KR20210039569A - 도파관 집적 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도파관 집적 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 유리를 기판 소재로 사용하고, 이러한 유리기판을 사용함에 따라 이에 최적화되도록 유리기판의 두께, 유리기판에 형성되는 비아의 직경, 이웃하는 비아 간의 피치를 조절함으로써, 삽입 손실을 줄이고 비용 효율성 또한 확보할 수 있도록 유리기판에 최적화된 기판 집적형 도파관 구조를 제공할 수 있는 도파관 집적 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장되고, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 상, 하면을 관통하는 형태로 형성되고, 상기 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열되며, 금속으로 이루어진 복수 개의 비아; 상기 베이스 기판의 상면에 형성되고, 상기 복수 개의 비아와 연결되는 상부 도전체; 및 상기 베이스 기판의 하면에 형성되고, 상기 복수 개의 비아를 매개로 상기 상부 도전체와 연결되는 하부 도전체를 포함하고, 서로 이웃하는 상기 비아 간의 피치(P)는 상기 비아의 직경(D) 대비 2배 내지 8배인 도파관 집적 기판 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

도파관 집적 기판 및 그 제조방법{WAVEGUIDE INTEGRATED SUBSTRATE AND FABRICATING METHOD THEREOF}

본 발명은 도파관 집적 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 유리를 기판 소재로 사용하고, 이러한 유리기판을 사용함에 따라 이에 최적화되도록 유리기판의 두께, 유리기판에 형성되는 비아의 직경, 이웃하는 비아 간의 피치를 조절함으로써, 삽입 손실(Insertion Loss)을 줄이고 비용 효율성 또한 확보할 수 있도록 유리기판에 최적화된 기판 집적형 도파관 구조(Substrate Integrated Waveguide, SIW)를 제공할 수 있는 도파관 집적 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

5G 등 수십 ㎓ 이상 초고주파수(mmWave 대역)에서 사용되는 RF 부품 제조에 쓰이는 기판은 기판 자체의 유전 손실과 표면 품질 등의 이슈 때문에, FR4 등과 같은 기존 기판을 mmWave 대역의 RF 부품용 기판으로 사용하는 어렵다. 여기서, mmWave 대역의 RF 부품용 기판 소재로는 테프론(Teflon) 등의 소재와 더불어 유리도 고려되고 있다. 이들 소재는 낮은 유전손실과 뛰어난 표면품질, 정밀 가공성 등의 장점을 갖고 있다.

기판 집적형 도파관(Substrate Integrated Waveguide; SIW) 구조는 비아 월(Via Wall)을 통해 전자기파의 방사 손실을 막아줌으로써 낮은 삽입 손실을 가능하게 하고 높은 품질 계수(Q factor)도 구현할 수 있어, mmWave 대역에 적합한 전자기파 전송수단으로 활용되고 있다.

한편, 유리를 기판 집적형 도파관의 기판 소재로 사용하는 경우 기존 소재 대비 상대적으로 작은 비아를 보다 정밀하게 최소 오차로 구현할 수 있어, 삽입 손실을 더욱 낮춘 우수한 품질의 RF 부품 제조가 가능할 것으로 예상된다. 하지만, 현재까지 유리를 기판 집적형 도파관의 기판 소재로 사용하여 RF 부품을 제조한 경우가 거의 없고, 이에 따라, 유리 기판에 최적화된 효율적인 비아의 크기(직경) 및 형상, 배열되는 비아의 형성 개수 및 서로 이웃하는 비아들 간의 피치, 기판의 두께, 도전체의 두께 등에 대한 최적화 설계 또한 진행된 사례가 없다.

대한민국 등록특허공보 제10-1812490호(2017.12.20.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유리를 기판 소재로 사용하고, 이러한 유리기판을 사용함에 따라 이에 최적화되도록 유리기판의 두께, 유리기판에 형성되는 비아의 직경, 이웃하는 비아 간의 피치를 조절함으로써, 삽입 손실을 줄이고 비용 효율성 또한 확보할 수 있도록 유리기판에 최적화된 기판 집적형 도파관 구조를 제공할 수 있는 도파관 집적 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장되고, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 상, 하면을 관통하는 형태로 형성되고, 상기 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열되며, 금속으로 이루어진 복수 개의 비아; 상기 베이스 기판의 상면에 형성되고, 상기 복수 개의 비아와 연결되는 상부 도전체; 및 상기 베이스 기판의 하면에 형성되고, 상기 복수 개의 비아를 매개로 상기 상부 도전체와 연결되는 하부 도전체를 포함하고, 서로 이웃하는 상기 비아 간의 피치(P)는 상기 비아의 직경(D) 대비 2배 내지 8배인 도파관 집적 기판을 제공한다.

여기서, 상기 비아는 30㎛ ~ 200㎛의 직경(D)을 가질 수 있다.

또한, 상기 베이스 기판은 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 가질 수 있다.

그리고 상기 비아는 원기둥, 원뿔 및 모래시계 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 상부 도전체는 100㎚ ~ 10㎛의 두께를 가질 수 있다.

그리고 상기 상부 도전체는 패턴을 이루고, 상기 하부 도전체는 상기 베이스 기판의 하면 전체에 형성될 수 있다.

한편, 본 발명은, 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장되고, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판을 준비하는 제1 단계; 상기 베이스 기판의 상, 하면을 관통하는 형태로 상기 베이스 기판을 천공하여 상기 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열되는 복수 개의 비아 홀을 형성하는 제2 단계; 상기 베이스 기판의 상, 하면을 도금하되, 상기 복수 개의 비아 홀이 채워지도록 도금하는 제3 단계; 및 상기 베이스 기판의 상면에 형성된 도금층을 패터닝하는 제4 단계를 포함하고, 상기 제2 단계에서는 서로 이웃하는 상기 비아 홀 간의 피치(P)가 상기 비아 홀의 직경(D) 대비 2 내지 8배가 되도록 상기 베이스 기판을 천공하여 상기 복수 개의 비아 홀을 형성하는 도파관 집적 기판 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 제2 단계에서는 레이저를 사용하여 상기 복수 개의 비아 홀을 상기 베이스 기판에 형성할 수 있다.

또한, 상기 제2 단계에서는 에칭 공정을 통해 상기 복수 개의 비아 홀을 상기 베이스 기판에 형성할 수 있다.

그리고 상기 제2 단계에서는 30㎛ ~ 200㎛의 직경(D)을 갖도록 상기 비아 홀을 형성할 수 있다.

또한, 상기 제2 단계에서는 원기둥, 원뿔 및 모래시계 중 어느 하나의 형상으로 상기 비아 홀을 형성할 수 있다.

그리고 상기 제1 단계에서는 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 갖는 상기 베이스 기판을 준비할 수 있다.

또한, 상기 제3 단계에서는 상기 도금층이 100㎚ ~ 10㎛의 두께를 갖도록 도금할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유리를 기판 소재로 사용하고, 이러한 유리기판을 사용함에 따라 이에 최적화되도록 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 갖는 유리기판을 사용하고, 유리기판에 형성되는 비아(Via)가 30㎛ ~ 200㎛의 직경(D)을 갖도록 비아의 형성 크기를 조절하며, 서로 이웃하는 비아 간의 피치(P)가 비아의 직경(D) 대비 2배 내지 8배가 되도록, 유리기판에 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열되는 비아들 간의 피치(P)를 조절함으로써, 삽입 손실을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 비용이 가장 적게 드는 형상으로 비아를 형성하고, 유리 소재로 이루어진 기판의 상, 하면에 도금되는 도전체의 두께를 비아와 연결되는 범위에서 가능한 한 얇게 형성함으로써, 비용 효율성 또한 확보할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 유리 소재로 이루어진 기판에 최적화된 기판 집적형 도파관 구조를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 도파관 집적 기판을 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 도파관 집적 기판을 나타낸 단면도이다.
도 3은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 100㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 다양한 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 200㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 다양한 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 300㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 다양한 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 100㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 200㎛ / 2,000㎛ 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 SIW 전송 라인을 따라 전자장 분포와 손실을 시뮬레이션한 결과이다.
도 7은 비아의 다양한 형상을 나타낸 모식도이다.
도 8은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 도 7의 원기둥, 원뿔, 모래시계 형상으로 이루어지고(직경 100㎛) 피치가 200㎛인 비아를 갖는 무알칼리 유리에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 유리기판의 다양한 두께를 나타낸 모식도이다.
도 10은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 도 9에 나타낸 유리기판의 두께(0.25㎜ vs 0.5㎜)를 갖는 무알칼리 유리에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 전송 라인의 길이가 30㎜인 경우이고, (b)는 전송 라인의 길이가 60㎜인 경우에 대한 삽입 손실 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 도전체의 두께 변화를 나타낸 모식도이다.
도 12는 은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 도전체의 다양한 두께를 갖는 무알칼리 유리에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 어떠한 실시예들에 따른 도파관 집적 기판의 설치 상태를 보여주는 도면이다.
도 14는 어떠한 실시예들에 따른 도파관 집적 기판의 배치를 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 도파관 집적 기판 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 도파관 집적 기판(100)은 무선통신 부품, 예컨대, RF 안테나에 사용되는 기판으로, 베이스 기판(110), 복수 개의 비아(120), 상부 도전체(131) 및 하부 도전체(132)를 포함하여 형성된다.

베이스 기판(110)은 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장된다. 본 발명의 실시 예에서, 베이스 기판(110)은 유리 소재로 이루어진다. 유리는 낮은 유전손실과 뛰어난 표면품질, 그리고 정밀 가공성 등의 장점을 갖기 때문에 mmWave 대역의 무선통신 부품용 도파관 집적 기판(100)의 베이스 기판(110) 소재로 적합하다. 반면, FR4 등 종래의 기판은 기판 자체의 유전손실과 표면품질 등의 이슈 때문에 mmWave 대역용 무선통신 부품에 사용되는 기판으로는 적합하지 않다.

본 발명의 실시 예에서, 베이스 기판(110)은 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 가질 수 있다. 이때, 이러한 베이스 기판(110)의 두께는 베이스 기판(110)이 유리 소재로 이루어졌을 때 삽입 손실을 최소화할 수 있는 범위로 설정된 것이다. 또한, 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장된 베이스 기판(110)의 길이가 증가되면 베이스 기판(110)의 길이가 짧을 때보다 삽입 손실이 증가된다. 그리고 베이스 기판(110)의 길이가 동일한 경우 상기 범위의 두께를 갖는 베이스 기판(110)과 이 범위를 벗어난 두께를 갖는 베이스 기판의 삽입 손실 차이는 베이스 기판(110)의 길이가 증가될 때 더 커지는 경향을 나타낸다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 유리 소재로 이루어진 베이스 기판(110)에 최적화된 기판 집적형 도파관 구조를 제공하기 위한 일환으로, 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 갖는 베이스 기판(110)을 구비한다.

여기서, 하기에서는 유리 소재로 이루어진 베이스 기판(110)의 종류를 무알칼리 유리 및 용융 실리카 유리로 예시하였으나, 베이스 기판(110)을 반드시 이들 유리 조성으로 한정하는 것은 아니다.

비아(Via)(120)는 베이스 기판(110)의 상면과 하면(도면 기준)을 관통하는 형태로 형성된다. 본 발명의 실시 예에서 비아(120)는 베이스 기판(110)에 형성되어 있는 비아 홀에 금속이 채워져 이루는 금속 기둥을 의미한다.

이러한 비아(120)는 복수 개로 구비되고 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열된다. 이때, 본 발명의 실시 예에서는 복수 개의 비아(120)가 2열로 배열되는 구조를 예시하였으나, 이는 일례일 뿐, 복수 개의 비아(120)는 상부 도전체(131)가 이루는 RF 안테나 패턴에 따라 다양한 구조로 배열될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 베이스 기판(110)에 형성되는 비아(120)의 직경(D) 및 서로 이웃하는 비아(120) 간의 피치(P)는 유리 소재로 이루어지는 베이스 기판(110)에 최적화된 범위로 형성된다. 즉, 본 발명의 실시 예에서, 비아(120)의 직경(D)과 서로 이웃하는 비아(120) 간의 피치(P)는 유리 소재로 이루어지는 베이스 기판(110)을 기반으로 하는 도파관 집적 기판(100)의 삽입 손실을 최소화할 수 있는 범위로 형성된다.

본 발명의 실시 예에서, 서로 이웃하는 비아(120) 간의 피치(P)는 비아(120)의 직경(D) 대비 2배 내지 8배로 형성된다. 이때, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판(110)은 예컨대, 레이저를 이용하여 미세 천공이 가능하다. 이에 따라, 비아(120)의 직경(D)은 30㎛ ~ 200㎛로 형성될 수 있다. 비아(120)의 직경(D), 서로 이웃하는 비아(120) 간의 피치(P)에 따른 삽입 손실에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

한편, 도 7에 도시한 바와 같이, 비아(120)는 삽입 손실에 영향을 주지 않는 범위에서 원기둥, 원뿔 및 모래시계 등의 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 비아(120)는 삽입 손실에 영향을 주지 않는 상기의 형상들 중에서 비용 효율성을 고려하여 적절한 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

상부 도전체(131)는 베이스 기판(110)의 상면에 형성된다. 이때, 상부 도전체(131)는 베이스 기판(110)의 상면에 소정의 RF 안테나 패턴을 이루도록 형성될 수 있다. 이러한 상부 도전체(131)는 베이스 기판(110)의 상면과 하면을 관통하는 형태로 형성되어 있는 복수 개의 비아(120)와 연결된다.

본 발명의 실시 예에서, 상부 도전체(131)는 100㎚ ~ 10㎛의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 삽입 손실 측면에서, 상부 도전체(131)의 형성 두께가 삽입 손실에 미치는 영향은 미미하다. 그러므로, 비용 효율성을 고려할 때, 상부 도전체(131)는 상기의 두께 범위 중 복수 개의 비아(120)와 연결만 될 수 있는 정도의 얇은 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

하부 도전체(132)는 베이스 기판(110)의 하면에 형성된다. 하부 도전체(132)는 금속으로 이루어지는 복수 개의 비아(120)를 매개로 상부 도전체(131)와 연결된다. 이러한 하부 도전체(132)는 베이스 기판(110)의 하면 전체에 형성되어, 도파관 집적 기판(100)의 접지층을 이루게 된다.

하기에서는 전술한 유리 소재로 이루어진 베이스 기판에 최적화된 구조의 특성에 대한 시뮬레이션 결과를 설명한다.

먼저, 도 3 및 하기의 표 1은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 100㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 다양한 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 삽입 손실을 전자기파 모델링 소프트웨어(CST Studio)를 사용하여 시뮬레이션한 결과를 보여준다.

P/D	IL@Avg. (EXG)	P/D	IL@Avg. (Fused)
2	-1.6332	2	-0.28701
4	-1.62353	4	-0.29405
6	-1.62358	6	-0.29712
8	-1.60618	8	-0.30407
10	-1.66539	10	-0.37771
12	-2.1852	12	-0.65437
14	-1.66841	14	-0.3839
16	-1.77723	16	-0.44389
18	-1.72522	18	-0.37706
20	-2.72318	20	-0.93192
22	N/A	22	-1.09266
24	N/A	24	-2.5782

도 3 및 상기 표 1에서 보여지는 바와 같이, 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica) 모두, 비아의 직경(D)이 100㎛일 때, 서로 이웃하는 비아 간의 피치(P)가 비아의 직경(D) 대비 8배까지는 2배일 때와 삽입 손실에 거의 차이가 없는 것으로 확인되었다.

도 4 및 하기의 표 2는 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 200㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 다양한 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 삽입 손실을 전자기파 모델링 소프트웨어(CST Studio)를 사용하여 시뮬레이션한 결과를 보여준다.

P/D	IL@Avg. (EXG)	P/D	IL@Avg. (Fused)
2	-1.7028	2	-0.30245
4	-1.65967	4	-0.28993
6	-1.63998	6	-0.27917
8	-1.63998	8	-0.33043
10	-2.20298	10	-0.61482
12	-5.68342	12	-0.60204
14	N/A	14	-4.94926

도 4 및 상기 표 2에서 보여지는 바와 같이, 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica)는, 비아의 직경(D)이 200㎛일 때, 비아의 직경(D)이 100㎛일 때와 마찬가지로, 서로 이웃하는 비아 간의 피치(P)가 비아의 직경(D) 대비 8배까지는 2배일 때와 삽입 손실에 거의 차이가 없는 것으로 확인되었다.

도 5 및 하기의 표 3은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 300㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 다양한 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 삽입 손실을 전자기파 모델링 소프트웨어(CST Studio)를 사용하여 시뮬레이션한 결과를 보여준다.

P/D	IL@Avg. (EXG)	P/D	IL@Avg. (Fused)
2	-1.68349	2	-0.36213
4	-1.8451	4	-0.43884
6	-3.58539	6	-0.80808
8	-11.3898	8	-2.02451
10	-11.0652	10	-7.61489

도 5 및 상기 표 3에서 보여지는 바와 같이, 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica)는, 비아의 직경(D)이 300㎛일 때, 서로 이웃하는 비아 간의 피치(P)가 비아의 직경(D) 대비 2배 이상 커지면 삽입 손실도 급격히 증가되는 것으로 확인되었다.

도 6은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 100㎛ 직경(D)의 비아와 이들의 200㎛ / 2,000㎛ 피치(P)를 갖는 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica glass)에 대한 SIW 전송 라인을 따라 전자장 분포와 손실을 시뮬레이션한 결과이다.

도 6의 시뮬레이션 결과에서 보여지는 바와 같이, 무알칼리 유리(EXG) 및 용융 실리카 유리(Fused silica) 모두, 서로 이웃하는 비아 간의 피치(P)가 비아의 직경(D) 대비 2배일 때는 전자기파 신호 방향의 방사 손실(Radiation loss)이 거의 없는 것으로 확인되었다. 이는 삽입 손실이 낮다는 것을 의미한다. 반면, 서로 이웃하는 비아 간의 피치(P)가 비아의 직경(D) 대비 20배일 때는 전자기파 신호 방향으로 방사 손실이 크고 신호의 세기 또한 감소되는 것으로 확인되었다. 이는 삽입 손실이 높다는 것을 의미한다.

도 7은 비아의 다양한 형상을 나타낸 모식도이고, 도 8은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 도 7의 원기둥, 원뿔, 모래시계 형상으로 이루어지고(직경 100㎛) 피치가 200㎛인 비아를 갖는 무알칼리 유리에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8의 시뮬레이션 결과에서 보여지는 바와 같이, 비아의 직경(D)이 100㎛이고, 비아 간의 피치(P)가 200㎛인 경우, 즉, P/D=2인 경우, 비아의 형상이 삽입 손실에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 확인되었다. 이는, 최적화 설계 시 비아의 형상은 특별히 고려하지 않아도 됨을 의미한다.

도 9는 유리기판의 다양한 두께를 나타낸 모식도이고, 도 10은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 도 9에 나타낸 유리기판의 두께(0.25㎜ vs 0.5㎜)를 갖는 무알칼리 유리에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 전송 라인의 길이가 30㎜인 경우이고, (b)는 전송 라인의 길이가 60㎜인 경우에 대한 삽입 손실 시뮬레이션 결과이다.

도 10의 시뮬레이션 결과에서 보여지는 바와 같이, 두께 0.5㎜의 무알칼리 유리가 두께 0.25㎜의 무알칼리 유리보다 삽입 손실이 낮은 것으로 확인되었고, 전송 라인의 길이가 길수록 삽입 손실의 차이가 더 커지는 것으로 확인되었다.

도 11은 도전체의 두께 변화를 나타낸 모식도이고, 도 12는 은 24 ~ 32㎓ 주파수 대역에서 도전체의 다양한 두께를 갖는 무알칼리 유리에 대한 삽입 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 12의 시뮬레이션 결과에서 보여지는 바와 같이, 무알칼리 유리 위에 도전체인 Cu의 두께를 2㎛와 0.1㎛로 서로 다르게 형성한 경우, 삽입 손실에 거의 차이가 없는 것으로 확인되었다.

전술한 시뮬레이션 결과들을 요약하면 다음과 같다.

첫째, 비아의 직경(D)이 100㎛ ~ 200㎛인 경우, 비아 간의 피치(P)를 반드시 비아의 직경(D) 대비 2배가 아닌 8배까지 크게 형성하여도 성능에 특별히 차이가 없는 것으로 확인되었다.

둘째, 비아의 직경(D)이 300㎛ 이상인 경우, 비아의 직경(D) 대비 비아 간의 피치(P)는 2배 이내로 가급적 작게 유지되어야 하는 것으로 확인되었다.

셋째, 기판의 두께, 비아의 형상, 도전체의 두께 중 기판의 두께가 삽입 손실에 미치는 영향이 가장 큰 것으로 확인되었고, 비아의 형상과 도전체의 두께가 삽입 손실에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 확인되었다.

이를 통해, 다음과 같은 최적화 설계 범위를 제시할 수 있다.

즉, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판을 사용하는 경우, 비아의 직경(D)은 작은 것이 바람직하고, 비아 간의 피치(P)는 비아의 직경(D) 100㎛인 것을 기준으로, 비아의 직경(D) 대비 8배까지 허용될 수 있다.

또한, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판을 사용하는 경우, 도전체의 두께는 얇더라도 비아를 연결시킬 수만 있으면 무방하고, 비아의 형상은 비용이 가장 적게 드는 방향으로 형성되는 것이 바람직하며, 유리 소재로 이루어지는 베이스 기판의 두께는 0.25㎜ 두께를 갖는 통상적인 기판보다 상대적으로 두꺼운, 예컨대, 0.5㎜ 두께를 갖는 유리기판을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 도파관 집적 기판 제조방법에 대해 설명하기로 한다. 이때, 각 구성들의 도면부호는 도 1 및 도 2를 참조한다.

본 발명의 실시 예에 따른 도파관 집적 기판 제조방법은 베이스 기판 준비단계, 비아 홀 형성단계, 도금단계 및 패터닝단계를 포함한다.

먼저, 베이스 기판 준비단계에서는 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장되고, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판(110)을 준비한다. 이때, 베이스 기판 준비단계에서는 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 갖는 상기 베이스 기판(110)을 준비할 수 있다.

다음으로, 비아 홀 형성단계에서는 베이스 기판(110)의 상면과 하면을 관통하는 형태로 베이스 기판(110)을 천공한다. 이를 통해, 비아 홀 형성단계에서는 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열되는 복수 개의 비아 홀을 베이스 기판(110)에 형성할 수 있다. 여기서, 비아 홀 형성단계에서는 서로 이웃하는 비아 홀 간의 피치(P)가 비아 홀의 직경(D) 대비 2 내지 8배가 되도록 베이스 기판(110)을 천공하여 베이스 기판(110)에 복수 개의 비아 홀을 형성한다. 이때, 비아 홀 형성단계에서는 30㎛ ~ 200㎛의 직경(D)을 갖도록 상기 비아 홀을 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 비아 홀의 직경(D)을 100㎛로 형성하는 경우, 서로 이웃하는 비아 홀 간의 피치(P)는 200㎛ ~ 800㎛가 되도록 서로 이웃하는 비아 홀 간의 형성 간격을 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 비아 홀의 직경(D)을 200㎛로 형성하는 경우, 서로 이웃하는 비아 홀 간의 피치(P)는 400㎛ ~ 1600㎛가 되도록 서로 이웃하는 비아 홀 간의 형성 간격을 조절하는 것이 바람직하다.

비아 홀 형성단계에서는 레이저를 사용하여 복수 개의 비아 홀을 베이스 기판(110)에 형성할 수 있다. 예를 들어, 비아 홀 형성단계에서는 UV와 Pico 레이저를 사용하여 복수 개의 비아 홀을 베이스 기판(110)에 형성할 수 있다. 이 외에도 비아 홀 형성단계에서는 CO₂ 레이저 등 다양한 레이저 장비를 사용할 수 있다.또한, 비아 홀 형성단계에서는 에칭 공정을 통해 복수 개의 비아 홀을 베이스 기판(110)에 형성할 수도 있다.

즉, 비아 홀 형성단계에서는 비용 효율성 관점에서 비용이 적게 드는 방법으로 복수 개의 비아 홀을 베이스 기판(110)에 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 비아 홀 형성단계에서는 원기둥, 원뿔 및 모래시계 중 어느 하나의 형상을 갖는 비아 홀을 베이스 기판(110)에 형성할 수 있다. 이때, 비아 홀에 금속이 채워져 이루어지는 비아(120)의 형상이 삽입 손실에 미치는 영향은 미미하므로, 비아 홀 형성단계에서는 비용이 적게 들고 쉽게 형성할 수 있는 형상으로 비아 홀을 형성하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도금단계에서는 베이스 기판(110)의 상면과 하면을 예컨대, Cu로 도금하여 상부 도전체(131)와 하부 도전체(132)를 이루게 될 도금층을 형성한다. 이때, 도금단계에서는 Cu로 이루어진 복수 개의 비아(120) 형성을 위해 복수 개의 비아 홀이 완전히 채워지도록 도금한다.

도금단계에서는 비용 효율성을 고려하여 비아(120)와 연결만 될 수 있는 정도의 얇은 두께로 도금층을 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도금단계에서는 도금층이 100㎚ ~ 10㎛의 두께를 갖도록 베이스 기판(110)에 Cu를 도금할 수 있다. 하지만, 이는 일례일 뿐, 도금단계에서는 베이스 기판(110)에 Cu 이외에 Ag 등 다양한 금속을 도금하여 상기 두께를 갖는 도금층을 형성할 수 있다.

마지막으로, 패터닝단계에서는 베이스 기판(110)의 상면에 형성된 도금층을 패터닝한다. 패터닝단계에서는 도금층을 패터닝하여 소정의 RF 안테나 패턴을 갖는 상부 도전체(131)를 형성한다.

도 13은 어떠한 실시예들에 따른 도파관 집적 기판의 설치 상태를 보여주는 도면이고, 도 14는 어떠한 실시예들에 따른 도파관 집적 기판의 배치를 보여주는 도면이다.

휴대폰, 그 중에서도 스마트폰을 대표적인 제품으로 하는 이동통신용 휴대기기 (Mobile device) 분야에서 가장 큰 이슈 중의 하나는 안테나의 설계로, 3G/LTE 등 통신용 안테나 외에도 블루투스, NFC, RFID, GPS 등 다양한 안테나가 휴대폰 내부의 상/하부에 장착되는데, 스마트폰의 성능이 점점 고도화됨에 따라 다양한 형태의 안테나가 추가되어야 함에 따라 안테나 회로 구성에 필요한 PCB 공간 확보 및 EMI Noise 개선, 보다 큰 배터리 용량이 필요하게 되었다. 또한 기기 내부에 더 많은 회로와 부품이 장착되어야 함에 따라 공간은 점점 감소되는 추세이므로 모델이 변경될 때마다 Antenna 설계는 성능 확보를 위해 반드시 필요하지만 점점 어려워지고 부하가 많이 걸리는 작업이 되고 있다. 또한 5G 통신 시대를 준비하면서 향후 Mobile device에는 기존의 모든 안테나를 그대로 두면서 별도로 수십GHz 주파수 대역에 사용할 수 있는 5G용 안테나를 추가해야 하는 상황이다.

5G안테나는 안테나의 지향성 및 통달거리의 제한 등으로 기존 3G안테나보다 많은 채널의 안테나가 상,하,좌,우의 Block에 배치되어야 한다는 Pattern설계상의 애로점과 다수의 채널 구성에 따른 전력소비가 많아짐에 따라 밧데리의 용량도 증대해야 하는 어려움이 발생한다.

이를 해결하기 위해서는 기본적으로 다양한 형태의 안테나를 집적화하는 Block assembly 구성을 통해 안테나의 효율적인 구성 배치 및 공간 확보에 따른 배터리 용량 확대 설계를 가능케 해야 한다. 또한 5G 안테나는 3G 대비 수십GHZ 대역의 높은 송, 수신 주파수의 통신으로 인해 유전율 및 신호 손실(loss tangent)의 최적특성을 요구하며 기존 PCB Substrate는 이 특성 만족에 어려움이 있는 상황이다

상기에 언급된 이런 초고주파수 통신에서의 모바일기기의 Issue들을 해결하고자 어떠한 실시예들에서는, 1. 안테나 Assembly block화로 고특성 집적안테나 채용에 따른 모바일기기 내부의 효율적인 공간 확보 및 2. 5d 안테나 도입으로 인한 FR4 등 기존 substrate의 특성제한의 개선 및 최적특성 확보를 목적으로, 기존 배터리 및 기판 공간에서 안테나 설치공간을 분리하여 낮은 신호 손실(Loss tangent)를 갖고 매우 뛰어난 Surface roughness를 자랑하는 박형 Fusion glass를 Mobile device의 5G용 안테나 기판으로 별도로 채용하며, 5G용 이외에도 기존의 3G/LTE, 블루투스, NFC, RFID, GPS, DMB/FM 등 모든 종류의 Mobile device의 안테나를 이 박형 Glass 기판에 통합하여 Device 내에 삽입함으로써, 안테나 설계/장착공간을 Mobile device와 Decouple 시켜 기존 이동통신기기의 안테나 실장공간 부족과 설계의 어려움을 해소하고, 또한 배터리의 용량/크기 확대 Needs를 충족하며 5G용 기판의 저 신호 손실(Low loss tangent) 및 Surface roughness 이슈를 해결하는데 기여할 수 있다.

어떠한 실시예들에서는, 도 13에 도시한 바와 같이, Mobile device 전용으로 Antenna들이 제작된 박형 Glass 기판을 도입하여 이를 Back cover의 안쪽에 삽입할 수 있다. 기존에는 배터리, 기판과 같은 평면에 디바이스의 상/하부에 안테나가 배열되어 있으나 본 발명에서는 이를 Back cover의 바로 안쪽에 배치하여 Z 방향으로 안테나의 설치공간을 나머지 부품으로부터 분리해 내었다.

이 박형 Glass 기판에는 다수의 Through hole이 형성되어 있고 금속 (Cu)으로 안테나 패턴이 형성되어 있으며 일부 안테나는 별도의 Antenna control chip과 연결되어 있을 수 있다.

이러한 실시예들에서, 가장 중요한 부분은 휴대폰 내부 디자인으로부터 안테나 디자인을 분리한 것으로써, 이를 통해 휴대폰 디자인의 Flexibility를 증대시킨 효과가 가장 큰 효과라 할 수 있다. 휴대폰 설계 엔지니어 입장에서는, 별도의 안테나 기판에 Macro化된 Pattern을 형성하여 조립하는 형태로 안테나가 삽입되므로, 기존에 배터리, 기판이 자리잡은 상/하부의 제한된 공간에 안테나를 집어넣기 위해 모델이 바뀔 때마다 매우 어려운 패턴 설계를 수행해야 했던 설계의 어려움이 감소되어 Mobile device의 개발속도가 빨라질 수 있는 장점이 있다.

상기 효과와 연관하여 본 개념은 기존 Battery 용량의 제약을 해소하고 여유공간을 제공하므로 성능향상에 따라 늘어나는 소비전력 Needs에 대응 가능하게 해 주는 효과가 있다.

또한, 이 별도의 Antenna 기판을 Glass로 대체하는 것은 기존 FR4 기판 대비 특히 5G 등 고주파수 (예: 28GHz) 대역에서의 신호손실 (Loss tangent)을 상당히 감소시켜 주고, Fusion glass 사용으로 Surface roughness가 우수하므로 고주파수 대역일수록 표면품질이 중요해지는 이유인 Skin effect (고주파수 대역일수록 전류가 표면근처에서만 흘러 표면Roughness가 신호품질에 영향을 더 많이 미치는 현상)에 효과적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.

또한 기존의 Mobile device의 상/하부 대비 Antenna 패턴을 형성할 수 있는 평면의 면적이 확대되어 있고, Surface roughness가 좋고 더 낮은 신호 손실(Lower loss tangent)이 가능하므로 Mobile device의 음성/데이터 신호의 송/수신 감도가 향상될 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100; 도파관 집적 기판 110; 베이스 기판
120; 비아 131; 상부 도전체
132; 하부 도전체

Claims (13)

1. 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장되고, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판;
   상기 베이스 기판의 상, 하면을 관통하는 형태로 형성되고, 상기 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열되며, 금속으로 이루어진 복수 개의 비아;
   상기 베이스 기판의 상면에 형성되고, 상기 복수 개의 비아와 연결되는 상부 도전체; 및
   상기 베이스 기판의 하면에 형성되고, 상기 복수 개의 비아를 매개로 상기 상부 도전체와 연결되는 하부 도전체;
   를 포함하고,
   서로 이웃하는 상기 비아 간의 피치(P)는 상기 비아의 직경(D) 대비 2배 내지 8배인 도파관 집적 기판.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 비아는 30㎛ ~ 200㎛의 직경(D)을 갖는 도파관 집적 기판.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 베이스 기판은 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 갖는 도파관 집적 기판.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 비아는 원기둥, 원뿔 및 모래시계 중 어느 하나의 형상으로 형성되는 도파관 집적 기판.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 상부 도전체는 100㎚ ~ 10㎛의 두께를 갖는 도파관 집적 기판.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 상부 도전체는 패턴을 이루고, 상기 하부 도전체는 상기 베이스 기판의 하면 전체에 형성되는 도파관 집적 기판.
   
7. 전자기파 신호의 진행 방향으로 연장되고, 유리 소재로 이루어진 베이스 기판을 준비하는 제1 단계;
   상기 베이스 기판의 상, 하면을 관통하는 형태로 상기 베이스 기판을 천공하여 상기 전자기파 신호의 진행 방향을 따라 배열되는 복수 개의 비아 홀을 형성하는 제2 단계;
   상기 베이스 기판의 상, 하면을 도금하되, 상기 복수 개의 비아 홀이 채워지도록 도금하는 제3 단계; 및
   상기 베이스 기판의 상면에 형성된 도금층을 패터닝하는 제4 단계;
   를 포함하고,
   상기 제2 단계에서는 서로 이웃하는 상기 비아 홀 간의 피치(P)가 상기 비아 홀의 직경(D) 대비 2 내지 8배가 되도록 상기 베이스 기판을 천공하여 상기 복수 개의 비아 홀을 형성하는 도파관 집적 기판 제조방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 단계에서는 레이저를 사용하여 상기 복수 개의 비아 홀을 상기 베이스 기판에 형성하는 도파관 집적 기판 제조방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 제2 단계에서는 에칭 공정을 통해 상기 복수 개의 비아 홀을 상기 베이스 기판에 형성하는 도파관 집적 기판 제조방법.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 단계에서는 30㎛ ~ 200㎛의 직경(D)을 갖도록 상기 비아 홀을 형성하는 도파관 집적 기판 제조방법.
    
11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 단계에서는 원기둥, 원뿔 및 모래시계 중 어느 하나의 형상으로 상기 비아 홀을 형성하는 도파관 집적 기판 제조방법.
    
12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 단계에서는 0.5㎜ ~ 2.0㎜의 두께를 갖는 상기 베이스 기판을 준비하는 도파관 집적 기판 제조방법.
    
13. 제7항에 있어서,
    상기 제3 단계에서는 상기 도금층이 100㎚ ~ 10㎛의 두께를 갖도록 도금하는 도파관 집적 기판 제조방법.

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