KR101164184B1 - 신호 손실이 최소화 된 전송선 변압기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전송선 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고주파 회로에 사용되는 전송선 변압기를 반도체 공정을 이용하여 형성함에 있어, 집적 회로상의 최고층 금속선으로 1차 측과 2차 측을 서로 나란히 형성하고, 변압기의 1차 측과 2차 측이 서로 마주 보는 부분에서는 1차 측과 2차 측을 형성하는 최고층 금속선에 추가적으로 최고층 금속선의 바로 아래층 금속선을 덧 붙여 줌으로서, 변압기의 기생 저항 성분에 의한 전력 손실을 줄이고, 결합 계수를 향상 시킬 수 있는 전송선 변압기에 관한 것이다.

Description

신호 손실이 최소화 된 전송선 변압기{TRANSMISSION LINE TRANSFORMER WITH MINIMIZED POWER LOSS}
본 발명은 전송선 변압기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고주파 회로에 사용되는 전송선 변압기를 반도체 공정을 이용하여 형성함에 있어, 집적 회로상의 최고층 금속선으로 1차 측과 2차 측을 서로 나란히 형성하고, 변압기의 1차 측과 2차 측이 서로 마주 보는 부분에서는 1차 측과 2차 측을 형성하는 최고층 금속선에 추가적으로 최고층 금속선의 바로 아래층 금속선을 덧 붙여 줌으로서, 변압기의 기생 저항 성분에 의한 전력 손실을 줄이고, 결합 계수를 향상 시킬 수 있는 전송선 변압기에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 일 예를 보이고 있다. 도 1에서 101은 전송선 변압기의 1차 측을, 102는 전송선 변압기의 2차 측을 나타낸다. 103 및 104는 101에 의한 전송선 변압기 1차 측에 연결되는 포트(port)이고, 105 및 106은 102에 의한 전송선 변압기 2차 측에 연결되는 포트이다. 도 1의 전송선 변압기 단면도에서와 같이 집적 회로 상에서 형성되는 전송선 변압기는 반도체 기판 위에 두 개의 금속선으로 구성 되는데, 금속선과 반도체 기판 사이는 절연체가 위치 하게 된다.
도 2는 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 동작 원리를 간략하게 보이기 위한 도면이다. 도 2의 202는 101에 의한 전송선 변압기 1차 측에 인가된 전류의 방향을 나타낸다. 101에 의한 전송선 변압기 1차 측에 202와 같이 전류가 인가 될 경우 102에 의한 전송선 변압기 2차 측에는 203과 같은 방향으로 전류가 유도 된다. 따라서, 전송선 변압기의 2차 측에는 항상 1차 측에 흐르는 전류의 방향과 반대 방향의 전류가 유도 된다. 또한, 전송선 변압기가 이상적이어서 손실이 전혀 없는 경우를 가정 한다면, 2차 측에 흐르는 전류의 크기는 항상 1차 측에 흐르는 전류의 크기와 동일하다.
도 1 및 도 2에서 도시한 종래 기술에 의한 전송선 변압기는 101, 102, 107 및 108은 해당 반도체 공정상에서 제공 되는 최고층 금속선을 사용한다. 그 이유는 전송선 변압기를 형성하고 있는 금속선과 반도체 기판이 서로 가까이 형성 될수록 금속선과 반도체 기판 사이에 기생 캐패시턴스 성분이 발생하게 되고, 금속선에서 발생되는 자기장에 의하여 반도체 기판 상으로 신호의 전력 손실이 발생하기 때문이다.
1차 측 전류에 의하여 2차 측에 전류가 유도 되는 것은, 1차 측 전류에 의하여 전송선 변압기의 2차 측 주변에 형성되는 자기장 때문이다. 일반적으로, 1차 측에 흐르는 전류에 의하여 전송선 변압기의 2차 측에 유도되는 전류의 크기를 나타내는 지표로 결합 계수(Coupling factor)를 사용한다. 결합 계수를 높이기 위해서는 1차 측 전류에 의해 형성된 자기장이 전송선 변압기의 2차 측에 많은 영향을 주어야 한다. 이를 위해서는 도 2의 201에 나타낸 바와 같이 전송선 변압기의 1차 측과 2차 측이 서로 마주 보고 있는 길이가 길어져야 한다. 하지만, 전송선 변압기를 형성하고 있는 1차 측과 2차 측의 길이가 길어지게 되면 1차 측과 2차 측을 형성하고 있는 금속선에 의한 기생 저항 성분 때문에, 전송선 변압기에서는 전력 손실이 발생 한다. 결과적으로 전송선 변압기의 결합 계수를 높이기 위해서는 전송선 변압기를 형성하는 금속선의 길이를 늘여 주어야 하지만, 금속선의 길이가 늘어나면 그에 비례하여 기생 저항 성분이 증가하여 전력 손실이 생긴다는 문제점이 있다.
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제시 된 또 다른 종래 기술은 도 3에서와 같이 전송선 변압기를 형성하고 있는 금속선을 보강 하여 기생 저항 성분을 줄이고, 전송선 변압기의 결합 계수를 증가 시키는 방법이 있다. 도 3에서 전송선 변압기를 형성하고 있는 101, 102, 107 및 108은 해당 반도체 공정에서 제공하는 최고층 금속선을 통하여 형성 된 것이다. 이에 추가적으로 301 및 302는 최고층 금속선의 아래층 금속선을 통하여 형성 된 것이다. 107에 의한 금속선과 301에 의한 금속선은 303에 의한 비아(Via)를 통하여 서로 전기적으로 연결 된다. 마찬가지로 108에 의한 금속선과 302에 의한 금속선은 303에 의한 비아를 통하여 서로 전기적으로 연결된다. 도 3에 도시한 종래 기술에 의한 전송선 변압기는 1차 측과 2차 측이 서로 마주 보고 있는 금속선의 면적이 늘어나면서 결합 계수가 증가하게 됨과 동시에 두 층의 금속선을 이용하여 1차 측과 2차 측을 형성하였기 때문에 금속선에 의한 기생 저항 성분의 크기도 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 앞서 기술한 바와 같이, 도 3에 도시한 종래 기술에 의한 전송선 변압기는 최고층 금속선은 물론 최고층의 바로 아래층 금속선을 사용함으로서, 신호가 인가되는 금속선과 반도체 기판 사이의 거리가 가까워짐으로서, 반도체 기판에 의한 신호 전력의 손실이 도 1에 도시한 종래 기술에 비하여 증가한다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작 된 것으로서, 본 발명의 목적은 고주파 회로에 사용되는 전송선 변압기를 반도체 공정을 이용하여 형성함에 있어, 집적 회로상의 최고층 금속선으로 1차 측과 2차 측을 서로 나란히 형성하고, 변압기의 1차 측과 2차 측이 서로 마주 보는 부분에서는 1차 측과 2차 측을 형성하는 최고층 금속선에 추가적으로 최고층 금속선의 바로 아래층 금속선을 덧 붙여 줌으로서, 변압기의 기생 저항 성분에 의한 전력 손실을 줄이고, 결합 계수를 향상 시킬 수 있는 전송선 변압기를 제공함에 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전송선 변압기는, 종방향의 길이가 횡방향의 길이보다 긴 제1금속판을 포함하는 1차측 부재; 및 상기 제1금속판과 동일평면상에 상기 횡방향으로 일정 거리 이격되어 나란히 배치되며, 종방향의 길이가 횡방향의 길이보다 긴 제2금속판을 포함하는 2차측 부재;를 포함하며, 상기 1차측 부재의 하부에 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제1금속판과 비아(via)를 통해 전기적으로 결합되는 제3금속판과 상기 2차측 부재의 하부에 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제2금속판과 비아(via)를 통해 전기적으로 결합되는 제4금속판 중 적어도 하나를 구비한다.
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상기와 같은 본 발명은 고주파 회로에 사용되는 전송선 변압기를 반도체 공정을 이용하여 형성함에 있어, 집적 회로상의 최고층 금속선으로 1차 측과 2차 측을 서로 나란히 형성하고, 변압기의 1차 측과 2차 측이 서로 마주 보는 부분에서는 1차 측과 2차 측을 형성하는 최고층 금속선에 추가적으로 최고층 금속선의 바로 아래층 금속선을 덧 붙여 줌으로서, 변압기의 기생 저항 성분에 의한 전력 손실을 줄이고, 결합 계수를 향상 시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 집적 회로 상에서 형성되는 전송선 변압기의 평면도와 단면도를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 의한 집적 회로 상에서 형성되는 전송선 변압기의 1차 측과 2차 측에서 흐르는 전류의 방향을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래 기술에 의한 집적 회로 상에서 형성되는 전송선 변압기의 또 다른 일예를 나타내는 도면이다.
도 4는 종래 기술에 의한 집적 회로 상에서 형성되는 전송선 변압기의 단면도와 1차 측 및 2차 측에 흐르는 전류의 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 집적 회로 상에서 형성되는 전송선 변압기의 일 예이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시 예는 본 발명의 권리 범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 4는 일반적인 전송선 변압기에서의 전류 분포를 나타내는 도면이다. 여기서는, 지면의 편의상 도 1에 도시된 전송선 변압기의 단면도인 109를 이용하였다. 도 4의 401은 107에 의한 전송선 변압기 1차 측을 형성하고 있는 금속선에서의 전류 분포를 나타내었다. 마찬가지로 도 4의 402는 108에 의한 전송선 변압기 2차 측을 형성하고 있는 금속선에서의 전류 분포를 나타내었다. 도 4에 도시된 전류 분포에 의하면, 전송선 변압기에 흐르는 전류는 1차 측의 경우, 2차 측으로 가까이 갈수록 전류의 크기가 커지고, 마찬가지로, 2차 측의 경우, 1차 측으로 가까이 갈수록 전류의 크기가 커진다는 것을 알 수 있다. 이는 전송선 변압기의 1차 측에 흐르는 전류와 2차 측에 흐르는 전류의 방향이 서로 반대이기 때문에 나타나는 현상이다.
본 발명은 상기와 같은 전류 분포에 착안하여 창작 된 것으로서, 도 5에서 본 발명에 의한 전송선 변압기의 일 예를 보였다. 도 5에서, 502는 전송선 변압기의 1차 측을 구성하고 있는 최고층 금속선을 나타내며, 503은 전송선 변압기의 2차 측을 구성하고 있는 최고층 금속선을 나타낸다. 504는 전송선 변압기의 1차 측을 구성하고 있는 최고층 바로 아래층 금속선으로서, 1차 측의 최고층 금속선보다 좁은 폭을 가지면서, 2차 측 금속선에 가깝게 위치하고 있다. 또한, 1차 측을 구성하고 있는 최고층 금속선(502)과 최고층 바로 아래 금속선(504)은 비아를 통하여 서로 전기적으로 연결 되어 있다. 마찬가지로 505는 전송선 변압기의 2차 측을 구성하고 있는 최고층 바로 아래층 금속선으로서, 2차 측의 최고층 금속선보다 좁은 폭을 가지면서, 1차 측 금속선에 가깝게 위치하고 있다. 또한, 2차 측을 구성하고 있는 최고층 금속선(503)과 최고층 바로 아래 금속선(505)은 비아를 통하여 서로 전기적으로 연결 되어 있다.
도 5에 도시된 본 발명에 의한 전송선 변압기의 일 예는, 도 4에서 기술한 바와 같이 전송선 변압기에서 전류가 가장 밀집 하여 분포하는 부분인 1차 측과 2차측이 서로 마주 보는 부분을 504 및 505에 의한 금속선으로 보강 하여 준 형태이다. 도 5에 도시된 본 발명에 의한 전송선 변압기의 일 예는, 504 및 505에 의한 금속선에 의하여, 1차 측과 2차 측이 서로 마주 보는 면적이 증가 하게 되어 결합 계수가 향상 된다. 또한 전류가 가장 밀집하여 분포하는 부분에서 504 및 505에 의한 금속선으로 보강 되어 있기 때문에 전송선 변압기의 금속선에 의한 기생 저항 성분이 감소되는 이점이 있다.
또한, 도 3에 도시된 종래 기술에 의한 전송선 변압기에 비하여 도 5에 도시된 본 발명에 의한 전송선 변압기는 최고층 바로 아래층의 금속선의 폭이 작기 때문에 504 및 505에 의한 금속선과 반도체 기판 사이에 존재하는 기생 캐패시턴스 성분의 증가를 최소화 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 전송선 변압기는 결합 계수를 향상 시키고, 기생 저항 성분을 감소시킴과 동시에 추가적으로 발생 할 수 있는 기생 캐패시턴스의 양을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 예는 1차 측을 형성하는 금속선인 502의 폭과 2차 측을 형성하는 금속선인 503의 폭을 서로 달리 하는 것인데, 이는 실제 전송선 변압기가 사용될 고주파 회로 내에서의 용도에 따라 변형이 가능하다. 일반적으로는 전송선 변압기의 1차 측에 큰 전력의 신호가 인가되며, 2차 측에 유도 되는 신호의 전력 1차 측에 인가된 신호의 전력 보다 작으므로 1차 측을 형성하는 금속선인 502의 폭을 2차 측을 형성하는 금속선인 503의 폭 보다 크게 해 주게 된다.
마찬가지로 도 5의 504와 505로 형성되는 금속선의 폭도 고주파 회로 내에서의 용도에 따라 각각 변형이 가능하다.
또한 고주파 회로 내의 용도에 따라, 504만 형성 하거나, 505만 형성 하는 방식의 변형도 가능하다.
101 : 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 1차측
102 : 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 2차측
109 : 종래 기술에 의한 전송선 변압기의 단면도
202 : 전송선 변압기 1차 측에서의 전류 방향
203 : 전송선 변압기 2차 측에서의 전류 방향
303 : 서로 다른 두 층에 형성된 금속선을 연결 해 주는 비아(via)
401 : 전송선 변압기의 1차 측 금속선에서의 전류 분포
402 : 전송선 변압기의 2차 측 금속선에서의 전류 분포

Claims (7)

  1. 두 층 이상의 금속 층을 형성할 수 있는 집적 회로 상에 형성되는 전송선 변압기에 있어서,
    종방향의 길이가 횡방향의 길이보다 긴 제1금속판을 포함하는 1차측 부재; 및
    상기 제1금속판과 동일평면상에 상기 횡방향으로 일정 거리 이격되어 나란히 배치되며, 종방향의 길이가 횡방향의 길이보다 긴 제2금속판을 포함하는 2차측 부재;를 포함하며,
    상기 1차측 부재의 하부에 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제1금속판과 비아(via)를 통해 전기적으로 결합되는 제3금속판과 상기 2차측 부재의 하부에 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 제2금속판과 비아(via)를 통해 전기적으로 결합되는 제4금속판 중 적어도 하나를 구비하는 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3금속판과 상기 제4금속판을 모두 포함하고,
    상기 제3금속판은 상기 제1금속판의 연직하방의 횡방향 길이 내에 위치하고, 상기 제4금속판은 상기 제2금속판의 연직하방의 횡방향 길이 내에 위치하며,
    상기 제3금속판과 제4금속판 사이의 이격거리가 상기 제1금속판과 제2금속판 사이의 이격거리와 동일한 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 1차측 부재의 횡방향 길이는 상기 제3금속판의 횡방향 길이보다 크고, 상기 2차측 부재의 횡방향 길이는 상기 제4금속판의 횡방향 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 1차측 부재의 횡방향 길이와 상기 2차측 부재의 횡방향 길이는 상이한 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제3금속판의 횡방향 길이와 상기 제4금속판의 횡방향 길이는 상이한 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제3금속판과 상기 제4금속판 중에서 상기 제3금속판만 구비하며, 상기 제1금속판의 횡방향 길이가 상기 제3금속판의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제3금속판과 상기 제4금속판 중에서 상기 제4금속판만 구비하며, 상기 제2금속판의 횡방향 길이가 상기 제4금속판의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전송선 변압기.
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