체적탄성파 기술을 이용한 무선통신용 듀플렉서의 집적화 연구 : Fully Integrated One-chip Duplexer using Bulk Acoustic Wave Technology for Wireless Applications
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 박광서
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 200702
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 물리
- 식별자(기타) 000000103549
- 본문언어 한국어
초록/요약
압전체를 이용한 체적 탄성파(BAW: bulk acoustic wave) 소자는 소형으로 제작가능하며 뛰어난 특성 및 집적화 가능성 등으로 인해 매우 중요한 의미를 갖는 소자이다. 무선 이동 통신 시스템의 소형화 및 다기능화 추세에 의해 고주파화 되면서[1-5] 기존 유전체 필터 및 표면 탄성파 필터(SAW: surface acoustic wave) 등은 물리적 한계로 인해 소형이면서 고성능 특성을 구현하기 힘든 상태이므로 BAW 소자가 대안으로 제시되고 있다. 소형화의 물리적 한계를 극복할 수 있는 BAW소자는 2~10 GHz 대역에서 응용이 가능하고 소형화, 집적화가 가능하며 삽입 손실 및 감쇠특성이 매우 뛰어난 소자로 다양한 대역의 응용이 가능한 장점이 있다. 이러한 BAW 소자를 이용한 필터 및 듀플렉서는 무선통신시스템에서 필수적인 부품으로서, 소형화와 집적화가 절실히 요구되고 있다.[6, 7] BAW 공진기는 ZnO나 AlN과 같은 압전 물질의 체적 탄성파를 이용한 공진기로서, 압전 물질 내에서의 탄성파 전파 속도가 전자기파에 비해 105배 정도로 낮으므로 같은 주파수에서 음파의 파장이 훨씬 짧아져서 소형의 탄성파 공진기를 만들 수 있다.[1, 2, 8] 이러한 체적 탄성파 공진기를 이용하면 기존의 고성능 유전체 필터 및 듀플렉서의 특성과 거의 유사함에도 크기는 100배 이상 줄일 수 있다. 또한 SAW 필터보다 크기가 작고 우수하면서 고출력 및 고성능의 필터 및 듀플렉서를 구현할 수 있다.[9-12] BAW는 고주파 RF 수동 부품을 소형화시킬 수 있는 기술적 돌파구 일뿐만 아니라, 다른 RF용 수동 및 능동 소자와 집적화를 이룰 수 있는 가능성을 가지고 있다.[12] 현재까지 BAW를 이용한 필터 및 듀플렉서 제작에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으나, 모든 부분이 집적화 되기는 어려운 상황으로, 이러한 문제는 실리콘 기판의 손실특성에 의해 트리밍 회로 등의 집적화 및 소형화가 불가능하다는 것이 주 요인이다. 이로 인해 BAW 소자의 장점이 크게 부각되지 못하는 상황이다. 본 연구에서는 고품질 압전막의 성막특성 분석을 통한 공진기의 특성 향상과 공진기의 연결구조 개선을 통한 트리밍 인덕터의 집적화를 위한 필터구조, 실리콘 기판에 집적화된 위상변위기 및 웨이퍼 스케일 패키징을 통해 초소형의 집적화된 듀플렉서에 대해 연구하였다. 공진기의 성능은 AlN의 박막 특성에 큰 영향을 받게 되는데 특히 하부전극의 재질과 표면 특성에 크게 좌우됨을 확인하였다. AFM 분석을 통한 하부 전극의 표면 거칠기를 최소화 함으로써 AlN은 뛰어난 C축 성장 특성을 보여주게 됨을 XRD를 통해 확인하였고, 공진기의 특성은 유효 전기 기계 결합 계수와 품질계수 및 직렬 공진 주파수에서 얻어지는 공진기의 삽입손실 최소값을 통하여 확인 하였다. 이러한 연구를 바탕으로 고품질의 AlN성막 조건 및 뛰어난 성능의 BAW 공진기를 제작할 수 있었다. 필터 설계를 위해 다양한 크기 및 공진주파수를 갖는 공진기를 제작하여 임피던스, 삽입손실 및 등가회로 등을 분석하였고, 공진기와 트리밍 인덕터의 연결 구조를 회로 구조 시뮬레이션 및 인덕터 구조의 3D 전자기장 시뮬레이션등을 통해 분석 하였다. 필터의 집적화는 공진기의 연결구조 개선을 통한 트리밍 인덕터의 용량을 최소화할 때 가능함을 확인하였고, 새로운 필터 구조를 제안하였다. 이러한 구조의 필터에 사용되는 저 용량의 인덕터는 소형이면서 작은 용량으로 실리콘 기판에 의해 손실되는 에너지를 최소화할 수 있도록 하여 낮은 품질계수로도 충분히 감쇠특성이 확보하면서 Tx, Rx 필터를 집적화 제작할 수 있었다. 듀플렉서에 필요한 위상 변위기는 소형의 LC 조합 위상 변위기를 패키징 기판에 집적화하여 소형으로 제작하였고, 고성능의 웨이퍼 스케일 패키징을 사용하여 최종 소자의 크기를 최소화하였다. 최종 제작된 듀플렉서 WCDMA용으로 Tx, Rx 필터 모듈 및 위상변위기와 웨이퍼 스케일 패키징을 사용하여 제작되어 매우 작은 크기이며 삽입 손실 및 감쇠특성도 매우 뛰어난 값을 보여 주었다. 본 연구를 통해 제작된 듀플렉서의 모든 회로는 실리콘 기판위에 제작 되었음에도 불구하고 소형이며 좋은 특성을 보여주었다. 고품질의 압전 박막, 새로운 구조의 BAW 공진기 배열 및 집적화된 트리밍 인덕터 집적화 제작된 Tx 및 Rx 필터와 인덕터와 커패시터로 구성된 위상 변위기는 RF 소자의 소형화 기술에 큰 가능성을 제안하였다. 이러한 기술을 통한 RF 소자와 IC 소자와의 집적화 기술 발전에도 새로운 가능성을 제안하였다는 데도 큰 의미가 있다고 할 수 있다.
more초록/요약
The expansion of the wireless market has given a tremendous push to the development of advanced mobile communication systems[1-5]. Particularly mobile handsets have been evolved for miniaturization in higher operating frequencies. For this reason there is a great demand for ultra-miniaturization and monolithic integration of RF duplexer as a core component in communication systems.[6,7] Typical duplexers used in the RF front-end for commercial wireless handsets are ceramic or surface acoustic wave (SAW) duplexers. However, neither of them is compatible with standard IC-technology. Thin film bulk acoustic resonators, or BAW, utilize the acoustic resonant characteristics of piezoelectric materials such as AlN or ZnO. Acoustic waves are about 5 orders of magnitude shorter in wavelength than electromagnetic waves, resulting in significantly reduced device sizes. This gives 2 orders of magnitude decrease in volume as compared to ceramic resonators without sacrifice of performance.[1,2,8] Compared with a SAW duplexer, a BAW duplexer also has smaller size and higher performance especially in power handling capability [9-12]. BAW is surely a technical breakthrough for the miniaturization of RF duplexer and the integration with other RF passive or active components.[12] Although there have been numerous investigations on BAW duplexer, BAW and auxiliary circuits are still manufactured separately and assembled using wire bonding process. So there are problems of the limitation in the size reduction, the degradation of performance due to parasitic elements, and the difficulties in monolithic integration. To solve the problems, a monolithic one-chip RF BAW duplexer was proposed. For the reduction of the area of BAW resonator array, a novel BAW resonator configuration is developed with vertical air gap cavity. Tx and Rx filter is integrated on single subatrate with electrode thickness turning technique of resonators. And a trimming inductor is integrated with the BAW resonator array on silicon substrates to realize one-chip monolithic RF duplexer. We also develop the phase shifter embedded wafer level package using silicon wafers to prevent the increase of size and cost of the duplexer. The highest insertion losses in the pass-band (1920-1980, 2110-2170 MHz) of the fabricated duplexer are measured to be 3.5, 4.35 dB. The measured attenuation characteristic shows a very excellent performance over 39,42 dB In this work, the smallest and first fully monolithic RF BAW duplexer is achieved with the size of 2.5 mm × 2.5 mm. Furthermore, the developed core technologies may be extensively applied for the integration of BAW with other RF components through the development of the RF duplexer.
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