This thesis describes the design and fabrication of IPDs (Integrated Passive Devices) and FEMs (Front-end Modules) for 2.45 GHz WLAN applications on the SAAO (Selectively Anodized Aluminum Oxide). The proposed FEM involves not only various passive devices such as LPF, BPF, and Balun but also active devices such as a PA, LNA, and SPDT switch in a single package.
In the first chapter, we study various RF package technologies and trends to realize small and complex modules. MCM-L, MCM-C and MCM-D technologies were briefly summarized as the recent and widely used packages. IPD technology was introduced to make small package and integrated inductors and capacitors, key elements of IPDs, were compared for various package substrates. IPD realized by MCM-D technology has the highest wiring density and also it was possible to realize accurate MIM capacitors using thin film process. However, the cost of the substrates (HRS, GaAs, or Glass) was too high and it was hard to make large size to compensate expensive semiconductor process. So, a low-cost anodized aluminum was proposed as the package substrate to realize WLAN FEM.
In the chapter 2, I have studied how to realize high Q inductor to make good IPDs. It was required to make high Q inductor that the inductor had to be realized on high resistivity substrates with low signal ohmic loss. In addition, the inductor had to be fabricated on the low k material to improve SRF (Self-resonance Frequency). First, high Q inductor was fabricated on anodized aluminum substrate which had high resistivity. The fabricated inductor had high Q more than 20 at 2 GHz. Second, to improve the performances of the inductors, the inductors were realized on alumina membrane or as suspending structure using selective etching of alumina and aluminum. The fabricated inductor had large increment of inductance and the Q peak was increased comparing to normal spiral inductors in high frequency range. Third, thick inductor was fabricated using polymer-core conductor technology to improve Q factor at low frequency range (at 2 GHz). The proposed fabrication process to make the polymer-core conductor was very easy and cost-effective compared with other RF MEMS processes. SU-8 photoresist was used as the core polymer. The fabricated spiral inductors on an HRS (2500 Ω˙Cm) had very high Q factors of more than 40 at 2GHz.
In the chapter 3, standard IPD process was studied and developed and then various IPD such as LPF, BPF, Balun, Diplexer, and balanced BPF were designed and fabricated using normal spiral inductor on the SAAO substrate for device elements of 2.45GHz WLAN FEM. Two types of LPFs were designed and realized, and a diplexer was designed by combining a HLF and LPF. Balun was designed by using lumped L, C elements so that the size was only $1.3 × 0.7 mm^2$. A BPF was designed using U-shape high Q inductor to reduce insertion loss. The fabricated BPF had very a sharp pass-band and its size and insertion loss were $1.6 × 1.2 mm^2$ and 3.5 dB, respectively. To reduce the IL of the BPF, air-cavity structure was applied to the BPF and then the IL was improved from 3.4 dB to 2.8 dB. For more reduced insertion loss and size, new circuit designs of the BPF were proposed. The new BPFs had improved performances as 1.8 ~ 2.2 dB of the IL. To minimize footprint of the FEM, new structures of balanced BPF were proposed. The proposed balanced BPF had only 2.5 dB of IL and it has very good phase and amplitude balance.
In the chapter 4, 2.45 GHz WLAN FEMs were designed by using the IPDs which were designed and fabricated before. It is consisted of a switch, PA, LNA, LPF, BPF and two Baluns. The size of the firstly designed FEM was $4 × 4 mm^2$ and many capacitors and inductors were integrated in the package substrate to operate the PA and SPDT switch. The fabricated FEM has 4.5 dB of Rx IL and 28 dB of Tx gain. To improve the Rx of the FEM, a FEM was designed and fabricated by using a balanced BPF and LNA. The modified FEM has smaller size of $4.4 × 3.5 mm^2$ than the previous FEM and its IL of the Rx was improved from 4.5 dB to 2.9 dB, and Rx gain was 19.8 dB due to the LNA.
In the last chapter, the results of the study were summarized and conclude.
최근 무선 단말기의 정보처리 능력이 발달하고 휴대성이 강조됨에 따라 더 작고 집적된 시스템 패키지 기술이 요구되고 있다. 특히 고주파 부품을 포함하는 무선 송수신 단은 그 성능이 패키지 기판에 의해 크게 영향을 받기 때문에 패키지 기술이 매우 중요하다. 본 논문은 양극산화 된 알루미늄 기판을 이용한 새로운 고주파 모듈 패키지 기술에 대한 연구를 다루고 있다.
양극산화 알루미늄은 고주파 수동소자의 집적이 가능 하고 우수한 방열과 차폐특성으로 인해 집적도가 높은 패키지 기판에 우수한 장점을 갖고 있다. 그러나 알루미늄 기판이 다른 고주파 모듈과 차별화된 성능을 갖기 위해서는 보다 우수한 고품질 인덕터의 구현과 안정적인 공정 기술이 요구된다.
따라서 양극산화 알루미늄 기판에 적용 가능한 3가지 형태의 고품질 인덕터를 개발하였다. 첫 번째로 양극산화막 위에 제작된 인덕터의 후면 알루미늄을 제거하여 알루미나 박막 위에 구현된 인덕터를 제작하였다. 그리고 보다 공정의 안정성을 높일 수 있는 전면부의 알루미나와 알루미늄을 제거하여 공중에 떠있는 두 번째 인덕터를 구현하였다. 이 두 인덕터들은 기존과 비교해 감소된 유전율과 두꺼운 유전층을 갖기 때문에 고주파 대역에서 개선된 품질계수와 증가된 인덕턴스를 가졌다. 세번째로 제안된 인덕터는 두꺼운 폴리머에 선택적인 도금을 가능하게 함으로써 낮은 주파수에서의 품질계수를 향상시킬 수 있었다. 특히 이렇게 제작된 인덕터는 동일 마스크를 이용해 제작된 일반적인 인덕터와 비교해 2 GHz에서 2배 이상 향상된 품질 계수를 가졌다.
개발된 고품질 인덕터를 바탕으로 LPF, BPF, Balun 등과 같은 다양한 IPD가 제작되었다. 먼저 일반적인 반도체 공정이 적용될 수 있고, 독립된 Ground via를 형성하기 위한 평탄화 공정이 개발되었다. 제안된 2단계 양극산화를 통한 평탄화 방법은 추가적인 금속 증착 및 lithography 공정 없이도 쉽게 평탄화된 양극산화 알루미늄 기판의 제작을 가능하도록 하였다. 양극산화 알루미늄 기판에 제작된 LPF는 0.4 dB 의 작은 삽입 손실을 가졌고, 고품질 인덕터 제작 기술이 적용된 BPF는 2 dB 이하의 삽입손실과 0.8 ~ 2 GHz 대역에서 20 dB 이상의 감쇄 특성을 가졌다. 제작된 Balun은 $1.3 \times 0.7 mm^2$ 의 매우 작은 크기를 가졌고 통과 대역에서 0.5 dB 와 5°이하의 Balance 특성을 가졌다.
보다 작고 우수한 성능의 IPD 개발을 위해 BPF와 Balun이 결합된 Balanced BPF가 제안되었다. 2개의 Three-stage resonator BPF를 결합하여 구현된 Balanced BPF는 통과 대역 내에서 0.1 dB 와 0.1 °이하의 완벽한 Balance 특성을 보였고 두 가지 소자가 결합된 특성을 가짐에도 불구하고 2 ~ 2.7dB의 매우 낮은 삽입손실을 가졌다.
이렇게 개발된 제작공정 기술과 IPD를 이용해 두 가지 형태의 2.45 GHz 대역 WLAN용 FEM을 양극산화 알루미늄 기판에 구현하였다. 이때 PA, Switch, LNA를 제외한 모든 수동 소자는 기판 내에 집적하도록 하였다. 첫 번째 구현된 FEM의 경우 LNA가 포함되지 않는 구조로 $4 \times 4 mm^2$의 크기로 제작되었고, PA, switch, BPF, LPF와 두 개의 Balun을 포함하였다. 집적도를 높이기 위해 PA 동작에 필요한 수동소자와 출력 단 정합회로가 패키지 기판에 집적되었다. 제작된 FEM은 협 대역 특성을 갖는 BPF의 큰 손실로 인해 비교적 큰 4.4 dB의 수신 단 손실을 가졌고, 3단 SiGe PA에 의한 27 ~ 28 dB의 송신 단 이득을 가졌다.
두 번째로 제작된 FEM은 앞서 제작된 FEM의 수신 단 특성을 개선하기 위해 LNA가 추가되었으며, 개별 BPF와 Balun은 하나의 Balanced BPF로 대체되었다. 제작된 FEM은 LNA가 포함되었음에도 불구하고 $3.5 \times 4.4 mm^2$의 크기로 구현이 가능하였고, LNA가 없는 경우 약 3 dB의 삽입손실을 가져 기존과 비교해 1.4 dB 의 손실 특성이 개선되었다. LNA가 포함된 개선된 FEM은 약 20 dB의 수신 단 이득을 가졌고 이때의 Noise figure는 약 2.5 dB였다.
