KR20130042909A - 안테나-회로기판 패키지 - Google Patents

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Abstract

개시된 안테나-회로기판 패키지는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 상면 및 내부에 걸쳐 형성된 안테나부; 상기 PCB 기판의 하면에 접합된 RFIC 칩;을 포함한다.

Description

안테나-회로기판 패키지{Antenna-Printed Circuit Board package}
본 개시는 밀리미터 대역 통신을 위한 안테나, RFIC, 회로기판으로 구성된 패키지에 관한 것이다.
GBps 급 초고속 대용량 AV 데이터를 전송하기 위해 개발되고 있는 초고주파 대역 통신 방식은 기존의 WiFi, WLAN, WPAN등의 근/중거리 통신 방식 대비 몇 배 빠르게 고용량 데이터를 전송할 수 있다.
현재, 60 GHz 대역 통신이 상용화를 목표로 WiHD, WiGig, IEEE 802.11ad등 다수의 포럼(forum)과 스탠다드(standard)가 경쟁하고 있다.
기존 상용 저주파수 대역 대비 초고주파 대역에서는 안테나와 RFIC, 그리고 회로 기판으로 구성된 3중 구조로 조립하는 것이 일반적이다. 이러한 이유는 초고주파 대역에서 안테나, RFIC, 그리고 회로 기판 각각의 성능 확보를 위해 개별적인 설계, 공정 과정을 거치기 때문이다. 따라서 종래 기술에 따르면 최종 조립 과정에서 먼저 안테나를 RFIC와 플립칩 본딩(flip-chip bonding), 와이어 본딩(wire bonding)등의 표면 실장(surface mount) 공정으로 접합을 하고, 결합된 안테나-RFIC 조합을 회로 기판과 볼 그리드 어레이(Ball Grid array;BGA), 랜드 그리드 어레이(Land Grid array;LGA) 등의 표면 실장 기술(Surface Mount Technology;SMT)를 활용하여 결합한다.
그 외 기술로는 안테나와 RFIC를 같은 실리콘 물성으로 제작하는 온-칩(On-Chip) 안테나 패키지 기술이 학계에서 검토되고 있다. 하지만 CMOS 공정에서 래치업(latch up)을 방지하기 위해 적용하는 저저항(low resistivity) 실리콘 물성으로 인해 안테나의 방사 효율은 극히 저조하여 상용화의 한계가 있다.
본 개시는 밀리미터 대역 통신을 위한 안테나, RFIC, 회로기판으로 구성된 패키지에 관한 것으로, 결합 공정이 간소화되는 구조를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 안테나-회로기판 패키지는 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판의 상면 및 내부에 걸쳐 형성된 안테나부; 상기 인쇄회로기판의 하면에 접합된 RFIC 칩;을 포함한다.
상기 안테나부는 무선 신호를 방사하는 패치 안테나; 패치 안테나가 방사할 신호를 상기 RFIC 칩으로부터 전달하는 신호선;을 포함한다.
상기 패치 안테나는 밀리미터 파장 대역의 신호를 방사하는 형상을 가질 수 있으며, 두 층 이상의 평면형 패턴을 포함할 수 있다.
상기 신호선은 상기 RFIC 칩으로부터 신호를 직접 급전 방식으로 상기 패치 안테나에 공급할 수 있다.
상기 신호선은 상기 RFIC 칩으로부터 신호를 커플링 급전 방식으로 상기 패치 안테나에 공급할 수 있다.
상기 신호선은 스트립라인(stripline) 구조 또는 마이크로스트립(microstrip) 구조로 이루어질 수 있고, 또는, 매립-동일평면형 전송선(embedded CPW line) 구조로 이루어질 수 있다.
상기 인쇄회로기판의 하면에 복수의 RFIC 접합용 패드가 더 형성될 수 있다.
상기 RFIC 칩은 상기 RFIC 접합용 패드에 플립칩 본딩 또는 와이어본딩 방식으로 접합될 수 있고, 예를 들어, 상기 RFIC 칩은 상기 RFIC 접합용 패드에 C4를 이용한 플립칩 본딩 방식으로 접합될 수 있다.
상기 인쇄회로기판의 내부에는 상기 RFIC 칩에 전력을 공급하는 전력선이 형성될 수 있으며, 상기 전력선과 상기 복수의 RFIC 접합용 패드 중 어느 하나를 전기적 연결하는 도전성 비어가 형성될 수 있다.
상기 인쇄회로기판의 내부에는 복수의 그라운드층과, 상기 복수의 그라운드층을 연결하는 그라운드비어가 형성될 수 있다.
상기 인쇄회로기판은 FR4 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 안테나-회로기판 패키지는 상기 인쇄회로기판에 접합된 힛싱크를 더 포함할 수 있다.
상술한 본 발명에 따른 안테나-회로기판 패키지는 안테나를 회로기판에 내장한 단일 패키지 구조를 사용하여, 기존의 안테나와 회로 기판간의 조립, 결합공정이 생략될 수 있으며, 패키지의 크기가 보다 작아진다.
또한, 안테나와 회로 기판이 동일한 물성으로 이루어지므로 보다 비용 경제적이다.
도 1은 일 실시예에 따른 안테나-회로기판 패키지의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 안테나-회로기판 패키지에 채용되는 PCB 유닛의 구체적인 구성의 예를 상세히 보인 단면도이다.
도 3은 도 1의 안테나-회로기판 패키지의 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이다.
도 4는 도 1의 안테나-회로기판 패키지의 신호 손실을 보인 S21 그래프이다.
도 5는 도 1의 안테나-회로기판 패키지에 채용되는 PCB 유닛의 구체적인 구성의 다른 예를 상세히 보인 단면도이다.
도 6은 도 1의 안테나-회로기판 패키지에 채용되는 PCB 유닛의 구체적인 구성의 또 다른 예를 상세히 보인 단면도이다.
도 7은 도 1의 안테나-회로기판 패키지에 채용되는 PCB 유닛의 구체적인 구성의 또 다른 예를 상세히 보인 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 안테나-회로기판 패키지의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 안테나-회로기판 패키지(300)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 2는 도 1의 안테나-회로기판 패키지(300)에 채용되는 PCB 유닛의 구체적인 구성의 다른 예를 상세히 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 안테나-회로기판 패키지(300)는 PCB 유닛(200)과, PCB 유닛(200)에 접합된 RFIC 칩(100)을 포함한다. RFIC 칩(100)은 PCB 유닛(200)에 예를 들어, C4를 이용하여 플립칩 본딩되어 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 와이어 본딩이나 기타 다른 표면실장방법에 따라 RFIC 칩(100)이 PCB 유닛(200)에 본딩될 수 있다.
PCB 유닛(200)은 인쇄회로기판(printed circuit board; 이하, PCB)(P)에 무선 통신을 위한 안테나 및 신호 배선이 내장된 구조를 갖는다. 이러한 구조는 안테나를 별도로 제작하고 인쇄회로기판과 결합하는 과정에서 사용되는 BGA, LGA 등의 조립 공정을 생략할 수 있고, 안테나와 인쇄회로기판과의 물리적 거리를 최소화하도록 제시되고 있다.
안테나와 인쇄회로기판이 각각 서로 다른 물성으로 제작되는 경우, 두 개의 부품을 전기적으로(electrical) 그리고 물리적 (physical)로 결합하기 위해 BGA나 LGA 공정을 사용하게 되는데, 이 공정은 고난도의 조립 기술로서, 조립 공정에 상당한 시간과 비용이 발생한다. 또한 공정 후 검수 과정에서 육안으로 검증이 불가능한 관계로, X-Ray를 사용하는데 이 또한 많은 비용을 야기한다. 또한, 안테나와 인쇄회로기판 간의 긴 물리적 거리는 신호의 감쇄 손실(attenuation loss)을 야기하고, 초고주파 대역에서 기생 인덕턴스와 캐패시턴스를 야기한다. 또한, 안테나와 회로기판과의 거리가 긴 경우, 열전도경로(heat transmission path)가 필요하여 열역학적으로도 불리하다. 실시예의 PCB 유닛(200)은 인쇄회로기판에 안테나 및 신호배선을 내장함으로써 고주파 성능 개선과 함께 보다 소형화된 패키지를 구현하고 있다.
도 2를 참조하여 PCB 유닛(200)의 상세한 구성을 살펴보면 다음과 같다.
PCB(P)는 다수의 전도판이 함께 적층된 유전체층에 의해 전기적으로 분리되고 구조적으로 지탱되는 구조를 가지며, 전자부품간의 전기적 연결을 고밀도, 저비용, 고신뢰성, 높은 생산성으로 구현할 수 있는 기판이다. 도면에서, 점선은 다수의 유전체층의 경계를 나타내고 있다. PCB(P)내에는 다수의 그라운드층(230)과, 다수의 그라운드층(230)을 필요한 위치에서 적절히 연결하는 다수의 그라운드비어(240)가 형성되어 있다. 그라운드비어(240)의 위치나 개수는 예시적인 것이며 도시된 위치, 개수에 제한되지 않는다.
안테나부는 PCB(P) 상면 및 내부에 걸쳐 형성되며, 예를 들어, 패치 안테나(210)와 신호선(220)을 포함한다. 패치 안테나(210)는 무선 신호를 방사하는 것으로 신호의 주파수에 알맞은 패턴을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 패치 안테나(210)는 밀리미터 파장 대역의 신호를 방사하도록 설계될 수 있다. 패치 안테나(210)는 두 층 이상의 평면형 패턴을 포함하는 형태로 설계될 수 있으며, 도시된 두 층 구조에 한정되는 것은 아니다. 또한, 패치 안테나(210)는 복수개가 어레이된 구조를 가질 수도 있다. 신호선(220)은 패치 안테나(210)가 방사할 신호를 RFIC 칩(100)으로부터 전달하는 역할을 한다. 도시된 신호선(220)은 스트립라인(strip line) 형태를 가지며, 즉, 신호선(220)과 신호선(220)의 상, 하부에 형성된 그라운드층(230)에 의해 TEM모드로 신호를 전송할 수 있다. 또한, 신호선(220)은 RFIC 칩(100)으로부터 신호를 직접 급전(direct feeding) 방식으로 패치 안테나(210)에 공급하고 있다.
PCB(P)의 하면에는 복수의 RFIC 접합용 패드(270)가 형성될 수 있으며, 다만, 도시된 위치나 개수에 제한되지는 않는다. RFIC 칩(100)은 RFIC 접합용 패드(270)에 플립칩 본딩 또는 와이어 본딩 방식으로 접합될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, C4를 이용하여 플립칩 본딩될 수 있다.
PCB(P)의 내부에는 RFIC 칩(100)에 전력을 공급하는 전력선(250)이 더 형성될 수 있고, 전력선(250)은 도전성비어(260)를 통해 RFIC 접합용 패드(270)와 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이, 패치 안테나(210), 신호선(220), 전력선(250), 그라운드층(230) 등이 내장된 구조의 PCB 유닛(200)은 일반적인 PCB의 제조와 마찬가지로, FR4 기반의 PCB 공법으로 제작될 수 있다.
도 3은 도 1의 안테나-회로기판 패키지(300)의 안테나 주파수 대역 성능을 보인 S11 그래프이고, 도 4는 도 1의 안테나-회로기판 패키지(300)의 신호 손실을 보인 S21 그래프이다. 그래프들을 참조하면, S11이 나타내는 -10dB 이하의 대역폭과 S21이 나타내는 손실은 60GHz 통신 스펙을 만족하고 있다.
도 5는 도 1의 안테나-회로기판 패키지(300)에 채용될 수 있는 다른 구성예의 PCB 유닛(201)을 상세히 보인 단면도이다.
본 실시예의 PCB 유닛(200)은 패치 안테나(210)로의 급전 방식에서 도 1의 실시예와 차이가 있다. 신호선(221)은 패치 안테나(210)에 커플링 급전(coupling feeding) 방식으로 신호를 공급한다. 이를 위하여, 그라운드층(230)에 커플링 개구(280)가 형성되어 있다.
도 6은 도 1의 안테나-회로기판 패키지(300)에 채용될 수 있는 또 다른 구성예의 PCB 유닛(202)을 상세히 보인 단면도이다.
본 실시예의 PCB 유닛(202)은 신호선(222)이 마이크로스트립(microstrip) 구조로 형성된 점에 도 1의 실시예와 차이가 있다. 신호선(222)과 신호선(222)의 하부에 배치된 그라운드층(230)에 의해 유사 TEM (quasi-TEM) 모드로 신호가 전송된다.
도 7은 도 1의 안테나-회로기판 패키지(300)에 채용될 수 있는 또 다른 구성예의 PCB 유닛(203)을 상세히 보인 단면도이다.
본 실시예는 신호선(223)이 매립-동일평면형 전송선(embedded CPW line) 구조로 이루어진 점에서 다른 실시예들과 차이가 있다. 같은 평면에 그라운드층(230)과 신호선(223)이 배치되어 있다. 일반적인 동일평면형 전송선 구조는 TEM 모드의 신호 전송이 되지 않지만, 매립형인 경우, 신호선(223)의 상부 및 하부에 배치되는 안테나, 전력선등의 배선이 쉴드(shield) 역할을 하여 TEM 모드의 신호 전송이 가능해진다.
도 8은 다른 실시예에 따른 안테나-회로기판 패키지(400)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 안테나-회로기판 패키지(400)는 PCB 유닛(200)에 접합된 힛싱크(420)를 더 포함하는 점에서 도 1의 안테나-회로기판 패키지(300)와 차이가 있다. 힛싱크(420)는 RFIC 칩(100)이 접합된 면에 접합될 수 있다. 힛싱크(420)은 열전도성이 좋은 메탈 등의 소재로 형성될 수 있고, 방열 효율을 높이기 위해 도시된 바와 같이 다수의 방열핀을 포함하는 형상을 가질 수 있다. 다만, 힛싱크(420)의 구체적인 형상이 도시된 형상에 제한되는 것은 아니다.
이상 설명한 실시예들에서, 인쇄회로기판에 내장된 안테나, 신호선, 전력선의 배치예를 구체적으로 설명하였으나, 이것은 예시적인 것이며, 각 배선들의 배치 위치나 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100,300...안테나-회로기판 패키지 200, 201, 202, 203...PCB 유닛
210...패치 안테나 220, 221, 222, 223...신호선
230...그라운드층 240...그라운드비어
250...전력선 260...전도성비어
270...RFIC 접합용 패드

Claims (17)

  1. 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판의 상면 및 내부에 걸쳐 형성된 안테나부;
    상기 인쇄회로기판의 하면에 접합된 RFIC 칩;을 포함하는 안테나-회로기판 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나부는
    무선 신호를 방사하는 패치 안테나;
    패치 안테나가 방사할 신호를 상기 RFIC 칩으로부터 전달하는 신호선;을 포함하는 안테나-회로기판 패키지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패치 안테나는 밀리미터 파장 대역의 신호를 방사하도록 설계된 안테나-회로기판 패키지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 패치 안테나는 두 층 이상의 평면형 패턴을 포함하는 안테나-회로기판 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호선은 상기 RFIC 칩으로부터 신호를 직접 급전 방식으로 상기 패치안테나에 공급하는 안테나-회로기판 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호선은 상기 RFIC 칩으로부터 신호를 커플링 급전 방식으로 상기 패치안테나에 공급하는 안테나-회로기판 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호선은 스트립라인(stripline) 구조로 이루어진 안테나-회로기판 패키지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 신호선은 마이크로스트립(microstrip) 구조로 이루어진 안테나-회로기판 패키지.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 신호선은 매립-동일평면형 전송선(embedded CPW line) 구조로 이루어진 안테나-회로기판 패키지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 하면에 복수의 RFIC 접합용 패드가 더 형성된 안테나-회로기판 패키지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 RFIC 칩은 상기 RFIC 접합용 패드에 플립칩 본딩 또는 와이어본딩 방식으로 접합된 안테나-회로기판 패키지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 RFIC 칩은 상기 RFIC 접합용 패드에 C4를 이용한 플립칩 본딩 방식으로 접합된 안테나-회로기판 패키지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 내부에는 상기 RFIC 칩에 전력을 공급하는 전력선이 형성된 안테나-회로기판 패키지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력선과 상기 복수의 RFIC 접합용 패드 중 어느 하나를 전기적 연결하는 도전성 비어가 형성된 안테나-회로기판 패키지.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판의 내부에는 복수의 그라운드층과,
    상기 복수의 그라운드층을 연결하는 그라운드비어가 형성된 안테나-회로기판 패키지.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판은 FR4 재질을 포함하는 안테나-회로기판 패키지.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판에 접합된 힛싱크를 더 포함하는 안테나-회로기판 패키지.
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