This thesis describes the design and fabrication of 3-D packaging of dual band WLAN FEM using anodized aluminum substrate.
In the first chapter, technology trends on RF system integration were reviewed. And a brief
introduction of selective anodized aluminum (SAA) substrate was presented.
In second chapter, a 6 inch wafer based RF passive foundry using SAA substrate was introduced. It has 3 metallization layer of copper, a silicon nitride dielectric layer and an organic interlayer and a passivation layer. Using a microstrip ring resonator method, the dielectric characteristics of the SAA substrate were analyzed. The extracted relative permittivity was 6.82~7.0 and loss tangent was 0.0065~0.0142 without considering radiation loss. A 5.4GHz balanced BPF was designed, simulated and fabricated using 6 inch RF passive foundry on SAA substrate. The measured center frequency was 5.1GHz, and insertion loss and return loss at the center frequency was 2.6 dB and15 dB respectively. And AD was 0.03dB and PD was 0.1˚ at 5.1GHz. The extracted dielectric characteristics and measured performances of the balanced BPF show that the SAA substrate for RF passive foundry are very competitive and have enough capability to be a solution for RF system integrations.
In the third chapter, a 3-D interconnection method using vertical via on the anodized aluminum was proposed. The fabrication process flow was designed. A modeling procedure to extract equivalent circuit model of the vertical interconnection using the double delay de-embedding algorithm and curve fitting was proposed and verified based on 3-D EM simulation. The extracted RLCG values were 35mΩ, 169.1 pH, 57 fF and 0.012mS respectively at 2GHz. A 2.4GHz single band WLAN FEM and a 2.4/5.4GHz dual band WLAN FEM using SAA substrate were designed and fabricated. Using selectively anodized aluminum substrate, it was possible to realize compact FEMs with highly integrated passive devices as hybrid IC packages. The sizes of FEMs are 4.8mm x 3.8mm for single band FEM and 5.8 x 4.4mm for dual band FEM. Fabricated IPDs had similar specification with commercial passive devices. And because of the good thermal dissipation property of aluminum substrate, the 2.4GHz PA could generate 27dBm (0.5W) output RF power. A 3-D packaged dual band FEM was proposed and demonstrated. The 3-D interconnection mentioned in chapter 3 was applied to the FEM. The finally packaged FEM was 4.1mm x 3.9mm x 1mm with full dual band Tx and Rx chains.
본 연구의 목표는 양극 산화 알루미늄 기판을 이용하여 3 층 구조를 갖는 3 차원
2.4GHz / 5.4GHz 듀얼 밴드 무선 LAN 용 프론트 엔드 모듈 (FEM) 을 제안하고
개발하는 것이다. 이를 위하여 양극 산화 알루미늄 기판을 이용해 재현성을 갖는 3 차원
수직 인터커넥션 방법을 개발하였으며, 이를 이용하여 3 차원 FEM 을 설계 및 제작하고
측정하였다.
3 차원 FEM 의 설계를 위하여 microstrip ring resonator 를 이용해 양극 산화
알루미늄 산화 막의 유전율 및 loss tangent 를 측정하였다. 유전율은 주파수에 따라 6.8
~ 7 의 값을 가지며 loss tangent 는 0.005 ~ 0.008 로 측정되었다.
듀얼밴드 FEM 의 설계를 위하여 양극 산화 알루미늄 기판에 2 차원 FEM 을 설계,
제작하였다. 제작된 FEM 은 전력 증폭기, 고주파 스위치 및 로우 패스 필터, 밸런스드
밴드 패스 필터 등의 집적 수동 소자 (IPD)를 포함한다. FEM 의 송신 단은 2.4GHz 및
5.4GHz 대역에서 각각 27 dB 의 게인 및 27.33 dBm 의 P1dB, 25. 6dB 의 게인 및
24dBm 의 P1dB 를 갖는 것으로 측정되었다. 수신 단의 경우 2.4GHz 및 5.4GHz
대역에서 각각 7 dB 및 5.6 dB 의 삽입 손실을 갖는다.
SUMMARY IN KOREAN
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양극 산화 알루미늄 기판에 3 차원 인터커넥션을 내장한 기판을 제작하는 방법이
제안되었다. 양극 산화 알루미늄 산화 막의 수직 에칭 특성을 이용하여 via 를 형성한 뒤
전면 공정 및 후면 공정을 통하여 최종 기판을 제작, 측정하였다. 측정 결과로부터 수직
via 의 π-등가 모델을 추출하였으며 이때 직렬 인덕턴스는 주파수에 따라 120 ~ 130
pH, 병렬 커패시턴스는 33fF 이다.
수직 via 의 모델을 이용하여 3 차원 듀얼밴드 무선 LAN 용 FEM 을 설계 및
제작하였다. 제작된 FEM 은 4.1 mm x 3.9mm x 1mm 의 크기를 가지며, 2 차원
듀얼밴드 FEM 에 비하여 38%의 면적 감소를 달성하였다. 송신 단의 경우 2.4GHz 및
5.4GHz 대역에서 각각 25.4 dB, 30.9 dB 의 게인을 가지며 수신 단의 경우 각각 6 dB
5.6 dB 의 삽입 손실을 갖는 것으로 측정되었다.
이상의 결과를 바탕으로 양극 산화 알루미늄 기판이 새로운 RF-SOP 시스템 집적
기술로서의 가능성을 가짐을 확인하였다. 개발된 기술은 특히 군용 위상 배열 레이더
등에 응용되어 우수한 성능을 달성하면서 모듈의 면적을 획기적으로 감소시킬 수 있을
것으로 기대된다.
