In this thesis, we present the design and development of a compact 3-D transmit/receive (T/R) module with a selectively anodized aluminum multilayer package for X-band phased array radar applications. In order to develop proposed package structure, we fabricated embedded vertical via structure and demonstrated X-band tile type 3-D T/R module with passive devices on the aluminum substrate for phase array radar system applications. Also, X-band high power amplifiers and high power SPDT switches for X-band transmit/receive module using hybrid aluminum IC technology based on a selectively anodized aluminum substrate have been proposed and implemented.
In the first chapter, the fundamental research results on active phase array radar transmit/receive module and its package technology was introduced. The present package trend of microwave and millimeter-wave ICs is toward decreased volume, lower weight, reduced cost and effective thermal management. Many microwave package companies have developed substrate with low cost, high integration, excellent electrical microwave properties and thermal properties.
In the 2nd chapter, principles and fabrication methods of aluminum anodizing for vertical via interconnections are introduced through experiment results and analysis. Vertical via interconnection with quasi-coaxial structure is integrated on thick anodized aluminum oxide with good electrical properties and high thermal conductivity. The microstrip line on the thick anodized aluminum showed lower insertion loss than 0.04 dB/mm up to 15 GHz. Through microstrip-to-quasi coaxial via-hole transitions, top microstrip line signal transmitted to the backside stripline region made by aluminum backside wet etching process had insertion loss as low as -0.75 dB and return loss as high as 12.41 dB at the 10 GHz.
In the 3rd chapter, we proposed metal substrate based on multi-chip module (MCM) package structure for X-band phase array radar system using a selectively anodized aluminum substrate. The proposed solution of package is based on thick anodized aluminum oxide $(Al_2O_3)$ layers and bare chips mounted on aluminum substrate for an effective heat sink and high electrical isolation. The fabricated transmit module has a maximum output power of 39.21 dBm and maximum gain of 43.42 dB over 9 - 10 GHz frequency band. Also the fabricated receive module has maximum gain of 22.11 dB over 9 - 10 GHz.
In the 4th chapter, tile type 3-D packaging methods using a selective aluminum anodizing for the X-band transmit/receive module are proposed through fabrication methods. We made the X-band transmit/receive module consist of 3 substrate layers with 6 DC vias and 4 quasi-coaxial vias using a selectively anodized aluminum substrate for the X-band phase array radar system. The proposed solution of package is based on thick anodized aluminum oxide $(Al_2O_3)$ layers and vertical wet etching process. By the replacement of multi layer stacked package structure, the size reduction of 67.4 % is achieved and cost of the module can be effectively reduced. By using this package method, we measured the pulse mode maximum transmit output power of 39.81 dBm (8.7 W), maximum transmit gain of 41.25dB and maximum receive gain 19.15 dB.
In the 5th chapter, hybrid aluminum IC technology has been proposed in high power amplifier design applications to achieve low fabrication cost, fast evaluation period, and acceptable watt-level output power. The proposed hybrid aluminum IC technology is based on embedded internal passive devices using thick anodized aluminum oxide $(Al_2O_3)$ layers and bare power GaAs pHEMTs mounted on aluminum for an effective heat sink. X-band high power amplifier was designed and fabricated by using hybrid aluminum IC technology. Good performance with 38.17 dBm (6.5 W) output power, 23.6 % PAE, 19.5 dB small-signal gain, better than 10-dB input/output return loss, and small active core size $(2.38 mm^2)$ have been achieved.
In the 6th chapter, X-band T/R module was designed and fabricated, which was consist of a single layer substrate with HPA and SPDT power switch fabricated by using bare Triquint GaAs pHEMTs and anodized aluminum substrate with embedded passive devices and wire bonding interconnection. The RF electrical performances of the fabricated T/R module have been achieved with 35.33 dBm (3.4 W) output power, 36.2 dB transmit gain, 20.1 dB receive gain, and a compact module size $(22 \times 22 \times 0.8 mm^3)$.
This thesis was the first demonstration of tile type 3-D X-band T/R module on the anodized aluminum substrate with MCM and 3-D configuration and X-band high power amplifier with hybrid aluminum IC technology. Proposed methods can be further contributed to decreasing cost, reducing module size and managing thermal problem for the microwave high power T/R modules and high power amplifier for applications of the X-band phased array radar system.
X-대역의 주파수를 사용하는 송수신 모듈은 국방분야의 레이더 시스템과 민간분야의 위성 통신 및 공중 관제 기상 관측용 레이더에 사용되는 핵심 부품이다. 이러한 X-대역의 송수신 모듈은 높은 송신 출력에 따른 높은 열 방출 특성과 모듈의 소형 경량화, 고집적화 그리고 패키지의 안정성을 갖는 기술을 요구하고 있다. 이에 다층구조의 패키지를 이용한 타일 타입의 삼차원 구조의 송수신 모듈이 연구되어 왔으며 현재 전투기와 같은 소형 고성능 레이더 모듈에서 실제로 사용되고 있다. 한편 레이더 송수신 모듈의 구성요소 중, 고출력 전력증폭기는 레이더의 성능을 좌우하는 가장 핵심 부품이며 시스템의 소형화와 재현성을 위해 고출력 전력증폭기를 집적화하여 단일 패키지로 제작하고 있다. 그러나 X-대역의 고출력 전력증폭기의 경우 높은 공정 비용과 설계 및 제작 기술을 해외에 의존하고 있으며 수출을 엄격하게 제한하고 있어 국산화 및 자체 기술 개발이 절실히 필요하다.
본 논문에서는 선택적 양극 산화기술 알루미늄 기판을 이용한 X-대역의 삼차원 고출력 송수신 모듈 패키지를 제안하고 구현하였으며 X-대역의 고출력증폭기를 하이브리드 알루미늄 집적회로 방식으로 설계 및 제작하였다. 그리고 제작된 X-대역 고출력 전력증폭기와 X-대역 고출력 스위치를 이용하여 단일 기판의 송수신 모듈을 제작하고 그 성능을 검증하였다.
제 2장에서는 타일 타입의 삼차원 송수신 모듈 구현을 위하여, 두꺼운 양극산화 알루미늄 제조기술과 수직 식각 특성을 이용한 수직 비아 전송선을 제안하였다. 비아 구조에 사용된 양극 산화막은 $150 \mum$ 두께를 가지며 상온에서 5 % 옥살산을 이용하여 제작 되었으며 선택적 알루미나 아일랜드를 이용한 유사 동축 비아 구조를 갖는다. 두꺼운 양극산화막 위에 제작된 전송선은 15 GHz 대역까지 0.04 dB/mm 이하의 낮은 삽입손실 특성이 확인되었다. 제작된 유사 동축 비아 전송선의 경우 10 GHz 대역에서 0.75 dB의 삽입 손실과 12.41 dB의 감쇄 손실 특성을 확인하였으며, 측정된 특성을 통하여 제작된 수직 비아 구조가 삼차원 타일타입 송수신모듈에 적용될 수 있음을 검증하였다.
제 3장에서는 위상 배열 레이더 시스템에 사용되는 X-대역 고출력 송수신 모듈을 양극산화 알루미늄 기술을 이용하여 최초로 제작하고 그 특성을 측정하였다. 제작된 모듈은 양극 산화된 알루미늄 위에 입출력 정합 회로와 바이어스 공급을 위한 집적된 수동소자들과 고출력 증폭기, 저잡음 증폭기, 스위치, 위상 및 출력 변위기 등, 15개의 MMIC들로 구성되어 있으며 총 $28 \times 28 mm^2$ 크기를 갖는다. 제작된 송수신 모듈은 X-대역에서 39.21 dBm (8.3 W)의 최대 송신 출력이 측정 되었으며 최대 송신 이득은 43.42 dB, 그리고 최대 수신 이득은 22.1 dB가 측정되었다.
제 4장에서는 양극 산화된 알루미늄을 이용한 유사 동축 비아 구조와 수직 전송선을 통하여 X-대역의 타일 타입의 삼차원 송수신 모듈을 제작하였다. 제작된 송수신 모듈은 송신단과 수신단을 각각 하층 상층 기판으로 나누고 중간에 내장된 비아를 갖는 연결 기판을 이용하여 적층하는 구조를 가지며 전체 $16 \times 16 mm^2$ 크기를 갖는다. 이것은 3장에서 구현된 송수신 모듈과 비교하여 67.4 % 감소된 모듈 크기를 나타낸다. 측정된 최대 송신 출력은 39.81 dBm (9.5 W, Pulse mode duty 10%) 이며, 최대 송신 이득은 41.25 dB, 그리고 최대 수신 이득은 19.15 dB 이다.
제 5장에서는 하이브리드 알루미늄 집적회로 기술을 이용한 X-대역 고출력 전력 증폭기를 알루미늄 기판 위에 제작하고 그 성능을 측정하였다. 제안된 하이브리드 알루미늄 집적회로 기술은 HEMT 전력 소자와 양극 산화된 알루미늄 위에 집적된 수동소자를 하이브리드 방식으로 연결한 것으로 낮은 제조 가격과 높은 열도 특성, 그리고 높은 절연 특성을 갖는 제조 기술이다. 특히 MMIC와 비교하여 사용되는 능동 소자의 면적이 전체의 $5\sim10$% 에 지나지 않는 특징을 가진다. 제작된 X-대역 고출력 증폭기는 최대 38.17 dBm (6.5 W)의 포화 전력과 23.6 %의 효율, 그리고 19.5 dB의 이득을 가지며 $5.6 \times 4.8 mm^2$ 크기를 보인다.
제 6장에서는 하이브리드 알루미늄 집적회로 기술을 이용한 X-대역 고출력 스위치를 설계 제작하였으며 1.3 dB 입력 손실과 23 dB 감쇄 손실, 그리고 35.5 dBm의 최대 출력 특성이 측정되었다. 앞서 제작된 고출력 증폭기와 고출력 스위치를 이용하여 최종 하이브리드 알루미늄 집적회로 기술이 적용된 X-대역 고출력 송수신 모듈을 설계 및 제작하였다. 제작된 모듈은 $22 \times 22 mm^2$ 크기를 가지며 3장의 송수신 모듈과 비교하여 단일 기판으로 61.7 % 면적 감소 특성을 갖는다.
제안된 양극 산화된 알루미늄 기판 기반의 집적회로 기술은 낮은 공정 가격과 비교적 간단한 공정과정, 박막 공정을 이용한 작은 패키지 크기, 높은 열전도 및 절연 특성을 가진다. 그리고 제안된 알루미늄 기판의 내장 비아 기술을 이용한 삼차원 패키지 기술은 송수신 모듈 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. 본 논문에서 제안하고 적용한 위의 기술들은 고집적 고출력 마이크로웨이브 회로 및 패키지에 적용 가능하며 향후에 이 분야에서 지속적으로 발전 가능한 기술이다.
