KR20200025471A - 적층 pcb 제조 공법을 이용한 fbar 듀플렉서 설계 방법 및 그 방법으로 제작된 fbar 듀플렉서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기존 FBAR 듀플렉서가 실장된 단층 PCB의 크기를 줄이기 위해 적층 PCB 소형화와, FBAR 필터를 실장하기 위한 적층 PCB의 각 층별 높이 설정, FBAR 듀플렉서 특성을 개선하기 위한 인덕터 튜닝, 송수신 분리하기 위한 위상변환기 튜닝에 관한 기술로서, 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하는 수신 대역 필터와, 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하는 송신 대역 필터와, 수신 대역 필터 및 송신 대역 필터 사이에 위치하여 수신 대역 필터가 수신한 신호의 위상을 변환하는 위상변환기를 포함한다.
Description
본 발명은 적층 PCB 제조 공법을 이용한 FBAR 듀플렉서 설계 방법 및 그 방법으로 제작된 FBAR 듀플렉서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존 FBAR 듀플렉서가 실장된 단층 PCB의 크기를 줄이기 위해 적층 PCB 소형화와, FBAR 필터를 실장하기 위한 적층 PCB의 각 층별 높이 설정, FBAR 듀플렉서 특성을 개선하기 위한 인덕터 튜닝, 송수신 분리하기 위한 위상변환기 튜닝에 관한 기술이다.
FBAR 소자란, BAW(bulk acoustic wave)를 이용한 박막 형태 공진기를 나타내는 용어로 FBAR(film bulk acousic wave resonator), TFBAR(thin file bulk acoustic wave resonator), TFR(thin film bulk acoustic wave resonator) 등을 사용하며, 이 밖에도 BAWR, piezoelectic, HBAR(high overtone bulk acoustic wave resonator)등도 사용한다.
종래 몇몇 연구자들은 박막형 공진기 제조 시 기판으로 Si, GaAs같은 반도체 기판을 사용하였기 때문에, SBAR(smiconductor bulk acoustic wave resonator)라는 용어를 사용하지만, BAW를 이용한 박막형 공진기를 가장 보편화된 용어인 'FBAR'로 통칭된다.
FBAR 소자의 출현은 크게 두 가지 흐름으로 볼 때, 첫 번째로 전자기파 소자보다는 음향파 소자가 이동 통신 부품의 소형화에 더욱 적합한데, 그 이유는 기존의 전자파기파를 이용한 경우, 전자기 파장에 비례하는 크기를 갖는 캐비티 공진기(cavity resonator)이나 유전체 공진기는 그 크기가 수 내지 수십 cm로 매우 크므로 이들 소자는 송소단박화의 추세가 되고 있다.
하지만 전자기파보다 104 내지 105 배 정도로 파장이 짧은 음향파를 이용하면, 그 음향파의 파장에 비례하는 크기의 매우 작은 공진기 소자를 만들 수 있다. 이러한 음향파를 이용하는 소자로 SAW(surface acoustic wave)소자와 FBAR소자가 있다.
현재 SAW소자는 양산화되어 다양한 분야에 사용 중이지만, 고주파수화, 고전력화, 고품질화의 한계에 도달하여 이에 대한 많은 개선 작업이 진행중에 있어 그 대안으로 차세대 음향파 소자로써 FBAR 소자에 대한 사용화 가능성이 점차 부각되고 있는 실정이다.
FBAR(Film Bulk Acoustic wave Resonator) 소자에는 공진기(Resonator), 대역통과필터(BPF, Band Pass Filter), 듀플렉서(DPX, Duplexer), 퀸트플렉서(QPX, Quintplexer) 등이 있으며, 이 소자들은 핸드폰 단말기나 중계기 등에 사용되며, 무선통신에 사용되는 특정주파수만 걸러주는 역할을 한다.
FBAR 공진기의 기본구조는 샌드위치 구조인데, 중간층은 반드시 압전체박막이며, 상하부에는 전극이 감싸고 있는데, 상하부 전극 바깥부분으로 실리콘산화막(SiO2)이 있다.
일반적인 공진기는 상하부전극에 고주파신호가 인가되었을 때, 특정 주파수에서 임피던스가 최소(직렬공진)가 되던지, 최대(병렬공진)가 된다. FBAR 공진기의 특징은 직렬과 병렬공진주파수가 인접하여 나타난다. 공진이 일어나는 원리는 외부 고주파 전기신호가 상하부 전극에 인가되면, 압전체에 의해서 기계적인 진동으로 바뀌게 되는데, 이 진동은 공진기 샌드위치 구조와 물성에 의해서 결정된다. 즉, 이 진동은 기계적인 구조와 물성에 영향을 받으며, 압전체 내에서 다이폴이 진동하는 결과를 나타낸다. 진동하는 다이폴은 입력되는 전기신호의 주파수와 반응하게 되는데, 직렬공진주파수에서 임피던스가 최소(대략 1Ω이하)가 되는 직렬공진이 먼저 발생하고, 병렬공진주파수에서 임피던스가 최대(보통 2kΩ이상)가 되는 병렬공진이 발생한다.
이러한 FBAR 공진기들을 몇 개 이용하여 사다리망 회로에 적절하게 배치하면, 원하는 특별한 대역의 주파수만 골라 통과시킬 수 있는데, 이러한 소자를 대역통과필터(BPF, Band Pass Filter)라고 한다.
무선통신의 경우, 송신(Tx)과 수신(Rx) 경로는 서로 다른 주파수를 사용하므로 송신 대역통과필터(Tx BPF)와 수신 대역통과필터(Rx BPF)는 서로 다른 주파수를 통과시킨다. 보통 휴대폰 단말기의 안테나 하나로 송신과 수신을 하므로, 안테나 밑에 연결된 필터는 송신필터(Tx BPF)와 수신필터(Rx BPF)인데, 이 두 필터를 하나로 묶어 놓은 소자를 FBAR 듀플렉서(DPX, Duplexer)라 한다.
도 1을 참조하면, 기존 단층 PCB의 제품은 수신 대역 필터 및 송신 대역 필터를 실장하고 수신 대역 필터와 송신 대역 필터 사이에 수신 신호의 위상변환을 위해 위상변환기가 있는 구조이기 때문에 제품의 크기가 큰 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사항을 고려하여 제안된 것으로, 기존 FBAR 듀플렉서가 실장된 단층 PCB의 크기를 줄이기 위해 적층 PCB 소형화와, FBAR 필터를 실장하기 위한 적층 PCB의 각 층별 높이 설정, FBAR 듀플렉서 특성을 개선하기 위한 인덕터 튜닝, 송수신 분리하기 위한 위상변환기 튜닝을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 적층PCB 제조 공법을 이용한 FBAR 듀플렉서 설계 방법 및 그 방법으로 제작된 FBAR 듀플렉서는, 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하는 수신 대역 필터와, 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하는 송신 대역 필터와, 상기 수신 대역 필터 및 상기 송신 대역 필터 사이에 위치하여 상기 수신 대역 필터가 수신한 신호의 위상을 변환하는 위상변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 100, 110, 120 인덕터는 와이어 형태의 인덕터이고, 130 인덕터와, 140 인덕터는 나선 라인(Spiral line) 형태의 인덕터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 150, 160, 170, 180, 200 인덕터는 와이어 현태의 인덕터이고, 190 인덕터는 나선(Spiral line) 형태의 인덕터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 230 위상변환기는 PCB 내 마이크로스타립 형태로 분기 라인(distributed line) 형태를 구성된 위상변환기인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 수신 대역 필터(210) 및 송신 대역 필터(220)는 적어도 하나의 공진기를 포함하고, 상기 공진기는 FBAR(Film bulk acoustic resonator)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 수신 대역 필터(210) 및 상기 송신 대역 필터(220)는 실리콘 웨이퍼 위에 제작된 FBAR 필터인 것을 특징으로 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 적층PCB 제조 공법을 이용한 FBAR 듀플렉서 설계 방법 및 그 방법으로 제작된 FBAR 듀플렉서에 따르면,
첫째, 수신 대역 필터 및 송신 대역 필터 사이에 위치하여 수신 대역 필터가 수신한 신호의 위상을 변환하고, 위상변환기를 적층PCB에 포함함으로써 작은 크기의 듀플렉서로 제작할 수 있다.
둘째, 본 발명의 FBAR 공진기 소자의 Q 값은 2GHz에서 최고 1600에 이르는데, 이는 기존 유전체 공진기나 SAW공진기에 비해 월등히 우수한 특성이다.
도 1은 종래의 단층 PCB의 제품의 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBAR 듀플렉서의 송신필터와 수신필터로 구성된 적층 듀플렉서의 회로도.
도 3 및 도 4는 도 2의 회로도를 기반으로 제작된 적층 PCB의 3D 모델링 도면.
도 5는 통상적인 듀플렉서의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBAR 듀플렉서의 송신 대역 필터, 수신 대역 필터, 위상변환기를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBAR 듀플렉서의 송신필터와 수신필터로 구성된 적층 듀플렉서의 회로도.
도 3 및 도 4는 도 2의 회로도를 기반으로 제작된 적층 PCB의 3D 모델링 도면.
도 5는 통상적인 듀플렉서의 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBAR 듀플렉서의 송신 대역 필터, 수신 대역 필터, 위상변환기를 나타낸 도면.
이하, 상기와 같은 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
최근 무선 이동 통신은 음성, 문자, 동영상, 실시간 중계 등 멀티미디어 무선 인터넷 서비스와 같은 다양한 서비스가 제공되고 있고, 이러한 고품질의 서비스 제공을 위해서는 현재 2, 3세대에서 사용되고 있는 주파수(2 GHz 대역) 뿐만 아니라, 테헤르츠(THz)의 높은 주파수 대역까지 확장 되리라 예상되고 무선 통신 부품에 대한 수요가 급격히 증가하고 있는 추세이다.
특히 스마트팩토리 관련하여 이동통신용 시스템 및 휴대용 단말기의 RF부품들에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있으며 안테나, 전력 증폭기, 믹서 등과 같은 RF핵심 부품들과는 달리 아직 필터의 경우에는 아직까지도 온칩화가 되지 못하고 외장소자로만 구현되고 있어서 단말기의 소형 및 경량화의 문제로 남아있는 실정이다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 압전 박막을 이용한 공진기인 FBAR(Film Bulk Acoustic Wave Resonator)의 연구가 활발히 진행되고 있다. FBAR 박막형 필터는 반도체 기판인 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs)에 압전 유전 물질인 ZnO, AlN을 RF 스퍼터링 방법으로 직접 증착해 압전 특성으로 인한 공진을 유발하는 박막 형태의 소자를 필터로 구현한 것이다.
이는 박막 소자로 저가격, 초소형이면서 고품질(high Q)계수의 특성이 가능하므로 각종 주파수 대역(900 MHz ~ 10 GHz)의 무선통신기기, 군용 레이더 등에 사용가능하다.
또한 유전체 필터보다 수백분의 1 이하 크기로 초소형화가 가능하고 탄성파(SAW) 소자 보다 삽입 손실이 매우 작다는 특성을 가지고 있다. 따라서 안정성이 높고 고품질계수를 요구하는 MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit)에 사용이 가능하여 모든 면에서 차세대 무선 이동 통신용 필터에 가장 적합하다고 할 수 있다.
많은 FBAR에 대한 연구는 MEMS (MicroElectroMechanical System) 공정의 발전에 따라 Si3N4와 SiO2와 같은 수 마이크론의 멤브레인을 이용한 공진기 제조에 초점을 맞추어 왔다.
그리고, MEMS 공정의 발달과 함께 제작 공정 상 필요했던 멤브레인을 표면 미세가공법을 이용하여 제거함으로써 이상적인 공진기에 가깝게 공진기 영역의 상하부 경계를 모두 air로 형성시킬 수 있는 air-gap형 공진기가 있고 λ/4두께의 임피던스 차가 큰 재료의 적층에 의한 기판의 전체적인 임피던스를 최소화 시킬 수 있는 Bragg 반사층을 이용한 FBAR 연구가 관심을 끌고 있다.
원리적으로 탄성파 전파와 공진을 위해서 탄성에너지를 저장할 수 있는 영역이 필요하다. 탄성에너지의 저장 즉, standing acoustic wave의 형성에는 소자의 경계조건이 임피던스가 0인 air 또는 vacuum상태를 만족시켜야 한다. Bragg 반사층형 공진기는 acoustic mirror를 형성하여 기판의 임피던스를 제어하여 제조 공정 측면에서 다른 형태에 비해 적은 노광공정이 필요했지만, 현재는 선택적인 반사층막을 제조하는데 따른 부가적인 노광공정이 필요하고 여러 개의 다층 박막 공정이므로 각 박막의 응력 조절과 정확한 두께 제어가 어려운 문제로 인해 사업화에 어려움이 있다.
1990년대 후반 RF(Radio Frequency)회로 분야와 MEMS기술 융합되면서 RF-MEMS라는 용어를 생겨나 많은 연구자들의 관심을 끌기 시작하였다. 이러한 기술은 최근 SoC(Silicon on Chip), SoP(System on Package)의 가능성을 실현 할 수 있는 하나의 기술로 주목 받고 있는 시점에서 SAW Filter를 대용할 수 있고 SoC가 가능한 FBAR에 적용하여 초소형의 대역통과 여파기 제작 기술 개발에 많은 연구 인력이 관심을 보이고 있다.
Agilent사는 MEMS 기술을 이용한 FBAR 필터 시제품을 2001년에 선보였고, 일본 Fujitsu연구소와 Fujitsu 미디어디 바이스社는 공동으로 5 GHz대 무선LAN규격(IEEE 802.11a)에 처음으로 준거한 압전 박막 공진기 필터를 개발 실용화를 눈앞에 두고 있다. 이번에 개발할 FBAR 필터의 특징은 실리콘 웨이퍼 상에 상하의 전극에 존재하도록 압전박막을 형성하고 실리콘 웨이퍼 바깥 면에서 MEMS (Reactive Ion Etching) 법에 의해 cavity를 형성하고 공진기를 만들게 된다. 이 공진기들을 직렬과 병렬로 구성하고 병렬 공진기에 mass loading 통한 주파수 조정 공정을 거쳐 제조된 필터의 특성은 탄성에너지가 cavity중에 갇히게 되기 때문에 낮은 에너지 손실을 기대할 수 있고 미세한 전극 패턴의 형성이 불필요하기 때문에 약 10 GHz의 주파수까지 대응이 가능해진다. 또한 FBAR 필터의 주파수는 전극과 압전 박막의 두께로 결정되므로 두께를 조정함으로써 다른 주파수 대역에도 쉽게 적용이 가능해 진다.
본 발명은 일 실시예에 따른 FBAR 듀플렉서는 적층 PCB 구조를 갖는 듀플렉서로서, 하나 이상의 인덕터를 포함하는 수신 대역 필터와 하나 이상의 인덕터를 포함하는 송신 대역 필터는 탑(Top)층에 배치된다.
또한, 상기 수신 대역 필터와 상기 송신 대역 필터 사이에 위치한다.
또한, 상기 수신 대역 필터가 수신한 신호의 위상을 변화시키는 위상변환기는 적층 PCB내 포함된다.
또한, 각 층의 높이는 균일한 전자계가 구성이 될 수 있도록 적층 PCB의 두께는 [표 1]에 따라 제작해야 된다.
| 층 | 구분 | 두께 | 단위 |
| 4충 | Gold PLATE | 0.08 | ㎛ |
| Pd | 0.2 | ㎛ | |
| Ni | 5 | ㎛ | |
| COPPER | 20 | ㎛ | |
| COPPER | 12 | ㎛ | |
| Pre-Preg(PPE) | 400 | ㎛ | |
| 3층 | BASE COPPER | 12 | ㎛ |
| PPE | 200 | ㎛ | |
| 2층 | BASE COPPER | 12 | ㎛ |
| Pre-Preg(PPE) | 200 | ㎛ | |
| 1층 | COPPER | 12 | ㎛ |
| COPPER | 20 | ㎛ | |
| Ni | 5 | ㎛ | |
| Pd | 5 | ㎛ | |
| Gold PLATE | 0.08 | ㎛ | |
| 총 합계 | 903.36 | ㎛ |
수신 대역 필터 및 송신 대역 필터 사이에 위치하여 수신 대역 필터가 수신한 신호의 위상을 변환하고, 위상변환기를 적층 PCB에 포함함으로써 작은 크기의 듀플렉서로 제작할 수 있다.
도 2는 송신필터(210)와 수신필터(220)로 구성된 적층 듀플렉서의 회로도이며, 송신필터와 수신필터의 신호의 위상차를 바꾸기 위해 위상변환기(230)가 삽입되어 있다.
도 3 및 도 4는 도 2의 회로도를 기반으로 만든 적층 PCB의 3D 모델링이다.
도 5는 통상적인 듀플렉서의 구성을 나타내는 도면이다. 듀플렉서는 수신 대역 필터(10), 송신 대역 필터(20), 위상변환기(30)을 포함한다.
듀플렉서(40)에서 송신 대역 필터(10)는 안테나 포트를 통해서 신호를 출력한다. 출력하는 신호는 모두 안테나 포트를 통해서 출력되어야 하고, 수신 대역 필터(20)로 들어가서는 안 된다. 출력하는 신호가 수신 대역 필터로 들어가는 것을 막기 위하여 위상변환기(30)를 포함한다.
위상변환기(30)를 포함하는 듀플렉서에서 위상변환기(30)는 λ/4길이로 인해 점유하는 면적이 크다.
도 6을 참조하면, 본 발명 일 실시예에 따른 듀플렉서(300)는 송신 대역 필터(210), 수신 대역 필터(220), 위상변환기(230)을 포함한다.
송신 대역 필터(210)는 반사손실을 방지하기 위하여 인덕터(130, 140)를 분기 라인(distributed line)으로 갖는다.
수신 대역 필터(220)는 감쇄특성을 조정하기 위하여 인덕터(190)를 분기 라인(distributed line)으로 갖는다.
위상변환기(230)는 신호 위상을 변환하기 위하여 마이크로스티립 형태의 분기 라인(distributed line)으로 위상변환기(230)를 갖는다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
Claims (6)
- 적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하는 수신 대역 필터와,
적어도 하나 이상의 인덕터를 포함하는 송신 대역 필터와,
상기 수신 대역 필터 및 상기 송신 대역 필터 사이에 위치하여 상기 수신 대역 필터가 수신한 신호의 위상을 변환하는 위상변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 FBAR 듀플렉서. - 제 1항에 있어서,
100, 110, 120 인덕터는 와이어 형태의 인덕터이고,
130 인덕터와, 140 인덕터는 나선 라인(Spiral line) 형태의 인덕터인 것을 특징으로 하는 FBAR 듀플렉서. - 제 2항에 있어서,
150, 160, 170, 180, 200 인덕터는 와이어 현태의 인덕터이고,
190 인덕터는 나선(Spiral line) 형태의 인덕터인 것을 특징으로 하는 FBAR 듀플렉서. - 제 3항에 있어서,
230 위상변환기는 PCB 내 마이크로스타립 형태로 분기 라인(distributed line) 형태를 구성된 위상변환기인 것을 특징으로 하는 FBAR 듀플렉서. - 제 4항에 있어서,
수신 대역 필터(210) 및 송신 대역 필터(220)는 적어도 하나의 공진기를 포함하고, 상기 공진기는 FBAR(Film bulk acoustic resonator)인 것을 특징으로 하는 FBAR 듀플렉서. - 제 5항에 있어서,
상기 수신 대역 필터(210) 및 상기 송신 대역 필터(220)는 실리콘 웨이퍼 위에 제작된 FBAR 필터인 것을 특징으로 하는 FBAR 듀플렉서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180102875A KR20200025471A (ko) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | 적층 pcb 제조 공법을 이용한 fbar 듀플렉서 설계 방법 및 그 방법으로 제작된 fbar 듀플렉서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020180102875A KR20200025471A (ko) | 2018-08-30 | 2018-08-30 | 적층 pcb 제조 공법을 이용한 fbar 듀플렉서 설계 방법 및 그 방법으로 제작된 fbar 듀플렉서 |
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| KR20200025471A true KR20200025471A (ko) | 2020-03-10 |
Family
ID=69800971
Family Applications (1)
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| KR (1) | KR20200025471A (ko) |
-
2018
- 2018-08-30 KR KR1020180102875A patent/KR20200025471A/ko unknown
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