KR101119384B1 - 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈에 관한 것으로, 전력 증폭기와 전력 증폭기 제어회로가 형성된 기판으로 이루어진 전력 증폭기 다이; 매칭 회로와 하모닉 필터가 집적형 수동소자로 형성된 기판으로 이루어진 필터 다이; 및 스위치와 스위치 제어 회로가 형성된 기판으로 이루어진 스위치 다이를 포함하며, 공정을 단순화하여 공정비용을 줄일 수 있다.

무선 송수신기, 송신 모듈, 집적형 수동소자

Description

무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈{Intergrated tramsmission module in the radio transmitter-receiver}

본 발명은 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈에 관한 것이다.

이동통신단말기, 특히 휴대 전화의 운영 시스템으로는 유럽에서 운영되는 GSM 방식과 DCS 방식, 그리고 미합중국에서 운영되는 PCS 방식 등이 있으며, 최근에는 유럽의 차세대 이동통신 시스템으로서 UMTS가 상용화될 예정이다.

이처럼, 세계적으로 여러가지의 이동통신 시스템이 다른 방식으로 운용되고 있기 때문에, 휴대 전화 이용자는 서로 다른 이동통신 시스템 하에서도 하나의 휴대 전화를 계속하여 사용할 필요성이 있게 되었다.

그러한 필요성에 따라, 서로 다른 이동통신 시스템 하에서도 사용이 가능하도록 복수개의 밴드를 수용할 수 있는 다중 대역 무선 송수신기가 휴대 전화에 탑재된다.

도 1은 종래 기술에 따른 다중 대역 무선 송수신기의 구성을 나타낸 블럭 구 성도이다.

종래 기술에 따른 다중 대역 무선 송수신기는 안테나(10), 송신 모듈(20), 수신 모듈(30), RFIC칩(40), 베이스밴드(baseband)칩(50)으로 구성되어 있다.

상기 송신 모듈(20)은 스위치(21), 하모닉 필터(22), 전력 증폭기(PA: Power Amplifier)(23), 매칭 회로(24)로 구성되어 있고, 상기 수신 모듈(30)은 다수개의 대역 통과 필터(31a~31d), RFIC칩(40)과 대역 통과 필터(31a~31d)의 정합을 제공하는 다수의 매칭 회로(32a~32d)로 이루어져 있다.

이와 같은 다중 대역 무선 송수신기에 있어서 스위치(21)와 다이플렉서(미도시)는 모듈화되어 안테나 스위치 모듈(ASM:Antenna Switch Module)을 형성하며, 안테나 스위치 모듈(ASM)과 대역 통과 필터(31a~31d)가 모듈화되어 프론트 엔드 모듈(FEM:Front End Module)을 형성한다.

한편, 송신 모듈(20)의 경우에 그 칩 패키지 구조를 살펴보면, 다층 기판에 스위치(21), 전력 증폭기(23), 스위치를 컨트롤하기 위한 CMOS 집적회로로 이루어진 스위치 컨트롤러(미도시)가 실장되며, 하모닉 필터(22)와 매칭 회로(24)는 MLCC나 칩 인덕터와 같은 수동소자를 사용하여 리플로우 솔더링 등의 방법으로 표면실장된다.

이처럼, 종래 기술에 따라 송신 모듈(20)을 제작하게 되면 하모닉 필터(22)와 매칭 회로(24)가 MLCC나 칩인덕터와 같은 수동소자를 사용하여 리플로우 솔더링 등의 방법으로 표면 실장되게 되기 때문에 공정이 복잡하고 공정비용이 많이 소요되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 매칭 회로와 하모닉 필터를 집적형 수동소자(IPD:Intergrated Passive Device)를 사용하여 구현하여 표면실장 공정이 필요하지 않도록 하는 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 매칭회로와 하모닉 필터를 집적형 수동소자(IPD)를 사용하여 구현함으로써 저렴한 리드 프레임 기판을 사용할 수 있도록 하는 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈은, 전력 증폭기와 전력 증폭기 제어회로가 형성된 기판으로 이루어져 있으며, RFIC 칩에서 출력되는 신호를 증폭하여 출력하는 전력 증폭기 다이; 매칭 회로와 하모닉 필터가 집적형 수동소자로 형성된 기판으로 이루어져 있으며, 상기 전력 증폭기에서 출력되는 신호에서 고주파 신호를 제거하여 출력하는 필터 다이; 및 스위치와 스위치 제어 회로가 형성된 기판으로 이루어져 있으며, 상기 하모닉 필터에서 출력되는 신호를 안테나로 전송되도록 스위칭하고, 상기 안테나에서 수신된 무선 신호를 수신 모듈로 스위칭하는 스위치 다이를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 전력 증폭기 다이, 필터 다이, 스위치 다이를 실장하고 있는 리드 프레임 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 전력 증폭기 다이의 상기 기판은 실리콘 기판으로 상기 기판에 상기 전력 증폭기와 전력 증폭기 제어 회로가 CMOS 기술을 이용하여 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 필터 다이의 상기 기판은, 글래스(glass) 기판, GaAs 기판, 고저항 실리콘 기판(HRS) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 필터 다이의 상기 매칭 회로는 상기 기판 상의 일 영역에 IPD(Integrated Passive Device) 형태로 구현되며, 외부신호 입력 단자를 갖는 복수의 1차 권선과, 하나의 출력 단자와 접지 단자 사이에 서로 직렬로 연결된 복수의 2차 권선으로 이루어지며, 상기 하모닉 필터는 상기 기판 상의 타 영역에 IPD 형태로 구현되며, 상기 매칭 회로의 출력 단자로부터의 신호 중 원하는 주파수 대역의 신호를 선택적으로 통과시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 스위치 다이의 상기 기판은 SOI 기판인 것을 특징으로 한다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 매칭 회로와 하모닉 필터를 집적형 수동소자(IPD)를 사용하여 구현하여 표면 실장 공정이 필요하지 않도록 하여 공정을 단순화함으로 공정 비용을 절감할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 매칭 회로와 하모닉 필터를 집적형 수동소자(IPD)를 사용하여 구현하여 다층기판이 아닌 저렴한 리드 프레임 기판을 사용할 수 있어 재료비를 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈은 전력 증폭기 다이(die)(100), 필터 다이(200), 스위치 다이(300)로 구성되어 있다,

상기 전력 증폭기 다이(100)는 전력 증폭기(110a, 110b)와 전력 증폭기(110a, 110b)를 제어하기 위한 제어 회로(120)가 CMOS 기술로 형성된 실리콘 기판으로 이루어져 있다.

여기에서, 전력 증폭기(110a, 110b)는 RFIC칩에서 입력되는 송신 신호가 안테나를 통하여 출력되도록 하기 위하여 전력을 증폭하여 출력하는 것으로, 종래 기술에서는 GaAs 기판에 HBT(Herterojunction Bipolar Transistor)로 구현하였으나, 본 발명에서는 제어 회로(120)와 집적화될 수 있도록 실리콘 기판에 CMOS 기술로 구현하였다.

그리고, 제어 회로(120)는 전력 증폭기(110a, 110b)의 이득값 등을 제어하여 원하는 출력 신호를 얻기 위한 것으로, 종래 기술에서는 전력 증폭기(110a, 110b)와 별도로 제작되고 다층 기판에 실장되었으나, 본 발명에서는 전력 증폭기(110a, 110b)와 동일한 실리콘 기판에 CMOS 기술을 사용하여 구현하였다.

한편, 필터 다이(200)는 매칭 회로(210)와 하모닉 필터(220)가 집적형 수동소자(IPD)로 형성된 기판으로 이루어져 있다(이에 대하여는 아래 도 3과 4를 참조하여 상세히 설명된다).

여기에서, 매칭 회로(210)는 전력 증폭기(110a, 110b)와 하모닉 필터(220)의 정합을 제공하기 위한 것으로, 종래 기술에서는 칩인덕터와 같은 수동소자를 사용하여 다층 기판에 리플로우 솔더링등의 방법으로 표면 실장하였으나, 본 발명에서는 표면 실장등의 공정이 생략되도록 하기 위하여 집적형 수동소자(IPD)를 사용하여 형성하였다.

그리고, 하모닉 필터(220)는 전력 증폭기(110a, 110b)에서 증폭되어 출력되는 신호의 2배, 3배 등의 하모닉 신호를 제거하기 위한 것으로, 종래 기술에서는 MLCC를 사용하여 구현하고 다층 기판에 리플로우 솔더링등의 방법으로 표면 실장하였으나, 본 발명에서는 표면 실장등의 공정이 생략되도록 하기 위하여 집적형 수동소자(IPD)를 사용하여 형성하였다.

다음으로, 스위치 다이(300)는 스위치(310)와 스위치 제어 회로(320)가 내장된 SOI 기판으로 이루어져 있다.

상기와 같이 스위치(310)와 스위치 제어 회로(320)를 SOI(Silicon On Insulator)기판에 내장하는데 사용하는 기술은 반도체를 만드는 재료인 실리콘 기판위에 절연막을 입히고, 그 위에 다시 실리콘 박막을 형성시켜 전자 누설을 막고 칩의 집적도를 높이는 기술로 초미세 가공에 적용되고 있다.

SOI 기판 기술로서는 단결정 사파이어 기판상에 Si를 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학기상성장)에 의해 헤테로에피택시 성장시켜서 형성하는 SOS(Silicon On Sapphire)기술이 알려져 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

여기에서, 스위치(310)는 안테나를 통하여 수신된 무선 신호를 수신 모듈로 전송되도록 스위칭하고, 전력 증폭기(110a, 110b)에서 증폭되어 출력되는 신호를 안테나를 향하도록 스위칭하는 것으로, SOI 기판에 내장되어 있다.

그리고, 스위치 제어 회로(320)는 RFIC 칩에서 출력되는 제어 신호에 따라 스위치(310)의 스위치 동작을 제어하는 것으로, 종래 기술에서는 스위치(310)와 별도로 제작되고 다층 기판에 실장되었지만, 본 발명에서는 스위치(310)가 실장되는 SOI 기판에 동일하게 내장되어 있다.

도 3은 도 2의 집적형 수동 소자로 형성된 매칭 회로와 하모닉 필터를 포함하고 있는 필터 다이를 나타내는 상면도이며, 도 4는 도 3의 상면도를 상세하게 도시한 것이다. 여기에서는 하나의 매칭 회로(210)와 하모닉 필터(220)로 구성된 집적형 수동소자에 대하여 도시하고 설명하였지만, 이러한 구성을 동일 기판(201)에 2회 반복하게 되면 듀얼 밴드 신호를 처리할 수 있는 본 발명의 집적형 수동소자를 구현할 수 있다.

본 실시 형태의 경우, 상기 필터 다이(200)는 기판(201) 상에 매칭 회로(210) 및 하모닉 필터(220)가 IPD(Integrated Passive Device) 형태로 구현됨을 특징으로 한다.

IPD 방식은 실리콘 등으로 이루어진 기판 내에 CMOS 공정이나 GaAs 공정 등을 통하여 2차원 또는 3차원으로 수동 소자들을 집적하는 기술을 말한다. 이러한 IPD 방식은 반도체 IC 공정을 이용하여 개별 수동소자를 집적시킨 형태로서 실장 면적을 감소시킬 수 있으며, 부품 간의 편차가 거의 없다는 장점이 있다.

이를 위해, 상기 기판(201)은 고주파용 기판으로서 고주파 특성이 우수한 글 래스(glass) 기판, GaAs 기판, 고저항 실리콘 기판(HRS) 등이 사용될 수 있으며, IPD형 매칭 회로(210) 및 하모닉 필터(220)는 상기 기판(201) 상에 통상의 반도체 공정을 응용한 고주파용 기판 공정 처리를 통해 제조될 수 있다.

여기에서, 매칭 회로(210)는 1차 권선 및 2차 권선의 개수가 각각 2개(pair)이며, 각 권선의 턴(turn) 수가 3회가 되도록 한 트랜스포머에 의해 구현하였다.

상기 2개의 2차 권선들은 출력 단자와 접지 단자 사이에서 서로 직렬로 연결되어 전압을 모으는 구조이다. 즉, 상기 매칭 회로(210)의 1차 권선 측의 입력 단자(도 4의 하단부)에 연결된 차등 신호 증폭기로부터의 신호는 2차 권선에 전달되며, 이에 따라, 2개의 차등 신호 증폭기에서 각각 증폭된 신호는 2차 권선에 의

해 합해질 수 있다. 즉, 상기 매칭 회로(210)는 DAT(Ditributed active transformer) 구조를 갖는 것으로 이해될 수 있으며, 합해진 증폭 신호는 매칭 회 로(210)의 상기 출력 단자와 접지 단자 사이의 전위차에 해당한다.

이 경우, 상기 2개의 차등 신호 증폭기는 각각 2개의 MOSFET 소자(M1, M2 및 M3, M4)를 구비하며, 필요에 따라 증폭기의 개수와 이에 따른 1차 권선의 개수는 변화될 수 있다.

다만, 본 발명은 본 실시 형태와 같은 구조에 제한되지 않으며, 상기 매칭 회로(210)의 상기 권선들의 개수 및 턴 수는 1차 권선의 입력 단자에 연결된 전력 증폭기의 수, 1차 및 2차 측의 권선 비, 기판 내의 배치 구조 등에 따라 적절히 조절될 수 있다.

본 실시 형태에 따른 매칭 회로(210)의 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 1차 권선 측에 포함된 증폭 신호 입력 단자를 기준으로 대칭 구조를 이룬다. 이러한 대칭 구조는 입력 단자에 제공되는 밸런스 신호를 맞추며, 나아가, 제2 고조파 성분의 제거에 기여할 수 있다.

추가적으로, 상기 매칭 회로(210)는 1차 권선에 형성된 외부 전원 단자(VDD)를 포함한다. 이처럼 1차 권선에 외부 전원 단자(VDD)를 형성하면 특히 CMOS 공정에 의한 전력 증폭기에 있어서 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 즉, CMOS공정의 경우, 점차 소형화되면서 라인의 폭이 매우 얇기 때문에, 외부 전원 단자를 전력 증폭기에 직접 연결하는 경우보다는 상대적으로 라인의 폭이 두꺼운 트랜스포머에 연결하는 것이 DC 저항을 줄이는데 용이하다.

본 실시 형태의 경우, 외부 신호, 특히, 전력 증폭기로부터의 신호가 입력되는 1차 권선의 양 단자에는 캐패시터(C1, C2)가 연결되며, 이는 1차 권선 측에서 바라본 출력 저항이 최대가 될 수 있도록 하기 위함이다. 이러한 기능을 수행하기 위해 상기 캐패시터(C1, C2)의 용량 값은 적절히 선택될 수 있다.

또한, 2차 권선의 출력 단자, 즉, 상기 매칭 회로(210)의 출력 단자와 접지 단자에도 캐패시터(C3)가 연결될 수 있다. 상기 캐피시터(C3)는 상기 매칭 회로(210)의 2차 권선 측의 출력 단자로 최대 출력을 전송할 수 있도록 적절한 용량을 갖는 것으로 선택될 수 있다.

다만, 상기 커패시터들(C1, C2, C3)은 집적형 수동 소자의 성능을 더욱 향상시키기 위해 제공되는 것으로 실시형태에 따라서는 포함되지 않을 수도 있다.

한편, 하모닉 필터(220)는 매칭 회로(210)의 출력 단자로부터의 신호 중 원 하는 주파수 대역의 신호를 선택적으로 통과시킨다. 즉, 전력 증폭기에 의해 증폭된 신호에서 고조파 성분을 제거하는 기능을 수행할 수 있다.

상기 하모닉 필터(220)는 기판(201)의 매칭 회로(210)에 인접하여 매칭 회로(210)의 2차 권선의 출력 단자에 연결된다.

이 경우, 상기 하모닉 필터(220)는 상기 기판(201) 상에 형성된 인덕터용 도체 패턴 및 상기 인덕터용 도체 패턴과 병렬 접속되는 캐패시터 전극용 도체 패턴(C4, C5, C6)을 포함한다. 다만, 고조파 성분의 제거를 위한 저역 통과 필터의 구조는 본 실시 형태와 달리 일반적으로 채용될 수 있는 다른 필터 구조도 가능함은 당업자에게 자명하다 할 것이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈이 프레임 기판에 실장되어 있는 상면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈을 구성하는 전력 증폭기 다이(100), 필터 다이(200) 및 스위치 다이(300)가 리드 프레임 기판(500)에 다이 본딩된 상태에서 와이어 본딩에 의해 실장되어 있다. 이처럼, 집적화된 송신 모듈이 리드 프레임 기판(500)에 와이어 본딩에 의해 실장되게 되면, 종래 기술에서 요구되는 MLCC나 칩인덕터등의 표면 실장 공정이 추가적으로 필요하지 않아 공정을 단축할 수 있고, 그에 따라 공정 비용을 절감할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발 명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 다중 대역 무선 송수신기의 구성을 나타낸 블럭구성도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈의 개념도이다.

도 3은 도 2의 집적형 수동 소자로 형성된 매칭 회로와 하모닉 필터를 포함하고 있는 필터 다이를 나타내는 상면도이다.

도 4는 도 3의 상면도를 상세하게 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈이 프레임 기판에 실장되어 있는 상면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 전력 증폭기 다이 110a, 110b : 전력 증폭기

120 : 제어 회로 200 : 필터 다이

201 : 기판 210 : 매칭 회로

220 : 하모닉 필터 300 : 스위치 다이

310 : 스위치 320 : 제어 회로

500 : 리드 프레임 기판

Claims (6)

1. 전력 증폭기와 전력 증폭기 제어회로가 형성된 기판으로 이루어져 있으며, RFIC 칩에서 출력되는 신호를 증폭하여 출력하는 전력 증폭기 다이;

   매칭 회로와 하모닉 필터가 집적형 수동소자로 형성된 기판으로 이루어져 있으며, 상기 전력 증폭기에서 출력되는 신호에서 고주파 신호를 제거하여 출력하는 필터 다이; 및

   스위치와 스위치 제어 회로가 형성된 기판으로 이루어져 있으며, 상기 하모닉 필터에서 출력되는 신호를 안테나로 전송되도록 스위칭하고, 상기 안테나에서 수신된 무선 신호를 수신 모듈로 스위칭하는 스위치 다이를 포함하며,

   상기 전력 증폭기 다이의 상기 기판은 실리콘 기판으로 상기 기판에 상기 전력 증폭기와 전력 증폭기 제어 회로가 CMOS 기술을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하고,

   상기 스위치 다이의 상기 기판은 SOI 기판인 것을 특징으로 하는 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전력 증폭기 다이, 필터 다이, 스위치 다이를 실장하고 있는 리드 프레임 기판을 더 포함하는 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 필터 다이의 상기 기판은, 글래스(glass) 기판, GaAs 기판, 고저항 실리콘 기판(HRS) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 필터 다이의 상기 매칭 회로는 상기 기판 상의 일 영역에 IPD (Integrated Passive Device) 형태로 구현되며, 외부신호 입력 단자를 갖는 복수의 1차 권선과, 하나의 출력 단자와 접지 단자 사이에 서로 직렬로 연결된 복수의 2차 권선으로 이루어지며,

   상기 하모닉 필터는 상기 기판 상의 타 영역에 IPD 형태로 구현되며, 상기 매칭 회로의 출력 단자로부터의 신호 중 원하는 주파수 대역의 신호를 선택적으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 무선 송수신기의 집적화된 송신 모듈.
6. 삭제

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