원적으로 구성, 일체화할 수 있기 때문 에 이들 수동소자 뿐 아니라 세라믹 개별 부품으로 이용되고 있는 대역통과 여파기 및 바이어스라인, 임피던스 매칭 회로, 스트립라인등을 하나의 구조물 에 집적화 시킴으로써 제품의 소형화 및 대량생산 이 가능해진다. 본 논문에서는 LTCC를 활용한 고 집적 복합모듈 기술과 동향에 대한 개요 및 개발사례로서 적층 VCO 모듈의 제작에 대해 소개하기로 한다. The key advantage of LTCC(low temperature co-fired ceramics) technology is the ability to integrate passive components such as resistors, capacitors, and inductors. More compact circuits with an increased scale of integration are needed with the development for advanced telecommunication system such as IMT-2000. LTCC technology can be obtained by removing these elements from the substrate surface to inside of ceramic body. And it can miniaturize the wireless phone through integration of planar patch antenna, duplexer, band pass filter, bias line, circuit of impedance matching and RF choke etc. Futhermore, with the multilayer chip process and its outstanding electrical material characteristics, LTCC is predestined for highly-integrated, cost effective wide band applications. This paper focuses on the general description of LTCC MCM technologies and the fabrication of the multilayer VCO module.

GSM/CDMA 대역용 LTCC Diplexer설계 및 제작

김태완,이영철,Kim, Tae-Wan,Lee, Young-Chul 한국정보통신학회 2009 한국정보통신학회논문지 Vol.13 No.7

본 논문에서는 LTCC 다층회로 기술을 이용하여 GSM과 CDMA 대역을 분리 하는 diplexer를 설계 및 제작하여 그 특성을 측정하였다. Diplexer의 집적도를 높이가 위해 3차원 적층형 인덕터와 커패시터를 이용하여 유전율 7이고, 총 6층의 LTCC 기판에 설계되었다. 저역통과 필터에 인덕터와 고역통과 필터에 커패시터를 각각 병렬로 결합하여 두 대역의 주파수 대역의 선택성을 높였다. LTCC표준 공정으로 제작되어진 다이플렉서의 크기는CPW pad를 포함하여 3,450 ${\times}$4,000 ${\times}$694 ${\mu}$m3이다. GSM 대역에서 -1.35 dB 이하의 삽입 손실과 -5.66 dB 이상의 반사 손실, 그리고 CDMA 대역에서는 -1.54 dB 이하의 삽입 손실과 -9.30 dB 이상의 반사 손실의 특성을 나타내었다. In this paper, a diplexer circuit to separate GSM from CDMA band is designed using a LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) multi-layer technology. In order to increase a integration capability of the diplexer, it is designed using 3-dimensional (3-D) multi-layer compact inductor and capacitors in e-layer LTCC substrate with a relative dielectric constant of 7. In order to achieve high selectivity of the bands, a shunt capacitor and inductor are designed in the high-pass filter (HPF) and low-pass filter (LPF), respectively. The size of the fabricated diplexer including CPW pads is 3,450 ${\times}$4,000 ${\times}$694 ${\mu}m^3$An insertion loss (IL) and return loss in GSM band are less than -1.35dB and more than -5.66dB,respectively. In the case of CDMA band, the IL of -1.54dBandRLof above -9.30dBare archived.