In this thesis, a new high power module package using selectively anodized aluminum substrate has been proposed and implemented. High performance passive components are integrated on thick anodized aluminum oxide (Al2O3) with good dielectric properties and bare power MMIC dies are directly mounted on aluminum surface to dissipate effectively heat from the MMICs without additional thermal via process. This new package structure based on aluminum substrate has the advantages of low cost, compact size, high performance passive integration and effective heat dissipation for high power module application.
To investigate the performance of passive components integrated on anodized aluminum substrate, conventional transmission lines and spiral inductors were fabricated. The transmission lines such as microstirp lines, CPW and CPW with ground plane showed lower insertion loss than 0.18 dB/mm up to 20 GHz. High-Q inductors were integrated on the anodized aluminum substrate utilizing low-k benzocyclobutene (BCB) as an interlayer and 6.5 mm thick copper electroplating process. A 1 nH inductor on 80 mm thick anodized aluminum substrate showed a Q-factor as high as 43 at the application frequency of 2 GHz and a SRF as high as 14 GHz. From the measured performance, we can expect to use the embedded inductors on an aluminum substrate instead of discrete inductors for RF applications.
Using the newly proposed aluminum packaging technology with low cost and high performances, a buried microstrip lines (BMSL) was proposed and developed to reduce the coupling between close transmission lines and to implement high-density integration. The new transmission line based on aluminum has been monolithically fabricated using simple process such as anodization and copper electroplating. It was shown that the isolation performance of the BMSL fabricated on aluminum substrate was improved by approximately 7.5 dB at 2 GHz for 2 mm coupling length and 120 mm coupling distance, compared to conventional microstrip line with identical coupling parameters. The BMSL using selective anodization technology is expected to be a promising transmission line for high-density module and system-on-package (SOP) applications.
Also, we demonstrated firstly power amplifier module with fully embedded passives on aluminum substrate for PCS band mobile handsets. By the replacement of all discrete passives with embedded ones, the size reduction of 43 % is achieved and the cost of the module can be effectively reduced. Under a supply voltage of 3.7 V, power gain of 28.4 dB, PAE of 39.2 %, and ACPR of -36 dBc were measured at 1880 MHz. This is a significant step toward a higher level of integration for compact, complete, and cost-effective power module developments based on the anodized aluminum with fully integrated passives. This new package technology is promising for developing high power module.
최근 무선통신부품의 소형화, 저가화, 고성능화를 위해서 반도체회로 기술과 더불어 전자부품 패키지 기술도 급속도로 발전하게 되었다. 이러한 패키지 기술에 사용되는 기판의 요구사항으로, 고품질 계수의 수동 소자(커패시터, 전송선, 인덕터)들을 고밀도로 집적할 수 있어야 하며, 저가의 물질이어야 한다. 특히, 고출력 소자를 패키지하기 위해서 기판의 열전도 특성이 중요해지고 있다. 기존의 저온소성세라믹(LTCC) 또는 오가닉(organic) 물질기반의 패키지기술의 경우, 전기적 특성이 우수한 장점이 있지만 낮은 열전도특성으로 인해 추가적으로 열방출을 위한 공정과 비용을 필요로 하고 있다. 그리고 170 ~200 W/mK정도의 높은 열전도 특성을 가지는 질화알루미늄(AlN)은 전기적, 열적 특성이 우수함에도 불구하고 높은 가격으로 인해서 그 사용이 일부에 제한되고 있다.
본 논문에서는 선택적 양극산화 알루미늄 기판을 이용한 고출력 모듈 패키지 구조를 새로 제안하고 구현하였다. 제안된 패키지 구조는 약230 W/mK정도의 높은 열전도도를 가지는 저가의 알루미늄 기판 위에 선택적 양극산화 공정을 통하여 두꺼운 알루미늄 산화층을 형성하고, 그 산화층위에 고품질 계수의 수동 소자들을 집적하고, 양극산화가 수행되지 않은 알루미늄 기판 위에는 고출력 반도체 소자를 장착하여 효과적으로 열을 방출하는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 제안된 패키지 구조는 저가이면서 열전도도 특성이 우수한 알루미늄을 사용하고, 도체인 알루미늄 기판의 특정 영역에 절연층을 형성하기 때문에 달리 별도의 접지를 위한 비아홀 공정이 불필요하며, 접지벽을 이용해 인접한 신호선의 전기적 커플링을 줄일 수 있으며, 절연층 영역에 고품질 수동소자의 집적이 가능하다는 장점들을 가지고 있다.
제2장에서는 제안된 고출력 모듈 패키지 구현을 하기 위해서 황산 전해액을 사용하여 알루미늄 양극산화 실험을 수행하였다. 전해액의 농도 및 온도, 반응전압 및 전류, 반응시간 등의 실험조건을 바탕으로 0.7 mm/min의 성장속도로 두꺼운 다공성 형태의 알루미늄 양극산화층 형성하였다. 그리고 패터닝된 포토레지스트와 실리콘질화막을 사용하여 선택적 양극산화 실험이 수행되었다.
제3장에서는 양극산화된 알루미늄 기판 위에 고주파 특성이 우수한 수동소자들을 집적하고 특성을 평가하였다. 먼저, 두꺼운 알루미늄 양극산화층 기판 위에 마이크로 스트립라인, coplanar waveguide와 같은 전송선들을 제작하여 기판의 고주파 특성을 평가하였다. 제작된 전송선들은4 GHz 주파수에서 0.06 dB/mm 이하의 낮은 삽입손실을 가졌다. 그리고 양극산화된 알루미늄 기판 위에 3.5mm 두께의 BCB (Benzocyclobutene) 절연물질과 6.5 mm 두께의 구리금속을 이용하여 나선형 인덕터를 집적하고, 알루미늄 산화층의 두께와 감은 수에 따른 인덕터의 특성이 측정되고 비교되었다. 80 mm 두께의 양극산화 알루미늄층에 집적된 1 nH 나선형 인덕터는 2 GHz에서 43.5의 높은 품질계수 및 14 GHz이상의 SRF(self resonant frequency) 특성을 나타내었다.
제4장에서는 선택적 알루미늄 양극산화 공정을 이용하여 높은 신호격리도 특성을 가지는 BMSL (buried microstrip line) 전송선 구조가 제안되고 개발되었다. 제작된 BMSL은 120 mm의 커플링 간격과 2 mm의 길이에 대해서 마이크로 스트립라인 보다 2 GHz에서 7.5 dB 정도의 더 큰 신호격리도 특성을 보여 주었다.
제5장에서는 제안된 알루미늄 패키지 구조를 사용하여 PCS 대역의 고출력 증폭기 모듈을 최초로 개발하였다. 고출력 증폭기의 출력단 정합회로, 바이어스공급, 바이어스 안정화를 위한 수동소자들을 LTCC 기판 위에 표면 실장한 4mm ´ 4mm 크기의 상용제품과 달리 필요한 모든 수동소자들을 알루미늄 기판 위에 집적하여 3mm ´ 3mm 크기로 제작되어, 43%정도의 크기가 감소되었다. PCS 대역에서 28.4 dB의 이득, 39.2%의 PAE, 36 dBc의 ACPR 특성을 확인 하였다.
