Highly compact system integration is one of the key issues for realization of the next generation mobile communication handset because it needs backward compatibility and convergence including WLAN, GPS, and even Bluetooth as well as various mobile communications. Contrary to digital circuits, being composed of several different technologies such as GaAs circuits for power amplifiers and switches, Si circuits for IF and baseband analog circuit, and ceramic components such as filter and resonator, the RF part of the mobile handset is more feasible to be integrated in a near future with a SIP (system in package) technology rather than SoC (system on a chip) technology. This thesis reports novel low temperature co-fired ceramics (LTCC) inductor structures for RF System-In-Package (SIP) applications. Passive components occupy a large part of total area in RF system and it is desirable to reduce the area occupied by the passive components and improve the better performance. LTCC technology is capable of embedding passive components, particularly inductors and capacitors, within the multilayer circuit. The fully embedded structure renders placement freedom and space efficiency of the passive devices in the RF system.
This thesis proposes fully embedded multilayer spiral inductors for high density integration and, more importantly, fully embedded LTCC spiral inductors incorporating air cavity. The proposed structures are aimed to reduce the shunt capacitance and to improve the Q-factor and SRF of the embedded inductors. With a same dimension and number of turns, the 3D spiral inductor has better performance than the conventional spiral inductor: the embedded 3D spiral inductor improves SRF by 20%, Q-factor by 14%, and effective inductance by 13% compared to the conventional embedded spiral inductor. Moreover the spiral inductor with air cavity incorporated reveals also improved performance than the conventional spiral inductor: the spiral inductor incorporating air cavity improved 14% in SRF and 19% in Q-factor compared to the conventional spiral inductor. While the 3D spiral structure can be applied only to multi-turn inductor, the inductor incorporating air cavity can be applied to any size and location in the module with effective improvement. These novel inductor structures are devised by modifying the baseline passive library, and higher SRF and Q-factor reveals possible application up to C-band RF SIP.
LTCC technology를 이용하여 passive library를 구축 하였다. Inductor의 경우, RF SIP application에 적합한 높은 집적 효율과 quality를 얻기 위해 시뮬레이션을 통한 최적의 구조를 얻어 이를 모듈 안에 embedded 시켰다. 공정을 통해 얻어진 inductor는 2nH에서 5nH의 effective inductance를 가지며 SRF는 약 10GHz, Q-factor는 약 50의 maximum값을 갖는다. Capacitor의 경우에도 마찬 가지로 직접 효율을 높이기 위한 embedded 구조로 설계하였다. 공정을 통해 얻어진 capacitor는 1.1pF에서 4.7pF의 effective capacitance를 가지며, SRF는 약 7GHz의 값을 갖는다.
집적 효율과 quality를 보다 개선하기 위해 새로운 구조의 inductor를 제안하였다. Inductor의 SRF와 quality를 저하 시키는 주된 원인은 inductor line과 ground 사이의 parasitic capacitance이다. 이를 감소 시켜 고성능, 높은 SRF와 size의 효율을 높이기 위해 multilayer 3D spiral inductor 와 air cavity를 이용한 spiral inductor 구조를 제안 하였다.
총 다섯 층으로 구성 된 multilayer 3D spiral inductor의 경우, planar spiral inductor가 갖는 parasitic capacitance를 줄이기 위해, 한 층에 구현 되어있던 spiral line들을 ground plane과 좀 더 이격이 되어 있는 다른 층으로 나눠 구현 함으로써 planar spiral inductor보다 더 높은 SRF와 Q값을 얻어 성능 향상을 시킬 수 있었다. 구현 된 결과를 살펴보면 SRF는 약 20%의 향상을, Q값은 약 13%의 향상을 보였다. 그러나 이 구조는 multi-turn 구조에서만 적용 될 수 있는 구조이기 때문에 모든 inductor에 적용 될 수 있는 보다 근본적인 구조가 요구 된다.
이런 관점에서 제안 된 구조가 air cavity를 이용한 inductor 구조이다. air cavity를 적용한 inductor의 구조를 살펴보면 inductor의 spiral line 과 ground plane 사이에 air cavity 가 삽입이 되어 유전율을 낮추는 효과가 있다. 유전 율이 낮아지게 되면 spiral liner과 ground plane 사이의 parasitic capacitance가 감소 되어 보다 높은 SRF와 Q 값을 얻을 수 있다. 2D 구조에 air cavity를 채택하여 실험한 결과 SRF는 약 14%, Q 값은 약 19%의 향상을 보였다.
개선 된 inductor 구조의 적용을 통해 L-band 뿐만 아닌 C-band RF SIP 의 module performance의 향상과 더불어 높은 집적 효율을 얻을 것이라고 기대된다.
