Recently, the trend toward miniaturization and multi-functionalization of telecommunication devices requires a high level of integration and high diversity of discrete components. Also, high densification of electronic devices has presented the thermal problem of low heat dissipation of integration substrate due to high dense and integrated devices operating at high temperature. Additionally, as the demand for higher speed and more communication data capacity in wireless radio frequency environment has been increased, many researches on wideband amplification were executed and reported. Under the circumstances, the distributed amplifier for wideband amplification has been studied and used in many applications, which are required for high speed and large bandwidth, such as military electronic warfare, ultra-wide band (UWB) transceivers, high speed multimedia systems, and optical communications.
In this paper, we introduces the thin-film MCM-D based on selectively anodized aluminum substrate with easy and controllable formation of thick dielectric layer (porous alumina, $Al_2O_3$), high thermal conductivity, high integration, and various surface micro-fabrication techniques and implemented the distributed amplifier using this MCM-D technology for wide-band applications as an alternative to MMIC distributed amplifier. Most of distributed amplifiers are fabricated as the microwave monolithic integrated circuits (MMICs) using the monolithic compound semiconductor substrate technology with high thermal impedance and high cost comparatively.
In the process of this distributed amplifier, we firstly anodized pre-treated aluminum into an anodized aluminum substrate for the distributed amplifier. Next, we fabricated all passive elements, such as transmission lines, metal-insulator-metal (MIM) capacitors, and micro-strip line inductors, for the distributed amplifier on the anodized aluminum substrate using thin-film MCM-D processes as the front-end process. Then, four active GaAs hetrojuction field effect transistor (HFET) as active devices are attached and wire-bonded for the interconnection with passive elements on the anodized aluminum substrate as the back-end process.
An aluminum material is quite low-cost and the aluminum anodization is also a cheap and simple process. Consequently, we fabricated an anodized aluminum substrate with low cost and ease. Additionally, the active GaAs HFET chips were on the selectively-exposed aluminum region with high thermal conductivity, i.e. ~227 W/m·k. In the result of that, this distributed amplifier on anodized aluminum substrate effectively dissipates heats which are generated from the active devices on exposed aluminum surfaces with low thermal impedance.
The performance of the fabricated distributed amplifier is a unity gain maximum cutoff frequency 16 GHz, a maximum gain of 8.9 dB, with a gain flatness of 6.5±1.8 dB over 500MHz to 14GHz bandwidth. Its input and output reflection coefficients are lower than 5 dB and 6 dB, respectively. The total size is 2.2 mm × 5.5 mm including the bias circuitries and bonding pads.
This measurement results are better than or comparable to the performance of monolithic distributed amplifiers. In addition to measurement, the agreement between measurement and simulation results shows the tendency of gain and input/output reflections of the distributed amplifier well with some errors due to immature and unstable MCM-D aluminum fabrication processes and unknown electrical properties of anodized porous alumina ($Al_2O_3$), a dielectric layer of the aluminum substrate. Finally we remains the further works, which the surface micro-fabrication adapted distributed amplifier using aluminum MCM-D technology for better performances and distributed amplifier using pocket-embedding package (PEP) with more compact size and lower profile.
The distributed amplifier on a MCM-D anodized aluminum substrate as an alternative to monolithic microwave integrated circuit (MMIC) distributed amplifier was designed and fabricated by using semiconductor fabrication facilities at Semiconductor Bldg in Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).
현재 전자통신시장이 주도하는 전자기기의 디지털 융∙복합화와 다기능화로 인해 전자기기들의 경량화, 슬림화, 소형화 추세가 이어지고 있으며 향후의 이동성과 휴대성을 더욱 요구하는 유비쿼터스 시대를 맞아 그 경향은 가속을 내고 있다. 이러한 경향에 대한 요구를 충족시키기 위해서는 다양한 소자와 기능 블록을 고도의 집적도를 가지도록 집적화하는 기술이 필요하며 이에 다양한 소자들을 하나의 기판으로 집적화하는 기술이 요구된다. 이러한 고집적화는 기판의 높은 집적도와 이러한 집적도에 의해 발생하는 열에 대한 우수한 열방출 특성이 필요하다. 또한 최근 초고속과 고용량의 무선통신 환경에 대한 요구가 증가함에 따라 광대역 증폭기에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히, 광대역 증폭기의 topology 중에 분산증폭기는 다양한 이점을 가지므로 많은 응용분야에서 사용되고 있으며 특히, 군사 전자전이나 UWB 응용, 초고속 멀티미디어 시스템, 광통신과 같은 곳에서 응용되고 있다. 이러한 고집적화된 광대역 증폭기에 대한 요구로 본 논문에서는 열방출 특성이 우수한 알루미늄 기판이라는 기판 물질과 박막공정을 이용하여 고집적화를 이룰 수 있는 MCM-D 기술을 모두 활용하여 부분적으로 양극 산화된 알루미늄 기판을 기반의 MCM-D를 분산증폭기에 적용하여 구현하고 이를 측정하고 분석하여 보았다. 분산증폭기의 공정은 우선 알루미늄 기판의 유기물을 제거하고 이를 전해연마하여 표면을 개선시킨 후 알루미늄 기판을 부분적으로 양극 산화하는 과정을 시작으로 한다. 이 후 선택 산화된 알루미늄 기판 위에 박막공정 MCM-D를 이용하여 분산증폭기에 필요한 수동소자를 모두 제작하고 그 다음 분산증폭기에 필요한 능동소자인 GaAs HFET 4개를 에폭시로 붙이고 최종적으로 와이어 본딩하여 양극산화된 알루미늄 기판 위에 분산증폭기를 완성한다. 제작된 하이브리드 분산 증폭기 Type I의 경우 그 크기가 2.2㎜×5.5㎜로 다음의 바이어스 조건인 Drain Voltage = 2.2 V, Gate Voltage = -0.2 V, Drain Current = 148 mA에서 주파수 범위가 700 MHz ~ 14.2 GHz의 대역에서 Gain 평탄도를 7.25dB ±2.05 dB를 가지고 입력과 출력 반사계수 특성은 입력 |S11| Input Reflection coefficient > 4.3dB를 가지며 출력 |S22| Output Reflection coefficient > 4.4dB를 가졌다. 또 하나의 제작된 Type II 분산증폭기의 경우 그 크기는 Type I과 같은 2.2㎜×5.5㎜로 바이어스 조건 Drain Voltage : 2.2 V, Gate Voltage : -0.2 V, Drain Current : 152 mA 에서 주파수 범위가 1.6 GHz ~ 17 GHz의 대역에서 Gain 평탄도를 5.25dB ±1.45 dB를 가지고 입력과 출력 반사계수 특성은 입력 |S11| Input Reflection coefficient >6dB를 가지며 출력 |S22| Output Reflection coefficient > 5.1dB를 가졌다. 제작된 분산증폭기의 시뮬레이션과 측정결과에 대해서는 두 데이터가 어느 정도 일치함을 확인할 수 있었지만 공정상의 다양한 변수에 대한 문제들과 다공성 알루미나의 전기적 특성의 불확실성으로 인해 일치에 오차가 발생한 것으로 분석된다. 이러한 결과를 종합하면 같은 비용으로 만들어진다는 가정하에서 모노리식하게 만들어지는 Distributed Amplifier와 비교하였을 때 그 크기 면에서는 아직 약 1.5~2배정도가 크지만 주파수 범위와 Gain 측면에서는 우수한 특성이 보이는 것이다. 이는 알루미늄 기판기반의 MCM-D 기술의 하이브리드 기술이 향후 모노리식 기술을 대체할 가능성이 있다고 볼 수 있다. 앞으로 본 연구를 바탕으로 알루미늄 기판 기반의 MCM-D 공정을 이용한 분산증폭기를 Pocket-Embedding Package(PEP) 공정을 이용하여 제작하는 것과 알루미늄 기판의 Surface Micro-fabrication을 이용하여 증폭기 성능을 개선하는 것, 이 두 가지를 Further Works로 남긴다.
