The Study on the Embedded Active Device for Ka-Band using the Component Embedding Process

부품 내장 공정을 이용한 5G용 내장형 능동소자에 관한 연구

In this paper, by embedding a bare-die chip-type drive amplifier into the PCB composed of ABF and FR-4, it implements an embedded active device that can be applied in 28 GHz band modules. The ABF has a dielectric constant of 3.2 and a dielectric loss of 0.016. The FR-4 where the drive amplifier is embedded has a dielectric constant of 3.5 and a dielectric loss of 0.02. The proposed embedded module is processed into two structures, and S-parameter properties are confirmed with measurements. The two process structures are an embedding structure of face-up and an embedding structure of face-down. The fabricated module is measured on a designed test board using Taconic's TLY-5A(dielectric constant : 2.17, dielectric loss : 0.0002). The PCB which embedded into the face-down expected better gain performance due to shorter interconnection-line from the RF pad of the Bear-die chip to the pattern of formed layer. But it is verified that the ground at the bottom of the bear-die chip is grounded Through via, resulting in an oscillation. On the other hand, the face-up structure has a stable gain characteristic of more than 10 dB from 25 GHz to 30 GHz, with a gain of 12.32 dB at the center frequency of 28 GHz. The output characteristics of module embedded into the face-up structure are measured using signal generator and spectrum analyzer. When the input power (P_in) of the signal generator was applied from -10 dBm to 20 dBm, the gain compression point (P_1dB) of the embedded module was 20.38 dB. Ultimately, the bare-die chip used in this paper was verified through measurement that the oscillation is improved according to the grounding methods when embedding in a PCB. Thus, the module embedded into the face-up structure will be able to be properly used for communication modules in millimeter wave bands.

본 논문에서는 Bare-die Chip 형태의 Drive amplifier를 Ajinomoto Build-up Film (ABF)와 FR-4로 구성된 PCB에 내장함으로써 28 GHz 대역 모듈에서 적용될 수 있는 내장형 능동소자 모듈을 구현하였다. 내장형 모듈에 사용된 유전체 ABF는 유전율 3.2, 유전손실 0.016의 특성을 가지고 있으며, Cavity가 형성되어 Drive amplifier가 내장되는 FR4는 유전율 3.5, 유전손실 0.02의 특성을 가진다. 제안된 내장형 Drive amplifier는 총 2가지 구조로 공정하였으며 측정을 통해 각각의 S-Parameter특성을 확인하였다. 공정을 진행한 2가지 구조는 Bare-die Chip의 패드가 위를 향하는 Face-up 내장 구조와 Bare-die Chip의 패드가 아래를 향하는 Face-down내장 구조이다. 구현한 내장형 모듈은 Taconic 사의 TLY-5A(유전율 2.17, 유전손실 0.0002)를 이용한 테스트 보드에 실장 하여 측정을 진행하였다. Face-down 구조로 내장한 모듈은 Face-up 구조에 비해 Bare-die chip의 RF signal패드에서부터 형성된 패턴까지의 배선 길이가 짧아 이득 성능이 좋을 것이라 예상하였지만, Bare-die chip에 위치한 Ground가 Through via를 통해 접지되는 만큼 Drive amplifier에 Ground가 확보되지 않아 발진이 발생한다는 것을 확인하였다. 반면 Bare-die chip의 G round가 부착되는 PCB의 패턴에 직접적으로 접지되는 Face-up 구조는 25 GHz에서부터 30 GHz까지 약 10 dB 이상의 안정적인 이득 특성을 냈으며 목표주파수 대역인 28 GHz에서의 이득은 12.32 dB이다. Face-up 구조로 내장한 모듈의 출력 특성은 신호 발생기와 신호분석기를 사용하여 측정하였다. 신호 발생기의 입력전력(P_in)을 -10 dBm에서 20 dBm까지 인가하여 측정하였을 때, 구현한 내장형 모듈의 이득압축점(P_1dB)는 20.38 dB으로 특성을 확인할 수 있었다. 측정을 통해 본 논문에서 사용한 Drive amplifier와 같은 Bare-die chip을 PCB에 내장할 때 Ground 접지 방식에 따라 발진이 개선된다는 것을 검증하였으며, 이를 통해 Chip Face-up 구조로 Drive amplifier를 내장한 모듈은 밀리미터파 대역의 통신 모듈에 충분히 적용될 수 있을 것이라고 판단된다.