KR100469248B1 - 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터를 제공하기 위한 것으로서, 기판 상에 도전성 본딩 와이어를 오토본딩에 의해 상기 도전성 본딩와이어끼리 연결하여 인덕터를 형성함으로서, 저손실 기판(예: GaAs)에도 인덕터의 집적이 가능해지고 이로 인해 GaAs 기술로 개발되고 있는 시스템이나 모듈에 집적될 수 있는 집적 마이크로 인덕터 및 이를 이용한 트랜스포머를 제공할 수 있고, 본딩 와이어의 형성 모양 및 높이에 따라 에어갭 및 단면적을 조절할 수 있어 어떤 집적화된 인덕터들보다 높은 인덕턴스, Q 팩터(quality factor), 공진 주파수를 갖는 인덕터를 제공한다.

Description

무선통신 모듈용 마이크로 인덕터{MicroInductor for Wireless Communication Module}
본 발명은 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터에 관한 것이다.
본 발명은 차세대의 효율이 높고 가격이 저렴한 고주파용 통신 시스템(cellular/PCS, IMT2000, bluetooth 등) 및 consumer electronic products의 모듈을 구현하기 위해 필요한 핵심 수동 RF 부품중의 하나인 hige Q 인덕터 및 트랜스포머를 제조하는 기술이다.
RF 모듈은 트랜지스터와 같은 능동소자와 인덕터, 캐패시터, 저항과 같은 수동소자의 조합으로 이루어지는데 저가형 및 고성능의 초소형 RF 모듈을 제작하기 위하여 가장 어려운 소자가 바로 인덕터이다.
현재의 RF 플래너 인덕터(planar inductor)들은 기판 위에 집적되고 있기 때문에 기판의 영향을 많이 받아 고주파에서는 기판의 손실이 적은 수정(Quartz), GaAs, 세라믹, 알루미나 기판이 널리 사용되거나, 실리콘 기판의 경우는 집적 인덕터가 형성된 영역 밑을 식각하여 기판의 영향을 피하였지만, 이 두 경우다 여전히기판의 영항을 많이 받고 있다.
따라서 최근에 기판의 손실이 적지만 고가의 수정(Quartz), GaAs, 세라믹, 알루미나 기판을 이용하면서 동시에 기판으로부터 수십 ㎛를 공중에 띄우는 기술이 개발되고 인덕터 및 트랜스포머 제작에 이용되고 있다.
하지만 이들은 공정의 제약 때문에 띄우는 높이가 제한되고 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
또한 솔레노이드 타입의 인덕터의 경우, 기존의 기술로는 단면적(cross-sectional area)을 증가시키는데 제한이 있어서 인덕터의 턴(turn)수를 증가시켜 인덕턴스를 증가시켰지만, 턴수를 증가시키면 기생용량이 증가하여 공진 주파수가 낮아지므로 인덕터의 사용주파수가 낮아지고 또한 저항이 커져서 Q 팩터가 작아지는 등 단점들이 있다.
마이크로머시닝이라는 신기술의 발달로 기판의 손실과 기생용량(parastics)의 영향을 덜 받게 만들어진 몇몇 고주파용 마이크로 인덕터들의 성능이 현재 MMIC 회로에 사용되고 있는 플래너 인덕터들보다 향상되었다.
그러나, 고주파용 마이크로 인덕터는 현재 MMIC 회로에 이용되지 않고 있는데, 그 가장 큰 이유는 마이크로 인덕터의 재료와 제조 공정이 GaAs 기술을 이용하여 개발되는 MMIC 회로와 서로 다르기 때문이다.
따라서 RF 엔지니어들은 성능이 우수하지는 않지만 완전 집적화된 RF 회로 모듈(fully integrated RF circuit module)이나 시스템들을 만들 때 GaAs 기술을 이용하여 개발된 플래너 인덕터를 사용하거나, 아주 좋은 성능의 인덕터가 필요한경우에는 디스크리트(discrete) 인덕터를 어셈블리해서 이용한다.
도1은 종래기술에 따른 솔레노이드형 인덕터의 사시도로, 기판의 손실과 기생용량의 영향을 줄이기 위해 기판으로부터 인덕터를 떨어뜨린 솔레노이드형 인덕터 구조이다.
도2는 도1과 같은 인덕터의 평면도로서, 종래의 기술로 개발된 서스펜디드 솔레노이드형(suspended solenoid type)의 인덕터는 바텀-컨덕터(3), 비아(4), 탑-컨덕터(5), 그리고 서포팅 포스트(2)로 4개의 마스크를 이용하여 만들어지고, 공정의 제한 때문에 띄우는 에어갭도 작아서 여전히 기판(1)의 기생용량의 영향을 받고 큰 단면적(cross-sectional area)을 형성할 수 없어서 높은 인덕턴스를 가질수가 없는 등의 단점들이 있다.
도3a 및 도3b는 종래의 기술에 따른 집적화된 나선형 인덕터(integrated spiral type)의 평면도 및 측면도이다.
3개의 마스크를 이용하여 형성되고, 주로 인덕터의 신뢰성 때문에 절연층(13)을 이용하는데, 이 절연층(13)으로 인해 두 금속층(나선형 인덕터(14)와 신호선(15)) 사이에 높은 기생용량이 발생된다.
이를 극복하기 위한 최근에 시도되고 있는 절연층을 제거함으로써 에어갭을 형성하는 기술도 공정의 제한 때문에 에어 갭의 크기가 한정되어 기생용량의 영향을 많이 받는다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그성능이 디스크리트 소자와 거의 같고, 또한 현재의 GaAs 기술로 개발되고 있는 시스템이나 모듈에 집적 인테그레이션 될 수 있는 집적 마이크로 인덕터 및 이를 이용한 트랜스포머를 개발함으로서 성능이 우수하고 가볍고, 저렴한 고주파 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 종래기술에 따른 솔레노이드형 인덕터의 사시도이다.
도2는 도1과 같은 인덕터의 평면도이다.
도3a 및 도3b는 종래기술에 따른 집적화된 나선형 인덕터의 평면도 및 측면도이다.
도4a는 본 발명에 따른 서스팬디드 솔레노이드형 인덕터의 평면도이고, 도4b 내지 도4e는 상기 서스팬디드 솔레노이드형 인덕터의 각 실시 단면도이다.
도5a는 본 발명에 따른 나선형 인덕터의 평면도이고, 도5b 내지 도5f는 상기 나선형 인덕터의 각 실시 단면도이다.
도6a 및 도6b는 각각 본 발명에 따른 부유하는 솔레노이드형 트랜스포머 및 나선형 트랜스포머의 평면도이다.
도7은 본 발명에 따른 부유하는 솔레노이드형 인덕터의 사진이다.
도8은 상기 도7의 인덕터의 특성의 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 기판 21 : 도전성 본딩패드
22a, 22b : 도전성 본딩 와이어 23, 27 : 절연층 멤브레인
24 : 금속 그라운드 25 :절연층
26 : 바텀 컨덕터 라인 30 : 저손실 기판
31 : 도전성 본딩패드 32 : 나선형 인덕터 라인
33 : 도전성 본딩 와이어 34, 36 : 절연층 후막
35 : 절연층 멤브레인 37 : 금속 그라운드
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터의 특징은 기판 상에 나란히 다수개로 형성된 도전성 본딩 패드; 상기 나란한 도전성 본딩 패드 쌍 각각을 연결하여 에어갭(air-gap)을 갖는 제1 도전성 본딩 와이어; 상기 도전성 본딩 패드 쌍의 일 대각선 방향으로 상기 도전성 본딩 패드를 연결하여 에어갭(air-gap)을 갖는는 제2 도전성 본딩 와이어를 포함하여 구성되며, 솔레노이드형으로 형성되는데 있다.
상기 제1 및 제2 도전성 본딩 와이어는 오토메틱 와이어 본딩 머신에 의해 오토본딩기술으로 형성되며, 상기 도전성 본딩패드는 전기도금에 의해 형성된다.
상기 기판은 수정(Quartz), 알루미나, GaAs, 고저항성을 갖는 실리콘 중 어느 하나이고, 이때 상기 기판 상에 형성된 절연층 멤브레인 더 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 기판이 고손실의 실리콘인 경우는 상기 기판 상에 형성된 한층의 절연층 멤브레인; 상기 기판을 후면식각하여 상기 절연층 멤브레인을 노출하는 홈을 더 포함하여 구성된다. 또는 상기 기판 상에 형성된 절연층 멤브레인; 상기 절연층 멤브레인 상에 섬모양으로 형성되고 상부에 상기 도전성 패드가 형성되는 절연층 후막을 더 포함하여 구성되기도 한다.
본 발명의 특징에 따른 작용은 솔레노이드형이든 나선형이든 도전성 본딩 와이어를 이용하여 공정상 이용되는 마스크 개수를 줄일 수 있어 공정이 간단해진다.
그리고 인덕터가 오토본딩방법에 의해 형성되므로 마이크로 인덕터의 재료에 영향을 적게 받아 GaAs 등의 저손실 기판에서도 인덕터를 집적할 수 있기 때문에저손실 기판으로 개발되고 있는 시스템이나 모듈에 집적될 수 있는 집적 마이크로 인덕터 및 이를 이용한 트랜스포머를 제공할 수 있다.
그리고, 저손실기판과 고손실기판 모두에 있어서 솔레노이드형의 인덕터가 형성되는 경우, 제1 도전성 본딩 와이어 및 제2 도전성 본딩 와이어, 또는 상기 바텀 컨덕터 라인 및 상부에 형성되는 도전성 본딩 와이어의 형성 모양 및 높이에 따라 에어갭 및 단면적을 조절할 수 있어 어떤 집적화된 인덕터들보다 높은 인덕턴스, Q 팩터(quality factor), 공진 주파수를 가지며, 인덕턴스를 증가시키기 위해 턴수를 증가시킬 필요가 없으므로 낮은 DC 저항을 가지고, 높은 에어갭으로 인해 기판 및 기생용량의 영향을 적게 받는다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도4a는 서스팬디드 솔레노이드형 인덕터의 평면도를 도시한 것이고, 도4b 내지 도4e는 상기 서스팬디드 솔레노이드형 인덕터의 실시 단면도를 각각 도시한 것이다.
도4a에 도시한 바와 같이 기판(20) 상에 도전성 본딩패드(21)를 형성하고, 오토메틱 와이어 본딩 머신을 이용하여 부유한(suspended) 솔레노이드형 인덕터를 쉽게 형성할 수 있다.
도4b는 도4a에서 보여진 도전성 본딩 와이어(22a, 22b)에 의해 형성된 인덕터의 측면도로써 높은 에어 갭(air-gap)과 도시된 높이에 비례하는 큰 단면적(large cross-sectional area)을 쉽게 형성할 수 있다.
도4b는 수정(Quartz), 알루미나, GaAs, 고저항성을 갖는 실리콘 등을 기판 물질로 이용한 저손실 기판을 이용한 예로, 상기 기판(20) 상에 도전성 본딩패드(21)를 전기도금으로 형성한 후, 도전성 본딩 와이어(22a, 22b)를 이용하여 인덕터를 형성한다.
도4c는 상기 저손실 기판(20) 상에 절연층 멤브레인(23)을 형성하고, 그 위에 도전성 본딩패드(21)를 전기도금으로 형성한 후 도전성 본딩 와이어(22a, 22b)를 이용하여 인덕터를 형성한다.
도4d는 기판(20)으로 상기 저손실 기판보다 손실이 많은 실리콘을 이용하는 경우를 도시한 것으로, 기판(20) 상에 절연층 멤브레인(27)을 형성하고 인덕터 소자가 형성될 부분의 실리콘을 식각하여 제거하고 그 위에 도전성 본딩패드(21)를 전기도금으로 형성한 후 도전성 본딩 와이어(22a, 22b)를 이용하여 인덕터를 형성한다.
도4e는 기판(20)으로 상기 저손실 기판보다 손실이 많은 실리콘을 이용하는 경우를 도시한 것으로, 기판(20) 상에 절연층 멤브레인(23)를 형성하고 그 위에 두꺼운 절연층(BCB, 폴리이미드, 에폭시 등 유기 물질 등)(25)을 증착한 후, 인덕터 소자가 형성될 부분의 절연층(25)을 제거하고 도전성 본딩패드(21)를 전기도금으로 형성한 후, 도전성 본딩 와이어(22a, 22b)를 이용하여 인덕터를 형성한다.
와이어 본딩기술을 이용하여 인덕터와 기판(20)사이에 큰 에어갭을 형성할수 있고, 또한 도전성 본딩 와이어(22a, 22b)의 형성 위치 및 모양에 따라 단면적이 큰 인덕터를 쉽게 형성할 수 있으며, 마스크 1장을 사용하여 만들기 때문에 공정 또한 간단하다.
도5a는 나선형 인덕터의 평면도를 도시한 것이고, 도5b 내지 도5f는 상기 나선형 인덕터의 실시 단면도를 각각 도시한 것이다.
도5a에 도시한 바와 같이, 수정(Quartz), 알루미나, GaAs, 고저항성을 갖는 실리콘 등을 기판 물질로 이용한 저손실 기판(30) 상에 한 장의 마스크를 이용하여 나선형 인덕터 라인(32)을 형성하고 오토메틱 와이어 본딩 머신을 이용하여 와이어를 큰 에어갭을 갖고 연결시킨 구조를 나타내었다.
도5b는 수정(Quartz), 알루미나, GaAs, 고저항성을 갖는 실리콘 등을 기판 물질로 이용한 저손실 기판(30) 상에 나선형 인덕터 라인(32)과, 도전성 본딩패드(31)를 전기도금으로 형성한 후, 도전성 본딩 와이어(33)를 이용하여 인덕터를 형성한다.
도5c는 상기 도5b에 절연층 후막(36)을 더 형성한 인덕터를 도시하였다.
도5d는 기판(30)으로 상기 저손실 기판보다 손실이 많은 실리콘을 이용하는경우를 도시한 것으로, 상기 기판(30) 상에 금속 그라운드(37)를 형성하고 그 위에 두꺼운 절연층 후막(BCB, polyimide, 에폭시 등 유기 물질 등)(34)을 증착한 후 나선형 인덕터 라인(32)과 도전성 본딩패드(31)를 전기도금으로 형성한 후, 도전성 본딩 와이어(33)를 이용하여 인덕터를 형성한다.
이때, 상기 도전성 본딩패드(31)는 상기 인덕터 라인(32)의 첫단과 연결되는 하나와, 나머지 두 개가 더 형성되고, 상기 인덕터 라인(32)의 첫단과 연결되는 하나의 도전성 본딩패드(31)와, 상기 나머지 두 개 중 하나의 도전성 본딩패드(31)를 오토본딩기술으로 연결하여 형성한다.
도5e는 기판(30)으로 상기 저손실 기판보다 손실이 많은 실리콘을 이용하는 경우를 도시한 것으로, 상기 기판(30) 상에 금속 그라운드(37)를 형성하고 그 위에 두꺼운 절연층 후막(34)을 증착한 후 나선형 인덕터 라인(32)과 도전성 본딩패드(31)를 전기도금으로 형성한 후 건식 식각법을 이용하여 인덕터 소자가 형성되는 부분의 절연층 후막(34)을 선택적으로 제거하고 도전성 본딩 와이어(33)를 이용하여 인덕터를 형성한다.
도5f는 기판(30)으로 상기 저손실 기판보다 손실이 많은 실리콘을 이용하는 경우를 도시한 것으로, 상기 기판(30) 상에 절연층 멤브레인(35)을 형성하고 인덕터 소자가 형성될 부분의 실리콘을 식각하여 제거하고 그 위에 나선형 인덕터 라인(32)과 도전성 본딩패드(31)를 전기도금으로 형성한 후 도전성 본딩 와이어(33)을 이용하여 인덕터를 형성한다.
도6a 및 도6b는 상기 앞에서 제안한 기술을 이용한 트랜스포머를 만들 경우의 실시예로, 도6a는 부유하는 솔레노이드형 트랜스포머이고, 도6b는 나선형 트랜스포머 구조이다. 트랜스포머는 인덕터와 똑같은 공정으로 형성되고, 단 인덕터와는 달리 똑같은 인덕터 라인이 쌍(입력단과 출력단)으로 형성되는 것이 인덕터와 차이점이다.
도7은 본 발명에서 제안했던 기술로 제작된 도전성 본딩 와이어를 이용하여 저손실 기판 위에 형성된 부유하는 솔레노이드형 인덕터의 사진이다.
도8은 상기 도7의 인덕터의 특성으로서 18nH 정도의 높은 인덕턴스와 4GHz의 높은 셀프 공진 주파수, 그리고 120의 높은 Q값을 얻어서 기존의 집적화된 인덕터와는 성능에 있어서 비교되지 않을 만큼 월등히 좋은 특성을 작음을 볼 수 있다. 참고로 지금까지 개발된 집적화된 인덕터 중에 가장 높은 Q값은 50~60정도였다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터는 다음과 같은 효과가 있다.
인덕터가 오토본딩방법에 의해 형성되기 때문에 저손실 기판에도 인덕터의 집적이 가능해졌다. 즉, 마이크로 인덕터의 재료와 제조 공정이 GaAs 기술을 이용하여 개발되는 MMIC 회로와 서로 다르기 때문에 GaAs 등의 저손실 기판에 상기 인덕터가 집적되지 못한 문제점을 해결하였고, 따라서 GaAs 기술로 개발되고 있는 시스템이나 모듈에 집적될 수 있는 집적 마이크로 인덕터 및 이를 이용한 트랜스포머를 제공할 수 있다.
그리고 본딩 와이어를 오토본딩하여 본딩 와이어의 형성 모양 및 높이에 따라 에어갭 및 단면적을 조절할 수 있어 어떤 집적화된 인덕터들보다 높은 인덕턴스, Q 팩터(quality factor), 공진 주파수를 갖는 인덕터를 제공한다.
즉, 본딩 와이어를 오토본딩하여 인덕터(예; 솔레노이드형)를 형성하여 저손실 기판(예: GaAs)을 이용하는 경우의 에어갭 높이를 높게 유지하기 어려운 점을 해결하였고, 또한 도전성 본딩패드 또는 절연층을 형성하기 위한 1~2장의 마스크만을 이용하기 때문에 공정이 간단해지고, 다른 소자(예; 저항, 캐패시터)와 동시에 제작이 가능하여 RF 모듈을 쉽게 제작할 수 있고, 또한 수율을 높일 수 있어서 저가화가 가능하다.
또한 고손실의 기판(예: 실리콘 기판)을 이용하는 경우에도 기판 하부를 식각하여 캐버티(chavity)를 형성하거나 인덕터가 형성되는 하부의 절연층을 식각하여 에어갭을 유지하였고, 기존의 방식보다 마스크 수가 줄어 공정이 간단해지고, 수율을 높이고 저가화가 가능하다.
그리고 미리 형성된 인덕터(예; 나선형)를 도전성 패드에 연결시 비아(via)를 형성하는 등의 반도체 공정을 거치지 않고 본딩 와이어를 오토본딩에 의해 형성하여 공정을 간단히 하는 효과가 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 기판 상에 나란히 다수개로 형성된 도전성 본딩 패드;
    상기 나란한 도전성 본딩 패드 쌍 각각을 연결하여 에어갭(air-gap)을 갖는 제1 도전성 본딩 와이어;
    상기 도전성 본딩 패드 쌍의 일 대각선 방향으로 상기 도전성 본딩 패드를 연결하여 에어갭(air-gap)을 갖는 제2 도전성 본딩 와이어를 포함하여 구성되며, 솔레노이드형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 도전성 본딩 와이어는 오토메틱 와이어 본딩 머신에 의해 오토본딩기술으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도전성 본딩패드는 전기도금에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 수정(Quartz), 알루미나, GaAs, 고저항성을 갖는 실리콘 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 절연층 멤브레인 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘인 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 한층의 절연층 멤브레인;
    상기 기판을 후면식각하여 상기 절연층 멤브레인을 노출하는 홈을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  9. 제7항에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 절연층 멤브레인;
    상기 절연층 멤브레인 상에 섬모양으로 형성되고 상부에 상기 도전성 패드가 형성되는 절연층 후막을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 절연층 후막은 BCB, 폴리이미드, 에폭시 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈용 마이크로 인덕터.
  11. 삭제
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