밀리미터파 저손실 기판을 이용한 다층 PCB의 RF 전기적 모델링에 관한 연구

Abstract

As 5G is commercialized, the market value of global millimeter wave technology is expected to grow from $2.03 billion in 2021 to $38.55 billion in 2030 at a 39.1% annual average growth rate (CAGR) from 2022 to 2030. Millimeter wave technology is widely used in various applications such as telecommunications, military, satellites, medical care, and automobiles. In particular, due to the expansion of the supply of 5G smart phones that support millimeter wave bands, the demand for Radio Frequency System in Package (RF-SiP), which integrates various electronic components such as transceivers, logic circuits, and passive devices, into one system, is increasing. RF-SiP in the millimeter wave band requires a multi-layer substrate with a thin dielectric for high integration and miniaturization, and uses materials with low dielectric loss constants at high frequencies. Designers receive and design substrate information from multi-layer PCB manufacturers, but require an electrical model of multi-layer board with high reliability to prevent performance degradation due to input/output load impedance of power amplifier or manual device mismatch. Unlike the manufacture of a single-layer substrate, a multi-layer substrate is stacked with an insulator (Prepreg) and a copper foil to implement a multi-layer circuit layer on an inner-layer substrate, and is subjected to high temperature and pressure processes. In this case, the thickness of the insulating layer varies according to the density of the metal in the lower layer of the circuit, and thus the characteristic impedance of the microstrip line is changed, and RF performance is degraded due to input/output load impedance of the power amplifier or mismatch of the passive device. Therefore, this research shows a highly reliable RF electrical modeling solution for multi-layer substrates by measuring the cross-sectional thickness of the actually designed multi-layer substrate circuit to derive the relationship between metal density and insulation layer thickness. The accuracy of the model proposed on a six-layer substrate using high-frequency insulators (Prepreg: Hitachi HS200D, Core: MGC 832NS) was verified, and a de-embedding method with high accuracy was additionally presented through an error compensation technique.| 5G가 상용화되면서 글로벌 밀리미터파 기술 시장가치는 2021년 20억3000만 달러에서 2030년 385억5000만 달러로 2022년부터 2030년까지 연평균 복합 성장률(compound annual growth rate, CAGR) 39.1%로 성장할 것으로 예상된다.밀리미터파 기술은 통신, 군사, 인공위성, 의료 및 자동차와 같은 다양한 분야의 어플리케이션에서 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 밀리미터파 대역을 지원하는 5G 스마트폰 보급 확대로 인해 송수신기부터 논리회로, 수동소자 등의 여러 전자 부품들을 하나의 시스템으로 통합하여 구현한 Radio Frequency System in Package(RF-SiP)의 수요가 확대되고 있다. 밀리미터파 대역에서의 RF-SiP는 높은 통합도와 소형화를 위해 얇은 두께의 유전체를 사용한 다층 기판을 필요로 하고, 고주파에서 낮은 유전 손실 상수를 갖는 재료를 사용한다. 설계자들은 다층 기판 제작사의 기판 정보를 받아 설계를 하지만 전력증폭기의 입/출력 로드 임피던스 또는 수동소자의 부정합으로 인한 성능 저하를 막기 위해 높은 신뢰성을 가진 다층 기판의 전기적 모델을 요구한다. 다층 기판은 단층 기판 제작과 다르게 내층 기판 위에 다층 회로층을 구현하기 위해 절연제(Prepreg)와 동박(Copper foil)을 쌓고 고온 및 가압 공정을 거치게 된다. 이 때, 회로 아래층 metal의 density에 따라 절연층의 두께가 달라짐으로써 마이크로스트립 라인의 특성임피던스가 달라지게 되고, 전력증폭기의 입/출력 로드 임피던스 또는 수동소자의 부정합으로 인해 RF 성능이 저하된다. 따라서 본 연구에서는 실제 설계한 다층 기판 회로의 단면두께 측정을 통해 기준 면적에 대한 metal density와 절연층의 두께에 대한 관계식을 도출해내고, 이를 기반으로한 다층 기판의 전기적 모델을 만들어 밀리미터파 대역에서 실제 측정결과에 대한 정확성을 검증함으로써 높은 신뢰성을 가진 다층 기판의 RF 전기적 모델링 솔루션을 보여주었다. 고주파용 절연제(Prepreg: Hitachi HS200D, Core: MGC 832NS)들을 사용한 6층 기판에서 제시한 모델의 정확도를 검증하였고, 오차 보상 기법을 통해 높은 정확성을 가진 de-embedding 방법도 추가적으로 제시하였다.