KR101456795B1

KR101456795B1 - 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나

Info

Publication number: KR101456795B1
Application number: KR1020130101079A
Authority: KR
Inventors: 이창현; 박창근
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2014-10-31
Also published as: TW201517376A; JP5916818B2; US9460848B2; JP2015043426A; TWI569506B; US20150054710A1

Abstract

본 발명은, 3차원 무선 칩 패키지에서 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 있어서, 상기 3차원 무선 칩 패키지는, 송신 안테나를 통해 교류 전력을 전송하는 제1 칩과, 상기 제1 칩의 상면 또는 하면에 차례로 적층되어 각각의 수신 안테나를 통해 상기 제1 칩으로부터 상기 교류 전력을 수신하는 복수의 제2 칩을 포함하고, 상기 각각의 수신 안테나는, 상기 복수의 제2 칩에 개별 형성되되, 상기 송신 안테나의 상부 또는 하부에서 서로 상하 방향으로 중첩되지 않는 위치에 구획되어 형성되어 있는 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나를 제공한다.
상기 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 따르면, 무선 전력을 수신하는 칩 상에 형성되는 안테나를 상하 방향으로 서로 중첩되지 않는 위치에 형성하여 칩 간 무선 전력 전송 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. 또한, 부가적으로 송신 칩 상의 안테나와의 거리에 대응하여 수신 칩 상의 안테나의 크기를 달리하여 칩 간 거리에 따른 수신 전력의 불균형 문제를 해결할 수 있다.

Description

칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나{Antenna for chip-to-chip wireless power transfer}

본 발명은 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 무선 칩 패키지에서 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 관한 것이다.

최근 집적 회로 설계시 설계 면적을 줄이기 위해 복수의 칩을 적층하는 기술이 연구되고 있다. 이 중 최근 대표적으로 사용되고 있는 TSV(Through Silicon Via)기술은 반도체 기판 재료인 실리콘에 수직으로 관통하는 전극을 형성하여 적층된 칩 간의 신호 전달 경로를 제공한다.

TSV 적층 기술은 적층되는 칩에서 전기 접속을 위한 패드가 외부로 노출되지 않으며, 칩 간 패드가 비아(via) 및 범프(bump)를 통해 서로 연결된다. 따라서, TSV 적층 기술은 본딩 와이어가 제거되며 PCB(Printed Circuit Board)의 패터닝된 금속선을 제거할 수 있어 기존의 본딩 와이어 및 PCB 금속선에 의한 기생 성분을 제거하여 칩 간 고속 통신을 할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 이러한 TSV 적층 기술은 칩에 물리적인 구멍을 형성하여 이를 금속성 물질로 채워 넣어 비아를 형성함으로써 추가적인 반도체 공정에 따른 연구 개발 비용뿐만 아니라 상용화 비용 또한 증가한다는 문제점이 있다. 또한, 이와 같이 형성된 비아는 크랙(Crack)과 같은 문제점으로 인하여 수율을 높이기 위한 많은 노력이 요구된다는 단점이 있다. 결국, TSV 적층 기술은 생산 단가의 상승을 초래한다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 최근 칩 간 무선 통신 방식이 연구되고 있다. 도 1은 종래에 따른 칩 간 무선 통신 기술의 개념도이다. 칩 간 무선 통신 기술은 칩 간의 통신을 무선으로 수행하는 기술이므로 TSV 기술과 같이 칩을 관통하는 비아를 형성할 필요가 없다.

도 1을 참조하면, 적층 구조로 형성된 칩들 간의 무선 전력 전송을 위하여 각각의 칩에는 안테나를 구비하고 있다. 도 1의 경우 각 칩의 안테나를 자기적 결합(Inductive Coupling)을 유도하는 인덕터로 구성한 예이다. 여기서, 최상층 또는 최하층 칩에 포함된 안테나는 나머지 층의 칩에 포함된 안테나로 전력을 무선 전송할 수 있다. 그런데, 칩 간의 적층 구조로 인하여 송신 측 안테나로부터 수신 측 안테나들까지의 거리가 모두 상이하며 이로 인하여 거리별 전송 효율의 편차가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 국내공개특허 제2012-0040779호(2012.04.30 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 3차원 무선 칩 패키지에서 안테나의 구조를 개선하여 칩 간 무선 전력 전송의 효율을 높일 수 있는 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 3차원 무선 칩 패키지에서 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 있어서, 상기 3차원 무선 칩 패키지는, 송신 안테나를 통해 교류 전력을 전송하는 제1 칩과, 상기 제1 칩의 상면 또는 하면에 차례로 적층되어 각각의 수신 안테나를 통해 상기 제1 칩으로부터 상기 교류 전력을 수신하는 복수의 제2 칩을 포함하고, 상기 각각의 수신 안테나는, 상기 복수의 제2 칩에 개별 형성되되, 상기 송신 안테나의 상부 또는 하부에서 서로 상하 방향으로 중첩되지 않는 위치에 구획되어 형성되어 있는 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나를 제공한다.

여기서, 상기 각각의 수신 안테나는, 상기 송신 안테나와의 이격 거리에 따라 상이한 크기로 형성될 수 있다.

또한, 상기 각각의 수신 안테나는, 상기 송신 안테나와의 이격 거리가 클수록 큰 크기로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 각각의 수신 안테나는, 상기 송신 안테나와의 이격 거리의 제곱에 비례하는 크기로 형성될 수 있다.

또한, 상기 각각의 수신 안테나의 크기의 합은, 상기 송신 안테나의 크기와 동일할 수 있다.

본 발명에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 따르면, 무선 전력을 수신하는 칩 상에 형성되는 안테나를 상하 방향으로 서로 중첩되지 않는 위치에 형성하여 칩 간 무선 전력 전송 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. 또한, 부가적으로 송신 칩 상의 안테나와의 거리에 대응하여 수신 칩 상의 안테나의 크기를 달리하여 칩 간 거리에 따른 수신 전력의 불균형 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 종래에 따른 칩 간 무선 통신 기술의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나의 구성도이다.
도 3은 도 2의 전기적 결합에 의한 안테나를 자기적 결합에 의한 안테나로 대체한 경우의 실시예이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나의 다른 예를 나타낸다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 3차원 무선 칩 패키지에서 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 관한 것이다. 3차원 무선 칩 패키지는 송신 안테나를 통해 교류 전력을 전송하는 제1 칩과, 이 제1 칩의 상면 또는 하면에 차례로 적층되어 각각의 수신 안테나를 통해 제1 칩으로부터 교류 전력을 수신하는 복수의 제2 칩들을 포함한다.

본 발명의 실시예는 상기 제1 칩의 안테나로부터 전력을 무선 수신하는 상기 복수의 제2 칩들 상의 안테나의 구조를 개선함으로써 무선 전력 전송의 효율을 높인다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여 제1 칩의 하부에 복수의 제2 칩이 적층된 형태의 3차원 무선 칩 패키지를 예시로 하며, 각각의 칩에 포함된 송신 안테나 및 수신 안테나의 형상을 도시하여 설명한다. 물론 본 발명의 실시예는 제1 칩의 상부에 복수의 제2 칩이 형성된 경우에도 적용 가능하다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나의 구성도이다. 도 2에는 제1 칩에 형성되는 안테나(A1)인 송신 안테나(100)와, 제1 칩 하부의 3개의 제2 칩에 각각 형성되는 안테나들(B1~B3)인 수신 안테나들(210,220,230)을 도시하고 있다. 여기서 물론 안테나 간의 간격은 칩 간의 간격에 대응된다.

도 2는 송신 안테나(100)와 수신 안테나(210,220,230)들이 서로 전기적 결합에 의해 전력을 무선 송수신하는 예로서, 각각의 안테나는 커패시터의 형태로 형성되어 있다. 이는 서로 이격된 각각의 안테나를 금속판으로 구성한 것에 따른다.

여기서, 전력을 무선 수신하는 각각의 제2 칩은 제1 칩과의 거리에 따라 전기적 결합력에 상대적인 차이가 발생하게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 도 2는 송신 안테나(100)와의 거리에 따라 수신 안테나(210,220,230)의 크기를 달리하고 있다. 즉, 송신 안테나(100)와 멀리 있는 수신 안테나일수록 큰 크기로 형성되어 있다. 그 원리를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 송신 안테나(100)와 제1 수신 안테나(210)는 평행한 금속판이 서로 마주보고 있는 형태로서 송신 안테나(100)에 의한 금속판 및 제1 수신 안테나(210)에 의한 금속판 사이에는 캐패시턴스 성분이 존재하게 된다.

또한, 송신 안테나(100)에 의한 금속판과 제2 수신 안테나(220)에 의한 금속 판 사이에도 기생 캐패시턴스 성분이 존재한다. 하지만, 이 경우 제2 수신 안테나(220)는 제1 수신 안테나(210)에 비하여 상대적으로 송신 안테나(100)와 먼 거리에 위치하고 있어 전기적 결합이 약해질 가능성이 있다. 이를 보완하기 위하여, 제2 수신 안테나(220)에 의한 금속판 크기를 제1 수신 안테나(210)에 의한 금속판 크기보다 크게 형성한다. 이와 같은 원리로, 송신 안테나(100)와 가장 먼 거리에 위치하고 있는 제3 수신 안테나(230)에 의한 금속판은 제2 수신 안테나(220)에 의한 금속판보다 크게 형성하도록 한다. 이와 같은 구성에 따르면, 송신 안테나와의 거리에 따른 각 수신 칩에서의 전력 수신율을 비교적 균일하게 조절할 수 있다.

이상과 같이 송신 안테나와의 거리에 따라 수신 안테나의 크기에 변경을 가하는 구성은 상기 제1 실시예와 같은 전기적 결합에 의한 안테나 구성 이외에도 자기적 결합에 의한 안테나의 구성에서도 동일한 원리로 적용이 가능하다.

도 3은 도 2의 전기적 결합에 의한 안테나를 자기적 결합에 의한 안테나로 대체한 경우의 실시예이다. 자기적 결합을 이용할 경우에는 도 2의 송수신 안테나를 모두 나선형의 인덕터 형태로 구현하면 된다.

도 3에는 제1 칩에 형성되는 안테나(a1)인 송신 안테나(10)와, 제1 칩 하부의 3개의 제2 칩에 각각 형성되는 안테나들(b1~b3)인 수신 안테나들(20,30,40)을 도시하고 있다. 이때, 송신 안테나와 먼 거리에 위치한 수신 안테나일수록 인덕터의 크기를 증가시키도록 한다. 인덕터의 크기는 인덕터의 감은수, 금속선의 두께, 선간 간격 등을 조절하는 것에 의해 가능하다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나의 구성도이다. 도 4에는 제1 칩에 형성되는 안테나(C1)인 송신 안테나(101)와, 제1 칩 하부의 4개의 제2 칩에 각각 형성되는 안테나들(D1~D4)인 수신 안테나들(211,221,231,241)을 도시하고 있다. 이러한 도 4 또한 안테나들이 캐패시터 형태로 형성되어 서로 전기적 결합에 의해 무선 전력을 송수신하는 예이다.

여기서, 상기 각각의 수신 안테나(211,221,231,241)는, 상기 4개의 제2 칩에 개별 형성되되, 송신 안테나(101)의 하부에서 서로 상하 방향으로 중첩되지 않는 위치에 구획되어 형성되어 있다. 이에 따르면, 수신 안테나에 의한 송신 안테나의 가림 현상이 발생하지 않아, 모든 수신 안테나(211,221,231,241)가 송신 안테나(101)와 직접 마주보도록 배치될 수 있으며, 결과적으로 무선 전력 송신 효율을 높일 수 있다.

여기서, 무선 전력을 수신하는 각각의 제2 칩은 제1 칩과의 거리에 의하여 전기적 결합에 상대적 차이가 발생할 수 있다. 이를 보완하기 위하여, 본 실시예에서는 송신 안테나와의 거리에 따라 수신 안테나의 크기를 상이한 크기로 형성하도록 한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나의 다른 예를 나타낸다. 도 5의 경우 제1 칩에 형성되는 안테나(C1')인 송신 안테나(102)와, 제1 칩 하부의 3개의 제2 칩에 각각 형성되는 안테나들(D1'~D3')인 수신 안테나들(212,222,232)을 도시하고 있다.

이러한 도 5의 경우는 도 4와 같은 원리로 수신 안테나(212,222,232)들이 송신 안테나(102)의 하부에서 서로 중첩되지 않는 위치에 형성되어 있되, 송신 안테나(102)와의 거리에 따라 수신 안테나(212,222,232)의 크기를 달리 적용한 것이다.

즉, 각각의 수신 안테나(212,222,232)는 송신 안테나(102)와의 이격 거리가 클수록 큰 크기로 형성되어 있다. 이때, 각각의 수신 안테나(212,222,232)는 송신 안테나(102)와의 이격 거리의 제곱에 비례하는 크기로 형성될 수 있다. 이는 일반적으로 무선 신호의 도달 세기가 거리의 제곱에 반비례하는 것을 이용한 것이다.

이러한 구성에 의하면, 앞서 제1 실시예와 같이 각 칩에서의 송신 안테나와 수신 안테나 간의 전기적 결합력이 송수신 안테나 간의 거리에 따라 달라지는 문제를 해결할 수 있으며, 각 칩에 대한 전력 수신 효율을 균일하게 조절할 수 있다.

그리고 도 4 및 도 5의 실시예 모두 각 수신 안테나의 크기의 합은 상기 송신 안테나의 크기와 동일한 것을 알 수 있다. 이에 따르면, 모든 수신 안테나는 상호 간섭됨이 없이 송신 안테나와 마주보도록 구성될 수 있으며 송신 안테나 크기의 한도 내에서 송신 안테나와의 거리에 따른 개별 수신 안테나 크기를 조절할 수 있어 결과적으로 무선 전력 송수신 효율을 높일 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 따르면, 무선 전력을 수신하는 칩 상에 형성되는 안테나를 상하 방향으로 서로 중첩되지 않는 위치에 형성하여 칩 간 무선 전력 전송 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. 또한, 부가적으로 송신 칩 상의 안테나와의 거리에 대응하여 수신 칩 상의 안테나의 크기를 달리하여 칩 간 거리에 따른 수신 전력의 불균형 문제를 해결할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100,101,102: 송신 안테나 210,220,230: 수신 안테나
211,221,231,241,212,222,232: 수신 안테나

Claims

3차원 무선 칩 패키지에서 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나에 있어서,
상기 3차원 무선 칩 패키지는,
송신 안테나를 통해 교류 전력을 전송하는 제1 칩과, 상기 제1 칩의 상면 또는 하면에 차례로 적층되어 각각의 수신 안테나를 통해 상기 제1 칩으로부터 상기 교류 전력을 수신하는 복수의 제2 칩을 포함하고,
상기 각각의 수신 안테나는,
상기 복수의 제2 칩에 개별 형성되되, 상기 송신 안테나의 상부 또는 하부에서 서로 상하 방향으로 중첩되지 않는 위치에 구획되어 형성되어 있으며, 상기 송신 안테나와의 이격 거리가 클수록 큰 크기로 형성된 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나.
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청구항 1에 있어서,
상기 각각의 수신 안테나는,
상기 송신 안테나와의 이격 거리의 제곱에 비례하는 크기로 형성된 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 각각의 수신 안테나의 크기의 합은,
상기 송신 안테나의 크기와 동일한 칩 간 무선 전력 전송을 위한 안테나.