KR20160047842A

KR20160047842A - 근거리 통신용 칩 안테나 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160047842A
Application number: KR1020140144286A
Authority: KR
Inventors: 박철순; 김호정; 김홍이; 오인열; 이중호; 장태환
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2016-05-03
Also published as: US9755313B2; US20160118721A1; KR102208966B1

Abstract

근거리 통신용 칩 안테나에 관해 개시되어 있다. 개시된 칩 안테나는 기판과 상기 기판 상에 구비된 제1 안테나 요소와 제2 안테나 요소를 포함한다. 상기 기판과 상기 제1 및 제2 안테나 요소는 하나의 칩에 포함될 수 있다. 상기 제1 및 제2 아테나 요소는 칩 외부에 구비될 수도 있다. 상기 기판은 실리콘 기판이거나 복수의 소자를 포함하는 하부층일 수 있다. 상기 제1 안테나 요소는 물고기 뼈 모양을 갖는 금속 구조체일 수 있다. 상기 제2 안테나 요소는 다이폴(dipole) 안테나일 수 있다.

Description

근거리 통신용 칩 안테나 및 그 제조방법{Chip antenna for near communication and method of manufacturing the same}

본 개시는 통신기기와 관련된 것으로써, 보다 구체적으로는 근거리 통신용 칩 안테나 및 그 제조방법에 관한 것이다.

안테나는 RF(Radio Frequency) 무선 송수신 시스템을 이루는 주요 요소들 중 하나이다. 안테나의 방사효율과 이득은 무선 송수신 시스템의 파워 효율 측면에서 중요한 변수가 될 수 있다. 이 값들은 무선 송수신 시스템에서 전력소모가 가장 심한 파워 앰프의 파워 부담을 줄여줄 수 있고 시스템의 파워 효율을 높일 수 있으며, 이는 곧 배터리를 사용하는 무선 송수신 시스템의 사용시간을 늘려줄 수 있음을 뜻한다.

이러한 이유로 듀로이드(Duroid)나 TLY, 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramics; LTCC)과 같은 고성능 기판을 사용하여 안테나를 제작할 수 있다. 하지만 이런 오프 칩(off chip) 안테나의 경우, 대개 안테나의 크기가 칩보다 크다. 또, 파워 앰프와 같이 RF 부분의 끝단과 와이어 본딩이나 플립칩 본딩 등의 방법으로 연결할 경우, 임피던스 정합이 필요하고 이러한 과정에서 안테나 자체가 광대역 특성을 가지더라도, 전체 시스템에서 밴드 폭의 제한이 발생할 수 있다. 그러므로, 안테나를 따로 제작해야 하는 비용과, 칩과의 연결에 추가적으로 드는 비용과 노력 등을 고려하면, 오프칩 안테나는 칩 간 통신에 적합하지 못하다.

반면, 온칩 안테나는 실리콘 공정에서 각 요소들 간의 연결을 위해 제공되는 금속 라인 공정을 이용하고, 다른 RF회로와 같은 공정을 사용하기 때문에, 안테나 제작에 별도의 추가적인 비용이 발생하지 않아서 전체 시스템 제작 비용 절감에 유리할 수 있다. 그리고 실리콘의 높은 비유전율로 인해 안테나의 사이즈를 작게 만들 수 있지만, 실리콘의 저항성으로 인한 파워 손실과 높은 비유전율로 인하여 방사효율과 이득이 낮아질 수 있다.

일반적인 다이폴 안테나의 경우, 밴드폭이 넓지 못해 광대역 특성을 요구하는 시스템에 사용하기 어렵다.

본 개시는 대역폭뿐만 아니라 손실 최소화에 따른 안테나 효율 극대화 및 초소형화를 구현할 수 있는 근거리 통신용 칩 안테나를 제공한다.

본 개시는 이러한 칩 안테나의 제조방법을 제공한다.

본 개시에서 일 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나는 기판과 상기 기판 상에 구비된 제1 안테나 요소와 제2 안테나 요소를 포함한다.

이러한 칩 안테나에서, 상기 기판, 상기 제1 및 제2 안테나 요소는 하나의 칩에 포함될 수 있다.

상기 제1 및 제2 아테나 요소는 칩 외부에 구비될 수 있다.

상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다.

상기 기판은 복수의 소자를 포함할 수 있다.

상기 제1 안테나 요소는 절연층으로 덮여 있고, 상기 제2 안테나 요소는 상기 절연층 상에 구비될 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 안테나 요소는 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 제1 안테나 요소는 물고기 뼈 모양을 갖는 금속 구조체일 수 있다.

상기 제2 안테나 요소는 다이폴(dipole) 안테나일 수 있다.

상기 물고기 뼈 모양을 갖는 금속 구조체는 제1 금속배선과, 상기 제1 금속배선의 일 측면에 부착된 복수의 제2 금속배선과, 상기 제1 금속배선의 타 측면에 부착된 복수의 제3 금속배선을 포함하고, 상기 제2 및 제3 금속배선은 상기 제1 금속배선의 길이 방향에 수직할 수 있다.

본 개시에서 일 실시예에 의한 근거리 통신용 안테나의 제조방법은

기판 상에 제1 안테나 요소를 형성하는 과정과, 상기 기판 상에 상기 제1 안테나 요소를 덮는 절연층을 형성하는 과정과, 상기 절연층 상에 제2 안테나 요소를 형성하는 과정을 포함한다.

이러한 제조방법에서, 상기 기판은 실리콘 기판으로 형성할 수 있다.

상기 제1 안테나 요소를 형성하는 과정은,

상기 기판 상에 금속층을 형성하는 과정과, 상기 금속층을 패터닝하여 물고기 뼈 형태의 금속 구조체를 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 제2 안테나 요소는 다이폴 안테나일 수 있다.

개시된 안테나는 와이드 밴드(W-band) 대역의 안테나로써, 다이폴 안테나 밑에 물고기 뼈 모양의 플로팅 메탈(floating metal) 구조체를 구비한다. 이에 따라 다이폴 안테나와 물고기 뼈 구조체 사이에 캐패시턴스가 추가되고, 물고기 뼈 구조 자체의 인덕턴스가 추가되어, 저속파 구조가 형성되고, 결과적으로 칩 안테나 전체의 물리적 크기를 줄일 수 있다. 이를 통해 안테나의 위상속도는 줄어들고, 안테나의 유효 파장 또한 감소하여 실질적으로 안테나 크기를 줄일 수 있다.

또한, 추가된 캐패시턴스와 인덕턴스성분들로 인하여 안테나에 공진점이 많이 발생하는 바, 결과적으로 안테나의 대역폭이 증가될 수 있다.

또한, 상기 물고기 뼈 구조체가 구비됨으로써, 전자파가 실리콘 기판으로 침투되는 것을 방지하여 방사효율 및 안테나 이득이 증가할 수 있다.

상기 구조체를 이루는 세부 요소들(금속배선들)의 폭과 갭을 조절하여 대역폭을 넓일 수 있다. 이에 따라 중심 주파수 대비 21%의 대역폭을 얻을 수 있고, 안테나 이득은 0dB까지 상승하고, 효율은 5% 이상 상승할 수 있다.

개시된 안테나는 광대역과 소형특성을 가져, 고속전송 및 고효율 특성을 갖는 칩간(chip to chip) 무선 통신에 사용될 수 있다. 그리고 안테나는 칩 내에 구비될 수 있는 바, 모바일 통신기기, 메모리, AP, 디플레이 등의 데이터 전송에 적용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 제1 안테나 요소를 분리하여 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 제1 안테나 요소의 등가회로이다.
도 4는 도 1의 칩 안테나가 기판 상에 구비된 경우를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4를 5-5' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나가 칩 외부에 구비된 경우를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나의 삽입손실 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나의 E 플레인 상의 빔 패턴에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나의 H 플레인 상의 빔 패턴에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나 및 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

하기 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 근거리 통신용 칩 안테나(이하, 칩 안테나)체적으로 보여준다.

도 1을 참조하면, 칩 안테나(100)는 제1 안테나 요소(30)와 제2 안테나 요소(50)를 포함한다. 제2 안테나 요소(50)는 제1 안테나 요소(30) 상에 구비될 수 있다. 제2 안테나 요소(50)는, 예를 들면 다이폴 안테나일 수 있다. 제2 안테나 요소(50)는 파워 앰프에 연결되는 연결단자(42)를 갖고 있다. 연결단자(42)를 통해서 상기 파워앰프로부터 파워가 공급된다. 제1 안테나 요소(30)는 물고기 뼈 모양의 금속 구조체일 수 있다. 제1 안테나 요소(30)가 구비됨으로써, 제2 안테나 요소(50)만 존재할 때보다 커패시턴스와 리앤턴스가 추가될 수 있다. 이에 따라 안테나(100)에 저속파 구조가 형성되고, 결과적으로 칩 안테나(100) 전체의 물리적 크기를 줄일 수 있다. 이를 통해 칩 안테나(100)의 위상속도는 줄어들고, 칩 안테나(100)의 유효 파장 또한 감소하여 칩 안테나(100)의 실질적 크기를 줄일 수 있다. 제1 안테나 요소(30)의 존재에 따라 커패시턴스와 인덕턴스 성분들로 추가됨으로 인해 칩 안테나(100)에 공진점이 많이 발생된다. 이 결과, 칩 안테나(100)의 대역폭이 증가될 수 있다.

제2 안테나 요소(50)의 y축과 x축 방향의 전체 폭은 제1 안테나 요소(30)의 y축과 x축 방향의 전체 폭보다 좁을 수 있다. 제2 안테나 요소(50)는 y축 방향으로 제1 안테나 요소(30)의 제1 및 제2 콘택패드(38, 40) 사이에 위치할 수 있다.

도 2는 도 1에서 제1 안테나 요소(30)를 분리하여 나타낸 사시도이다.

도 2를 참조하면, 제1 안테나 요소(30)는 물고기 뼈의 척추에 해당하는 제1 금속배선(32)을 포함하고, 제1 금속배선(32)의 한쪽(일 측면)에 연결된 복수의 제2 금속배선(34)과 다른 쪽(다른 측면)에 연결된 복수의 제3 금속배선(36)을 포함한다. 제2 및 제3 금속배선(34, 36)의 수는 칩 안테나(100)의 설계 조건에 따라 결정될 수 있다. 제2 및 제3 금속배선(34, 36)은 물고기 뼈 구조에서 척추의 양측에 붙어있는 뼈에 해당한다. 제2 및 제3 금속배선(34, 36)은 제1 금속배선(32)의 길이 방향에 수직하게 구비될 수 있다. 제1 금속배선(32)과 제2 및 제3 금속배선(34, 36) 사이의 각은 90도보다 작거나 클 수도 있다. 제2 금속배선(34)의 y축 방향의 길이(34L)는 제1 금속배선(32)의 x축 방향의 길이보다 짧다. 제3 금속배선(36)의 -y축 방향의 길이는 제2 금속배선(34)의 길이(34L)와 동일할 수 있다. 그러나 제2 및 제3 금속 배선(34, 36)의 이러한 길이는 다를 수 있다. 예컨대, 제3 금속 배선(36)의 길이가 제2 금속 배선(34)보다 길거나 짧을 수도 있다. 제2 및 제3 금속배선(34, 36)은 제1 금속배선(32)을 중심으로 마주하고, 일대 일로 대응할 수 있다. 제1 금속배선(32)은 y축 방향으로 제1 폭(32W)을 갖는다. 제2 금속배선(34)은 x축 방향으로 제2 폭(34W)을 갖는다. 제1 폭(32W)과 제2 폭(34W)은 동일하거나 다를 수 있다. 제3 금속배선(36)은 x축 방향으로 제2 금속배선(34)과 동일한 폭을 가질 수 있으나, 다를 수도 있다.

복수의 제2 금속배선(34)은 x축 방향으로 제1 간격(34S)으로 배열되어 있다. 제3 금속배선(36)도 x축 방향으로 제2 금속배선(34)과 동일한 간격으로 배열되어 있으나, 제2 금속배선(34)과 다른 간격으로 배열될 수도 있다.

제1 내지 제3 금속배선(32, 34, 36)의 폭(32W, 34W)과 갭(간격)(34S)은 조절될 수 있고, 이에 칩 안테나(100)의 대역폭이 조절될 수 있는데, 예컨대, 중심 주파수 대비 21%의 대역폭을 얻을 수 있다. 더불어 안테나 이득은 0dB까지 상승하고, 효율은 5% 이상 상승할 수 있다.

복수의 제2 금속배선(34)의 각각의 가장자리 상에 콘택을 위한 제1 금속패드(38)가 마련되어 있다. 복수의 제3 금속배선(36)의 각각의 가장자리 상에도 콘택을 위한 제2 금속패드(40)가 마련되어 있다.

도 3은 도 2의 등가회로를 보여준다.

도 3에서 제1 커패시턴스(C1)는 인접한 2개의 제2 금속배선(34) 혹은 인접한 2개의 제3 금속배선(36)과 그 사이의 절연물질을 포함하여 구성된 커패시터의 커패시턴스를 나타낸다. 제2 커패시턴스(C2)는 제1 안테나 요소(30)와 제2 안테나 요소(50)와 그 사이의 절연물질을 포함하여 구성된 커패시터의 커패시턴스를 나타낸다.

그리고 제1 인덕턴스(L1)는 제2 금속배선(34) 혹은 제3 금속배선(36)에 의한 인덕턴스를 나타내고, 제2 인덕턴스(L2)는 제1 안테나 요소(30) 자체의 인덕턴스를 나타낸다.

제1 안테나 요소(30)가 구비됨에 따라 추가되는 커패시턴스와 인덕턴스가 증가할 수록 칩 안테나(100)의 대역폭이 증가하고, 안테나의 소형화가 가능하다.

도 4는 칩 안테나(100)가 칩(chip) 내의 기판(80) 상에 배치된 경우를 보여준다.

기판(80)과 제2 안테나 요소(50) 사이에 물고기 뼈 모양의 플로팅 금속 구조체인 제1 안테나 요소(30)가 존재한다. 이렇게 제1 안테나 요소(30)가 구비됨으로써, 제2 안테나 요소(50)로부터 방사되는 전자파가 기판(80)에 침투되는 것이 방지될 수 있다. 이에 따라 칩 안테나(100)의 효율이 높아질 수 있는 바, 칩 안테나(100)의 이득도 높아질 수 있다.

도 5는 도 4를 5-5' 방향으로 절개한 단면을 보여준다.

도 5를 참조하면, 기판(80) 상에 제2 금속배선(34)이 존재한다. 제2 금속배선(34)은 절연층(70)으로 덮여 있다. 절연층(70) 상에 제2 안테나 요소(50)가 구비되어 있다. 기판(80)은 단순히 실리콘 기판일 수 있다. 그러나 기판(80)은 복수의 소자(80a)를 포함하는 하부층일 수 있다. 소자(80a)는 칩 안테나(100)를 통한 데이터 송수신에 관여하는 통상적인 소자일 수 있다. 기판(80)은 이러한 소자(80a)에 다른 소자를 더 포함할 수 있다.

칩 안테나(100)는 칩 내에 구비되지만, 칩 외부에 구비될 수도 있다.

일 예로, 도 6을 참조하면, 기판(90) 상에 칩(92)과 칩 안테나(100)가 마련되어 있다. 칩(92)은 무선통신에 관련된 칩일 수 있다. 칩(92)과 칩 안테나(100)는 이격되어 있다. 칩(92)과 칩 안테나는 배선으로 연결되어 있다.

도 7은 개시된 근거리 통신용 칩 안테나(100)의 동작 특성의 하나를 나타낸 것으로, 삽입손실 시뮬레이션 결과를 보여준다.

도 7을 참조하면, -10dB 아래의 주파수 폭이 67GHz~83GHz 대역을 만족함을 알 수 있다.

도 8은 개시된 근거리 통신용 칩 안테나(100)의 동작 특성의 하나로 E 플레인 상의 빔 패턴에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주고, 도 9는 개시된 근거리 통신용 칩 안테나(100)의 H 플레인 상의 빔 패턴에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 안테나 이득이 -1dB를 만족함을 알 수 있다.

다음에는 개시된 칩 안테나(100)의 제조방법을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.

먼저, 기판(80) 상에 제1 안테나 요소(30)를 형성한다. 제1 안테나 요소(30)는 기판(80) 상에 금속층, 예를 들면 Al층 또는 Cu층 등을 형성한 다음, 사진 및 식각 공정을 이용하여 상기 금속층을 패터닝하여 물고기 뼈 형태의 금속 구조체를 형성할 수 있다. 이렇게 형성되는 물고기 뼈 형태의 금속 구조체는 도 2에서 설명한 것과 같을 수 있다.

다음, 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 안테나 요소(30)를 덮는 절연층(70)을 기판(80) 상에 형성한다. 절연층(70)은, 예를 들면 실리콘 산화물일 수 있다. 이어서 절연층(70) 상에 제2 안테나 요소(50)를 형성한다. 제2 안테나 요소(50)도 제1 안테나 요소(30)와 마찬가지로 금속층을 형성한 다음, 이를 패터닝하여 형성할 수 있다. 이때, 연결단자(42)와 제1 및 제2 금속패드(38, 40)도 함께 형성되도록 상기 금속층을 패터닝할 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

30, 50:제1 및 제2 안테나 요소 32, 34, 36:제1 내지 제3 금속배선
32W, 34W:제1 및 제2 폭 34L:제2 금속배선의 y축 방향길이
34S:제1 간격 38, 40:제1 및 제2 금속패드
70:절연층 80, 90:기판
92:칩 100:칩 안테나
C1, C2:제1 및 제2 커패시턴스 L1, L2:제1 및 제2 인덕턴스

Claims

기판;
상기 기판 상에 구비된 제1 안테나 요소; 및
상기 제1 안테나 요소 상에 구비된 제2 안테나 요소;를 포함하는 근거리 통신용 칩 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 기판, 상기 제1 및 제2 안테나 요소는 하나의 칩에 포함된 근거리 통신용 칩 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 아테나 요소는 칩 외부에 구비된 근거리 통신용 칩 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 복수의 소자를 포함하는 하부층인 근거리 통신용 칩 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 안테나 요소는 절연층으로 덮여 있고,
상기 제2 안테나 요소는 상기 절연층 상에 구비된 근거리 통신용 칩 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 안테나 요소는 물고기 뼈 모양을 갖는 금속 구조체인 근거리 통신용 칩 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 안테나 요소는 다이폴 안테나인 근거리 통신용 칩 안테나.
제 6 항에 있어서,
상기 물고기 뼈 모양을 갖는 금속 구조체는,
제1 금속배선;
상기 제1 금속배선의 일 측면에 부착된 복수의 제2 금속배선; 및
상기 제1 금속배선의 타 측면에 부착된 복수의 제3 금속배선;을 포함하고,
상기 제2 및 제3 금속배선은 상기 제1 금속배선의 길이 방향에 수직한 근거리 통신용 칩 안테나.
기판 상에 제1 안테나 요소를 형성하는 단계;
상기 기판 상에 상기 제1 안테나 요소를 덮는 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층 상에 제2 안테나 요소를 형성하는 단계;를 포함하는 근거리 통신용 칩 안테나 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 기판은 실리콘 기판으로 형성하는 근거리 통신용 칩 안테나 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 기판은 복수의 소자들을 포함하는 근거리 통신용 칩 안테나 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 안테나 요소를 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 금속층을 형성하는 단계; 및
상기 금속층을 패터닝하여 물고기 뼈 형태의 금속 구조체를 형성하는 단계;를 포함하는 근거리 통신용 칩 안테나 제조방법.
제 9 항에 있어서,
상기 제2 안테나 요소는 다이폴 안테나인 근거리 통신용 칩 안테나 제조방법.
제 12 항에 있어서,
상기 물고기 뼈 형태의 금속 구조체는,
제1 금속배선;
상기 제1 금속배선의 일 측면에 부착된 복수의 제2 금속배선; 및
상기 제1 금속배선의 타 측면에 부착된 복수의 제3 금속배선;을 포함하고,
상기 제2 및 제3 금속배선은 상기 제1 금속배선의 길이 방향에 수직한 근거리 통신용 칩 안테나의 제조방법.