KR20050056132A - 기판에 형성된 방사 요소들로서 비아들을 사용하여안테나를 구성하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

하나 이상의 도전성 비아 스터브들을 기판 상에 형성된 방사 소자들로서 사용하여 구성된 안테나를 제공한다. 안테나는 집적 무선 또는 RF 통신 시스템을 구축하기 위해 IC 칩들(예컨대, IC 송수신기, 수신기, 송신기 등)과 함께 통합적으로 패키지화될 수 있다.

Description

기판에 형성된 방사 요소들로서 비아들을 사용하여 안테나를 구성하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR CONSTRUCTING ANTENNAS USING VIAS AS RADIATING ELEMENTS FORMED IN A SUBSTRATE}
본 발명은 통상 무선 또는 RF(radio frequency) 통신 시스템을 위한 안테나에 관한 것이고, 보다 상세하게는 IC 칩을 구비한 안테나를 패키지화하는 장치 및 방법뿐만 아니라 기판 상에 형성된 방사 소자들과 같은 하나 이상의 도전성 비아 스터브(conductive via stub)들을 사용하여 구성되는 안테나에 관한 것이다.
무선 PAN(personal area network), 무선 LAN(local area network), 무선 WAN(wide area network), 셀룰러 네트워크 또는 가상의 임의의 무선 네트워크 또는 시스템과 같은 무선 네트워크 상의 장비들 사이에서의 무선 접속 및 무선 통신을 제공하기 위해서는, 목표 신호들을 네트워크 상의 다른 소자들에 효과적으로 방사하거나 수신하기 위하여 안테나를 구비한 수신기들과 송신기들을 장착해야 한다.
그러한 통신 네트워크와 시스템 상에서 사용되는 많은 종류의 안테나들이 있다. 예컨대, 모노폴 안테나는 무선 또는 RF 통신 시스템 상에서 통상 사용된다. 일반적으로, 모노폴 안테나는 지면 상에 단일한 와이어 또는 안테나를 구비하고, 동작을 위한 목표 주파수 길이에 반비례하며, 무선 장치 내에서 송신기, 수신기 또는 송수신기에 결합된다. 모노폴 안테나로부터 전송된 신호들은 무지향성(omnidirection)을 특징으로 한다(예컨대, 신호는 일반적으로 수평면에서 모든 방향으로 대략 동일한 길이로 전송됨). 또한, 모노폴 안테나 소자를 사용한 신호의 수신은 무지향적이다. 통상, 무선 통신 시스템에 있어서, 모노폴 안테나는 송신기, 수신기 또는 송수신기 내의 집적 회로들로부터 분리되어 배치되는데, 이것은 크기의 제한 또는 사용 시나리오에 기인한다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 통상 기판 상에 형성된 방사 소자와 같은 하나 이상의 도전성 비아 스터브를 사용하여 구성된 안테나를 포함한다. 보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 안테나를 구성하기 위한 방법은 제1 및 제2 표면들(이 표면들은 실질적으로 평행함)을 구비한 기판을 제공하는 단계와, 제1 및 제2 표면 사이의 기판을 통하여 비아 홀(via hole)을 형성함으로써 기판 상에 방사 소자를 형성하는 단계와, 도전성 비아 스터브를 형성하기 위한 도전성 물질을 사용하여 비아 홀을 채우는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 예시적인 안테나 구성에 있어서, 모노폴 안테나는 기판 상에 형성된 단일한 도전성 비아 스터브(예컨대, 유전체 기판 또는 반도체 기판)와, 그 기판의 표면 상에 형성된 도전층(접지면)을 포함하도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 이 접지면(도는 다른 임의의 도전성 접지 요소)은 도전층을 기판의 표면에 증착하고, 접지 표면을 형성하기 위해 그 도전층을 패턴화하여, 도전성 비아 스터브로부터 전기적으로 격리시킴으로써 기판 표면 상에 형성될 수 있으며, 도전성 비아 스터브의 말단 부분 상에 접촉 패드를 형성하여, 접지면으로부터 전기적으로 격리된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 지향성 안테나(예컨대, 위상 어레이 안테나)와 같은, 복수의 방사 소자들을 구비한 안테나가 기상의 방사 소자로써 복수의 도전성 비아 스터브를 형성함으로써 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 예시적인 안테나 구성에 있어서, 안테나 방사 소자들이 기판에 형성된 하나 이상의 도전성 비아 스터브 소자들과, 기판 표면 상에 형성된 하나 이상의 도전성 소자들을 포함하도록 형성되며, 이 소자들은 기판 표면 상에 노출된 도전성 비아 스터브의 말단부에 연결된다. 예컨대, 예시적인 실시예에 있어서, 최상부에 로드된 모노폴 안테나는 단일한 도전성 비아 스터브 및 패턴화된 도전성 소자를 포함하는 방사 소자를 포함하며, 이 소자는 안테나 기판 표면 상에 형성되어 비아 스터브에 연결된다. 패턴화된 도전성 소자들은 도전성 패드 소자들 또는 도전성 스트립 소자들을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 역F형(inverted-F) 안테나 및 다중대역(multiband) 안테나가 도전성 비아 스터브들과, 기판 표면 상에 형성되고 비아 스터브의 노출된 말단부에 연결된 도전성 소자들로부터 형성된 방사 소자들을 이용하여 구성될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는, IC 칩들(예컨대, IC 송수신기, 수신기, 송신기들 등)과 함께 안테나를 통합적으로 패키징한(기판에 형성된 하나 이상의 비아들을 사용하여 구성됨) 무선 또는 RF(무선 주파수) 통신 시스템을 위한 장치 및 방법을 포함한다.
본 발명의 이러한 또는 다른 예시적인 실시예들, 관점, 목적, 특정 및 장점들이 다음의 도면들을 참고로 하는 이하의 예시적인 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 기판에 형성되는 방사 소자들로서 하나 이상의 도전성 비아 스터브들을 사용하여 구성되는 안테나와 그러한 안테나를 형성하는 방법을 포함한다. 예컨대, 본 발명의 예시적인 실시예는 RF와 마이크로웨이브 주파수에서 효과적으로 동작할 수 있는 모노폴 안테나를 포함하며, 음성 통신, 데이터 통신 또는 레이다 어플리케이션 등에 적합한 모노폴 안테나를 제공하는 전기적인 특성(예컨대, 이득, 방사 효율, 무지향성 방사 패턴, 안테나 임피던스 등)을 가지고 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 무선 통신 어플리케이션을 위한 IC 패키지들을 구성하기 위하여, IC(집적 회로) 칩(예컨대, 송수신기)들을 구비한 안테나를 패키지화하는 방치 방법들을 포함한다. 특히, 본 발명의 실시예에 따라서 기판에 형성된 방사 소자들과 같은 하나 이상의 도전성 비아 스터브들을 사용하여 구성되는 안테나는 송수신기 IC들 등과 같은 것들을 위한 종래의 리드된(leaded) 캐리어 또는 리드리스(leadless) 칩 캐리어의 크기와 상대적으로 유사한 소형 패키지 내에 IC 칩들(예컨대, 송수신 IC 칩)을 통합적으로 패키지화할 수 있다. 실제로, 공진 주파수 약 20 GHz 이상에서 동작하도록 설계되는 본 발명에 따른 안테나들은 그러한 종래의 IC 칩들에 의한 패키지들과 같이 충분히 소형이다.
도 1a 및 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 안테나를 설명하는 도식적인 다이어그램이다. 특히, 도 1a는 두께(t1)를 가지는 평면 기판에 형성된 방사 소자로서 도전성 비아 스터브(11)를 포함하는 안테나(10)의 횡단면을 나타낸다. 기판(12)은 예컨대, 용해된 이산화규소(SiO2), 알루미나, 폴리스티렌, 세라믹, 테프론 기반 기판, FR4 등과 같은 유전성/절연성 재료와, 고 저항 실리콘 또는 GaAs 등과 같은 반도체 재료를 포함하는 임의의 적당한 재료를 포함할 수 있다.
도 1a에 있어서, 비아 스터브(11)는 제1 지름(d1) 및 제2(더 작음) 지름(d2)을 가지는 약한 원뿔형 횡단면의 형태를 가지는 것으로 설명되어 있으며, 이것은 통상 비아 홀이 예컨대 레이저 드릴 프로세스를 사용하여 유전성 기판을 통해 형성되는 경우에 기인한다. 일반적으로, 비아 스터브(11)는 기판의 비아 홀을 에칭하고 드릴링하는 단계와, 그후 종래에 공지된 방법을 사용하여 구리 또는 금과 같은 도전성 재료를 가지고 비아 홀을 채우는 단계에 의해 형성될 수 있다.
안테나(10)는 기판(12)의 표면 상에 증착되어 접지면을 형성하는 도전층(13)(예컨대, 금속 박막)과, 접촉 패드(13b)[접지면(13a)과 전기적으로 격리되어 있음]를 포함한다. 접촉 패드(13a)는 비아 스터브(11)와 전기적인 접촉을 형성하기 위한 수단을 제공하기 위해, 비아 스터브(11)의 노출된 말단 상에 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 임의의 적합한 도전성 재료가 어플리케이션에 따라서 사용될 수 있지만, 도전층(13)이 비아 스터브(11)를 형성하도록 사용된 동일한 금속(예컨대, 금)의 박막층을 증착함으로써 형성된다.
도 1b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 도 1a의 안테나(10) 하단부를 설명하는 도식적인 다이어그램이다. 도 1b는 도전층(13)이 기판(12)의 전체 표면 상에 형성되고, 기판(12)은 정사각형이며, 도전성 비아 스터브(11)는 기판(12)의 실질적인 중앙 영역에 형성되는 것을 도식적으로 나타낸다. 도 1b는 접지면(13a)과, 비아 스터브(11) 및 기판(12)의 일부를 노출하기 위하여 도전층(13)의 중앙 환형 영역(annular region)을 제거함으로써 형성되는 접촉 패드(13b) 패턴을 포함하는 예시적인 도전층(13) 패턴을 나타낸다. 도 1b의 예시적인 실시예는 지름(d3)을 가지는 원형 접촉 패드(13b)를 나타내는데, 이 패드는 지름(d2)을 가지는 원형의 비아 스터브(11)의 말단부 상에 형성되고, 이 원형 접촉 패드(13b)와, 비아 스터브(11)의 원형 말단부는 실질적으로 동일한 반경 원점(radius center origin)을 가진다. 또한, 예시적인 접지면(13b) 패턴은 지름(d4)을 가지고 접촉 패드(13b)와 비아 스터브(11)와 실질적으로 동일한 반경 원점을 가지는 원형 내부 모서리 부분(14)을 포함한다. 도 1a 및 1b는 단지 설명을 위한 것이고, 도전층(13)은 예시적으로 정사각형 접촉 패드(13b)와 정사각형 내부 모서리 부분(14)을 형성하기 위해 형성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 기판(12)은 도 1b에 도시된 바와 같은 정사각형과 다르게 원형 또는 직사각형일 수 있다.
도 1a 및 1b에 도시된 예시적인 안테나 구성은 모노폴 안테나(도시된 바와 같은 접지면에 대한 단일함 방사 비아 스터브 소자를 구비함) 또는 지향성 안테나(기판에 형성된 방사 비아 스터브 소자들의 어레이를 구비함)와 같은 다양한 종류의 안테나를 구성하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 도 1a 및 1b에 도시된 구성을 사용하여, RF 및/또는 마이크로웨이브 주파수에서 동작하는 모노폴 안테나는 실질적으로 정사각형인(또는 다른 형태) 기판의 중앙 영역에 형성된 단일한 비아 스터브(11)(방사 소자)를 사용하여 구성될 수 있으며, 이 기판은 도시된 바와 같은 접지면(13a) 및 접촉 패드(13b)를 구비한다.
당업자는 도 1a 및 1b에 도시된 바와 유사한 아키텍처를 구비한 모노폴 안테나의 전기적인 특성들(예컨대, 안테나 임피던스, 공진 주파수, 대역폭, 방사 패턴 등)이 다양한 팩터들에 따라 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 아래에서 자세히 설명될 것이지만, 기판(12)을 형성하는데 사용되는 재료의 다양한 치수들(예컨대, d1 - d4) 및/또는 유전 상수 및/또는 두께(t1)는 목표 안테나 구현에 따라서, 목표하는 또는 선택적인 안테나 특성을 달성하도록 선택될 수 있다.
보다 상세하게는, 예시적인 모노폴 안테나(10)의 공진 주파수는 주로 방사 비아 스터브 소자(11)의 길이 및 기판(12) 재료의 유전 상수에 기초할 수 있다. 도 1a의 예시적인 실시예에 있어서, 비아 스터브(11)의 길이는 기판(12)의 두께(t1)와 실질적으로 동일하다. 그러므로, 어떤 유전 상수 εr를 가지는 주어진 재료에 있어서, 기판(12)의 두께(t1)[즉, 비아 스터브(11)의 길이]는 모노폴 안테나의 소정의 공진 주파수에 기반하여 선택될 것이다. 예컨대, 1/4 파장 모노폴(제1 공진)에 있어서, 기판(12)의 두께(t1)는 대략 과 동일하다, 여기서 λ0는 자유 공간 파장(선택된 공진 주파수)이며, εr는 기판(12)의 유전 상수이다. 또한, 1/2 파장 모노폴(제2 공진)에 있어서, 기판(12)의 두께(t1)는 대략 과 동일하다.
또한, 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같은 아키텍처를 구비한 모노폴 안테나의 안테나 임피던스는, 기판(12)의 유전 상수와 같은 다양한 팩터에 의존한다. 특히, 상대적으로 큰 접지면을 가진 공기(진공) 중의 매우 얇은 1/4 파장(quarter-wavelength) 모노폴 안테나의 임피던스는 안테나의 중심(공진) 주파수에서 상대적으로 낮은 임피던스(대략 36 옴)를 가진다(이론적으로, 무한대의 접지면을 가지는 대기 중의 무한하게 얇은 1/4 파장 모노폴 안테나는 중심 주파수에서 36 옴의 임피던스를 가짐). 그러나, 동일한 공진 주파수에 대하여, 유전체 장하(dielectric loading)는 얇은 모노폴 안테나의 임피던스가 공진 주파수에서 감소하도록 한다. 보다 상세하게는, 주어진 공진 주파수에 대하여, 공진 주파수에 있는 안테나(10)의 임피던스는 기판(12) 재료의 유전 상수가 증가함에 따라 감소한다.
또한, 주어진 공진 주파수 및 기판 유전 상수에 대하여, 1/2 파장 모노폴은 공진 주파수에 있는 1/4 파장 모노폴보다 더 큰 임피던스를 가지게 될 것이며, 이는 당업자가 잘 알고 있는 바일 것이다. 실제로, 상대적으로 대형인 접지면을 가진 대기 중의 매우 얇은 1/2 파장 모노폴 안테나는 안테나의 중심 주파수에서 대략 수백 옴의 임피던스를 가지게 될 것이다(이론적으로, 대기 중의 무한히 얇은 1/2 파장 모노폴 안테나는 중심 주파수에서 무한한 임피던스를 가지게 됨). 다시, 유한한 두께를 가지는 유전체 장하는, 공진 주파수에 있는 얇은, 1/2 파장 모노폴 안테나의 임피던스를 감소시키도록 사용될 수 있다.
또한, 주어진 공진 주파수에 있어서, 통상 안테나의 대역폭은 안테나가 더 높은 공진[예컨대, 비아 스터브(11)의 길이를 증가시킬수록]에서 동작하도록 구성됨에 따라서 감소한다. 모노폴 안테나의 효율은 안테나의 임피던스가 매우 낮아짐에 따라서[예컨대, 10 - 20 옴 이하 또는 유전 손실이 증가함에 따라서(더 높은 손실 탄젠트] 감소하기 시작할 것이다(더 높은 유전 상수로 인해).
다양한 컴퓨터 시뮬레이션이, 도 1a 및 1b의 예시적인 실시예와 유사한 아키텍처를 구비한 60 GHz의 모노폴 안테나에 대하여, Ansoft의 HFSSTM 어플리케이션을 포함하는 상업적으로 유용한 다양한 전자기적 시뮬레이션 어플리케이션을 사용하여 실행되었다. 종래 기술로써 공지된 바와 같이, HFSSTM은 RF, 무선, 패키징, 및 광전자(optoelectric) 설계를 위한 3D EM 시뮬레이션 소프트웨어 툴이다. 모델 안테나는 기판의 표면 상에 형성된 접지면을 가진 두께 625 um(25 mil)를 가지는 용융 이산화규소(SiO2)로 된 4mm ×4mm 의 기판 중앙에 형성된 방사 비아 스터브 소자를 포함한다. 유전 상수는 3.8로 설정되었는데, 이 상수는 용융 이산화규소의 유전 상수이며, 유전 손실(즉, 유전 탄젠트)은 0으로 가정하였다(용융 이산화규소가 매우 낮은 유전 탄젠트를 가지기 때문임). 지름 비아 스터브의 d1 및 d4 는 300 um 및 150 um으로 각각 설정되었다.
상기 파라미터에 기초하여, 컴퓨터 시뮬레이션은 상대적으로 낮은 임피던스인, 60 Ghz에서 평균적으로 대략 10 내지 15 옴의 결과를 나타내었으며, 이것은 용융 이산화규소와 같은 유전체를 모노폴에 로드하였기 때문으로 추정된다(대기/진공에 비하여).
실제로, 안테나 임피던스는 안테나가 패키지되거나, 다른 소자들과 연결되는 방식에 따라서 변할 수 있다. 본 발명에 따라서 안테나와 IC 칩을 패키지하는 다양한 실시예들이 설명될 것이며, 예컨대 도 3의 실시예는 고-주파수 동작에 적합한 낮은 접속 손실을 제공한다.
또한, 이 시뮬레이션들은 본질적으로 무지향인 방사 패턴을 나타낸다. 예컨대, 도 4는 ANSOFT의 HFSSTM 시뮬레이션 툴을 사용하여 획득되는 방사 패턴을 설명하는 예시적인 다이어그램인데, 60 Ghz의 1/4 파장 모노폴 안테나의 상기 규정된 안테나 모델은 기판의 하나의 표면 상에 형성된 접지면을 가지는 두께 625 um(25 mil)의 용융된 이산화규소(SiO2)로 된 4 mm ×4 mm의 중앙에 형성된 방사 비아 스터브 소자를 포함한다. 도 4에 나타난 시뮬레이션 결과를 통하여, 직교 좌표 시스템이 비아 스터브(11)의 중앙 세로 축을 따라서 확장되는 Z-축을 구비하고[즉, 기판(12)의 상부 및 하부 표면에 직교함], 기판(12)의 최상부 및 최하부로부터 동일한 거리에 높인 비아 스터브(11)의 중앙 세로 축(Z-축)상에 중심을 가지고 있으며, 정사각형 기판(12)의 측면에 직교하도록 확장되는 X-축 과 Y-축을 구비하도록 규정되었다.
도 4는 Z-축을 따라서 회전하는 상이한 수직 평면 내에 측정되는 수직 방사 패턴을 도시하고 있다. 예컨대, 도 4의 점선은 ZX 평면(파이 = 0도)에 의해 규정되는 수직 평면에 대한 수직 방사 패턴을 나타내고(예컨대, 도 1a에 도시된 횡단면), 실선은 파이 = 45도에서의 수직 평면, 즉 ZX 및 ZY 평면들로부터 45도로 Z축에 대하여 회전하고 Z축과 교차하는 수직 평면에 대한 방사 패턴을 나타낸다. 도 4에 도시되어 있는 수직 방사 패턴은 그러한 방사 패턴이 허용 가능한 무지향 방사 패턴을 나타낸다고 하더라도, 접지면이 유한하기 때문에 나타나는 무지향 방사 패턴에 근접하게 됨을 설명한다.
도 1a 및 1b에 나타난 것과 유사한 구조를 가지는 상기의 60 Ghz 모노폴 안테나와 같은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 모노폴 안테나는 저-임피던스 안테나가 바람직한 특정한 어플리케이션에서의 사용을 위해 상대적으로 낮은 안테나 임피던스를 가지도록 설계될 수 있다. 예컨대, 실제로 60 GHz, 용융 이산화규소(유전 상수 = 3.8)로 된 1/4 파장 비아 스터브 모노폴에 대한 시뮬레이션 결과(상기 설명한)들은 상대적으로 낮은 안테나 임피던스(대략 10 옴만큼 낮은)를 제공하였다. 본 발명에 따라서, 낮은 임피던스 모노폴은 예컨대, 모노폴 안테나가 MMW(밀리미터-파) 전력 증폭기의 출력기에 연결되는 어플리케이션에 있어서, 사용될 수 있는데, 이것은 MMW 전력 증폭기들이 통상 낮은 출력 임피던스를 가지기 때문이다. 그러나, 상대적으로 낮은 임피던스를 가지는 안테나는 어떤 어플리케이션들에서는 적합하지 않을 수 있다. 예컨대, 안테나 임피던스가 감소할수록, 대역폭과 같은 안테나 특성은 역으로 영향을 받을 수 있는 것이다. 또한, 임피던스가 감소함에 따라서, 전반적인 저항 손실은 증가한다. 따라서, 안테나 임피던스가 감소할수록 모노폴 안테나의 효율은 감소할 수 있고, 이것은 어떤 어플리케이션에서는 적합하지 않은 안테나를 제공하게 된다.
그러나, 더 높은 안테나 임피던스를 가지는 모노폴 안테나를 사용하는 것이 바람직한 많은 어플리케이션들이 존재한다(예컨대, 50 옴, 75 옴). 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 상이한 방법들이 존재하며, 목표 어플리케이션에 최적화된 임피던스들을 가지는 모노폴 안테나를 구성하도록 사용될 수 있다. 예컨대, 도 1a에 도시된 것과 유사한 구성을 가지는 모노폴 안테나 발명의 일 실시예에 있어서, 동일한 유전 재료라고 가정하면, 도 1a에 도시된 구성을 가지는 60 GHz, 1/4 파장 모노폴 안테나에 대한 기판(12)의 두께(t1)와 비교하여, 기판(12)의 두께(t1)는 2배로 증가할 것이다[예컨대, 방사 비아 스터브(11) 소자의 길이가 거의 2배로 증가함). 그러므로, 본 발명의 실시예에 따라서 모노폴 안테나의 임피던스는 소정의 공진 주파수에 대한 더 높은 공진 모드들에서 동작하도록 안테나를 설계함으로써 조정될 수 있다.
기판(12)의 두께(t1)는 소정의 안테나 임피던스를 획득하도록 증가할 수 있지만, 어플이케이션에 따라서, 상대적으로 두꺼운 기판(12)이 안테나 특성에 역으로 영향을 줄 수 있다(예컨대, 임피던스 및/또는 저항 손실을 증가시키거나, 대역폭이 더 작아지는 등). 또한, 종래의 반도체 제조 기술의 한계로 인해, 기판의 비아 홀들의 형성에 관하여 최대 획득 가능 종횡비(aspect ratio)에 제한이 존재한다. 그러므로, 만약 기판(12)이 너무 두껍다면, 비아 스터브(11)는 너무 큰 지름(예컨대, d1, d2)를 가지도록 형성될 수 있으며, 이것은 안테나 피드 포인트(급전점, feed point)와 더 높은 차수의 모드의 존재에 있어서 더 높은 커패시턴스를 야기할 수 있다. 추가적으로, 복수의 공진들이 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라서 안테나를 설명하는 도식적인 다이어그램이다. 도 2에 묘사된 안테나(20)는, 안테나(20)의 방사 소자가 비아 스터브(11) 및, 그 비아 스터브(11)의 말단부 상에 형성된 패드 또는 햇(hat) 소자(21)를 포함하고 있다는 것을 제외하고는 도 1에 묘사된 안테나(10)와 유사하다. 햇 소자(21)는 예컨대, 비아 스터브(11)를 형성하는데 사용되는 동일한 도전성 재료(예컨대, 금)의 층을 증착하고, 햇 소자(21)를 형성하기 위해 당업자에게 공지된 방법을 사용하여 도전층을 패터닝하는 단계로써 형성될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 햇 소자(21)는 비아 스터브(11)의 지름(d1)보다 더 큰 지름(d5)을 가지는 라운드형 패드를 포함한다. 또한, 일 실시예에 있어서, 햇 소자(21)는 비아 스터브(11)와 동일한 반경 중심 원점을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 햇 소자(21)는 정사각형일 수 있다.
햇 소자(21)는 다양한 목적을 달성한다. 예컨대, 햇 소자(21)는 기판(12)의 두께를 증가시킬 필요 없이, 예컨대, 주어진 공진 주파수에 대한 1/2 파장 모노폴(제2 공진)을 제공하기 위해, 방사 소자의 길이를 효과적으로 증가시키기 위하여(즉, 비아 스터브(11)의 길이를 증가시키는 것) 사용될 수 있다.
특히, 예컨대, 용융된 이산화규소(유전 상수 = 3.8)로 된, 60 GHz, 1/4 파장 비아 모노폴에 대한 시뮬레이션 결과는 상대적으로 낮은 안테나 임피던스(대략 10 옴만큼 낮은)를 제공한다. 컴퓨터 시뮬레이션이 상기 시뮬레이션에서와 동일한 파라미터들[다만, 350 um의 지름(d5)을 가지는 햇 소자를 더 포함함)을 사용하여 60 GHz, 1/2 파장 모노폴 안테나(도 2에 도시된 바와 같은 구성을 가짐)에 대해 실행되었다. 이 시뮬레이션의 결과는, 60 GHz의 주파수에서 대략 75 옴의 임피던스와, 60 GHz에서 70 GHz까지의 "대역폭"(반환 손실이 10 dB보다 더 좋은 주파수 범위로서 규정됨)을 양산하였다.
따라서, 동일한 크기(예컨대, t1 = t2 = 625 um)와 재료(용융 이산화규소)를 가지는 기판들(12)을 가지는 도 1a - 1b 및 도 2의 예시적인 구성을 사용하여 형성된 60 GHz 모노폴 안테나에 대한 상기 시뮬레이션의 결과들은, 햇 소자(21)(도 2)가 안테나를 제2 공진(소정의 공진 주파수)에서 동작시키고 그로써 그 안테나 임피던스를 증가시키도록 방사 소자의 길이를 효과적으로 증가시키는데 사용될 수 있고, 반면에 기판의 두께는 동일하게 유지할 수 있다(t1 = t2)는 것을 설명한다. 이것은 상기 기술한 바와 같이, 상대적으로 얇은 기판들이 상대적으로 작은 지름의 비아 스터브가 형성되도록 할 수 있기 때문에 바람직하다.
또한, 방사 소자의 길이를 증가시키고 1/2(또는 그 이상의) 파장 모노폴 안테나를 생성하기 위해 햇 소자(21)를 사용하는 것은 상대적으로 높은 유전 상수들을 가지는 재료들의 효과적인 사용을 가능하게 하고, 이는 안테나 임피던스의 최적화를 가능케 한다. 예컨대, 용융 이산화규소 기판을 사용하는 예시적인 60 GHz, 1/4 파장 모노폴 안테나에 대하여, 도 1a를 참조하여 기술한 바와 같이, 안테나 임피던스는 더 높은 유전 상수로 인해, 더 감소될 수 있기 때문에(대략 10 옴보다 낮게), 약 4 - 5 보다 더 큰 유전 상수를 가지는 유전 재료를 사용하는 것은 바람직하지 않다. 그러나, 햇 소자(21)를 사용하여 획득된 더 높은 임피던스의 결과로써, 도 2의 예시적인 안테나 구성은 용융된 이산화규소보다 더 높은 유전 상수를 가지는 재료의 사용을 가능케 한다.
예컨대, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 60 GHz 모노폴 안테나는 도 2의 구성을 사용하여 구성될 수 있는데, 이 안테나(20)는 대략 350 um의 지름(d5)을 가지는 라운드형 햇 소자(21)와 두께 t2 = 375 um을 가지는 알루미나(유전 상수 9.7)로 형성된 기판을 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 알루미나 기판의 두께(t2 = 375)는 알루미나의 더 높은 유전 상수를 보상하기 위하여(용융된 이산화규소에 대해 3.8 인 것과 비교하여 9.7) 용융된 이산화규소 기판의 두께(t2 = 675 um)보다 매우 더 작다. 이 예시적인 실시예의 컴퓨터 시뮬레이션은, 55 GHz 내지 65 GHz의 "대역폭"(이는 약 10 dB보다 더 좋은 반환 손실이 있는 주파수 범위로서 규정됨)과, 대략 40 옴의 안테나 임피던스를 산출한다. 방사 패턴은 도 4에 도시된 것과 유사하였다. 그러므로, 상기 시뮬레이션 결과들은 구현에 따라서, 예컨대 모노폴 안테나의 안테나 임피던스는 방사 소자의 길이를 변동하거나 소정의 유전 상수를 가지는 재료를 선택하거나, 또는 둘 모두를 실행함으로써 조정될 수 있다는 것을 설명한다.
햇(21)을 사용하는 다른 장점은 모노폴 안테나의 중심 주파수는 비아 스터브의 길이(또는 기판 두께)를 약간 조정하는 것과 반대로, 햇(21)의 크기(d5)를 약간 조정함으로써 미세-조정될 수 있다. 특히, 예컨대 도 2의 구성을 사용한 주어진 안테나 설계에 대하여, 일단 기판재료 및 두께가 주어진 공진 주파수에 대하여 선택되면, 다양한 안테나 원형들[오직 햇 소자의 지름(d5)에 있어서 약간 변화함]이 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 안테나 원형의 전기적인 특성(예컨대, 대역폭, 중심 주파수, 임피던스 등)이 테스트될 수 있으며, 최적값을 가지는 원형이 대량 생산을 위해 선택될 수 있다.
도 2의 모노폴 안테나는 상부 부하(top loaded) 안테나 모노폴 안테나 구성의 예시적인 실시예이고, 안테나 방사 요소는 라운드형 햇 소자 및 도전성 비아 소자이며, 다른 안테나 구성이 본 명세서에 따라서 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 도 7a 내지 7d는 상이한 안테나 설계가 도전성 비아 소자들 및 햇 소자들을 사용하여 구성될 수 있으며, 금속 접지면 상의 방사 소자들과 같은 금속 스트립을 포함한다. 보다 상세하게는, 예컨대, 도 7a는 도전성 비아 스터브(70) 및 금속 스트립 햇 소자(71)를 포함하는 예시적인 상부 부하 안테나 모노폴을 설명하며, 이는 안테나 방사 소자를 형성한다. 또한, 도 7b는 도전성 비아 스터브(70) 및 2개의 동-길이(equal-length) 금속 스트립 햇 소자들(72 및 73)을 포함하는 예시적인 상부 부하 모노폴을 설명하는데, 이는 안테나 방사 소자를 형성한다. 햇 소자와 같은 금속 스트립의 사용은 주파수가 모노폴의 길이를 조정하는 금속 스트립의 말단부를 잘라내므로써 용이하게 조정될 수 있도록 한다.
또한, 금속 스트립 햇 소자들의 사용은 다중대역 안테나가 상이한 길이의 햇 소자들을 사용하여 형성될 수 있도록 한다. 예컨대, 도 7c에서 도시한 바와 같이, 이중대역(dual-band) 안테나는 도전성 비아 스터브(70) 및 상이한 길이의 금속 스트립 햇 소자들(74 및 75)을 포함하는 안테나 방사 소자를 가지도록 설계될 수 있으며, 이 도전성 비아 스터브(70) 및 햇 소자(74)는 안테나가 제1 공진 주파수에서 동작할 수 있도록 하는 제1 길이를 가지고, 도전성 비아 소자(70) 및 햇 소자(75)는 안테나가 제2 공진 주파수에서 동작할 수 있도록 하는 제2 길이를 가진다.
또한, 도 7d는 도전성 비아 스터브(70) 및 3개의 상이한 길이를 가지는 금속 스트립 햇 소자들(76, 77 및 78)을 포함하는 안테나 방사 소자를 가지는 예시적인 3중대역 안테나 설계를 설명한다. 이 예시적인 실시예에 있어서, 도전성 비아 스터브(70) 및 햇 소자(76)는 안테나가 제1 공진 주파수에서 동작할 수 있게 하는 제1 길이를 가지고, 도전성 비아 소자(70) 및 햇 소자(77)는 안테나가 제2 공진 주파수에어 동작할 수 있게 하는 제2 길이를 가지며, 도전성 비아 스터브(70) 및 햇 소자(78)는 안테나가 제3 공진 주파수에서 동작할 수 있게 하는 제3 길이를 가진다.
도 1a 및 1b 및 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따르는 안테나는 RF 또는 무선 통신 칩들을 구성하는 상대적으로 소형인 패키지로 IC 칩과 함께 통합적으로 패키지화될 수 있다. 예컨대, 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 안테나와 IC 칩을 통합적으로 패키지화하기 위한 장치의 횡단면을 설명하는 도식적인 다이어그램이다. 통상, 장치(30)는 도 2에 도시된 구성을 가지는 안테나(20)를 포함하며, 이는 복수의 땜납 볼들(solder balls, 35, 36, 37)을 사용하여, IC 칩(33)에 결합된 플립-플롭이다(예컨대, IC 송수신기). IC 칩(33)은 캡슐층(34)을 가지고 캡슐화된다. 장치(30)는 안테나(20) 및 IC 칩(33) 사이에 삽입된 복수의 패턴화된 절연 및 금속층을 더 포함하는데, 이 층들은 장치와 이 장치(30)가 장착되는 캐리어 기판(예컨대, PC 기판)의 전송선들 사이뿐만 아니라, 안테나(20)와 IC 칩(33) 사이의 전기적인 연결을 형성하게 한다.
보다 상세하게는, 도 3의 예시적인 실시예에서, 두께(t3)를 가지는 절연층(31)은 안테나 기판의 최하단면에 형성된다[즉, 패턴화된 도전층(13) 상]. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 절연층(31)은 폴리이미드(polyimide), 실리콘 질화물, 또는 다른 적합한 재료들로 형성되며, 이는 대략 4 내지 8 um 의 두께 t3 를 가진다. 절연층(31)은 그 안에 형성된 복수의 도전 비아들(39, 40)을 갖는다. 도전 비아들(39)(또는 접지 비아들)은 비어 스터브(11)에 근접한 안테나(20)의 접지면(13a)에 연결된다. 땜납 볼(36)들은 IC 칩(33)의 표면 상의 접지 패드들에 결합하기 위한 접지 비아들(39) 상에 형성된다. 오직 2개의 도전성 접지 비아들(39)만이 도 3에 도시되어 있지만, 3개 이상의 접지 비아들(39)이 비아 스터브(11)에 근접한 접지면(13a)의 주변 모서리 주위에 형성될 수 있다. 또한, 도전성 비아(40)가 비아 스터브(11)의 바닥에 형성된 접촉 패드(13b)에 연결되어 절연층(31) 내에 형성된다. 땜납 볼(37)은 안테나 급전 패드(feed pad) 또는, IC 칩(33)의 표면 상의 전송선에 결합하기 위해 도전성 비아(40) 상에 형성된다.
더 나아가, 도전층(32)(예컨대, 금)은 절연층(31) 위에 증착되어, PC 기판 상의 IC 칩과 다른 구성요소들, 패드 전송선, 등 사이의 전기적인 연결을 위해 다양한 접촉 패드들/전송선들(예컨대, 32a, 32b)을 형성하도록 패턴화된다. 보다 상세하게는, 예컨대, 전송선들(32a 및 32b), 각각은 말단 부위에 형성된 땜납 볼들(35, 38)을 구비하고 있으며, 접지, 전력 또는 I/O 연결을 생성하도록 사용될 수 있으며, 땜납 볼들(35)은 전송선들(32a, 32b)을 IC 칩(33)의 표면 상의 소정의 연결들과 결합하도록 사용되며, 땜납 볼들(38)은 전송선들(32a, 32b)을 PC 기판 상의 소정의 연결들에 결합하도록 사용된다. 그러한 예시적인 실시예에 있어서, PC 기판은 컷아웃(cutout)을 구비하도록 제조될 수 있으며, 컷아웃 내에 캡슐화된 IC 칩(33) 뿐만 아니라 복수의 패턴화된 접촉 패드들/전송선들이 삽입되어, 장치가 PC 기판 내에 삽입되어 안전하게 장착되는 경우, 땜납 볼들(38)과 접촉한다.
도 2의 안테나 구성에 기반한 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 안테나 소자들의 치수(dimension)는 다음과 같다 : d1 은 약 300 um, d2는 약 150 um, d3 는 약 250 um 내지 450 um, 그리고 땜납 볼들(35, 36, 37, 38)의 지름(t4)은 약 100 um이다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 장치(30)는 안테나(20)와 IC 칩 (33) 상의 장치/회로(예컨대, 전력 증폭기)의 임피던스들을 정합시키기 위한 임피던스 정합 네트워크를 포함할 수 있다. 예컨대, 예시적인 실시예에 있어서, 임피던스 정합 네트워크(예컨대, 전송선)는 통합적으로 IC 칩(33) 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 도 3의 예시적인 실시예에 있어서, 땜납 볼(37)은 IC 칩(33) 상에 형성된 전송선의 일 말단부에 결합될 수 있으며, 이 전송선은 안테나와, 전송선의 다른 말단부에 연결된 장치/구성요소 사이의 유도성/용량성 임피던스 정합을 제공하도록 설계된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 임피던스 정합 네트워크는 삽입층들(31, 32)을 사용하여 형성된다. 예컨대, 임피던스 정합 전송선(마이크로 스트립)은 금속층(32) 상에서 패턴화될 수 있다. 그러한 실시예에 있어서, 도 3에는 상세하게 도시되지는 않았지만, 도전성 비아(40)는 도전층(31)으로부터 패턴화된 마이크로스트립의 일단에 연결되고[도시된 바와 같이 땜납 볼(37)을 통해 IC 칩(33)에 직접 연결되는 것과 반대로], 마이크로 스트립 선의 다른 일단은 IC 칩(33)의 또 다른 영역에서 (땜납 볼을 통하여) 결합된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 필터들과 같은 다른 지원 회로가 예컨대, 삽입층들(31, 32)을 사용하여 형성될 수 있다. 실제로, 본 명세서에 기초하여, 당업자들은 임피던스 정합, 필터링 또는 다른 기능들을 제공할 목적으로 구현될 수 있는 다른 방법, 장치 또는 회로들을 구상할 수 있다.
본 발명의 명세서에 따라서 구성되는 임의의 고주파 안테나(예컨대, 약 20 GHz 이상)가 집적 통신 칩을 구성하기 위해 사용될 수 있으며, 도 3의 안테나의 사용은 단지 본 발명의 예시적인 실시예에 불과하다는 것을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 도 3에 도시된 IC 칩(33)은 집적 송수신기칩, 집적 수신기 칩, 집적 송신기 칩 등 및/또는 통신 칩 패키지를 구현하기 위해 필요한 지원 회로를 포함하는 다른 IC 칩들을 포함할 수 있다.
또한, 도 3의 예시적인 집적 장치에 있어서, 기판(12)은 패키지(30)의 커버로써 기능할 수 있으므로, 안테나 최상단의 어떠한 다른 손실적인 재료도 효율을 감소시키지 않을 것이다. 또한, 안테나 기판(12)의 유전 상수는 대기/진공 보다 더 높기 때문에, 전자기(EM) 장은 기판 내에서 일정하게 유지되려는 경향이 있으므로, 방사된 에너지의 상당 부분은, 커버되지 않아야 하는 안테나의 측면들 밖으로 방사된다.
당업자는 본 발명의 실시예에 따른 안테나와 집적된 안테나 패키지들과 관련된 다양한 장점을 이해할 것이다. 예컨대, 기판 내의 도전성 비아들을 형성하기 위한 정확하고 효과적인 기술을 구현하는 안테나를 구성하기 위한 예시적인 방법들은 고용량 안테나 제조 성능을 가능케 한다. 또한, 기판 상에 내장되어 손상으로부터 보호되는 모노폴 소자(비아 스터브, 11)를 구비함으로써, 본 발명에 따른 안테나 설계는 견고해지고, 무선 장비들(예컨대, WPAN 장비들)과 함께 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 집적 IC 패키지들은 안테나가 송수신기 칩들과 같은 IC 칩과 함께 통합적으로 패키지될 수 있도록 하여, 송수신기와 안테나 사이에서 손실이 매우 낮은 컴팩트 설계가 가능하게 한다. 또한, 그러한 설계는 고주파 입력 및 출력 신호를 가진 송수신기 칩을 사장시킬 필요가 없다. 또한, 본 발명에 따른 안테나 및 집적 안테나 패키지들은 집적 위상 어레이 안테나 시스템, 개인 영역 네트워크, 레이다 급전, 리던던시(redundancy)에 기인한 높은 신뢰성, 포인트-투-포인트 시스템 등과 같은 다양한 응용을 가능케 한다. 또한, 본 발명에 따른 집적 안테나/IC 칩 패키지는 충분한 공간, 크기, 비용 및 무게를 줄일 수 있어서, 가상적인 임의의 상업적 또는 군사적 응용을 위해서도 최상이다.
도 1a - 1b, 2 및 3의 예시적인 실시예는 본 발명에 따른 안테나 및 IC 패키지의 예시적인 실시예에 불과하며, 당업자는 본 발명의 장치들 및 방법들을 사용한 IC 칩들을 가지고 구성되고 패키지화될 수 있는 다른 안테나 종류들을 생각할 수 있을 것이다.
예컨대, 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 안테나를 설명하고 있다. 보다 상세하게는, 도 5는 접지면(52a) 및 접촉 패드(52b)를 형성하도록 패턴화되는 도전층(50)을 구비한 기판(51)을 포함하는 역F형 안테나(50)를 도시한다. 안테나(50)의 방사 소자들은 기판(51)에 형성된 제1 도전성 비아(54) 및 제2 도전성 비아와 제1 및 제2 비아들(54 및 55)에 연결되는 최상단 소자(56)(금속 스트립)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 최상단 소자(56)는 기판(51)의 최상단에 도전층을 증착하고 패턴화함으로써 형성되는 금속 스트립이다. 제1 비아(54)는 접지면(52a)에 연결되고, 안테나를 접지시키기 위해 사용되고, 제2 도전성 비아(55)는 접촉 페이지(52b)에 연결되어 안테나를 급전하기 위해 사용된다. 역-F형 안테나의 동작은 종래 기술로 공지되어 있다.
또한, 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 안테나는 안테나 기판의 전체 표면 상에 도전성 접지면을 포함할 필요가 없도록 설계될 수 있다. 예컨대 도 6은 도전성 비아 소자(60)의 최하단부와, 방사 요소(61) 및 환형 요소(63)를 포함하는 접지 요소를 설명하고 있는데, 이는 평면 기판의 최하단 표면에 형성된다.
또한, 도 8a 및 8b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 안테나 설계를 설명하고 있는데, 이것은 안테나 기판의 표면 상에 형성된 접지면을 필요로 하지 않는다. 특히, 도 8a 및 8b는 예시적인 다이폴 안테나(80)를 설명하는데, 이것은 안에 도전성 비아를 구비한 각각의 2개의 기판들을 적층시키고, 그 2개의 기판들 사이에 안테나를 넣음으로써 구성된다. 보다 상세하게는, 도 8a에서, 안테나(80)는 기판(81) 상에 형성된 도전성 비아 스터브(82)를 포함하는 방사 소자를 포함하는 제1 기판(81)과 그 기판(81)의 표면 상에 형성된 햇 소자를 포함한다. 또한, 제2 기판(84)은 기판(84) 상에 형성된 도전성 비아 스터브(85)를 포함하는 방사 소자와 그 기판(84)의 표면 상에 형성된 햇 소자(86)를 포함한다. 기판(81 및 84)들은 서로 적층되어 있으며, 안테나를 삽입하기 위해 기판들 사이에 형성된 차동 장치(differential feed, 87)를 구비하고 있다.
도 8b는 도 8a의 선 8b-8b를 따라 자른 안테나(80)의 횡단면을 설명하고 있다. 도시된 바와 같이, 도전성 비아 스터브(82 및 85)는 서로에게 옵셋(offset)이 되어, 차동 장치(87)의 제1 급전 소자(87a)가 도전성 비아 스터브(85)의 최하단부에 접촉할 수 있게 하고, 제2 급전 소자(87b)가 그 도전성 비아 스터브(82)의 최하단부에 접촉할 수 있게 한다.
또한, 도 9a 및 9b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 안테나 설계를 설명하는데, 이것은 안테나 기판의 표면에 형성된 접지면을 필요로 하지 않는다. 특히, 도 9a 및 9b는 예시적인 90 도 다이폴 안테나를 설명하는데, 이는 하나의 기판과 차동 장치를 사용하여 구성된다. 보다 상세하게는, 도 9a에 도시된 바와 같이, 안테나(90)는 도전성 비아 스터브(91)를 구비한 기판(93)과 그 기판(93)의 최하단 표면 상에 형성된 차동 장치(92)를 포함한다. 도 9b는 차동 장치(92)의 제1 급전 소자(92b)에 연결된 도전성 비아 소자(91)와 그 제1 소자(92b)와 평행하게 확장되어 형성되지만 비아 스터브(91)와 직접 연결되지 않는 제2 급전 소자(92a)의 최하단부를 도시하는 안테나(90)의 하부를 도시한다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 도 9a 및 9b의 예시적인 안테나(90)와 IC 칩(101)을 통합적으로 패키지하기 위한 장치(90)의 횡단면을 도시하는 도식적인 다이어그램이다. 통상, 장치(100)는 IC 칩(101) 상에 선들, 컨택트 등에 차동 장치(92)의 급전 소자들을 연결하는 복수의 땜납 볼들(103)을 사용하여 IC 칩(101)(예컨대, IC 송수신기)에 결합된 안테나(90)를 포함한다. IC 칩(101)은 패키지 베이스(102)에 결합된다. 하나 이상의 결합 와이어들(105)이 IC 칩(101)과 패키지 베이스(102) 사이의 I/O 결합을 제공하기 위해 사용된다. IC 칩(101) 및 안테나(90)는 캡슐층(104)을 사용하여 캡슐화되는데, 방사 소자(91)를 포함하는 안테나(90)의 일부는 이 캡슐화된 패키지의 측면 벽으로부터 돌출되어 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 안테나는 빔을 형성하고 조정하기 위한 소정의 지향성을 안테나에 제공하기 위해 기판 상에 형성된 2개 이상의 비아들의 어레이를 구비하도록 구성될 수 있다. 통산, 지향성 안테나 빔의 패턴은 위상 어레이 안테나를 사용하여 얻어질 수 있는데, 각각의 비아 스터브 소자에 대한 입력 신호 위상은 지향성 안테나 패턴을 전기적으로 스캔하거나 소정의 방향으로 조정하도록 제어된다. 또한, 포인트-투-포인트 시스템 또는 레이더 시스템들과 같은 지향적인 안테나 응용을 위해 집속 안테나(focusing antenna)의 중심에 배치될 수 있다. 또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 안테나 설계는 MMW 어플리케이션을 위해 구현될 수 있을 뿐만 아니라, 더 낮은 주파수에서도 사용될 수 있다. 예컨대, 저주파 모노폴 안테나가 상대적으로 두꺼운 PC 기판(예를 들어 FR4)의 비아를 형성함으로써 구성될 수 있다.
예시적인 실시예가 설명을 위해 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 이러한 특정 실시예로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 당업자에 의해 다양한 변형과 개조가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
무선 PAN, 무선 LAN, 무선 WAN, 셀룰러 네트워크 또는 가상의 임의의 무선 네트워크 또는 시스템과 같은 무선 네트워크 상의 장비들 사이에서의 무선 접속 및 무선 통신을 제공하기 위해서는, 목표 신호들을 네트워크 상의 다른 소자들에 효과적으로 방사하거나 수신하기 위하여 안테나를 구비한 수신기들과 송신기들을 장착해야 한다.
그러한 통신 네트워크와 시스템 상에서 사용되는 많은 종류의 안테나들이 있다. 예컨대, 모노폴 안테나는 무선 또는 RF 통신 시스템 상에서 통상 사용된다. 일반적으로, 모노폴 안테나는 지면 상에 단일한 와이어 또는 안테나를 구비하고, 동작을 위한 목표 주파수 길이에 반비례하며, 무선 장치 내에서 송신기, 수신기 또는 송수신기에 결합된다. 모노폴 안테나로부터 전송된 신호들은 무지향성을 특징으로 한다. 또한, 모노폴 안테나 소자를 사용한 신호의 수신은 무지향적이다. 통상, 무선 통신 시스템에 있어서, 모노폴 안테나는 송신기, 수신기 또는 송수신기 내의 집적 회로들로부터 분리되어 배치되는데, 이것은 크기의 제한 또는 사용 시나리오에 기인한다.
본 발명은 통상 무선 또는 RF 통신 시스템을 위한 안테나에 관한 것이고, 보다 상세하게는 IC 칩을 구비한 안테나를 패키지화하는 장치 및 방법뿐만 아니라 기판 상에 형성된 방사 소자들과 같은 하나 이상의 도전성 비아 스터브들을 사용하여 구성되는 안테나에 관한 것이다.
도 1a 및 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 안테나를 설명하는 도식적인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 안테나를 설명하는 도식적인 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 안테나와 IC 칩을 통합적으로 패키지화하는 장치를 설명하는 도식적인 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서, 안테나 수성의 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 얻어진 수직 방사 패턴을 설명하는 예시적인 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라서, 안테나를 설명하는 도식적인 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 안테나를 위한 예시적인 접지 소자를 설명하는 도식적인 다이어그램이다.
도 7a, 7b, 7c 및 7d는 본 발명의 다양한 예시적인 실시예에 따라서 안테나를 위한 방사 소자를 설명하는 예시적인 다이어그램들이다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라서 안테나를 설명하는 도식적인 다이어그램들이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라서 안테나를 설명하는 도식적인 다이어그램들이다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라서 안테나 및 IC 칩을 패키지화하는 장치를 설명하는 도식적인 다이어그램이다.

Claims (38)

  1. 기판과;
    상기 기판 상에 형성되는 도전성 비아 스터브(conductive via stub)를 포함하는 적어도 하나의 방사 소자;
    를 포함하는 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 표면 상에 형성된 접지면을 더 포함하는 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 무지향성 안테나 또는 지향성 안테나인 안테나.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 접지면 상에 형성된 절연층과;
    상기 절연층 상에 형성된 도전층;
    을 포함하는 임피던스 정합 네트워크를 더 포함하고, 상기 도전층은 상기 임피던스 정합 네트워크를 형성하도록 패턴화되는 것인 안테나.
  5. 제4항에 있어서, 상기 임피던스 정합 네트워크는 전송선을 포함하는 것인 안테나.
  6. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 약 20 GHz 이상의 공진 주파수를 가지는 것인 안테나.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 방사 소자는 상기 도전성 비아 스터브의 일단에 형성된 햇(hat) 소자를 더 포함하는 것인 안테나.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기판은 인쇄된 회로 기판을 포함하는 것인 안테나.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판은 유전체 재료 또는 반도체 재료로 구성되는 것인 안테나.
  10. 제1항의 안테나를 구비한 무선 장치.
  11. 제1항의 안테나를 포함하는 집적 회로 패키지.
  12. 집적 통신 장치에 있어서,
    IC(집적 회로) 칩과;
    상기 IC 칩에 결합된 안테나를 포함하고,
    상기 안테나는,
    기판과;
    상기 기판에 형성된 도전성 비아 스터브를 포함하는 적어도 하나의 방사 소자를 포함하는 것인 집적 통신 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 IC 칩은 송수신기, 수신기 또는 송신기를 포함하는 것인 집적 통신 장치.
  14. 제12항에 있어서, 전기적인 상호접속을 제공하기 위하여, 상기 안테나와 IC 칩 사이에서 복수의 패턴화된 층들을 더 포함하는 집적 통신 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 복수의 패턴화된 층들은,
    상기 안테나의 상기 기판 표면 상에 형성된 접지면 상에 형성된 절연층과;
    상기 절연층 상에 형성된 도전층을 포함하고,
    상기 도전층은 복수의 접촉 패드들 또는 전송선들을 형성하도록 패턴화되는 것인 집적 통신 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 절연층은 그 내부에 형성된 복수의 접지 비아들을 포함하는 것이고, 상기 접지 비아들은 상기 IC 칩과 상기 안테나의 상기 접지면 사이의 접지를 제공하는 것인 집적 통신 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 절연층은 그 내부에 형성된 급전 비아(feeding via)를 포함하는 것이고, 상기 급전 비아는 상기 안테나의 상기 방사 소자로의 연결을 제공하는 것인 집적 통신 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 복수의 패턴화된 층들로부터 형성된 임피던스 정합 네트워크를 더 포함하는 집적 통신 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 임피던스 정합 네트워크는 상기 도전층 상에 패턴화된 마이크로스트립 전송선을 포함하는 것인 집적 통신 장치.
  20. 제12항에 있어서, 상기 안테나는 무지향성 안테나 또는 지향성 안테나인 것인 집적 통신 장치.
  21. 제12항에 있어서, 상기 안테나는 약 20 GHz 이상의 공진 주파수를 가지는 것인 집적 통신 장치.
  22. 제12항에 있어서, 상기 안테나의 상기 적어도 하나의 방사 소자는 상기 접지면의 반대쪽 도전성 비아 스터브 상에 형성된 햇 소자를 더 포함하는 것인 집적 통신 장치.
  23. 제12항의 집적 장치를 구비한 무선 장치.
  24. 제12항에 있어서, 상기 안테나의 유전체층은 상기 집적 장치를 위한 커버로써 기능하는 것인 집적 통신 장치.
  25. 제12항에 있어서, 상기 안테나는 상기 기판 표면 상에 형성된 접지면을 더 포함하는 것인 집적 통신 장치.
  26. 안테나를 구성하는 방법에 있어서,
    실질적으로 평행인 평면들을 규정한 제1 표면 및 제2 표면을 구비한 기판을 제공하는 단계와;
    방사 소자를 형성하는 단계로서, 상기 제1 표면 및 제2 표면 사이에서 기판을 관통하는 비아 홀을 형성하는 단계와; 도전성 비아 스터브를 형성하기 위하여 도전성 재료로 상기 비아 홀을 채우는 단계를 포함하는 방사 소자 형성 단계;
    를 포함하는 안테나 구성 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 기판의 상기 제1 표면 상에 제1 도전층을 증착하는 단계와;
    상기 도전성 비아 스터브로부터 전기적으로 분리되어 있는 접지면을 형성하기 위하여 상기 제1 도전층을 패턴화하는 단계;
    를 더 포함하는 안테나 구성 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 도전성 비아 스터브의 말단부에 접촉 패드를 형성하기 위하여 제1 도전층을 패턴화하는 단계를 더 포함하며, 상기 접촉 패드는 상기 접지면으로부터 전기적으로 분리되는 것인 안테나 구성 방법.
  29. 제26항에 있어서, 상기 방사 소자를 형성하는 단계는,
    상기 기판의 상기 제2 표면 상에 제2 도전층을 증착하는 단계와;
    상기 도전성 비아 스터브의 말단부에 전기적으로 연결된 햇 소자를 형성하기 위하여 상기 제2 도전층을 패턴화하는 단계를 더 포함하는 것인 안테나 구성 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 패턴화된 제1 도전층 상에 절연층을 증착하는 단계와;
    상기 절연층 상에 제3 도전층을 증착하는 단계와;
    하나 이상의 접촉 패드들, 전송선들 또는 양쪽 모두를 형성하기 위하여 제3 도전층을 패턴화하는 단계를 더 포함하는 안테나 구성 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 절연층 내에 복수의 접지 비아들을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 접지 비아들은 상기 접지면에 전기적으로 연결되는 것인 안테나 구성 방법.
  32. 제31항에 있어서, 각각의 접지 비아와, 상기 패턴화된 제3 도전층의 하나 이상의 접촉 패드들 또는 전송선들 상에 땜납 볼(solder ball)을 형성하는 단계를 더 포함하는 안테나 구성 방법.
  33. 제32항에 있어서, 하나 이상의 상기 땜납 볼들을 사용하여 IC 칩에 상기 안테나를 결합하는 단계를 더 포함하는 안테나 구성 방법.
  34. 집적 통신 장치를 구성하는 방법에 있어서,
    안테나를 제공하는 단계로서, 상기 안테나는 기판과; 상기 기판에 형성된 도전성 비아 스터브를 포함하는 적어도 하나의 방사 소자를 포함하는 것인, 상기 안테나 제공 단계와;
    인터포저(interposer) 장치를 형성하는 단계와;
    상기 인터포저 장치를 사용하여 IC 칩을 상기 안테나에 연결하는 단계;
    를 포함하는 집적 통신 장치 구성 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 안테나는 상기 기판 표면 상에 형성된 접지면을 더 포함하는 것인 집적 통신 장치 구성 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 인터포저 장치 형성 단계는,
    상기 접지면을 구비한 상기 안테나의 사이 기판 상에 절연층을 증착하는 단계와;
    상기 절연층 상에 도전층을 증착하는 단계와;
    하나 이상의 접촉 패드들, 전송선들 또는 양쪽 모두를 형성하기 위해 상기 도전층을 패턴화하는 단계와;
    상기 절연층 내에 복수의 접지 비아들을 형성하는 단계로서, 상기 접지 비아들은 상기 접지면에 전기적으로 연결되는 것인, 상기 접지 비아 형성 단계와;
    상기 절연층 내에 급전 비아(feeding via)를 형성하는 단계로서, 상기 급전 비아는 상기 도전성 비아 스터브에 전기적으로 연결되는 것인, 상기 급전 비아 형성 단계;
    포함하는 것인 집적 통신 장치 구성 방법.
  37. 제36항에 있어서, 각각의 접지 비아와, 상기 패턴화된 제3 도전층의 하나 이상의 접촉 패드들 또는 전송선들 상에 땜납 볼을 형성하는 단계를 더 포함하는 집적 통신 장치 구성 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 인터포저 장치를 사용하여 상기 안테나에 IC 칩을 연결하는 단계는,
    하나 이상의 상기 땜납 볼들을 사용하여 상기 IC 칩에 상기 안테나를 결합하는 단계를 더 포함하는 것인 집적 통신 장치 구성 방법.
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