KR102407086B1

KR102407086B1 - 혼, 패치 안테나 내장형 LTCC AiP

Info

Publication number: KR102407086B1
Application number: KR1020210058685A
Authority: KR
Inventors: 이용하
Original assignee: 주식회사와이테크
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-06-10

Abstract

본 발명은 LTCC 방식의 멀티 안테나(1)에 관한 것이다. 그러한 LTCC 방식의 멀티 안테나(1)는, 다층의 LTCC 기판(16)으로 구성되는 본체(3)와; 본체(3)의 중심에 오목하게 구비되어 신호를 방사하는 혼 안테나부(5)와; 본체(3)의 테두리에 구비되어 신호를 방사하는 패치 안테나부(7)와; 그리고 혼 및 패치 안테나부(5,7)에 피딩라인(9,17)에 의하여 연결되는 패키징 칩(13)을 포함한다.

Description

혼, 패치 안테나 내장형 LTCC AiP{Horn, patch antenna built-in LTCC AiP}

본 발명은 LTCC 방식의 멀티 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저 유전율 소재기반으로 LTCC 적층 모듈 제조기술을 활용한 안테나로서 혼 안테나와 패치 안테나를 조합하여 직진성과 방사성을 동시에 구현할 수 있으며, 초소형 AiP 역할을 할 수 있는 기술에 관한 것이다.

최근 무선 통신을 위한 다층(multi layer) 구조의 세라믹 안테나가 상용화되고 있으며, 이를 위해 저온 동시 소성 세라믹 기술(LTCC; Low Temperature Co-fired Ceramic)이 활용되고 있다.

LTCC 기술은 850℃ 부근의 비교적 낮은 온도에서 소성이 가능한 기술로써 고 순도의 은 전극을 회로로 사용할 수 있으며, 소재의 저 유전손실 특성과 내 외부 전극 회로의 높은 전기전도성으로 우수한 RF 특성을 갖는 다층 회로 안테나 모듈 제조 방법이다.

이러한 LTCC 기술이 적용된 패키지는 저 손실 소재의 세라믹을 이용하여 밀리미터파 대역에서도 손실이 적은 특징이 있다. 나아가 30 ~ 300 GHz에서 초 광대역, 고 이득 특성을 보임으로써 밀리미터파 대역의 안테나로 활용될 수 있다.

그리고, 이러한 LTCC 패키지는 밀리미터파 대역 송수신 시스템에서 부품 결합 시 발생하는 유전손실의 감소와 공정단일화를 통한 생산원가 절감 및 제품 소형화를 위해 단일 패키지(System-on-Package) 형태의 제품 개발이 요구되고 있다.

일반적으로 안테나의 크기는 동작 주파수에 반비례하며, 30GHz 이상의 밀리미터파 대역에서는 안테나의 길이가 수 mm로 소형화가 가능하다.

초소형의 안테나 크기는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 및 LCP(Liquid Crystal Polymer) 등과 같은 다층화가 가능한 공정기술의 발달은 밀리미터파 대역의 송수신 시스템을 단일 패키지화된 제품으로 생산이 가능케 해주고 있다.

이와 같은 LTCC 및 LCP 공정과 같은 적층구조 환경에서는 평면 구조의 패치 안테나가 주로 사용되고 있으나, 일반적으로 패치 안테나는 금속 사각 도파관 형태의 혼 안테나가 많이 사용되어 왔다.

상기 혼 안테나는 효율이 높고 광대역 특성을 갖지만 금속의 입체적 나팔형의 가공이 필요하고 부피가 클 뿐만 아니라 일반적인 안테나 구조에서 사용되는 마이크로 스트립 또는 스트립라인 피트와 결함 등의 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해, 적층 기판 내부에 비아홀을 사용해 혼 안테나를 형상화한 나팔형태의 도파관을 구현하고 혼 안테나를 변형한 적층 구조의 개구면 안테나가 시도되기도 하나, 적층 기판 환경의 개구면 안테나는 방사특성의 문제점이 발생할 수 있다.

그러나, 종래의 LTCC 방식의 안테나는 혼 안테나 혹은 패치 안테나 중 어느 한 방식의 안테나만을 적용하는 바, 혼 안테나인 경우에는 신호의 직진성은 양호하나 사방으로 신호를 분산하여 전송하는 방사성은 약하고, 패치 안테나인 경우에는 신호의 방사성은 양호하나 직진성은 약한 문제점이 있다.

특허출원 제10-2017-0140754(무선 통신 안테나 및 그 제조방법)

따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 과제는, 혼 방식의 안테나와 패치 방식의 안테나를 일체로 조합함으로써 신호의 직진성과 방사성을 동시에 구현할 수 있는 LTCC 방식의 멀티 안테나를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 과제는, 혼 및 패치 안테나부에 연결되는 피딩라인의 하단에 패키징 칩(RFIC)을 연결함으로써 크기를 소형화할 수 있어서 초소형 AiP 역할을 할 수 있는 LTCC 방식의 멀티 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 일 실시예는, LTCC 방식의 멀티 안테나(1)를 제공하는 바,

LTCC 방식의 멀티 안테나(1)는, 다층의 LTCC 기판(16)으로 구성되는 본체(3)와;

본체(3)의 중심에 오목하게 구비되어 신호를 방사하는 혼 안테나부(5)와;

본체(3)의 테두리에 구비되어 신호를 방사하는 패치 안테나부(7)와; 그리고

혼 및 패치 안테나부(5,7)에 피딩라인(9,17)에 의하여 연결되는 패키징 칩(13)을 포함한다.

이러한 LTCC 방식의 멀티 안테나(1)에 있어서,

혼 안테나부(5)는 본체(3)의 홈 내부 표면에 배치되어 신호를 송수신하는 도전성 재질의 도전층(15)과; 도전층(15)을 패키징 칩(13)에 전기적으로 연결하는 제 1피딩라인(17)을 포함한다.

그리고, 도전층(15)은 오목 홈의 내부 표면에 스크린프린팅 혹은 박막공정 방식에 의하여 형성하거나, through 방식 혹은 비아로 형성하여 전도성 물질을 충진하는 방법에 의하여 형성한다.

그리고, 패치 안테나부(7)는 본체(3)의 상면 테두리 혹은 혼 안테나(5)의 주위에 배치되어 신호를 송수신하는 도전성 재질의 패드(8)와; 패드(8)를 패키징 칩(13)에 전기적으로 연결하는 제 2 피딩라인(9)을 포함한다.

그리고, 본체(3)는 다층의 LTCC 기판(16)으로 구성되며, 각 기판(16)은 유전율 3~7 범위 이내의 LTCC 세라믹 재질이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 LTCC 방식의 멀티 안테나는 혼 방식의 안테나와 패치 방식의 안테나를 일체로 조합함으로써 신호의 직진성과 방사성을 동시에 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 멀티 안테나는 혼 및 패치 안테나부에 연결되는 피딩라인의 하단에 패키징 칩(RFIC)을 연결함으로써 RF 손실을 최소화할 수 있으며, 크기를 소형화할 수 있어서 초소형 AiP 역할을 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LTCC 방식의 멀티 안테나의 구조를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 LTCC 방식의 멀티 안테나의 내부 구조를 개략적으로 보여주는 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 LTCC 방식의 멀티 안테나의 평면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 LTCC 방식의 멀티 안테나를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 LTCC 방식의 멀티 안테나(1)는 혼 방식의 안테나와 패치 방식의 안테나를 하나의 패키지로 조합한 구조를 갖는다. 이와 같이 혼 방식의 안테나와 패치 방식의 안테나를 하나의 패키지로 구성함으로써 신호의 직진성을 높일 수 있고, 또한 여러 방향으로 신호를 주고받을 수 있다.(빔 포밍, multi-input/multi-output, TX/RX 동시 송수신)

이러한 LTCC 방식의 멀티 안테나(1)는 다층의 LTCC 기판(16)으로 구성되는 본체(3)와; 본체(3)의 중심에 구비되어 신호를 방사하는 혼 안테나부(5)와; 본체(3)의 테두리에 구비되어 신호를 방사하는 패치 안테나부(7)와; 혼 및 패치 안테나부(5,7)에 연결되는 패키징 칩(13)을 포함한다.

상기 LTCC 방식의 멀티 안테나(1)에 있어서,

본체(3)는 절연성 재질로 형성되는 바, 예를 들면 세라믹 재질로 형성될 수 있다.

즉, 본체(3)는 다층의 LTCC 기판(16)으로 구성되며, 각 기판(16)은 소정의 유전율을 갖는 세라믹 재질이다. 이때, 다양한 세라믹 재료가 적용될 수 있으며, 예를 들면 Glass 30~70%, Al 30~70%로 구성될 수 있다.

물론, B, CaO, SiO_2,K₂O, B2O3, BaO, MgO 를 포함하는 글라스 및 B-Ca-SiO₂계, Bi-Ca-Nb-O계, Ba-Ti-O계, Zr(Mg, Zn, Nb)-Ti-Mn-O계 등의 세라믹 재료를 이용할 수도 있으며, 유전율은 약 3~7 범위이다.

상기 본체(3)는 다층으로 적용되는 바, 예를 들면 5층 구조로서 각층은 피딩라인, 그라운드 라인, 칩(13) 라인 등 전송선로를 형성할 수 있다.

또한, 각 층은 다수의 비아홀(Via hole;11)에 형성된 피딩라인에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.

그리고, 이러한 본체(3)의 상면에는 오목한 홈이 소정 깊이로 형성됨으로써 혼 안테나부(5)가 배치될 수 있다.

도전층(15)은 다양한 재질로 형성가능하며, 예를 들면 은(Ag)과 같은 도전성 물질이 적용가능하다.

이러한 도전성 재질은 스크린프린팅 혹은 박막공정 방식에 의하여 오목 홈의 내부 표면에 적층됨으로써 도전층(15)을 형성할 수 있다. 또는 through 방식으로 제조하거나 비아로 형성하여 전도성 물질을 충진하는 방법에 의하여 도전층(15)을 형성할 수 있다.

그리고, 제 1피딩라인(17)은 일단은 도전층(15)에 연결되고, 타단은 패키징 칩(13)에 연결된다. 따라서, 신호가 패키징 칩(13)에서 제 1피딩라인(17)을 통하여 도전층(15)에 전달되거나, 도전층(15)에서 패키징 칩(13)으로 전달될 수도 있다.

한편, 본체(3)의 상면 테두리에는 패치 안테나부(7)가 배치되는 바, 이러한 패치 안테나부(7)는 다수개의 패치 안테나로 구성된다.

패치 안테나부(7)는 본체(3)의 상면 테두리에 배치되어 신호를 송수신하는 도전성 재질의 패드(8)와; 패드(8)를 패키징 칩(13)에 전기적으로 연결하는 제 2피딩라인(9)을 포함한다.

패드(8)는 다양한 재질로 형성가능하며, 예를 들면 은(Ag) 재질이며, 이러한 은(Ag), 구리(Cu) 스크린 프린팅 혹은 박막 공정에 의하여 본체(3)의 상부 표면에 적층될 수 있다.

그리고, 제 2피딩라인(9)은 일단은 패드(8)와 일정 거리 떨어진 기판(16)에 연결되고, 타단은 패키징 칩(13)에 연결된다.

즉, 패드(8)는 본체(3)의 최상층 기판(16)에 별도의 선로를 통하지 않고 공진 방식으로 신호를 교환할 수 있다. 물론, 비아홀(11) 등을 통하여 피딩라인을 형성하여 신호를 교환할 수도 있다.

따라서, 신호가 패키징 칩(13)에서 제 2피딩라인(9)을 통하여 패드(8)에 전달되거나, 패드(8)에서 패키징 칩(13)으로 전달될 수도 있다.

그리고, 안테나 신호의 세기는 패드(8)의 개수 및 크기와 관계가 있다. 예를 들어 패드(8)의 개수 혹은 크기를 증가시킬 경우, 안테나 신호의 세기가 증가할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 다수의 패드(8)가 테두리를 따라 사각형상으로 배치된 것으로 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 원형, 다각형 등으로 배치될 수도 있다.

또한, 다수의 패드(8)는 테두리 뿐만 아니라 혼 안테나부(5)의 주위 표면에는 모두 배치가능하다.

그리고, 패키징 칩(13)은 혼 안테나부(5) 혹은 패치 안테나부(7)와 연결된 제 1 및 제 2피딩라인(9,17)과, 접지층(14)을 통하여 연결됨으로써 신호를 처리할 수 있다.

상기에서는 혼 혹은 패치 안테나부(5,7)의 재질로서 은에 의하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등도 적용가능하다.

한편, 상기한 혼 안테나부(5) 및 패치 안테나부(7)를 적층하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유전체 재질의 기판(16)을 하부에서부터 순차적으로 적층하되, 기판(16)을 관통하는 비아 홀들(via hole)을 형성한다. 이때, 비아 홀들을 형성하는 것은 펀칭(punching) 등과 같은 방법을 이용할 수 있다.

비아홀(11)을 형성한 후, 비아 홀의 내부를 전도성 금속으로 채워서 형성할 수 있다. 이와 같이 피딩라인을 형성한 후, 상측에 유전체층을 추가로 적층하고, 최종 공정으로서 다층 기판(16)의 상부면 및 하부면 상에 각각 패치 안테나 및 접지층을 형성하고, 패키징 칩(13)을 실장한 후, 결과물을 소결함으로써, 혼 및 패치 방식의 안테나가 제조될 수 있다. 이때, 피딩라인은 패치 안테나 및 혼 안테나를 패키징 칩(13)과 전기적으로 연결할 수 있다.

Claims

다층의 LTCC 기판(16)으로 구성되는 본체(3)와;
본체(3)의 중심에 오목하게 구비되어 신호를 방사하는 혼 안테나부(5)와;
본체(3)의 테두리에 구비되어 신호를 방사하는 패치 안테나부(7)와; 그리고
혼 및 패치 안테나부(5,7)에 피딩라인(9,17)에 의하여 연결되는 패키징 칩(13)을 포함하는 LTCC 방식의 멀티 안테나(1).
제 1항에 있어서,
혼 안테나부(5)는 본체(3)의 홈 내부 표면에 배치되어 신호를 송수신하는 도전성 재질의 도전층(15)과; 도전층(15)을 패키징 칩(13)에 전기적으로 연결하는 제 1피딩라인(17)을 포함하는 LTCC 방식의 멀티 안테나(1).
제 2항에 있어서,
도전층(15)은 오목 홈의 내부 표면에 스크린프린팅 혹은 박막공정 방식에 의하여 형성하거나, through 방식 혹은 비아로 형성하여 전도성 물질을 충진하는 방법에 의하여 형성하는 LTCC 방식의 멀티 안테나(1).
제 1항에 있어서,
패치 안테나부(7)는 본체(3)의 상면 테두리 혹은 혼 안테나(5)의 주위에 배치되어 신호를 송수신하는 도전성 재질의 패드(8)와; 패드(8)를 패키징 칩(13)에 전기적으로 연결하는 제 2 피딩라인(9)을 포함하는 LTCC 방식의 멀티 안테나(1).
제 1항에 있어서,
본체(3)는 다층의 LTCC 기판(16)으로 구성되며, 각 기판(16)은 유전율 3~7 범위 이내의 세라믹소재인 LTCC 방식의 멀티 안테나(1).