KR20030032019A - 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈 - Google Patents

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KR20030032019A
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KR10-2003-7003510A
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아마르단에프
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씨트랜스 인코포레이티드
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Abstract

후막형 밀리미터파 송수신기 모듈은, 기저판과, 기저판 상에 수납되는 복수층의 저온 전사 테이프를 갖는 다층 기판을 구비한다. 이와 같이 서로 다른 층들은 변경될 수 있다. 이들 층은, 신호 경로 및 접속부들을 갖는 DC 신호층과, 접지 접속부들을 갖는 접지층과, 내장된 커패시터들과 저항들을 갖는 소자층과, MMIC 칩들을 수납하는 절결부를 갖는 상부층을 구비할 수 있다. MMIC 칩을 고정하기 위해 소자층과 상부층 사이에는 땜납 프리폼층이 배치된다. 채널형성 판이 다층 기판 위에 수납되고, MMIC 칩들을 수용하고 송신 및 수신 신호의 분리를 제공하기 위해 채널이 형성된다.

Description

후막형 밀리미터파 송수신기 모듈{THICK FILM MILLIMETER WAVE TRANSCEIVER MODULE}
(관련출원)
본 출원은 2000년 9월 11일자 출원된 선출원되고 동시 계류중인 가출원 출원번호 60/231,926에 기초한 것이다.
최근의 무선 통신의 폭발적인 증가에 따라, 고성능 밀리미터파 무선 주파수(RF) 모듈에 대한 요구가 증대하고 있다. 고주파 MMIC 모듈에 대한 중요한 비용 및 이익 창출방법 중 한가지는 수동 조정을 통한 모듈 성능의 최적화였다. 대부분의 MMIC RF 증폭기는 자동 바이어스되지 않는다. 따라서, 각각의 증폭기는 증폭기를 그것의 공칭 작동조건에 맞추어 동조시키기 위한 게이트 전압(Vg) 조정을필요로 한다. 이와 같은 조정은 보통, 증폭기들이 모듈 내부에 조립되고 전원에 접속된 후에 수행된다.
모듈 내부에 있는 칩들에 접근하기 위해서는, 프로브 스테이션들이 필요하다. 더구나, 현미경 하에서 이들 소형 소자들을 탐침으로 조사하기 위해서는 고도로 숙련된 작업자가 필요하다. 베테랑급의 MMIC 기술자들에게 있어서도 칩들의 손상이 매우 빈번히 일어난다. 조정을 위해 사용된 바늘 형태의 탐침은 수천 달러 정도이며, 보통 마모와 갈라짐으로 인해 제한된 수명을 갖고 있다. 각각의 증폭기를 탐침으로 검사하는데에는 20 내지 30분이 소요되는 것으로 평가되었다.
이와 같은 탐침검사 과정을 자동화하기 위해 다양한 시도가 행하여져 왔지만, 일부에서만 제한적으로 성공을 거두었다. 그러나, 자동 모듈 탐침의 설계 및 사용에 관련된 시간 및 비용은 광범위하다. 대부분의 경우에, 독자적인 모듈 설계로 인해, 두가지 이상의 모듈에 대해 특정한 자동 프로브 스테이션을 사용하는 것이 어렵다. 이들 문제점으로 인해, RF 모듈을 설계 및 제조하는데 적극적인 수많은 회사들이 도전에 직면하고 있다. 그 결과, 고주파 모듈은 대량으로 제조되지 않고 있다. 대부분의 경우에, 제조사들은 다량의 RF 모듈을 제조하기 위해 고가의 장치와 자격을 갖춘 다수의 기술자를 할 수 없이 이용하고 있다.
MMIC 칩에 대한 칩 실장도 점점 더 중요해지고 있다. MMIC 칩들은 깨지기 쉽고, 통상적으로 2 내지 4 mil의 두께로 취급이 곤란하기 때문에, MMIC 무선 주파수 모듈들은 대량으로 제조되지 못하고 있었다. 칩의 표면 상에 배치된 에어 브리지(air bridge)로 인해, 칩을 위에서 집거나 칩에 압력을 가하는 것이 곤란하다.
MMIC를 자동적으로 적소에 끄집어내기 위해 적소취출(pick-in-place) 장비를 갖는 특수한 픽업 도구가 사용되어 왔다. 이들 도구는 제조하는데 경비가 많이 들고, 보통 서로 다른 MMIC 칩들은 서로 다른 도구들을 필요로 한다. 대부분의 자동 적소취출장치는 MMIC 칩들을 위한 제한된 수의 도구들로 한정되기 때문에, 이것으로 인해 서로 다른 제조회사들이 난관에 처해 있다. 몇몇 경우에는, 제조사는 1개의 무선 주파수 모듈을 조립하기 위해 서로 다른 일련의 적소취출장치를 사용해야만 한다. 이것은 비효율적이다.
또한, 보통 다수의 MMIC 칩들, 기판들과 주변장치들이 각각의 모듈에 설치되기 때문에, 이들 MMIC 무선 주파수 모듈은 소량으로 제조된다. 예를 들면, 통상적인 밀리미터파 송수신기는 약 10 내지 약 15개의 MMIC 칩, 15-20개의 기판과 약 50-60개의 저항 및 커패시터 등의 기타 주변 부품을 갖는다. 또한, 각각의 부품들은 배선 또는 리본 본드를 통해 접속되어야 할 필요가 있다.
(발명의 요약)
후막형 밀리미터파 송수신기 모듈은 기저판을 구비한다. 다층 기판은, 기저판에 수납된 복수층의 저온 전사 테이프를 갖는다. 이들 층은, 신호 경로 및 접속부를 갖는 DC 신호층, 접지 접속부를 갖는 접지층, 커패시터들과 저항들이 그 내부에 삽입되는 소자층과, MMIC 칩들 수납하는 절결부를 갖는 상부층 중에서 적어도 한 개를 포함한다. MMIC 칩을 고정하기 위해 소자층과 상부층 사이에는 땜납 프리폼(preform)층이 배치된다. 채널형성 판(channelization plate)이 다층 기판 위에 수납되고, MMIC 칩들을 수납하며 송신 및 수신 신호들 사이의 격리를 제공하도록 형성된 복수의 채널을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기한 모듈은 다수의 층을 통해 접지층으로 연장되는 소자분리 비아홀을 구비할 수 있다. 무선 주파수 덮개는 채널형성 판 위에 수납된다. 다층 기판 내부에 있는 각각의 층은 약 2 내지 약 4 mil의 두께를 가질 수 있다. 일반적으로, 이들 층은 약 3 mil 두께를 갖고, 상부층은 약 4 mil 두께를 갖는다. 기저판은, 구리 텅스텐이나 다른 CTE가 일치하는 재료로 제조될 수 있다. 기저판은 약 0.1 내지 약 0.3 인치의 두께를 갖는다. 본 발명의 또 다른 국면에 있어서, 기저판은 약 0.125 인치의 두께를 갖는다.
또한, 방법이 개시되는데, 이 방법은, 기저판을 형성하고, 저온 전사 테이프의 복수의 층을 갖는 다층 기판을 형성함으로써, 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈을 형성하는 공정을 포함한다. 기판은, 기저판 위에 수납되고, 신호 경로 및 접속부를 갖는 DC 신호층, 접지 접속부를 갖는 접지층, 커패시터들과 저항들이 그 내부에 삽입되는 소자층과, MMIC 칩들 수납하는 절결부를 갖는 상부층 중에서 적어도 한 개를 포함한다. MMIC 칩은 땜납에 의해 고정된다.
본 발명은, 마이크로파 모노리식 집적회로(MMIC)에 관한 것으로, 특히, 본 발명은, 최적의 성능과 MMIC와 송수신기 모듈의 향상된 실장을 위해 최적화될 수 있는 마이크로파 모노리식 집적회로를 갖는 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적, 특징부 및 이점은 다음의 첨부도면을 참조하여 이하에서 설명되는 발명의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명의 자기동조(self-tuned) 밀리미터파 송수신기 모듈의 개략적 회로도이고,
도 2는 본 발명의 마이크로파 모노리식 집적회로(MMIC) 패키지의 분해사시도이며,
도 2a는 도 2에 도시된 MMIC 패키지의 평면도이고,
도 2b는 도 2에 도시된 MMIC 패키지의 측면도이며,
도 3은 다층 후막형 밀리미터파 무선 주파수 송수신기 모듈의 분해사시도로서, 덮개, 채널형성부, 다층 후막부 및 기저부를 나타낸 도면이고,
도 4는 후막부의 다수의 층의 분해사시도이며,
도 5는 송수신기 모듈의 분해사시도로서, 다수의 접속부를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 수많은 다른 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 이 보다는, 이들 실시예는, 이와 같은 발명내용이 상세하고 완전하며 본 발명이 속한 기술분야의 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 제공된 것이다. 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명은, MMIC 모듈 제조시에 수동 증폭기 탐침 및 모듈 조정을 필요없게 한다는 이점을 갖는다. 저가의 표면실장소자들과 마이크로프로세서를 사용함으로써, RF 모듈 성능이 어떠한 중간개입이 없이도 실시간으로 통신, 레이더, 광섬유 및 다른 RF 응용분야에 사용하는데 최적화될 수 있다. 이점으로는 다음을 들 수 있다.
1. 수동 또는 자동 탐침 및 조정을 사용하지 않고도 RF MMIC 증폭기 동작을 최적화할 수 있다는 것.
2. 모듈 탐침 및 조정을 필요없게 하여 증폭기당 매우 비용이 낮은 구성(<$1).
3. 다이 탐침 또는 시험을 필요로 하지 않은 자기동조.
4. 적어도 5배에 이르는 RF 모듈 조립 및 시험 작업의 절감.
5. 칩 레벨의 자기진단.
6. 감쇠기 칩을 사용하지 않는 송수신기의 이득 및 출력 전력 제어.
7. 능동 감쇠기를 사용하지 않는 온도 보상.
8. 출력 전력의 함수로써 DC 전력소비를 절감/제거함으로써, 열적 상태의 제어.
9. 전력감시회로를 사용한 RF 전력 시험.
10. 모듈 성능의 지속적인 실시간 최적화를 위한 내장된 마이크로프로세서의 사용.
11. 회로 설계 변경없이 중요한 모듈 성능 파라미터들의 사용자 최적화.
12. 전원을 끄지 않고 안전을 위해 송신기 RF 출력을 정지(휴면 모드).
13. 모듈 소프트웨어 갱신을 통한 모듈 성능 갱신, 즉 사용자가 필요한 특징에 대해서만 돈을 지불.
14. 특성 데이터를 저장하는 온보드 EEPROM을 사용하여 온도 및 주파수의 함수로써 부품의 변동을 교정.
도 1은 MMIC 증폭기를 자동 바이어스하는데 사용되는 저가형의 회로를 나타낸 것이다. 전체 회로는 상용제품(commercial off the shelf: COTS) 표면실장 칩을 사용하여 구현된다.
도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 자기동조 밀리미터파 송수신기 모듈(10)의 개략적 회로도를 나타내었다. 모듈(10)은, 한 개의 모듈로 형성되고 12에 점선으로 나타낸 무선 주파수 MMIC 칩과, 14에 점선으로 나타낸 표면실장 디지털 마이크로콘트롤러를 구비한다.
MMIC 모듈은 MMIC 칩에 일반적인 것과 같이 복수의 증폭기를 구비하는데, 이중에서 한 개의 증폭기(16)만을 나타내었다. 무선 주파수 신호는 필터(18)로 들어가 통과하여 통상적인 게이트, 소스 및 드레인을 갖는 증폭기(18)로 들어간다. 무선 주파수 신호는, 당업계에 공지된 것과 같이, 증폭기(16)로부터 (존재한다면) 다른 증폭기들(16a)로 통과한다. MMIC 칩(12)은, 당업계에 공지된 것과 같이 1개의 칩 상에 다수의 증폭기(16)를 구비한다. 표면실장된 디지털 콘트롤러(14)는 비휘발성 메모리를 갖는 디지털 전위차계(20)를 구비한다. 전위차계의 일례로는, 당업계에 공지된 AD5233 회로를 들 수 있다. 전위차계(20)는 약 -3 볼드의 바이어스 전압을 처리할 수 있다.
3-12 볼드의 드레인 전압을 갖는 MAX471 등의 전류센서(22)는 드레인을 거쳐접지와 증폭기(16)에 접속된다. 전류센서(22)는 당업계에 공지된 AD7812 회로 등의 다채널 샘플링 아날로그/디지털 회로(24)에 접속된다. 다른 전류센서들은 다른 증폭기들(미도시)과 다채널 A/D 회로(24)에 접속된다. 온도센서(26)는 다채널 샘플링 A/D 회로에 접속되어, MMIC 모듈의 온도를 측정하는 역할을 한다. 마이크로프로세서(28)는 표면실장된 디지털 콘트롤러의 일부분으로 포함되며, EEPROM(29)과, 다채널 샘플링 A/D 회로(24) 및 불휘발성 메모리 디지털 전위차계(20)를 포함하는 다른 부품에 동작가능하게 접속된다. 도시된 것과 같이, 전위차계(20)는 MMIC 상의 다른 증폭기들에 접속되어, 각각의 증폭기에 대한 게이트 전압을 단계화하고 개별적인 제어를 제공할 수 있다.
또한, 도시된 것과 같이, 증폭기(16)로부터의 무선 주파수 신호는 수동 결합기(30)로부터 접지에 접속된 전력 감시 다이오드 또는 다른 검출회로(32)로 전달될 수 있다. 수동 결합기(30)로부터의 이와 같은 접속은 다채널 샘플링 A/D 회로(24)로 전달될 수 있다.
도 1에 도시된 회로는, 드레인에 의해 인출된 전류량에 의해 측정하고, (사용가능하다면) 증폭기의 출력에 있는 검출회로(32)에 의해 측정하였을 때, 증폭기(16)가 그것의 최적 동작상태에 도달할 때까지 증폭기 게이트 전압(Vg)을 자동으로 조절한다. 이것은, 전위차계(20)에서 발생된 디지털-아날로그(D/A) 변환기의 출력 전압을 (직렬 디지털 인터페이스를 거쳐) 제어함으로써 달성된다. D/A 변환기는 불휘발성 메모리를 포함하는데, 현재 $3 이하의 비용으로 4 채널을 갖는 것을 구입할 수 있다.
게이트 전압이 변할 때, 전류센서(22)는 증폭기(16)에 의해 인출된 드레인 전류에 비례하는 전압 출력을 제공한다. 전류센서 출력은 드레인 전류 레벨을 디지털화하는 다채널 직렬 아날로그-디지털 변환기(A/D)(24)에 의해 디지털화된다. 전류 레벨 워드(word)는 EEPROM(29)에 포함된 미리 기억된 최적의 증폭기 드레인 전류 레벨과 비교한다. 게이트 바이어스 레벨은 최적의 드레인 전류에 이를 때까지 조정된다. MMIC 칩 상에서 사용가능하거나 외부에서 추가될 수 있는 검출회로는, 출력 전력을 측정함으로써 드레인 전류 설정값이 최적의 레벨에 있는지를 확인한다. 검출기 출력(32)은 증폭기의 출력의 예측된 공칭값을 규정하는 미리 기억된 값과 비교된다.
드레인 전류 조정, 전류 검출 및 검출기의 출력 측정은, 저가의 마이크로프로세서를 사용하거나, 모듈 테스트시에 달성될 수 있는 한번의 설정을 통해, 실시간의 연속 조정 모드로 구현될 수 있다. EEPROM(29)은, 최적의 드레인 전류와 RF 회로의 다수의 단에서의 예상된 출력 등과 같은 프리셋 칩 특성값을 기억하는데 사용될 수 있다.
또한, 전류측정센서(22)는 회로 내부의 각각의 증폭기의 진단을 허용한다. 전류측정회로는 전류 인출의 예상하지 못한 감소 또는 증가를 검출한다. 온도센서(26)를 감시함으로써, 마이크로프로세서(28)는 전류(Id)의 변화가 온도 변화 또는 오동작에 기인하는지 여부를 판정한다. 각각의 증폭기(16)의 상태는 디지털 직렬 인터페이스를 거쳐 보고된다.
DC 전력소비가 열적 문제로 인해 주요 관심사가 되고 있는 경우에는, 증폭기가 최소의 전류를 인출하도록 증폭기(16)가 게이트 바이어스 제어를 통해 조정될 수 있다. 사용자는 최대 온도를 선택할 수 있으며, 마이크로프로세서는 MMIC 칩의 DC 전력소비를 제어함으로써 송수신기를 이 온도로 또는 이 온도보다 낮게 유지한다.
RF 모듈의 이득 및 출력 전력을 제어하는 종래의 방법은, 송신회로에 있는 능동 감쇠기를 사용하는 것이었다. 이 회로에 있는 증폭기들이 전력을 소모하므로, 이것은 비효율적이다. 디지털 전위차계(20)를 사용함으로써, 각각의 증폭기의 이득 및 출력 전력이 개별적으로 또는 그룹으로 제어될 수 있다. 본 발명은, 각각의 증폭기 뒤에 능동 감쇠기를 추가하지 않고도, 모듈이 이득과 출력 전력에 대해 무한한 제어를 가질 수 있도록 하여, 비용을 절감하고, 불필요한 DC 전력 소비를 줄이게 된다.
RF 전력 검출은, 증폭기의 출력 전력(15 내지 20 dB)의 일부를 수동 결합기(30)에 결합함으로써 전력 감시 다이오드 및 검출회로(32)를 통해 달성될 수 있다. 이 결합기의 출력은 다이오드(32a)에 의해 검출된다. 다이오드(32a)의 출력은 증폭되고 직렬 A/D 변환기를 거쳐 디지털화된다.
디지털 전위차계(20), 각각의 증폭기에 대한 전류센서(22) 및 온도센서(26)는, 모듈이 온도 변화의 함수로써 그것의 이득을 자동 조정하도록 한다. 이것은, 모듈 온도가 변할 때, 각각의 증폭기로부터의 프리셋 전류 인출을 일정하게 유지함으로써 달성된다. 본 발명에 따르면, 모듈의 이득 및 출력 전력이 고정밀도로 조절될 수 있다.
회로의 임의의 단에서 모듈 이득을 프로그래밍할 수 있는 사용자의 능력은, 회로의 설계를 변경하지 않고, 송신기 잡음 지수(noise figure) 대 상호변조 레벨(intermodulation level: IM) 등과 같은 중요한 성능 파라미터들을 절충할 수 있는 유연성을 제공한다. 또한, 실시간의 개별적인 칩 제어는 사용자가 높은 변조 통신을 위한 선형 모드 등의 원하는 조건에서 조작할 수 있도록 한다.
이때, 본 발명의 자기 최적화 기술은 믹서, 멀티플렉서 및 감쇠기 등의 MMIC 칩을 갖는 다른 장치들에서도 사용될 수 있다. 설치중의 안전을 위해, (최대 부 게이트 바이어스를) 핀치오프하는 것에 의해, 전류 회로의 모든 증폭기가 크게 (50 dB 넘게) 감쇠될 수 있다. 본 발명은 추가적인 스위치나 하드웨어를 필요로 하지 않는다.
전술한 것과 같은 마이크로프로세서(28)와 칩 제어회로의 사용은, 모듈 제조사가 고객이 특정한 응용분야를 위해 필요로 하는 특징만을 가능하게 할 수 있다. 모듈 하드웨어는 동일하지만, 모듈 특징은 소프트웨어에 의해 제어된다. 이와 같은 구성은, 무선 점대점, 점대 다지점 또는 Vsat을 포함하는 다양한 다른 분야에서 동일한 모듈을 사용할 수 있는 유연성을 제공한다. 더구나, 마이크로프로세서와 표준 인터페이스의 사용은, 이들을 제거하지 않고도 그 분야에서 모듈의 프로그래밍 가능성과 (추가적인 특징을 위한) 소프트웨어 갱신을 가능하게 한다.
관련된 마이크로프로세서(28)와 온보드 EEPROM(29)을 갖는 마이크로콘트롤러(14)의 사용은, 모듈 내부의 다수의 기능의 교정과 조정을 가능하게 한다. 교정으로는, (a) 온도 변화에 따른 이득 변동, (b) 온도와 주파수의 함수로써의 전력 감시회로의 선형화, (c) 주파수의 함수로써의 이득 등화 및 (d) 주파수와 온도의 함수로써의 감쇠 선형화를 들 수 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. RF 모듈을 갖는 능동소자 각각을 제어하기 위한 마이크로프로세서(28)의 사용과, 교정인자를 기억하기 위한 EEPROM(29)의 사용은, 높은 수준의 유연성을 허용하며, 이 모듈이 큰 정밀도와 성능을 갖고 동작할 수 있도록 한다. 모듈 시험중에 온도와 주파수 변화에 따른 모듈 특정 데이터(이득, 전력, 잡음지수)가 수집된다. 교정인자들은 테스트 스테이션에 의해 자동 계산되어, EEPROM(29)에 기억된다. 교정인자들은 정상적인 모듈 동작시에 원하는 성능을 제공하는데 이용된다.
또한, 본 발명은, 도 2, 도 2a 및 도 2b에 도시된 개량된 MMIC 칩 패키지를 제공한다. 이 MMIC 패키지는 다양한 이점을 제공한다.
1. 열팽창계수(CTE)가 일치하는 패키지에서의 MMIC 칩들의 보호.
2. 저비용으로 MMIC 칩의 실장.
3. 깨지기 쉬운 MMIC에 손상을 일으키지 않고, 개량된 자동 취출 및 배치, 직접적인 배선 접합과 리본 접합이 가능한 것.
4. 소형 실장을 통한 향상된 칩 성능(소자분리).
5. 알루미늄 등의 저가 재료로 이루어진 RF 모듈 하우징.
도 2는 패키지(40)의 분해사시도로서, MMIC 칩(42)과 그것의 열팽창계수(CTE)가 MMIC와 일치하는 기저판(44)을 나타내고 있다. 기저판(44) 상에는 땜납 프리폼(preform)(46)이 수용되고, MMIC는 땜남 프리폼(46) 상에 장착된다. 칩 덮개(48)는 MMIC를 덮는다. 도시된 것과 같이, 기저판은, 형성된 가장자리의 일부를 따라 뻗어 단부 영역을 개방되게 유지하는 대향 측벽 레일들(44a)을 구비한다. 칩 덮개(48)는 대향하는 2개의 이격된 중첩 다리부(48a)를 구비한다. 대향 측벽 레일들(44a)과 중첩 다리부들(48a)은, 칩 덮개가 MMIC 칩(42), 땜납 프리폼(46) 및 CTE가 일치하는 기저판(44) 위에 놓일 때, 측벽 레일들(46)과 중첩 다리부들이 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이 각각의 칩 덮개 및 기저판과 맞물려, 상부와 모서리의 측부에 개방된 영역을 형성하고, MMIC 상에 배선 및 리본 접합을 위한 패드들(50)을 남기도록 구성된다.
MMIC 모듈 제조는, 칩의 취급을 용이하게 하기 위해 MMIC 칩들을 실장함으로써 표면실장기술과 유사하게 수행될 수 있다. 기저판(44)은, 약 10-15mil의 두께를 갖는 구리 텅스텐 합금, CuW 또는 알루미늄 실리콘 합금, AlSi 등의 저가의 열팽창계수(CTE)가 일치하는 재료로 이루어진다. 덮개(48)는 플라스틱을 포함한 다양한 재료를 사용하여 제조될 수 있다. (금 주석 등의) 1-2 mil의 땜납 프리폼이 기저판(44) 위에 수납된다. 덮개(48)는, 이 덮개가 칩 입력 및 출력 패드들과 DC 패드들(게이트와 드레인)을 덮지 않도록 형성된다.
기저판(44), 덮개(48), 땜납 프리폼(46)과 MMIC 칩들(42)은 와플 팩(waffle pack)이나 이와 유사한 패키지로 반송된다. 이들 패키지들은 당업자에게 알려진 것과 같이 자동 취출 및 배치(pick and place: P&P) 장치 상에 배치된다. 이 P&P장치는, 기저판을 취출하여 와플 팩 내부에 배치하도록 프로그래밍되는데, 이것은 당업자에게 공지된 온도범위를 사용하여 고온에서 공정 납땜(eutectic soldering)(흑연 등)을 하는데 사용될 수 있다. P&P장치는 땜납 프리폼(46)을 취출하여 기저판(44)내부에 배치한다. MMIC 칩은 땜납 프리폼(46) 위에 배치된다. 덮개는 칩(42)의 상면 위에 배치된다. 이와 같은 공정은 모든 MMIC 칩에 대해 반복된다.
칩 패키지당 전체 P&P에 약 10초가 소요되는 것으로 평가되었다. 한 개의 P&P장치를 사용하여 하루에 실장될 수 있는 칩의 수는 8000개를 넘는다. MMIC 칩들을 포함하는 패키지 조립체를 갖는 전체 와플 팩은 공정 땜납 오븐 내부에 놓임으로써, 땜납을 유동시켜, 칩을 기저판에 부착하고 덮개를 기저판에 부착한다.
도 3-도 5는 그린 테이프로 알려진 저온 소성(cofired) 세라믹 기술 등의 후막기술을 사용한 개량된 무선 주파수 송수신기를 나타낸 것이다. 특히, 도 4는 DC 신호층(52), 접지층(54), 내장된 커패시터 및 저항층(56), 땜납 프리폼층(58) 및 상부층(60)을 포함하는 서로 다른 층의 저온 전사 테이프 기술(low temperature transfer tape technology: LTTT) 시이트들을 갖는 다층 기판(50)을 나타낸 것이다.
도 3은 도 4에 도시된 서로 다른 층들이 채널형성 판(64)과 무선 주파수 덮개(66)와 함께 기저판(62) 상에 수납되는 다층 후막 기판(50)을 형성하기 위해 결합되는 방법을 예시한 것이다. 소자분리 비아홀(67)이 도시 및 예시되어 있다. 이들 비아홀들은 다수의 층들을 가로질러 접지층까지 형성될 수 있다. 이들 비아홀들은 당업계에 공지된 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
도 5는 채널형성 판(64) 내부에 설치된 도파관 인터페이스(72)를 갖는 MMIC 송수신기 모듈(70)을 나타낸 것으로, CCA 상에 존재하는 중간 주파수 출력들(74), 국부발진기 입력(76), 중간 주파수 입력(78), 다수의 DC 핀들(80), 모듈커넥터(82)와 외부 커넥터(84)를 나타낸다.
본 발명은, MMIC 칩들(86)을 부착하고 다층 후막에 모든 주변장치들과 전기 접속부들을 내장하기 위해 저가의 다층 전사 테이프 후막 기판(50)을 사용함으로써 MMIC 모듈 조립공정을 향상시킨다. 본 발명은 다수의 이점을 제공한다.
1. MMIC 설계 및 제조를 위한 저온 전사 테이프 기술(LTTT) 다층 보드의 새로운 사용.
2. 부품수를 5배 정도 줄임으로써 MMIC 모듈 조립체의 단순화.
3. 다층 후막 기판에 모든 저항 및 커패시터들을 내장함으로써 주변 부품 점수를 저감.
4. 다층 기판에 전기 접속부들을 내장함으로써, 배선 및 리본 접합의 수를 저감.
5. 조립을 간편하게 하기 위해 평판 모듈 배치를 사용하여, 다이 조립 후에 RF 채널형성층을 부착.
6. 채널형성, 구획화 및 접지 비아층을 통한 RF 절연의 향상.
7. 기계가공 대신에, 채널형성을 위해 배선-EDM법을 사용함으로써 하우징 비용의 절감.
8. SMA와 K-커넥터들을 직접 다층 기판에 부착.
MMIC 모듈 제조는 MMIC 모듈을 실장함으로써 표면실장기술과 유사하게 행해지므로, 조립공정의 완전 자동화를 가능하게 한다. 도 3에 도시된 것과 같이, 모듈은 기저판(62), 복수의 층으로 형성된 다층 알루미나 기판(50), 채널형성 판(64)및 덮개(66)로 구성된다.
기저판(62)은 본 발명의 일면에 따르면 약 1/8 인치 두께를 갖는 구리 텅스텐(CuW) 등의 저가형의 CTE가 일치하는 재료로 이루어진 금도금 평판 시이트이다. 이 기저판은 사이즈에 맞추어 절단되므로, 기계가공을 필요로 하지 않는다.
다층 기판(50)은, 저온 소성 세라믹(LTCC) 시이트와 유사하게, 당업자에게 자명한 그린 테이프 기술과 유사한 저온 전사 테이프(LTTT) 기술을 사용하여 제조된다. LTTT 공정은 당업자에게 알려진 것과 같이 정착된 다층 후막 공정에서 사용되는 단계들을 면밀히 따른다. 층마다의 다층 유전체 인쇄과정은 테이프 적층 단계로 대체된다. LTTT에서는 금과 은 도전체 시스템 모두가 사용될 수 있다. 배선과 비아홀들은 당업자에게 알려진 기술을 사용하여 형성된다.
다층 구조를 형성하기 위한 LTTT 공정이 광범위한 유전체 재료 및 기판에 적용될 수 있기는 하지만, 본 발명의 전술한 국면을 위해 선택된 재료는 표준 96%의 알루미나 기판이다. 특별하게 조제된 도전체 재료가 도전성 배선 및 층간 비아홀을 형성하기 위해 개발된 표준 후막 장치 및 공정 기술을 사용하여 알루미나 기판 상에 스크린 인쇄된다. 테이프 시이트들은 열과 압력의 조합을 이용하여 기판 상에 접합된다.
도 4는 알루미나 기판을 형성하는데 사용될 수 있는 층들의 형태의 일례를 나타낸 것이다. 층들의 수는 12가 될 수 있다. 이들 층은 당업자에게 알려진 도시된 것과 같은 기저 기판(S) 상에 형성될 수 있다. 각각의 cm은 약 2 내지 4 mil, 통상적으로는 약 3 mil의 두께를 갖고, 저주파 RF 신호, DC 신호, 접지 또는 커패시터들과 저항 등의 내장된 수동 부품들을 전달하는데 사용될 수 있다. 배선 또는 접지 비아홀들은 1개 이상의 LTTT 막을 가로질러 구현될 수 있다.
이와 같은 다층 LTTT 알루미나 기판은 그것의 열팽창계수(7.1)로 인해 GaAs 칩과 함께 사용하는데 매우 유리하다. 또한, 이 재료는 뛰어난 열적 상태(25-200W/MK)를 갖는다. MMIC GaAs 칩은 금 주석 땜납 프리폼이나 은 에폭시를 사용하여 기판에 직접 부착될 수 있다. 열이 문제가 되는 경우에는, 이들 칩이 CTE가 일치하는 심(shim)을 사용하여 기저판에 직접 부착되거나, 저면에 연결되는 열적 비아층 위에 부착될 수 있다. 이들 비아홀은 당업자에게 공지된 기술에 의해 형성될 수 있다. 조립과 배선 접합을 간편하게 하기 위해, 상부층(3 내지 4 mil의 두께)은 칩들의 크기에 맞추어 정확히 형성된 절결부들을 갖는다(도 5 참조).
다층 기판은 평균적으로 제곱인치당 약 $1.5 내지 $2.5 정도 한다. 제곱인치당 275개에 이르는 비아홀이 가능하다.
다른 재료가 사용될 수도 있지만, 본 발명의 일면에 따르면, 채널형성 판(64)은 금 도금된 알루미늄으로 형성된다. 채널들(64a)은 EDM법을 사용하여 절결된다. 송신 및 수신 신호들 사이에 필요한 분리를 제공하고 저주파 신호들로의 차단을 발생하기 위해 채널들(64a)이 형성된다. 또한, RF 덮개도 금 도금된 알루미나로 제조된다.
도 5는 레귤레이터/제어기 기능을 제공하는데 사용된 표면실장 회로 카드 조립체(circuit card assembly: CCA)를 포함하는 MMW 송수신기 모듈을 나타낸 것이다. SMA 커넥터들은 다층 기판에 직접 부착된다. RF 인터페이스 도파관은 채널형성판의 일부분으로 형성된다.
도 5에 도시된 모듈은 일례로서 다음과 같은 기술에 의해 조립될 수 있다.
1. 모든 MMIC 칩들을 취출하여 다층 알루미나 기판 상에 배치한다. 기판은 모든 저주파 신호 접속부들, DC 접속부들, 접지 접속부들, 층들 내부에 이미 내장된 수동소자들과 땜납 프리폼을 구비하여야 한다.
2. IF 및 LO 신호를 위해 사용되는 DC 커넥터와 저주파 SMA 접속부들을 취출하여 배치한다.
3. 진공 오븐에서 땜납을 용융시켜 MMIC 다이와 커넥터들을 기판에 부착한다. 이때, 땜납 대신에 은 에폭시가 사용될 수도 있다.
4. MMIC 칩들을 기판에 배선/쐐기(wedge) 접합시킨다.
5. 기판을 에폭시를 사용하여 기저판과 채널형성 판에 부착한다.
6. RF 덮개를 설치한다.
7. 레귤레이터/제어기 표면실장 CCA를 설치한다.
본 출원은, 본 출원과 동일자에 동일 출원인 및 발명자에 의해 출원된 동시계류중인 "MICROWAVE MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUIT PACKAGE" 및 "SELF-TUNED MILLIMETER WAVE RF TRANSCEIVER MODULE"과 관련되며, 이것의 발명내용은 참조를 위해 본 명세서 내에 포함된다.
전술한 설명과 관련된 도면에 기재된 내용으로부터 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게 있어서 본 발명의 다양한 변형 및 또 다른 실시예들이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 특정한 실시예에 한정되지 않으며, 이들 변형 및 실시예들이 종속항의 범주에 포함된다는 자명하다.

Claims (26)

  1. 기저판과,
    복수의 층들의 저온 전사 테이프를 갖고 상기 기저판 상에 수납되되, 상기 층들이,
    신호 경로 및 접속부들을 갖는 DC 신호층,
    접지 접속부를 갖는 접지층,
    내장된 커패시터들과 저항들을 갖는 소자층, 및
    MMIC 칩들을 수납하기 위한 절결부를 갖는 상부층 중에서 적어도 한 개를 구비하는 다층 기판과,
    상기 소자층과 상기 상부층 사이에 배치되어 MMIC 칩들을 고정하는 땜납 프리폼층과,
    상기 다층 기판 위에 수용되고, MMIC 칩들을 수납하며 송신 및 수신 신호의 분리를 제공하도록 형성된 채널들을 갖는 채널형성 판을 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    다수의 층을 통해 접지층까지 아래로 연장되는 소자분리 비아홀들을 더 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 채널형성 판 위에 수납된 무선 주파수 덮개를 더 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다층 기판 내부의 상기 층들 각각은 약 2 내지 4 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 층들은 약 3 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상부층은 약 4 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기저판은 CTE가 일치하는 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기저판은 약 0.1 내지 0.3 인치의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기저판은 약 0.125 인치의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  10. 송수신기 모듈에 사용되는 다층 후막 기판에 있어서,
    DC 신호 경로 및 접속부들을 갖는 DC 신호층,
    접지 접속부를 갖는 접지층,
    내장된 커패시터들과 저항들을 갖는 소자층, 및
    MMIC 칩들을 수납하는 상부층 중에서 적어도 한 개를 구비한 복수의 저온 전사 테이프층과,
    상기 소자층과 상기 상부층 사이에 배치되어 상부 시이트 내부에 수납된 MMIC 칩들을 고정하는 땜납 프리폼층을 구비한 것을 특징으로 하는 다층 후막 기판.
  11. 제 10항에 있어서,
    다수의 층을 통해 접지층까지 아래로 연장되는 소자분리 비아홀들을 더 구비한 것을 특징으로 하는 다층 후막 기판.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 다층 기판 내부의 상기 층들 각각은 약 1 내지 약 4 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 후막 기판.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 층들은 약 3 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 후막 기판.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 상부층은 약 4 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다층 후막 기판.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 기저판은 CTE가 일치하는 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 다층 후막 기판.
  16. 기저판과,
    상기 기저판 상에 수납되고, 복수의 층들의 저온 전사 테이프를 갖되, 상기 층들이,
    신호 경로 및 접속부들을 갖는 DC 신호층,
    접지 접속부를 갖는 접지층,
    내장된 커패시터들과 저항들을 갖는 소자층, 및
    기판 상에 수납되고 땜납 연결에 의해 기판에 고정되며 상기 층들에 동작가능하게 접속된 적어도 한 개의 MMIC 칩 중에서 적어도 한 개를 구비하는 다층 기판과,
    형성된 다층 기판 위에 수용되고, MMIC 칩들을 수납하며 송신 및 수신 신호의 분리를 제공하도록 형성된 채널들을 갖는 채널형성 판을 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  17. 제 16항에 있어서,
    다수의 층을 통해 접지층까지 아래로 연장되는 소자분리 비아홀들을 더 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  18. 제 16항에 있어서,
    적어도 한 개의 MMIC를 상기 기판에 고정하는 땜납 프리폼층을 더 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  19. 제 16항에 있어서,
    적어도 한 개의 MMIC를 기판에 고정하는 은 에폭시를 더 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 채널형성 판 위에 수납된 무선 주파수 덮개를 더 구비한 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 다층 기판 내부의 상기 층들 각각은 약 2 내지 4 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 층들은 약 3 mil의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  23. 제 16항에 있어서,
    상기 기저판은 CTE가 일치하는 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 기저판은 약 0.1 내지 0.3 인치의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 기저판은 약 0.125 인치의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈.
  26. 기저판을 형성하는 단계와,
    복수의 층들의 저온 전사 테이프를 갖는 다층 기판을 형성하는 단계와,
    신호 경로 및 접속부들을 갖는 DC 신호층,
    접지 접속부를 갖는 접지층,
    내장된 커패시터들과 저항들을 갖는 소자층, 및
    MMIC 칩들을 수납하기 위한 절결부를 갖는 상부층 중에서 적어도 한 개를 구비하는
    기판을 기저판 상에 수납하는 단계와,
    땜납에 의해 MMIC 칩을 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후막형 밀리미터파 송수신기 모듈의 제조방법.
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