RF MEMS 스위치와 CMOS DC-DC 컨버터의 이종 통합에 관한 연구

Abstract

본 논문은 RF(Radio Frequency) MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 스위치와 승압 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) DC-DC(Direct Current-Direct Current) 컨버터 간의 이종 통합(hetero-integration)에 관한 연구 내용을 다룬다. RF MEMS 스위치의 우수한 고주파 특성을 휴대용 통신 기기에 적용하기 위하여 그 동안 많은 연구와 개발이 이루어졌다. 구동 전압이 수십 볼트인 RF MEMS 스위치와 승압 DC-DC 컨버터를 결합하여 사용자에게 제공한다면 사용자는 낮은 전압으로 RF MEMS 스위치를 구동하는 효과를 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이종 칩 각각의 최적화가 가능한 이종 통합 방식을 선정하여 재배선층(RDL, Re-Distribution Layer) 위에 RF MEMS 스위치와 DC-DC 컨버터를 결합하는 연구를 진행하였다. 논문은 크게 네 부분으로 구성된다. 첫 번째는 이종 통합을 위한 재배선층 특성 연구, 두 번째는 RF MEMS 스위치와 CMOS DC-DC 컨버터 및 두 칩의 이종 통합 방법 제안, 세 번째는 상용 칩을 이용한 이종 통합 재배선층의 설계, 네 번째는 상용 칩을 이용한 이종 통합 재배선층의 제작 및 검증이다. 기판의 종류, 기판의 두께, 전송 선로, 배선 금속, 임피던스, 기판 구조의 변화에 따른 재배선층의 고주파 특성을 연구하였다. 세 종류의 다른 유전상수의 재배선층 기판을 비교한 결과 기판의 유전상수는 낮을수록, 다섯 가지 두께의 기판을 비교한 결과 기판의 두께는 얇을수록, 두 가지 전송 선로 타입을 비교한 결과 GCPW(grounded coplanar waveguide) 전송 선로가 CPW(coplanar waveguide) 전송 선로보다 신호 분리도 특성이 우수하였다. 또한 네 가지 전송 선로 금속 물질 비교 결과 금속의 전도도가 높을수록 삽입 손실(insertion loss) 특성이 우수하였으며 열한 가지 포트에서의 임피던스 변화를 살펴본 결과 임피던스 매칭이 잘 이루어질수록 반사 손실(return loss) 특성이 우수하였다. MEMS 미세 공정을 적용하여 실리콘 기판에 실리콘 산화막(SiO2)을 증착하고 트렌치(trench)를 형성함으로써 기판 구조에 변화를 준 결과, 목표 대역의 최대 주파수 6GHz에서 반사 손실과 신호 분리도의 특성이 개선되었다. 고주파 특성 개선 효과를 해석하기 위하여 RLC 집중 소자 모델(lumped element model)을 이용하였다. 본 연구실에서 제작된 낮은 구동 전압의 우수한 신호 분리도의 정전 구동 방식의 RF MEMS 스위치와 CMOS DC-DC 컨버터를 소개하고 재배선층을 이용한 두 칩의 이종 통합에 대한 모델링과 시뮬레이션으로 결합 후 고주파 특성을 예측하였다. 상용 칩과 플립칩(flip-chip) 공정으로 재배선층을 이용한 이종 통합의 고주파 특성을 검증하였다. 칩의 성능 변동 폭을 최소화 하고 재현성을 확보하면서 기판과 전송 선로 변화에 의한 영향을 보기 위하여 상용 칩과 플립칩 공정을 이용하였다. 선정한 OMRON RF MEMS 스위치는 직렬 연결된 Dickson 전하 펌프로 구동되었으며 OMRON RF MEMS 스위치의 RLC 집중 소자 모델링 결과는 10GHz 대역에서 실측 결과를 잘 반영하는 것을 확인하였다. 기판의 두께, 기판의 유전 상수, 기판의 트렌치 깊이, 신호선의 총 길이, 신호선 금속의 전도도, 신호선 금속의 높이 변화에 따른 이종 통합 후 RF MEMS 스위치의 고주파 특성 변화 경향성을 수식으로 정리하였다. Conformal mapping 방식으로 재배선층 전송 선로의 집중 소자 모델링을 진행하였으며 재배선층 전송 선로의 집중 소자 성분은 quasi-static TEM 모드에서 신호 전송이 된다는 가정하에 도출되었다. 이후 재배선층 전송 선로의 집중 소자 모델과 RF MEMS 스위치의 집중 소자 모델을 ABCD 행렬로 변환하고 행렬 곱으로 결합하여 이종 통합 후 RF MEMS 스위치의 고주파 특성을 수식으로 표현하고 시뮬레이션과 비교함으로써 검증하였다. 듀로이드 기판, FR4 기판, 실리콘 기판을 재배선층 기판으로 하는 연구를 진행하였다. 듀로이드와 FR4 기판에서는 기판의 종류, 기판의 두께, 전송 선로 타입 차이에 따른 이종 통합 시 고주파 특성을 연구하였고 실리콘 기판에서는 기판의 구조 변화에 따른 이종 통합 특성을 연구하였다. 듀로이드와 GCPW 전송 선로 조합의 재배선층과 FR4와 CPW 전송 선로 조합의 재배선층은 상용 PCB(Printed Circuit Board) 공정을 이용하여 제작하였다. 약 50옴 임피던스 매칭의 경우와 상용 PCB 공정 특성을 반영한 56옴, 59옴 임피던스의 경우 특성을 시뮬레이션으로 비교, 분석하였다. 듀로이드 기판은 유전상수가 작고 두께가 얇으며 GCPW를 적용하였기 때문에 상대적으로 유전상수가 크고 두께가 두꺼우며 CPW 전송 선로를 적용한 FR4 기판보다 6GHz 대역에서 삽입 손실은 약 2.08dB, 반사 손실은 약 3.91dB, 신호 분리도는 약 3.33dB 우수한 것을 확인하였다. MEMS 미세 공정으로 고저항 실리콘 웨이퍼 위에 실리콘 산화막을 올리고 전송 선로 주변에 50㎛ 깊이의 트렌치를 형성함으로써 고주파 신호 전송 특성을 개선하는 방법을 제안하였다. 총 2장의 마스크를 사용하여 4인치 실리콘 웨이퍼 위에 제작하였다. 공정 오차인 기판과 전송 신호선의 두께 및 간격 변화, 측정 환경인 기판 물질 그리고 저온 무연납 범프의 공동이 이종 통합 시 공진과 관련이 있는 것을 확인하였다. 50㎛ 깊이의 트렌치 구조에 의하여 실리콘 기판과 이종 통합된 스위치는 6GHz 대역에서 삽입 손실은 약 0.32dB, 반사 손실은 약 1.38dB, 신호 분리도는 약 0.04dB 개선된 것을 확인하였다. 실리콘 기판과 이종 통합된 RF MEMS 스위치의 DC 포트에서 RF 포트 특성은 3GHz 대역에서 트렌치 유무와 관계 없이 약 32dB 이상의 신호 분리도 특성을 보이는 것을 확인하였다. 스위치와 저온 무연납을 제외한 재배선층 특성 검증을 위한 테스트 패턴에서는 50㎛ 깊이의 트렌치 구조에 의하여 6GHz 대역에서 삽입 손실은 약 0.05dB, 반사 손실은 약 1.66dB, 신호 분리도는 약 1.82dB 개선된 것을 확인하였다. 본 논문에서는 재배선층을 이용한 RF MEMS 스위치와 CMOS DC-DC 컨버터의 통합 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 듀로이드, FR4, 고저항 실리콘 기판의 재배선층과 상용 칩을 이용하여 검증하였으며 고저항 실리콘 기판에 산화막과 트렌치 구조를 이용하여 고주파 특성 개선 가능성을 확인하였다.