KR102362243B1 - Rf 패키지 모듈 및 rf 패키지 모듈을 포함하는 전자 장치 - Google Patents

Rf 패키지 모듈 및 rf 패키지 모듈을 포함하는 전자 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2017년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 '범부처 Giga KOREA 사업'의 지원을 받아 수행된 연구(No. GK17N0100, 밀리미터파 5G 이동통신 시스템 개발)와 관련한다.
다양한 실시예에 따른 RF 패키지 모듈 및 RF 패키지 모듈을 포함하는 전자 장치가 제공된다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈은, 고주파 회로 칩(RFIC, Radio Frequency Integrated Chip)을 포함하는 서브 모듈, 소정의 금속 패턴을 통해 신호를 무선으로 송수신하는 안테나, 및 고주파 회로 칩과 안테나 사이에서 신호를 전달하기 위한 신호 비아(signal via) 및 하나 이상의 그라운드 비아(ground via)가 배치된 복수의 층을 포함하고, 안테나와 하나 이상의 그라운드 비아는 하나 이상의 안티패드(anti-pad)에 의해 이격되는, 다층 회로 기판을 포함할 수 있다.

Description

RF 패키지 모듈 및 RF 패키지 모듈을 포함하는 전자 장치{Radio frequency package module and electronic apparatus including the same}
개시된 다양한 실시예들은 초고주파 대역 통신을 위한 RF 패키지 모듈에 관한 것이다.
무선 이동 통신 기술이 발전함에 따라, 데이터 전송율을 향상시키기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다. 특히, 4세대(4th generation) 통신 시스템이 상용화된 이후 무선 데이터 트래픽의 양이 증가함에 따라, 초고주파 대역(예를 들어, 60GHz 대역의 주파수)을 사용하는 통신 시스템에 관한 다양한 기술들이 논의되고 있다.
초고주파 대역은 파장이 매우 짧고, 신호의 감쇄(attenuation)가 상대적으로 크게 발생하기 때문에, 초고주파 대역에서는 고주파 회로 칩(RFIC)으로부터 안테나로 연결되는 전송 경로를 가능한 짧게 설계하고, 일정 수준 이상 안테나의 성능을 확보하는 것이 중요하다. 또한, 초고주파 대역 통신을 위한 RF 패키지 모듈은 일반적인 이동통신 단말보다 생산 비용이 상대적으로 비싸기 때문에, 생산 비용을 줄이면서도 일정 수준 이상의 안테나 성능을 확보할 수 있는 RF 패키지 모듈이 필요하다.
본 발명은 2017년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 '범부처 Giga KOREA 사업'의 지원을 받아 수행된 연구(No. GK17N0100, 밀리미터파 5G 이동통신 시스템 개발)와 관련한다.
개시된 다양한 실시예들은 생산 비용을 절감하면서도, 일정 수준 이상의 안테나 성능을 확보할 수 있는 RF 패키지 모듈 및 그를 포함하는 전자 장치를 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈은, 고주파 회로 칩(RFIC, Radio Frequency Integrated Chip)을 포함하는 서브 모듈, 소정의 금속 패턴을 통해 신호를 무선으로 송수신하는 안테나, 및 고주파 회로 칩과 안테나 사이에서 신호를 전달하기 위한 신호 비아(signal via) 및 하나 이상의 그라운드 비아가 배치된 복수의 층을 포함하고, 안테나와 하나 이상의 그라운드 비아가 하나 이상의 안티패드(anti-pad)에 의해 이격되는, 다층 회로 기판을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 하나 이상의 안티패드는 서로 오버랩되지 않도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 따른 하나 이상의 안티패드의 반지름은 하나 이상의 그라운드 비아의 패드의 반지름보다 기설정된 길이만큼 크게 설정될 수 있다.
일 실시예에 따른 서브 모듈은 다층 회로 기판의 일면에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 서브 모듈은 BGA(Ball Grid Array) 또는 LGA(Land Grid Array) 공정을 통해 다층 회로 기판에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따른 안테나는 다층 회로 기판의 일면에 배치되는 패치 안테나(patch antenna)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈은, 밀리미터 대역의 신호를 방사하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에 따른 신호 비아는 다층 회로 기판의 복수의 층을 관통하도록 형성된 스루 홀 비아(through hole via)를 포함하고, 하나 이상의 안티패드는 스루 홀 비아가 안테나에 접합되는 영역을 중심으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 하나 이상의 그라운드 비아는, 신호 비아를 쉴딩하기 위해 사용되는 비아로서, 신호 비아로부터 기설정된 거리 이상 이격되어 위치할 수 있다.
일 실시예에 따른 하나 이상의 그라운드 비아는, 신호 비아를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 서브 모듈은, 고주파 회로 칩과 고주파 회로 칩에 전기적으로 연결되는 복수의 회로 소자를 포함하는 제2 다층 회로 기판일 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 장치는, 고주파 회로 칩(RFIC, Radio Frequency Integrated Chip)을 포함하는 서브 모듈, 소정의 금속 패턴을 통해 신호를 무선으로 송수신하는 안테나, 고주파 회로 칩과 안테나 사이에서 신호를 전달하기 위한 신호 비아(signal via), 및 하나 이상의 그라운드 비아가 배치된 복수의 층을 포함하고, 하나 이상의 안티패드(anti-pad)에 의해 안테나와 하나 이상의 그라운드 비아가 이격되어 배치되는 다층 회로 기판, 및 다층 회로 기판에 전기적으로 연결되어 고주파 회로 칩과 베이스밴드(baseband) 대역의 신호를 송수신하고, 베이스밴드 신호를 처리하는, 베이스 밴드 모듈을 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 백드릴링 공정에 의해 그라운드 비아와 안테나가 서로 이격된 RF 패키지 모듈의 예시를 나타내는 도면이다.
도 3은 레이저 비아를 포함하는 RF 패키지 모듈의 예시를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 안티패드에 의해 하나 이상의 그라운드 비아와 안테나가 이격되는 RF 패키지 모듈의 예시를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 안티패드의 반지름 크기를 설정하는 예시를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 안티패드의 반지름 크기에 따라 RF 패키지 모듈의 성능이 달라지는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 RF 패키지 모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 개시의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 개시에서 사용되는 용어는, 본 개시에서 언급되는 기능을 고려하여 현재 사용되는 일반적인 용어로 기재되었으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 다양한 다른 용어를 의미할 수 있다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 용어의 명칭만으로 해석되어서는 안되며, 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
또한, 본 개시에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이며, 본 개시를 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수를 뜻하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서, 특히, 특허 청구 범위에서 사용된 “상기” 및 이와 유사한 지시어는 단수 및 복수 모두를 지시하는 것일 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 방법을 설명하는 단계들의 순서를 명백하게 지정하는 기재가 없다면, 기재된 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 기재된 단계들의 기재 순서에 따라 본 개시가 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)은, 무선 통신 시스템에서 사용되는 다양한 전자 장치(예를 들어, 기지국, 사용자 단말 등)에 포함될 수 있으며, 전자 장치가 무선으로 신호를 송수신하기 위해 필요한 동작들을 수행할 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)은, 고주파 회로 칩(RFIC, Radio Frequency Integrated Chip)을 포함하는 서브 모듈(110), 소정의 금속 패턴을 통해 신호를 무선으로 송수신하는 안테나(120), 및 복수의 층으로 구성된 다층 회로 기판(130)을 포함할 수 있다.
서브 모듈(110)은, 고주파 회로 칩을 포함한다. 일 실시예에 따른 서브 모듈(110)은, 다층 회로 기판(130)과 구별되는 다른 회로 기판에 RFIC가 실장된 형태일 수 있으며, RFIC와 전기적으로 연결되는 복수의 부품(예를 들어, 캐패시터)이 함께 실장될 수 있다. 예를 들어, 다층 회로 기판(130)은 18층, 서브 모듈(110)을 구성하는 다층 회로 기판은 8층으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에 따른 서브 모듈(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 다층 회로 기판(130)의 하단에 연결될 수 있으며, BGA(Ball Grid Array) 또는 LGA(Land Grid Array)에 의해 다층 회로 기판(130)에 연결될 수 있다.
안테나(120)는 소정의 금속 패턴을 통해 신호를 무선으로 송수신한다. 일 실시예에 따른 안테나(120)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 패치 안테나(patch antenna)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 패치 안테나는, 다층 회로 기판(130)에 실장될 수 있는 소형 안테나로서, 사각 형태의 패치 안테나, 원형 패치 안테나 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 패치 안테나(patch antenna)는, RFIC로부터 전달받은 신호를 무선으로 방사하거나 또는 신호를 무선으로 수신하기 위한 것으로서, 전송되는 신호의 주파수에 적합한 패턴을 갖도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 패치 안테나는, 밀리미터 대역의 신호를 방사하도록 설계될 수 있다.
일 실시예에 따른 안테나(120)는 다층 회로 기판(130)의 상단에 배치될 수 있으며, 복수의 안테나를 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 사용됨에 따라, RF 패키지 모듈(100)이 신호를 무선으로 송수신할 수 있는 영역이 확장될 수 있다. 예를 들어, 밀리미터 대역 통신을 지원하는 기지국(base station)에 사용되는 RF 패키지 모듈(100)은 수천개 이상의 안테나를 포함할 수 있다.
다층 회로 기판(130)은, 고주파 회로 칩과 안테나 사이에서 신호를 전달하기 위한 신호 비아(signal via) 및 하나 이상의 그라운드 비아(ground via)가 배치된 복수의 층을 포함하고, 안테나와 상기 하나 이상의 그라운드 비아가 하나 이상의 안티패드(anti-pad)에 의해 이격된다.
일 실시예에 따른 다층 회로 기판(130)은, 무선으로 신호를 송수신하기 위해 구현된 집적 회로를 구성하는 부품들이 실장되어 있으며, 각 부품을 전기적으로 연결하기 위한 신호 배선, 전원 배선, 및 그라운드 배선들을 포함할 수 있다. 또한, 다층 회로 기판(130)의 각 층은, 유전체 물질을 포함하는 유전층 위에 전도체를 포함하는 전도층이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 물질로서, FR4(Flame Retardant 4), 메트론, 및 테프론 계열의 물질이 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 전도체는 예를 들어, 구리를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 다층 회로 기판(130)을 구성하는 복수의 층 중 일부는, 그라운드 층을 포함하며, 필요에 따라 복수의 그라운드 층에 연결하기 위한 복수의 그라운드 비아를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)은, 고주파 신호의 송수신 성능을 향상시키기 위하여, 다층 회로 기판(130)에 배치되는 안테나(120) 이외에 추가적인 안테나(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, RFIC를 포함하는 서브 모듈(110)이 다층 회로 기판(130)의 하단에 연결되고, 안테나(120)가 다층 회로 기판(130)의 상단에 연결될 때, RFIC로부터 출력되는 신호는 다층 회로 기판(130)의 각 층을 통과하여 안테나에 전달될 수 있다. 그리고, 다층 회로 기판(130)은, RFIC로부터 출력된 신호를 안테나(120)에 전달하기 위한 신호 전송 선(signal transmission line)을 포함할 수 있다. 또한, 다층 회로 기판(130)은 신호 전송 선을 통하여, 안테나(120)가 무선으로 수신한 신호를 RFIC에 전달할 수 있다. 예를 들어, 신호 전송 선은, 다층 회로 기판(130)의 복수의 층 중 일부 층을 관통하는 신호 비아(signal via)(141)를 포함할 수 있으며, 신호 비아(141)는 다층 회로 기판(130)의 바닥층(bottom layer)부터 윗층(top layer)까지 관통하는 스루 홀 비아(through hole via)일 수 있다. 또한, 다층 회로 기판(130)은, 뎁스 드릴(depth drill) 공정에 의해 형성된 신호 비아를 포함할 수 있다. 바닥층부터 윗층을 관통하는 스루 홀 비아와 달리, 뎁스 드릴 공정은, 다층 회로 기판(130)을 구성하는 복수의 층 중에서 일부 층을 연결하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 뎁스 드릴 공정은, 다층 회로 기판(130)의 외층(예를 들어, 바닥층 또는 윗층)과 복수의 내층(예를 들어, 바닥층과 윗층을 제외한 나머지 층) 중 일부를 연결하는 신호 비아를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 뎁스 드릴 공정은, 다층 회로 기판(130)의 윗층부터 복수의 내층 중 일부를 연결하는 신호 비아(151, 152)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 뎁스 드릴 공정은, 바닥층(bottom layer)부터 복수의 내층 중 일부를 연결하는 신호 비아를 형성하기 위해 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
신호 비아(141)를 통해 전송되는 신호의 주파수 대역이 높을수록, 신호가 전송되는 과정에서 발생하는 전자기파의 방사로 인해, 상대적으로 신호의 손실이 크게 발생할 수 있다. 이에 따라, 신호 전송 과정에서 발생하는 신호의 손실율을 줄이기 위하여, 신호 비아(141)를 쉴딩(shielding)하기 위한 하나 이상의 그라운드 비아(142)가 배치될 수 있다. 하나 이상의 그라운드 비아(142)는, 신호 비아(141)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 있으며, 하나 이상의 그라운드 비아(142)는 신호 비아(141)로부터 기설정된 거리 이상 이격되어 위치할 수 있다. 도 1에서는, 설명의 편의상 하나의 신호 비아(141)와 하나의 그라운드 비아(142)만 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, RF 패키지 모듈(100)은, 복수의 신호 비아를 포함할 수 있으며, 각 신호 비아를 중심으로 2개 내지 4개의 그라운드 비아가 배치될 수 있다. 각 신호 비아를 쉴딩하기 위해 배치되는 그라운드 비아의 개수는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
그라운드 비아(142)는 신호 비아(141)를 쉴딩하기 위해 사용되는 것이므로, 그라운드 비아(142)와 안테나(120)가 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위한 구조가 필요하다. 예를 들어, 그라운드 비아(142)가 안테나(120)에 접합되는 영역에 존재하는 전도체(예를 들어, 구리)가 백드릴링(back-drilling) 공정에 의해 제거된 RF 패키지 모듈(100), 또는 레이저 비아(laser via)를 포함하는 RF 패키지 모듈(100)은 그라운드 비아(142)와 안테나(120)가 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나(120)를 포함하는 다층 회로 기판(130)과 RFIC를 포함하는 서브 모듈(110)이 분리되어 있는 구조에서는, 백드릴링(back-drilling) 공정을 이용하여, 그라운드 비아(142)가 안테나(120)에 접합되는 영역에 존재하는 전도체(예를 들어, 구리)를 제거하기 어렵고, 레이저 비아는 공정 비용이 상대적으로 비싸다는 단점이 있다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)에서, 그라운드 비아(142)와 안테나(120)는 하나 이상의 안티패드(anti-pad)에 의해, 서로 이격될 수 있다. 이에 따라, 레이저 비아가 사용될 때보다, RF 패키지 모듈(100)의 생산 비용이 상대적으로 절감될 수 있다.
도 2는 백드릴링 공정에 의해 그라운드 비아와 안테나가 서로 이격된 RF 패키지 모듈의 예시를 나타내는 도면이다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈은, 하나 이상의 그라운드 비아가 안테나에 접합되는 영역에 존재하는 전도체(예를 들어, 구리)가 백드릴링(back-drilling) 공정에 의해 제거된 다층 회로 기판을 포함할 수 있다. 백드릴링 공정은, 다층 회로 기판의 비아에서 불필요한 전도체를 제거하는 공정을 의미할 수 있다.
도 2를 참조하면, RF 패키지 모듈(100a)은, RFIC와 안테나(210) 사이에서 신호를 전달하는 신호 비아(221)를 포함하며, 신호 비아(221)를 쉴딩하기 위한 하나 이상의 그라운드 비아(222)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 그라운드 비아(222)가 안테나(210)와 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위하여, RF 패키지 모듈(100a)은, 하나 이상의 그라운드 비아(222)가 안테나(210)에 접합되는 영역에 존재하는 전도체가 제거된 형태(230)일 수 있다. 이때, 하나 이상의 그라운드 비아(222)가 안테나(210)에 접합되는 영역에 존재하는 전도체는, 백드릴링 공정에 의해 제거될 수 있다. 백드릴링 공정에 의해 소정의 전도체가 제거됨에 따라, 다층 회로 기판(240)의 윗층에 배치된 안테나(210)는 하나 이상의 구멍(hole)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 RF 패키지 모듈(100a)을 참조하면, 하나의 신호 비아(221) 및 하나의 그라운드 비아(222)가 도시되어 있으나, 신호 비아 및 신호 비아를 쉴딩하기 위한 그라운드 비아의 수는 실시예에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, RF 패키지 모듈(100a)은, 복수의 신호 비아를 포함할 수 있으며, 각 신호 비아를 쉴딩하기 위하여 2개 내지 4개의 그라운드 비아가 배치될 수 있다. 이에 따라, 다층 회로 기판(240)의 윗층에 배치된 안테나(210)는, 도 2에 도시된 패치 안테나(250)와 같이 복수의 구멍을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100a)이 밀리미터 대역 통신을 지원하는 기지국에 포함될 때, RF 패키지 모듈(100a)은 수천 개 이상의 안테나를 포함할 수 있다. 따라서, 안테나(210)가 다층 회로 기판(240)에 실장되고, RFIC를 포함하는 서브 모듈(200)이 다층 회로 기판(240)의 바닥층에 연결되는 구조를 갖는 RF 패키지 모듈(100a)은, RFIC와 복수의 안테나(210, 211, 212) 사이에서 신호를 전달하기 위한 복수의 신호 비아 및 복수의 신호 비아를 쉴딩하기 위한 복수의 그라운드 비아를 포함할 수 있다. 따라서, 각 그라운드 비아를 안테나(210, 211, 212)로부터 이격시키기 위한 구조가 필요하다. 그러나, 복수의 각 그라운드 비아가 안테나(210, 211, 212)에 접합되는 영역에 존재하는 전도체를 백드릴링 공정에 의해 제거하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 또한, 신호 비아를 쉴딩하기 위한 그라운드 비아의 수가 증가함에 따라, 안테나(250)에 포함되는 구멍의 개수도 증가하게 되므로, 안테나(250)의 성능에도 영향을 미칠 수 있다.
도 3은 레이저 비아를 포함하는 RF 패키지 모듈의 예시를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100c)은 기지국에 포함되는 RF 패키지 모듈일 수 있고, 기지국에 포함되는 RF 패키지 모듈(100b)은 복수의 안테나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 밀리미터 대역 통신을 지원하는 기지국에 포함되는 RF 패키지 모듈인 경우, RF 패키지 모듈(100c)는, RFIC를 포함하는 서브 모듈(300)이 다층 회로 기판(340)의 하단에 연결되고 안테나(310)가 다층 회로 기판(340)에 실장되는 구조를 가질 수 있다. 이때, RF 패키지 모듈(100c)은, 백드릴링 공정에 의해 그라운드 비아가 안테나에 접합되는 영역에 존재하는 전도체가 제거된 형태 대신, 레이저 비아(laser via)(330)를 포함할 수 있다. 다층 회로 기판(340)을 구성하는 복수의 층이 모두 적층된 이후에 형성되는 스루 홀 비아와 달리, 레이저 비아는 다층 회로 기판(340)을 구성하는 복수의 층 중에서 내부에 위치하는 일부 층(341)이 적층된 이후, 추가적으로 한 층씩 대칭적으로 적층되는 과정에서 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 2에서는, 다층 회로 기판(240)을 구성하는 복수의 층이 모두 적층된 이후에 스루 홀 비아(221, 222)가 형성되고, 백드릴링 공정이 수행될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 달리, 도 3을 참조하면, 다층 회로 기판(340)을 구성하는 복수의 층 중에서 내부에 위치하는 일부 층(예를 들어, FR4 계열 물질의 유전체로 포함하는 층)(341)이 적층되고, 스루 홀 비아(322)가 형성될 수 있다. 그리고, 다층 회로 기판(340)의 상단 및 하단에 대칭적으로 1층씩 추가적으로 적층될 때, 필요에 따라 레이저 비아(330)가 형성될 수 있다. 따라서, 그라운드 비아가 안테나에 접합하는 영역에 존재하는 전도체가 백드릴링 공정에 의해 제거된 구조가 아니더라도, 레이저 비아(330)를 포함하는 RF 패키지 모듈(100c)은, 그라운드 비아(322)와 안테나(310)가 서로 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다.
도 3에 도시된 다층 회로 기판(340a)는, 레이저 비아를 포함하는 RF 패키지 모듈(100c)의 다층 회로 기판(340)의 상세 구조를 나타낸다.
일 실시예에 다층 회로 기판(340a)은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 각 층은 유전체 물질을 포함하는 유전층 위에 전도체를 포함하는 전도층이 함께 적층된 구조일 수 있다. 다층 회로 기판(340a)을 구성하는 복수의 층 중에서, 다층 회로 기판(340a)의 내부에 위치하는 일부 층은 FR4 계열의 물질을 유전체로 포함할 수 있으며, 다층 회로 기판(340a)의 외부에 위치하는 일부 층은 메트론(예를 들어, Meg6) 계열의 물질을 유전체로 포함할 수 있다.
레이저 비아를 포함하는 RF 패키지 모듈(100c)의 다층 회로 기판(340a)은, 복수의 층이 한번에 적층되는 구조가 아니며, FR4 계열의 물질을 유전체로 포함하는 일부 층이 적층된 후에, FR4 계열의 물질을 유전체로 포함하는 일부층을 관통하는 스루 홀 비아(350)가 형성될 수 있다. 메트론 게열의 물질(예를 들어, Meg6)을 유전체로 포함하는 층은 대칭적으로 적층될 수 있으며, 레이저 비아(361, 362)는, 메트론 계열의 물질을 유전체로 포함하는 층이 적층되는 과정에서 형성될 수 있다. 이에 따라, 레이저 비아를 포함하는 RF 패키지 모듈(100c)의 다층 회로 기판(340a)은 복수의 적층 공정을 필요로 한다. 또한, RF 패키지 모듈(100c)의 다층 회로 기판(340a)은, 스루 홀 비아와 레이저 비아를 함께 사용함으로써, 신호 비아를 안테나까지 연결하고, 그라운드 비아가 안테나에 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 다층 회로 기판(340)의 생산 과정에서 적층 공정의 횟수가 증가할수록 생산 비용이 증가한다. 레이저 비아를 포함하는 RF 패키지 모듈(100c)의 다층 회로 기판(340a)은, 복수의 적층 공정을 필요로 하므로, 그라운드 비아가 안테나에 접합하는 영역에 존재하는 전도체가 백드릴링 공정에 의해 제거된 형태(230)를 포함하는 다층 회로 기판(240)보다 생산 비용이 비싸다. 따라서, RF 패키지 모듈(100c)의 전체 생산 비용을 절감하기 위해서는, 적층 공정의 횟수를 줄이면서도 일정 수준 이상의 안테나 성능을 확보할 수 있는 방법이 필요하다.
도 4는 일 실시예에 따라 안티패드에 의해 하나 이상의 그라운드 비아와 안테나가 이격되는 RF 패키지 모듈의 예시를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100e)은, 하나 이상의 그라운드 비아(422)가 안테나(410)와 접합되는 영역에 형성된 안티패드(anti-pad)에 의해, 안테나(410)와 하나 이상의 그라운드 비아(422)가 서로 이격되는 구조를 가질 수 있다.
안티패드는, 비아와 다층 회로 기판을 구성하는 전도체(예를 들어, 구리)가 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위해 사용되는 구조로서, 비아와 전도체 사이에 존재하는 소정의 공백 영역을 의미할 수 있다.
전술한 바와 같이, 하나의 신호 비아(421)를 쉴딩하기 위하여, 하나 이상의 그라운드 비아(422)가 배치될 수 있으며, 그라운드 비아(422)가 안테나(410)에 접합되는 영역을 중심으로 안티패드가 형성될 수 있다. 이에 따라, 안테나(410)는, 안티패드에 의한 홀을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 다층 회로 기판(430)을 참조하면, 설명의 편의상, 하나의 신호 비아(421) 및 하나의 그라운드 비아(422)가 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다층 회로 기판(430)은, 복수의 신호 비아를 포함할 수 있으며, 복수의 신호 비아를 각각 쉴딩하기 위한 복수의 그라운드 비아를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 신호 비아(440)를 쉴딩하기 위하여 3개의 그라운드 비아를 포함할 수 있다. 또한, 각 그라운드 비아와 안테나(410)는 안티패드(441, 442, 443)에 의해, 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다. 도 4의 우측에 도시된 안테나(410)를 참조하면, 안티패드(441, 442, 443)에 대응하는 영역은 반지름이 서로 다른 3개의 원을 포함하는 형태로 나타낼 수 있다. 반지름이 가장 작은 원은 그라운드 비아 홀(ground via hole)을 의미할 수 있으며, 반지름이 두번째로 작은 원은 그라운드 비아의 패드를 의미할 수 있다. 또한, 3개의 원 중에서 반지름이 가장 큰 원은 안티패드를 의미할 수 있다. 도 4의 우측 하단에 도시된 그림에서는, 설명의 편의상, 그라운드 비아의 패드(450)와 안티패드(460)만 도시된다. 안티패드(460)는, 그라운드 비아의 패드(450)를 나타내는 원을 포함하는 형태로 나타낼 수 있다. 그라운드 비아의 패드(450)는, 그라운드 비아를 형성하는 홀(hole)이 전도체(예를 들어, 구리)에 의해 코팅된 영역을 나타낸다. 그라운드 비아의 패드(450)의 반지름은, 그라운드 비아를 형성하는 구멍의 반지름보다 크고, 안티패드(460)의 반지름은 패드(450)의 반지름보다 기설정된 값 이상 크다. 안티패드(460)의 반지름 크기는, 실시예에 따라 달라질 수 있으며, 일정 수준 이상의 안테나 성능을 확보하기 위해서는, 안티패드(460)의 반지름 크기를 적절한 값으로 설정하는 과정이 필요할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 안티패드의 반지름 크기를 설정하는 예시를 나타내는 도면이다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)에 포함되는 안티패드는 서로 오버랩되지 않도록 배치될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 그라운드 비아와 안테나가 서로 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위하여, 안티패드의 반지름은 그라운드 비아의 패드의 반지름보다 기설정된 값 이상 크게 설정될 수 있다.
예시적인 안티패드 배치를 나타내는 도 5의 500을 참조하면, 안티패드(501, 510, 511)의 반지름 크기가 그라운드 비아의 패드(502)의 반지름 크기보다 과도하게 크게 설정되면, 복수의 안티패드(501, 510, 511)가 서로 오버랩되도록 배치될 수 있다. 복수의 안티패드(501, 510, 511)가 서로 오버랩되도록 배치되면, 신호 비아가 쉴딩되는 효과가 감소하게 되며, 이에 따라 일정 수준 이상의 안테나의 성능 또한 확보하기 어렵다. 이에 따라, 일 실시예에 따른 안티패드의 반지름은, 그라운드 비아의 패드의 반지름보다 기설정된 값 이상 크게 설정될 수 있으며, 동시에 안티패드끼리 서로 겹쳐지지 않도록 설정될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 안티패드 배치를 나타내는 도 5의 520을 참조하면, 복수의 안티패드(531, 532, 533, 534)가 존재할 때, 각 안티패드(531, 532, 533, 534)를 나타내는 원의 중심을 기준으로, 각 안티패드(531, 532, 533, 534) 사이의 거리(예를 들어, L1, L2, 및 L3)가 측정될 수 있다. 복수의 안티패드(531, 532, 533, 534)가 서로 오버랩되지 않도록 배치되기 위하여, 복수의 안티패드(531, 532, 533, 534)의 반지름은 측정된 각 안티패드 사이의 거리 중 최소값의 1/2보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 안티패드의 반지름 크기에 따라 RF 패키지 모듈의 성능이 달라지는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 그래프(600)를 참조하면, 설정된 안티패드의 반지름 크기에 따른 RF 패키지 모듈의 안테나 성능이 상이해지는 것을 알 수 있다. 도 6을 참조하면, 그래프(600)의 x축은 주파수 대역을 나타내며, y축은 주파수 대역에 따른 S11 파라미터 값을 나타낸다.
일 실시예에 따른 안티패드의 반지름 크기는, 안테나가 실장되는 다층 회로 기판(430)을 구성하는 유전체의 종류 및 안테나의 타겟 주파수, 안테나의 대역폭, 및 안테나 이득 등을 고려하여 설정될 수 있다.
S11 파라미터는, 입력 포트와 출력 포트를 갖는 회로의 반사 손실(return loss)을 나타내는 파라미터로서, 안테나의 타겟 주파수에 대응하는 S11 값이 작을수록, 타겟 주파수의 입력 신호 중에서 출력 포트로 전달되는 비율이 높다는 것을 나타낸다. 따라서, 안테나의 타겟 주파수에 대응하는 S11 값이 작을수록, 안테나의 방사 성능이 좋다는 것을 의미할 수 있다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)의 타겟 주파수는 28GHz이고, 안티패드의 반지름 크기가 0.042
Figure 112017102704725-pat00001
일 때, 28GHz 대역에 대응하는 S11 파라미터 값이 가장 작다.
Figure 112017102704725-pat00002
는 다층 회로 기판(130)에서 안테나(120)가 실장되는 면을 구성하는 유전체의 유전율과 공기의 유전율에 따라 결정될 수 있다. 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)은, 패드의 반지름 크기 및
Figure 112017102704725-pat00003
를 고려하여 설정된 안티패드를 포함하는 구조에 의해, 타겟 주파수 대역에서 안테나의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 RF 패키지 모듈의 구조를 나타내는 도면이다.
일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(100)은, RF 패키지 모듈(100)에 연결되어 RF 패키지 모듈(100)과 신호를 송수신하고 베이스밴드 대역의 신호를 처리하는 베이스밴드 모듈(baseband module)과 함께, 무선 통신 시스템에서 사용되는 전자 장치(미도시)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 기지국, 홈 라우터(home router)와 같은 CPE(Customer Premise Equipment), 핸드폰과 같은 사용자 단말 등을 포함할 수 있으며, 전자 장치의 용도 및 전자 장치에서 지원하는 주파수 대역에 따라 RF 패키지 모듈(100)의 형태가 달라질 수 있으며, 이에 따라 RF 패키지 모듈(100)의 생산 과정에서 사용되는 공정 또한 달라질 수 있다.
도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 RF 패키지 모듈(700)은 밀리미터 대역 통신을 위한 기지국(base station)에 사용되는 RF 패키지 모듈을 의미할 수 있다. RF 패키지 모듈(700)은, 복수의 안테나와 복수의 RFIC를 포함할 수 있으며, 하나의 RFIC와 복수의 안테나를 포함하는 유닛(701)을 복수개 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 유닛(701)은, 16개의 안테나와 1개의 RFIC를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 하나의 유닛(701)에 포함되는 안테나의 개수는 실시예에 따라 달라질 수 있다. 또한, RF 패키지 모듈(700)은, 16개의 유닛(701)을 하나의 모듈(702)로 포함할 수 있으며, MIMO(Multi Input Multi Output)을 제공하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 모듈을 포함할 수 있다.
도 7의 우측에 도시된 도면은, RF 패키지 모듈(700)에 포함되는 하나의 유닛을 상세 구조를 나타낸다. RF 패키지 모듈(700)에 포함되는 복수의 유닛 중 하나는, 1개의 RFIC(721)를 포함하는 서브 모듈(722)이 다층 회로 기판(711)의 하단에 연결되는 구조를 포함할 수 있으며, 서브 모듈(722)과 다층 회로 기판(711)은 BGA(723) 또는 LGA 공정에 의해 서로 연결될 수 있다. 또한, 하나의 유닛(701)은, RFIC(721)에서 발생하는 열이 외부로 용이하게 방출될 수 있도록, 열전달물질(TIM, Thermal Interface Material)(725)이 RFIC(721)의 일면에 부착된 형태를 포함할 수 있다.
또한, 고주파 신호가 다른 회로에 간섭을 주는 것을 방지하기 위하여, 쉴드캔(shield can)(726)이 사용될 수 있다. 도 7의 우측에 도시된 도면은, 편의상 하나의 유닛(701)에 대하여 쉴드캔(726)이 부착된 것으로 도시되었으나, 각 유닛(701) 사이의 공간 제약으로 인하여, RF 패키지 모듈(700)에 포함되는 모든 유닛에 대하여 하나의 쉴드캔이 부착될 수 있다.
또한, RFIC(721)로부터 방생하는 열이 외부로 용이하게 방출될 수 있도록, 열전달물질(725)에 추가적으로 히트 싱크(heat sink)(727)가 부착될 수 있다.
하나의 유닛(701)은, 다층 회로 기판의 일면에 실장된 복수의 안테나(711, 712, 713, 714)를 포함할 수 있다. 도 7의 우측에 도시된 도면은, 4개의 안테나를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 전술한 바와 같이 하나의 유닛(701)은 16개의 안테나를 포함할 수 있으며, 실시예에 따라 달라질 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단층 회로 기판에 포함된 안테나, 신호 전송선, 신호 비아, 및 그라운드 비아의 배치예를 구체적으로 설명하였으나, 이것은 예시적인 것이며, 각 배선들의 배선 위치나 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 고주파 회로 칩(RFIC, Radio Frequency Integrated Chip)을 포함하는 서브 모듈;
    소정의 금속 패턴을 통해 신호를 무선으로 송수신하는 안테나;
    상기 고주파 회로 칩과 상기 안테나 사이에서 상기 신호를 전달하기 위한 신호 비아(signal via) 및 하나 이상의 그라운드 비아(ground via)가 배치된 복수의 층을 포함하고,
    상기 안테나와 상기 하나 이상의 그라운드 비아는 하나 이상의 안티패드(anti-pad)에 의해 이격되는, 다층 회로 기판;
    을 포함하는, RF 패키지 모듈(RF package module).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 안티패드는 서로 오버랩되지 않도록 배치되는, RF 패키지 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 안티패드의 반지름은 상기 하나 이상의 그라운드 비아의 패드의 반지름보다 기설정된 길이만큼 크게 설정되는, RF 패키지 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 안티패드의 반지름의 크기는, 상기 다층 회로 기판에 사용되는 유전체의 종류에 따라 상이하게 결정되는, RF 패키지 모듈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 서브 모듈은 상기 다층 회로 기판의 일면에 연결되는, RF 패키지 모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 서브 모듈은 BGA(Ball Grid Array) 또는 LGA(Land Grid Array) 공정을 통해 상기 다층 회로 기판에 연결되는, RF 패키지 모듈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 다층 회로 기판의 일면에 배치되는 패치 안테나(patch antenna)를 포함하는, RF 패키지 모듈.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 RF 패키지 모듈은,
    밀리미터 대역의 신호를 방사하도록 설계된, RF 패키지 모듈.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 신호 비아는, 상기 다층 회로 기판의 복수의 층을 관통하도록 형성된 스루 홀 비아(through hole via)를 포함하고,
    상기 하나 이상의 안티패드는 상기 스루 홀 비아가 상기 안테나에 접합되는 영역을 중심으로 형성되는, RF 패키지 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 그라운드 비아는, 상기 신호 비아를 쉴딩하기 위해 사용되는 비아로서, 상기 신호 비아로부터 기설정된 거리 이상 이격되어 위치하는, RF 패키지 모듈.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 그라운드 비아는, 상기 신호 비아를 둘러싸는 형태로 형성되는, RF 패키지 모듈.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 서브 모듈은, 상기 고주파 회로 칩과 상기 고주파 회로 칩에 전기적으로 연결되는 복수의 회로 소자를 포함하는 제2 다층 회로 기판인 것을 특징으로 하는, RF 패키지 모듈.
  13. 고주파 회로 칩(RFIC, Radio Frequency Integrated Chip)을 포함하는 서브 모듈;
    소정의 금속 패턴을 통해 신호를 무선으로 송수신하는 안테나;
    상기 고주파 회로 칩과 상기 안테나 사이에서 상기 신호를 전달하기 위한 신호 비아(signal via) 및 하나 이상의 그라운드 비아가 배치된 복수의 층을 포함하고,
    상기 안테나와 상기 하나 이상의 그라운드 비아는 하나 이상의 안티패드(anti-pad)에 의해 이격되는, 다층 회로 기판; 및
    상기 다층 회로 기판에 전기적으로 연결되어 상기 고주파 회로 칩과 베이스밴드(baseband) 대역의 신호를 송수신하고, 상기 베이스밴드 신호를 처리하는, 베이스 밴드 모듈;
    을 포함하는, 전자 장치.
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