LTCC Green Tape Via Hole Drilling

LTCC's Via Hole Drilling   최근 이동통신 분야의 발전에 따라 단말기 및 관련 부품들을 소형 경량화 하는 것이 매우 중요한 기술요소로 부각되고 있다. 이를 위해서는 기판의 배선밀도를 높이는 것과 개별 부품 또는 모듈의 크기와 무게를 줄이는 것이 절실히 필요하며 이러한 요구에 부응하기 위해 저온 동시소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC) 기술이 제안되었다. LTCC기술은 종래의 기술인 다층 PCB 기술이나 MCM 기술에 비해 우수한 배선밀도(wiring density)와 양호한 전기적 특성을 제공한다. LTCC 기판 조성은 대체적으로 유리 , 결정화 유리 또는 결정화 유리와 세라믹 필러의 복합체 형태 중 한가지로 구성이 되게 되며 소성온도는 850~950℃정도로 제어를 하게 된다. 이러한 온도 범위를 잡는 이유는 전기적 특성이 우수한 전극재료인 Ag, Cu, Ag/Pd등을 내부전극으로 사용하기 위함이다. LTCC소재 시스템은 크게 나누어서 저유전율 유전체로 구성되는 기판과 동시소성용 전극 및 내장 삽입형 재료 시스템으로 나누어 볼 수 있다. LTCC에서는 복잡한 유리시스템을 이용한 소성거동, 기계적 특성 및 전기적 특성을 제어하게 되며 매우 다양한 조성 시스템이 연구 되고 있다.   다층인쇄회로기판은 절연체에 미세한 관통홀을 형성하여 구리배선판을 전기적으로 연결하는것이 필요하다. 이러한 미세홀은 인쇄회로기판 제작과정에서 증가되는 보드의 기능을 위하여 각 층 사이를 도금하여 전기적으로 연결한다. 미세한 홀을 기계적인 장비로는 한계가 있으므로 레이저를 사용하여 효율적으로 가공한다. 미세홀은 100um에서 150um가 현재 보편적으로 사용된다. 가공되는 재료로는 RCC나 FR-4 재질이 주로 사용된다. 구리의 드릴링은 좋은 품질과 빠른 속도를 위하여 고반복율 다이오드 여기 반도체 레이저로 부터 나오는 UV 레이저를 사용한다. Printed wiring boards require small via holes through the dielectric material that separates the copper layer.  These holes are then plated in the PWB manufacturing process, making electrical connections between the layers for increased board functionality.  The trend in the industry has been towards smaller holes, recently as small as 100mm to 150mm in diameter.  Such holes are progressively more difficult to drill mechanically, and the PWB industry has turned to lasers to provide precise drilling of holes in both the dielectric (resin or resin/glass materials) and copper.  Dielectric drilling is most effectively accomplished with a CO2 laser operating in the 9mm band.  This has proven to be the laser wavelength of choice for high speed drilling of both the resin in RCC materials as well as resin/glass composites in FR4 materials.  Copper drilling requires UV light from a high repetition rate diode-pumped solid state laser for good control and high speed.             그리고 또한 HIC 혼성집적회로의 수동소자, 즉 저항과 캐패시터를 트리밍하는데에 레이저를 사용하여 왔다. Hybrid boards have also seen several laser processes employed, from patterning deposited or printed materials, repairing shorts, and trimming passive circuit components (most commonly resistors and capacitors).     다층의 세라믹 기판 내에 저항, 인덕터, 커패시터의 수동 소자를 형성시켜 3차원적으로 배열된 형태의 부품을 만드는 저온 적층 세라믹 공정 기술. 저온(Low temperature)에서 소자와 세라믹 기판이 한꺼번에 만들어지는(Co-fire) 공정 기술로, 스크린 프린팅과 같은 회로 인쇄 기술과 반도체에서 사용되는 에칭 기술이 적용된다. 또한, 각 층에 고정밀 패턴 구현이 가능하여 부품의 소형화와 고기능화, 저가이면서 우수한 특성을 갖는 RF/Microwave 소자 및 패키지(Package) 제작이 가능하다. 그러나 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 부품은 내장된 소자를 다른 용량으로 바꾸는 것은 불가능하다. LTCC 기술과 유사한 기술인 HTCC 기술은 W, Mo 전극을 활용한 적층 세라믹 공정 기술로, 구조적으로는 LTCC와 유사하나, 1400℃ 이상의 온도에서 제품을 제조해야하므로 RF 부품의 내장형 소자 제조에는 잘 사용되지 않는다. 여러 층의 인쇄 회로 기판(PCB)을 이용하여 회로를 형성시키는 다층 PCB 기술은 SMD 장비를 이용하여 기판 위에 부품을 실장하는 것으로 다층화할수록 가격이 급격히 상승하는 단점이 있다.  LTCC Via Drilling on the Ceramic Green Tape 최근에는 회로 밀도의 감소로 인하여 인쇄회로기판에서와 마찬가지로 미세 관통홀을 필요로함에 따라 Ceramic Green Tape의 가공에는 레이저를 사용하여 고속으로 고품질의 제품을 생산한다. Ceramic Green Tape의 수축율을 통제하기 위한 노력은 Tooling Guide 홀의 정밀도에 의하여 직접적인 영향이 미치므로, 레이저 드릴 장비의 높은 위치 정밀도로 Drill하여 공차를 관리하여야 한다. Similar to pressures in the rigid PWB industry to reduce via size, LTCC circuit manufacturers are looking what is beyond the limits of punch technology and seeing lasers.  Green (unfired) ceramic tape is a very soft material that drills quite easily (including the mylar� backing sheet) and high drilling rates can be achieved with high repetition rate laser sources.  The laser can create the signal vias, the thermal vias as well as the registration holes, ensuring very tight accuracy tolerances.      LTCC Design

고밀도/고집적 모듈에 대응하여 Ag printing 기술과 Multi-layer 기술을 이용하여 LTCC 기판을 개발하였으며 주문형 기판제작이 가능하게 되었다. 적용예 : VCO, TCXO, PA, ASM 모듈 등 특징 모듈의 고밀도화, 내부배선의 저가격화, 고신뢰성화, Bare chip 실장의 최적화, Noise 성분 감쇄특성 최적화 고주파회로패턴의 최적화, 우수한 내방열성 기판재료의 특성 비교 항목 단위 HTCC (92% 알루미나) Glass epoxy PCB (FR4) LTCC 소결밀도   3.6 - 3.2 곡강도 Kgf/㎠ 3,500 4,500∼5,500 2,600 열팽창율 10-7/℃(25∼400℃) 70 120∼200 62 열전도율 W/mK 18 0.2 2.5 절연내압 KV/mm > 15 - > 27 체적고유저항 Ω cm > 1014 - > 1014 유전율 (1MHz) 9.2 4∼5 4.0∼20.0 (가변 가능) 유전손실 (1MHz) 0.0005 0.0200 0.0009 흡수율 % 0.0 0.1 0.0 도체재료   W Cu Ag 도체저항 MΩ/□ 8 < 3 < 3 층간절연성 Ω > 1012 - > 1012 기판 구조와 Sheet Lay-out 기호 항목 설계치 A Sheet size 175mm×175mm B Side tolerance 5mm Min. D Sheet Thickness 50, 80, 100, 150㎛ E Module size 5.0mm Min.(Width), 15.0mm Max. (Length) F Substrate thickness 0.6∼1.0mm 기호 항목 설계치 기호 항목 설계치 A Via-Via pitch 0.60 Min. J Substrate Termination-Line 0.30 Min. B Components Pad-OG 0.05 Min. K Cavity-W/B Land 0.15 Min. C OG Tolerance 0.20 Min. L Cavity-Cavity 0.00 Min. D W/B pad 0.40 Min. M Cavity-Substrate Termination 0.00 Min. E W/B-W/B 0.20 Min. N Line-Line 0.15 Min. F Line width 0.10 Min. O Corner Radius 0.20 Min. G Line-Components pad 0.30 Min. P Via Daimeter 0.15 or 0.20 H T/H Land-Line 0.30 Min. Q Via land Diameter 0.40 Min. I Through Hole Diameter 0.40 Min.

 

 

LTCC 공법을 사용한 Cellular/SDMB 안테나-다이플렉서 모듈

 Cellular 대역과 SDMB(Satellite Digital Multimedia Broadcasting) 대역에서 동작하는 무선 통신 시스템을 위한 송수신 전치단의 소형 안테나-다이플렉서 모듈을 설계하고 구현하는 방법을 제안한다. 제안된 모듈은 이중 공진 안테나와 다이플렉서로 구성되고, 저 손실과 소형화를 동시에 달성하기 위해 다층의 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술을 이용하여 제작되었다. 이중 공진 안테나는 소형화를 위해 미앤더 라인을 사용하였고, 임피던스 매칭을 쉽게 이루기 위해 IFA(Inverted-F Antenna) 구조를 응용하여 설계하였으며, 간단한 구조를 지니면서 사양을 만족하는 이득과 대역폭을 갖는다. 다이플렉서는 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터를 결합하여 설계되었고, 이들 사이의 상호 간섭을 줄임으로써 높은 격리도를 얻을 수 있었다. 제작된 모듈의 크기는 27.5× 12.0×2.2 ㎜이고, 813～902 ㎒, 2,586～2,655 ㎒의 동작 주파수 대역과 －1.96 ㏈i(cellular band), －5.43㏈i(SDMB band)의 이득이 측정되었다. 주파수 응답 특성과 방사 특성이 분석되었다.
  This paper presents an integrated packaging antenna-diplexer module for wireless co㎜unication systems in the Cellular and SDMB band. The design and the realization of the proposed one are experimentally analyzed and discussed. It consists of a dual-resonance antenna and a diplexer with a multi-layer LTCC(εr =7.8, tan δ=0.0043) technology with integration capability and low loss. The dual-resonance antenna of the proposed module has the meander line structure for size reduction and has the shorting structure of an inverted F antenna to achieve good impedance matching. The diplexer of the proposed module was designed with the combination of low pass filter(LPF) and high pass filter(HPF). Decreasing the mutual interference between them provides a high isolation characteristic. The proposed antenna-diplexer module with dimensions of 27.5×12.0×2.2 ㎜ operates within a range from 813 ㎒ to 902 ㎒ for the cellular band and from 2,586 ㎒ to 2,655 ㎒ for the SDMB band. And the measured gain of the fabricated module is －1.96 ㏈i for Cellular band and －5.43 ㏈i for SDMB band. The parameters for the antenna-diplexer module are investigated and the several performances are discussed.

 

측정기반 거동 모델을 이용한 IEEE 802.11a 무선랜용 LTCC Front-End 모듈 집적화 설계 (Design of Integrated LTCC Front-End Module using Measurement-Based Behavioral Model for IEEE 802.11a WLAN)

IEEE802.11a 무선랜용 Front-End 집적화 초소형 모듈을 측정기반 거동 모델을 기반으로 한 behavioral-level 시뮬레이션을 수행하여 설계 제작 하였다. IEEE802.11a 무선랜 표준을 만족시키기 위해 54Mbps 전송속도의 64QAM 변조 방식 심볼을 1024개 전송하는 시스템을 구현하고 이 환경에서 ACPR과 EVM 시뮬레이션을 수행하여 비선형 특성을 확인하였다. 중심주파수 5.8㎓에서 30㎒, 20㎒와 11㎒ 떨어진 ACPR의 우측 offset은 각각 49.36㏈c, 36.90㏈c와 24.58㏈이고 좌측 Offset은 각각 50.14㏈c, 34.04㏈c와 28.85㏈c이며 EVM은 2.94%이다. LTCC 공정을 사용하여 5층 기판으로 제작한 모듈의 크기는 13.4㎜ × 14.2㎜이다. 송신단 특성은 P1㏈가 16.2㏈m, 전력이득은 16.73㏈로, 수신단의 특성은 소신호 이득이 16.24㏈, 잡음지수가 7.83㏈로 측정되었다.
  This paper describes the design and implementation of an integrated LTCC front-end module for the IEEE802.11a WLAN applications by performing the behavioral-level simulation using measurement-based behavioral model. To meet the IEEE802.11a WLAN standard, a system transmitting 1024 symbols through 64-QAM process at the rate of 54Mbps should be implemented and nonlinear properties are confirmed by simulations of ACPR and EVM in this circumstance. The right offsets of ACPR which are 30㎒, 20㎒, and 11㎒ distant from the center frequency of 5.8㎓ are 49.36㏈c, 36.90㏈c, and 24.58㏈c, respectively. The left offsets are 50.14㏈c, 30.04㏈c, and 28.85㏈c, respectively and EVM is 2.94%. The size of the module implemented with LTCC five-layer substrates is 13.44㎜ × 14.2㎜. The measured characteristics of the transmitter show P1dB of 16.2㏈m and power gain of 16.73㏈. Those of the receiver exhibit the small signal gain of 16.24㏈ and noise figure of 7.83㏈.

 

고집적 송수신기를 위한 밀리미터파 LTCC Front-end 모듈 (Millimeter-wave LTCC Front-end Module for Highly Integrated Transceiver)

 40 ㎓ 대역에서 동작하는 IEEE 802.16 고정 무선 통신을 위한 천이, 소형 TDD 송수신 모듈의 front-end 모듈을 설계하고 구현하는 방법을 제안한다. 제안된 모듈은 저손실과 소형화를 동시에 달성하기 위하여 캐비티 공정을 가지는 다층 LTCC 기술을 이용하여 제작되었다. 스위치의 입출력단에 와이어본드 정합회로의 설계 및 안테나와의 연결을 위한 도파관 천이 구조를 통해 저손실의 천이를 얻었으며, 기존 금속 도파관필터를 대체한 유전체 도파관 필터를 사용함으로써 소형화를 달성하였다.
  이를 구현하기 위해 유전율 7.1, 두께 100 um인 총 6층의 LTCC 기판을 사용하였으며 제작된 소형 front-end 모듈의 크기는 30×7×0.8 ㎣이다. 그리고 송수신 삽입 손실 ＜ 5.3 ㏈, 이미지 신호 제거 ＞ 49 ㏈의 우수한 천이를 얻을 수 있었다.
  In this paper, design and implementation of a very compact and cost effective front-end module are presented for IEEE 802.16 FWA(Fixed Wireless Access) in the 40 ㎓ band. A multi-layer LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) technology with cavity process to achieve excellent electrical performances is used to fabricate the front-end module. The wirebond matching circuit design of switch input/output port and waveguide transition to connect antenna are optimally designed to keep transmission loss low. To reduce the size of the front-end module, the dielectric waveguide filter is developed instead of the metal waveguide filter. The LTCC is composed of 6 layers(with the thickness of a layer of 100 um) having a relative dielectric constant of 7.1. The front-end module is implemented in a volume of 30×7×0.8 ㎣ and shows an overall insertion loss ＜ 5.3 ㏈, and image rejection value ＞ 49 ㏈.

 

 

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