KR100677793B1 - 저 손실 기판 상의 플립 칩 및 마이크로전자기계 기술을 이용한 고 적응성 어셈블리 - Google Patents

저 손실 기판 상의 플립 칩 및 마이크로전자기계 기술을 이용한 고 적응성 어셈블리 Download PDF

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Abstract

제1 및 제2 접촉을 갖는 제1 MEM(329)이 기판 상에 탑재된다. PA 파워 셀(325)은 열적 범프(321)를 이용하여 기판(301)에 열적으로 접속된다. 파워 셀은 제1 및 제2 파워 셀 범프를 입출력 기능용 경로로서 갖는다. 제1 절연체(319)는 기판(301) 상에 탑재되어, 하면 상에 위치하는 제1 접속 및 제2 접속을 갖는 제2 MEM(327)을 지지한다. 제1 도전성 비아(313)는 제1 절연체를 가로지르고 제2 MEM으로부터 제1 파워 셀 범프에 접속되는 제1 도전체에 제1 접속을 접속한다. 제2 도전체(335)는 제2 도전성 비아(307)에 접속되며, 이는 제2 절연체를 가로지른다. 제2 도전성 비아는 제1 금속 부재에 접속된다. 제2 도전성 비아는 제2 절연체의 상면 위에 형성되고 제1 MEM 스위치로의 제1 입력에 접속되는 제1 금속 부재(305)에 접속된다. 제2 금속 부재(303)는 제1 MEM 스위치의 제2 접촉에 접속된다.
혼성 어셈블리, 플립칩, MEM, 도파관, 파워 셀

Description

저 손실 기판 상의 플립 칩 및 마이크로전자기계 기술을 이용한 고 적응성 어셈블리{HIGHLY ADAPTIVE ASSEMBLIES USING FLIP CHIP AND MICROELECTROMECHANICAL TECHNOLOGIES ON LOW LOSS SUBSTRATES}
본 발명은 저 손실 기판 상의 재구성가능한 혼성 어셈블리의 분야에 관한 것이다.
모놀리식 집적 회로(MMIC) 기술은 많은 현 세대의 군대 및 상업용의 무선 주파수 센서 및 통신 어플리케이션을 지원하는 기술이다. MMIC는 필드 효과 트랜지스터 및 바이폴라 트랜지스터와 같은 능동 장치, MIM 커패시터, 박막 및 벌크 저항과 같은 수동 소자 및 단일 반절연 갈륨 비소화물 기판 상에 집적된 인덕터를 포함한다. 회로 성능 및 토폴로지는 일반적으로 제조시에 고정되고, 통상 "정적" 임피던스 매칭 네트워크를 이용하여 다양한 소자에 상호접속된다. 이 정적 접근법은 회로를 단일 기능으로 제한하고, 그 재구성을 방해하며, 새로운 모드, 기능, 동작 및 대역폭에 대한 이용을 제한한다. 이는 새로운 구성이 실시간으로 새로운 요구조건 한계 시스템 성능에 적응하는 것을 불가능하게 하고, 유효 동작 수명 뿐만 아니라 장애로 인한 시스템 평균 수명 그리고 융통성을 단축시킨다.
마이크로 전자 기계 시스템(MEMS)은 마이크로제조 기술의 활용을 통한 공통 기판 상의 기계적 소자, 센서, 액츄에이터, 및 전자기기의 집적물이다. 트랜지스터와 같은 전형적인 전자기기 소자가 집적 회로(IC) 프로세스 시퀀스(예를 들어, CMOS, 바이폴라, 또는 BICMOS 프로세스)를 이용하여 제조되는 반면, 마이크로기계의 MEMS 구조는 실리콘 웨이퍼의 부분을 선택적으로 에치하거나 새로운 구조층을 부가하여 기계 및 전자기계 장치를 형성하는 프로세스 호환성의 마이크로기기 프로세스를 이용하여 제조된다.
2개의 부분을 갖는 양방향성 회전 부재를 갖는 MEMS 구조의 예는, 본 명세서에 완전히 참조로서 통합되는 미국 특허 제6,072,686호에 개시된다.
마이크로 파(밀리미터 파) 어플리케이션에 대한 MEMS 구조의 또다른 예는, 본 명세서에 완전히 참조로서 통합되는 미국 특허 제6,046,659호에 개시된다.
제1 접촉 및 제2 접촉을 갖는 제1 MEM(329)이 기판(301) 상에 탑재된다. PA 파워 셀(325)은 열적 범프(321)를 이용하여 동일한 기판(301)에 열적으로 접속된다. 파워 셀(325)은 기판(301)으로부터 전기적으로 절연된다. 파워 셀(325)은 제1 파워 셀 범프(311) 및 제2 파워 셀 범프(309)를 입출력 기능용 경로로서 갖는다.
제1 절연체(319)는 기판(301) 상에 탑재되어 그 기판(301) 위의 제2 MEM(327)을 지원한다. 제2 MEM(327)은 제1 접속(315) 및 제2 접속(317)을 갖는다. 제1 접속 및 제2 접속은 제2 MEM(327)의 하면 상에 위치한다.
제1 도전성 비아(313)는 제1 절연체(219)를 수직으로 가로지르고 제2 MEM(327)으로부터의 제1 접속(315)에 접속된다. 이 제1 도전성 비아(313)는 또한 제1 도전체(337)에 접속된다. 제1 도전체는 기판(301)으로부터 제1 절연층(333)에 의해 절연된다. 제1 도전체(337)는 또한 제1 파워 셀 범프(311)에 접속된다.
제2 도전체(335)는 기판(301)으로부터 제2 절연층(331)에 의해 절연된다. 제2 도전체(335)는 제2 도전성 비아(307)에 접속된다. 제2 도전성 비아(307)는 제2 절연체(339)를 수직으로 가로지른다. 제2 도전성 비아(307)는 제1 금속 부재(305)에 접속된다. 제1 금속 부재(305)는 제2 절연체(339)의 상면 위에 형성되고 제1 MEM 스위치(329)로의 제1 입력에 접속된다.
제2 금속 부재(303)는 제1 MEM 스위치(329)의 제2 접촉에 접속된다. 제2 금속 부재는 제3 절연체(323)의 상면 상에 형성된다. 제3 절연체(323)는 기판(301) 위에 위치한다.
도 1은 트랜지스터에서 비선형성을 이용하여 매립된 가변 임피던스를 나타내는 종래 기술의 예시적인 네트워크.
도 2는 MEM 스위치를 이용하여 플립 칩 파워 셀에 매칭 네트위크를 접속하는 본 발명의 예시적인 네트워크.
도 3은 기판 위의 PA 파워 셀 및 MEM 스위치의 예시적인 수직 레이아웃.
도 4는 본 발명에서 이용되는 MEM 스위치의 예시적인 레이아웃.
본 발명은 추가 기능 및 특성을 달성하기 위하여 무선 주파수 매칭 네트워크 소자의 토포로지를 재구성하는 MEMS 스위치를 이용하는 개념을 소개한다. 종래기술의 스위칭 소자의 비선형성 또는 감쇠를 감소시키기 위한 접근법은 저 삽입 손실을 갖는 MEMS 형 구조를 이용하여 스위칭 기능을 실행하는 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래 기술에서 필드 효과 트랜지스터 또는 바이폴라 트랜지스터는 트랜지스터의 다양한 동작 포인트에서 네트워크에 의해 나타내어지는 임피던스의 변화를 제공하기 위하여 다양한 방식으로 바이어스된다. 예를 들어, 커패시터(101)의 입력에 인가되는 신호는 커패시터(111) 및 바이폴라 트랜지스터(109)를 이용하여 접지되도록 션트(shunt)될 수 있다. 신호에 대한 임피던스의 변화는 트랜지스터(109)를 활성화함으로써 명령을 받을 수 있다. 유사하게, 커패시터(105)는 제어 CONT2로부터의 명령에 의해 접지되도록 션트될 수 있다. 따라서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 종래기술에서 트랜지스터(109) 또는 FET(107)의 바이어스 포인트를 변화시킴으로써, 신호 입력과 접지 사이의 임피던스가 변화될 수 있다. 또한, 트랜지스터(109)의 바이어스 포인트는 접지로의 커패시터(111)에 의해 보여지는 임파던스를 변화시키기 위하여 선택적으로 선택될 수 있다. 포화되지 않은 트랜지스터(109)에 의해, 커패시터(111)는 접지로의 전류 싱크를 보이고 전류 싱크 값은 제어 CONT1에 인가되는 바이어스 전류에 의해 결정된다. 유사하게, 전압 값에 의존하는 FET(107)에 대한 제어 CONT2는 커패시터(105)를 접지에 접속하는 FET(107)의 특성을 제어한다. 디지털 환경에서 트랜지스터(109 및 107)는 완전히 "온" 또는 "오프"일 수 있다. 아날로그 환경에서 트랜지스터(109 및 107)는 가변적인 소자로서 보여질 수 있다.
그러나, 트랜지스터(107 및 109)는 어플리케이션에 대하여 이상적이지 못하다. 포화시에, 트랜지스터(109)는 이를 가로질러 Vce 전압을 갖고, 이는 손실을 야기한다. 유사하게, FET(107)는 포화시에 커패시터(105)와 접지 사이에 여전히 저항성 임피던스를 나타낸다.
본 발명은 고 주파수 회로에 이용되는 매칭 네트워크를 재구성하기 위하여 낮은 커패시턴스와 낮은 온 저항의 MEMS 스위치의 이용을 요구한다. 이들 MEMS 스위치는 저 손실 기판 상의 플립 칩 기술과 결합하여 이용된다. 전형적인 MEMS 스위치는 도 4에 나타내고 있고 도 4를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 2는 플립 칩 파워 셀에 매칭 네트워크를 접속하는 MEM 스위치의 이용을 나타낸다. 기판(200) 상에 플립 칩 파워 셀(204, 206, 208 및 210) 뿐만 아니라 디지털 제어 회로(202)가 탑재된다.
MEM 스위치 및 매칭 네트워크(212, 214, 216, 218)는 플립 칩 파워 셀에 보내지는 고 주파수 아날로그 신호를 처리한다. 예를 들어, MEM 스위치(222)에 접속된 MEM 스위치(220)는 접촉 패드(234)와 같은 접촉 패드에 부착된 다양한 매칭 네트워크에 RF 신호를 라우트할 수 있다.
유사하게, MEM 스위치(224)는 MEM 스위치(226)에 접속되어 신호를 라우팅하도록 한다. MEM 스위치(228)는 접촉 패드(230)에 또는 접촉 패드로부터 인가되는 스위치 신호를 제어한다.
동일한 방식으로 MEM 스위치(232)는 접촉 패드(234)로부터 신호를 스위치한 다. 또다른 예는 MEM 스위치(238) 및 접촉 패드(236)이다. 또다른 경로는 MEM 스위치(242)를 이용하여 라우트된 접촉 패드(240) 신호이다.
도 3은 도 2에서 나타낸 적응성 어셈블리의 수직 단면도를 나타낸다. 이 어셈블리는 고 주파수에서 이용하기 위한 것이고 기판(301), 상기 기판 상에 탑재되고 제1 접촉 및 제2 접촉을 갖는 제1 MEM(329)을 갖는다.
PA 파워 셀(325)은 열적 범프(321)를 이용하여 기판(301)에 열적으로 접속된다. 파워 셀(325)은 상기 기판(301)으로부터 전기적으로 절연된다. 파워 셀(325)은 입출력 기능용 경로로서 제1 파워 셀 범프(311) 및 제2 파워 셀 범프(309)를 갖는다.
제1 절연체(319)는 기판(301) 상에 탑재되어 기판(301) 위의 제2 MEM(327)을 지지한다. 제2 MEM은 제1 접속(315) 및 제2 접속(317)을 갖는다. 제1 접속 및 제2 접속은 제2 MEM(327)의 하면 상에 위치한다. 제1 및 제2 접속은 MEM(327)의 스위칭 기능을 액세스하기 위해 이용된다.
제1 도전성 비아(313)는 제1 절연체(319)를 수직으로 가로지르고 제2 MEM(327)으로부터 제1 접속(315)에 접속된다. 이 제1 도전성 비아(313)는 또한 제1 도전체(337)에 접속된다. 제1 도전체는 제1 절연층(333)에 의해 기판(301)으로부터 절연된다.
제1 도전체(337)는 또한 제1 파워 셀 범프(311)에 접속된다.
제2 도전체(335)는 제2 절연층(331)에 의해 기판(301)으로부터 절연된다. 제2 도전체(335)는 제2 도전성 비아(307)에 접속된다. 제2 도전성 비아(307)는 제 2 절연체(339)를 수직으로 가로지른다. 제2 도전성 비아(307)는 제1 금속 부재(305)에 접속된다. 제1 금속 부재(305)는 제2 절연체(339)의 상면 의에 형성되고 제1 MEM 스위치(329)로의 제1 입력에 접속된다.
제2 금속 부재(303)는 제1 MEM 스위치(329)의 제2 접촉에 접속된다. 제2 금속 부재는 제3 절연체(323)의 상면 위에 형성된다. 제3 절연체(323)는 기판(301) 위에 위치한다.
제1 MEM 및 제2 MEM은 선택 기판 상에 형성된다. 기판은 갈륨 비소화물, 실리콘 게르마늄, SOI(Silicon on Insulator), 또는 SOS(Silicon on Sapphire)이다.
제1 MEM은 또한 하나 이상의 매칭 네트워크에 접속된다. 이들 네트워크는 PA 파워 셀(325)로 흐르고 PA 파워 셀(325) 밖으로 흐르는 무선 주파수 파워를 매칭하는데 사용된다.
제1 금속 부재(305) 또는 제2 금속 부재(303)는 항상 회로에 대하여 적합한 특성 임피던스를 갖는 동일 평면상의 도파관으로서 형성된다. 전형적으로 임피던스는 50ohm이다.
도 4는 본 발명의 원리를 이용하여 고 주파수 신호를 스위칭하기 위한 전형적인 다층 스위칭 어셈블리인 MEM을 나타낸다. 이 어셈블리는 SiGe 기판 상의 MEMS 구조(410)를 포함한다. MEMS 구조는 제1 단자(420), 제2 단자(428), 제3 단자(430), 및 제4 단자(418)를 갖는다. 또한 제1 제어 입력(412), 제2 제어 입력(416), 제3 제어 입력(432), 및 제4 제어 입력(426)이 설치된다. MEMS 구조(410)를 이용하여 상기 제1 단자(420)에 보내지는 고 주파수 신호는 상기 제1 제어 입력 (412) 및 상기 제2 제어 입력(416)에 인가되는 제어 신호에 응답하여 상기 제1 단자(420)로부터 상기 제2 단자(428) 또는 상기 제4 단자(418)에 접속될 수 있다. 제어 단자(412)는 결합 와이어(결합 와이어는 보기 쉽게 하기 위하여 도시하지 않음)를 이용하여 제어 단자(432)에 접속된다. 유사하게 제어 단자(416)는 결합 와이어를 이용하여 제어 단자(426)에 접속된다. 참조번호 416 및 426으로 보내지는 제어 신호는 항상 참조번호 432 및 412로 보내지는 제어 신호와 논리적으로 반대이다.
MEMS 구조(410)는 기판의 상면 상에 형성된다. 도전성 금속으로 이루어진 제1 디센더(descender)(434)는 제1 절연층(319)을 가로지르고 도 3에 나타낸 바와 같은 (신호) 도전체(337)에 접속된다. 제1 디센더(434)는 또한 제1 단자(420)에 접속된다.
제1 디센더(434)는 제1 도전성 차폐물(402)에 의해 거리를 두고 싸여진다. 이 도전성 차폐물(402)은 MEMS(327)의 경우에 절연층(319)을 수직으로 가로지른다. MEMS(329)에 대하여 도전성 차폐물은 절연체(339)를 가로지른다.
도전성 차폐물(402)은 전형적으로 접지에 접속된다. 차폐물(402)은 절연층을 수직으로 가로지르는 다중 도전성 바이어스로 이루어진다. 이들 바이어스는 참조번호 402 및 408에서 예시된 바와 같은 원형 패턴으로 형성되어 동축 구조의 외부 덮개를 형성한다. 디센더(434)와 차폐물(402) 사이의 거리는 상기 제1 디센더에 의해 고 주파수 신호에 대하여 나타내어질 동축 구조의 특정 임피던스를 위하여, 절연 물질의 특성에 기초하여 선택된다. 이 임피던스는 전형적으로 밀리미터 파 동작 주파수에서 50ohms이다.
제1 동일 평면상의 도파관(CPW)(404)은 제2 단자(428)에 접속된다. 이 동일 평면상의 도파관은 제1 절연층(510)의 상면(500) 상에 위치한다. 제1 동일 평면상의 도파관은 고 주파수 신호에 대하여 전형적인 50ohm의 특정한 임피던스를 나타낸다.
유사하게, 제2 동일 평면상의 도파관(406)은 제3 단자(430)에 접속된다. 제2 동일 평면상의 도파관은 또한 절연층(339 또는 323)의 상면 상에 위치한다. 제2 동일 평면상의 도파관은 또한 고 주파수 신호에 대하여 50ohm의 특정한 임피던스를 나타낸다.
제어 신호는 전형적으로 디지털 제어 회로(202)로부터 도시되지 않은 제어 도전체를 이용하여 제1 제어(412)에 전달된다.
본 명세서에서 인용된 모든 참고문헌은 여기서 완전히 참고문헌으로서 통합된다.
특정한 실시예를 채택하는 예시적인 방식으로 제시되고 있지만, 개시된 구조는 이에 한정하기 위한 의도는 아니다. 예를 들어, 플립 칩 파워 셀이 개시되었으나, 동일한 원리가 아날로그 실재물에 의해 처리될 저 파워 신호에 적용될 수 있다. 예를 들어, 다중 RF 신호는 지연 라인 또는 A/D 변환기에 라우트될 수 있다.
또한 본 기술 분야의 당업자라면 임의의 방식으로 본 발명으로부터 벗어나지 않고 여기서 개시된 실시예에 대하여 수많은 변화 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예의 이들 변경 및 수정 그리고 모든 명확한 변경 실 시는 법으로 설정된 한계까지 청구범위에 포함되어지는 것이다.

Claims (8)

  1. 고 주파수에서의 사용을 위한 적응성 어셈블리로서,
    기판(301);
    상기 기판 상에 탑재되고 제1 접촉 및 제2 접촉을 갖는 제1 MEM(329);
    열적 범프(321)를 이용하여 상기 기판(301)에 열적으로 접속되는 파워 셀(325) - 상기 파워 셀(325)은 상기 기판(301)으로부터 전기적으로 절연되며, 상기 파워 셀(325)은 제1 파워 셀 범프(311) 및 제2 파워 셀 범프(309)를 가짐 - ;
    상기 기판(301) 상에 탑재되어 상기 기판(301) 위의 제2 MEM(327)을 지지하는 제1 절연체(319) - 상기 제2 MEM은 제1 접속(315) 및 제2 접속(317)을 갖고, 상기 제1 접속 및 상기 제2 접속은 상기 제2 MEM(327)의 하면 상에 위치함 - ;
    상기 제1 절연체(219)를 수직으로 가로지르고 상기 제2 MEM(327)으로부터 상기 제1 접속(315)에 접속되는 제1 도전성 비아(313) - 상기 제1 도전성 비아는 또한 제1 도전체(337)에 접속되고, 상기 제1 도전체는 상기 기판(301)으로부터 제1 절연층(333)에 의해 절연되며, 상기 제1 도전체(337)는 또한 상기 제1 파워 셀 범프(311)에 접속됨 - ;
    상기 기판(301)으로부터 제2 절연층(331)에 의해 절연되는 제2 도전체(335) - 상기 제2 도전체(335)는 제2 도전성 비아(307)에 접속되고, 상기 제2 도전성 비아(307)는 제2 절연체(339)를 가로지르고, 상기 제2 도전성 비아(307)는 제1 금속 부재(305)에 접속되며, 상기 제1 금속 부재(305)는 상기 제2 절연체(339)의 상면 위에 형성되고 상기 제1 MEM(329)의 상기 제1 접촉에 접속됨 - ;
    상기 제1 MEM 스위치(329)의 상기 제2 접촉에 접속되는 제2 금속 부재(303) - 상기 제2 금속 부재는 제3 절연체(323)의 상면 상에 형성되고, 상기 제3 절연체는 상기 기판(301) 위에 위치함 -
    를 포함하는 적응성 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 MEM 및 상기 제2 MEM은 갈륨 비소화물 기판 상에 형성되는 적응성 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 MEM 및 상기 제2 MEM은 실리콘 게르마늄 기판 상에 형성되는 적응성 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 MEM 및 상기 제2 MEM은 SOI(Silicon on Insulator) 기판 상에 형성되는 적응성 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 MEM 및 상기 제2 MEM은 SOS(Silicon on sapphire) 기판 상에 형성 되는 적응성 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 MEM은 또한 매칭 네트워크에 접속되고, 상기 네트워크는 상기 파워 셀로 흐르고 상기 파워 셀 밖으로 흐르는 무선 주파수 파워를 매칭하는데 사용되는 적응성 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 부재(305)는 동일 평면상의 도파관인 적응성 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속 부재(303)는 동일 평면상의 도파관인 적응성 어셈블리.
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