KR20030071059A - 되감기식 나선형 이층 인덕터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이층 인덕터에 관한 것으로, 특히 공기절연층을 이용한 되감기식 나선형 이층 인덕터에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 되감기식 나선형 이층 인덕터는 기판에 접지되는 제 1 금속층, 상기 제 1 금속층과 직렬 형태로 공기중에 부상하여 형성되는 제 2 금속층, 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층을 상호 선택 접속시키는 연결부로 구성된다.

Description

되감기식 나선형 이층 인덕터{Rewind spiral second inductor}

본 발명은 이층 인덕터에 관한 것으로, 특히 공기 절연층을 이용한 되감기식 나선형 이층 인덕터에 관한 것이다.

최근 이동통신시장의 폭발적인 증가에 힘입어 핵심부품에 대한 연구도 활발히 진행되고 있는데, 특히 무선통신 시장에 있어서는 송수신에 해당하는 단위 회로들을 작게 만들기 위한 노력의 일환으로 전체 송수신 단을 하나의 단일 칩으로까지 만들고 있다.

상기 송수신단 회로를 구성하는 요소들은 크게 능동소자에 해당하는 트랜지스터와 수동소자에 해당하는 저항, 커패시터, 인덕터가 있다.

여기서 회로를 작게 만드는데 있어서 결정적인 부분이 인덕터이다.

그러므로, 같은 특성을 유지하면서도 크기가 작은 인덕터를 만들면, 회로의 크기를 작게 만들 수 있기 때문에 칩의 가격을 낮추는 결정적인 역할을 한다.

현재, 상용으로 사용되는 인덕터 구조로는 미엔더형(meander-line)인덕터와 나선형(spiral)인덕터가 있다.

이중에서 같은 면적에서 더 큰 인덕터 값을 가지는 구조는 나선형으로 만든 인덕터이다.

상기 미엔더형 인덕터는 단일 금속층만으로 되어있는 인쇄회로기판(PCB) 같이 손쉽게 사용할 수 있는 저가형 기판에서 인덕터를 만들어야 하는 경우에 사용되고 반도체 공정을 이용한 단일 칩의 회로에 사용되는 인덕터는 주로 나선형을 이용한다.

이 나선형 구조가 가지는 특징은 솔레노이드형 인덕터처럼 기판 위에 나선팔을 여러 번 같은 방향으로 감아 주므로써 같은 면적에 최대한의 인덕터 값을 얻을 수 있게 한다.

또한, 이러한 나선형 인덕터의 전기적인 특성을 향상시킬 목적으로 대부분의 상용 인덕터는 나선팔이 기판에 붙어 있는 것이 아니라 기판 위에 지지대(Air-bridge post)를 만들어 이 지지대를 이용하여 나선팔이 기판과 일정한 거리를 두고 떠있는 구조(floating spiral inductor)를 채택하고 있다.

이렇게 함으로써 나선팔이 기판과의 기생 커패시터 성분을 줄일 수 있다.

최근 이러한 인덕터의 구조를 더 작게 만들 목적으로 이층으로 인덕터의 나선팔을 적층한 구조가 1997년 미국 전기전자학회지(IEEE MGWL)에 발표되었다.

상기 미국 전기전자학회지에 발표된 구조는 나선팔을 이층으로 하였기 때문에 기존의 단일층 인덕터에 비해서 크기를 45% 까지 줄일 수 있는데, 이층으로 나선팔을 형성하는데 있어서 첫 번째 층의 나선팔을 완전하게 구성하고 난 다음에 두 번째 층으로 올라가서 두 번째 층의 나선팔을 구성하는 형식이 아니라 첫 번째 층과 두 번째 층을 교대로 오르내리면서 나선팔을 형성하는데 있다.

도 1은 종래의 교대방식 이층 인덕터를 나타낸 평면도이며, 도 2는 도 1의 교대방식 이층 인덕터의 산란계수 특성을 나타낸 도면으로, 산란계수를 임피던스 차트에서 보았을 때, 도 1의 포트 1의 S11과 포트 2의 S22의 특성이 거의 일치하고 있다.

상기와 같이 S11과 S22의 특성이 거의 일치하는 것을 도 3의 인덕턴스 변화를 도 3에서 살펴보면, 두 포트 사이의 인덕턴스 변화경향이 거의 비슷하고 사용가능 주파수의 범위도 각각 12.2GHz, 13.3GHz로 비슷하다.

이와 같은 구조는 결정적으로 전기적인 특성에 있어서는 기존의플로우팅(floating)인덕터에 비해서 나쁘다.

그 외에도, 실리콘 기판 위에 무선회로를 구성하는데 관심이 증가하면서 실리콘 기판 위에 수동소자를 구현하는 방법에 대한 많은 연구가 있는데, 특히, 2001년 4월에 미국 전기전자학회지(IEEE-JSSC)에는 CMOS 기술에 기반을 둔 5층 금속층을 이용한 인덕터 구조에 대한 논문이 발표되었다.

이 논문에서는 나선형 인덕터를 구성하는 방법에 있어서 각층의 나선팔을 완전하게 형성하고 난 다음에 다음층의 나선팔을 구성하는 방법을 택하고 있다.

그러나 이 논문에 의하면 인접하는 두 층만을 이용하여 인덕터를 형성하는 경우, 두 층 사이의 커플링 커패시터가 너무 크기 때문에 여러 가지 변형 인덕터 구조에 대해서 제안하고 있다.

즉, 이층으로 인덕터를 형성하는 경우, 가장 효과적인 방법은 인덕터의 나선팔 사이에 충분히 많은 유전체를 두고 있는 가장 멀리 떨어진 두층을 이용하여 나선팔을 형성하는 것이 가장 효과적이라고 밝히고 있다.

그러나 이와 같은 방법은 충분히 많은 유전체 공정이 필요하다는 결정적인 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 반도체 기판 위에 에어 브리지(Air-bridge) 공정을 이용한 되감기식 나선형 이층 인덕터 구조를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 교대방식 이층 인덕터를 나타낸 평면도

도 2는 도 1에 따른 교대방식 이층 인덕터의 산란계수를 나타낸 도면

도 3은 도 1에 따른 교대방식 이층 인덕터의 인덕턴스 변화는 나타낸 그래프

도 4는 본 발명에 따른 되감기식 나선형 이층 인덕터를 나타낸 평면도

도 5는 도 4에 따른 본 발명의 되감기식 나선형 이층 인덕터의 산란계수를 나타낸 도면

도 6은 도 4에 따른 본 발명의 되감기식 나선형 이층 인덕터의 인덕턴스 변화를 나타낸 그래프

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 제 1 금속층 20 : 제 2 금속층

30 : 연결부

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구조 특징에 따르면, 기판에 접지되는 제 1 금속층, 상기 제 1 금속층과 직렬 형태로 공기중에 부상하여 형성되는 제 2 금속층, 상기 제 1 금속층과 제 2 금속층을 상호 선택 접속시키는 연결부로 구성된다.

바람직하게, 상기 제 1 금속층의 선폭은 15um이고, 두께는 0.5um 이며, 제 2 금속층의 선폭은 10um이고 두께는 3um 이다.

그리고, 상기 기판의 물질은 갈륨비소이고, 두께는 100um이며, 마이크로스트립 구조이다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 되감기식 이층 인덕터 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 선폭이 넓은 쪽이 바닥에 위치한 제 1 금속층(10)이고, 선폭이 좁은 쪽이 공기 위에 형성되어지는 제 금속층(20)을 나타내며, 이 두 금속층(10, 20)을 전기적으로 상호 선택 연결하는 연결부(컨택-비아(contact-via))(30)가 두 금속층(10, 20) 사이의 작은 사각형으로 연결되며, 직렬연결 형태로 구성된다.

상기와 같은 구조의 동작을 설명하면 포트 3쪽으로 신호가 입력되면, 먼저 공기층으로 신호가 흐르다가 바닥으로 해서 포트 4쪽으로 신호가 출력된다.

상기 바닥 금속층(10)의 선폭은 15um이고, 금속의 두께는 0.5um이다.

또한, 상기 공기 위 금속층(20)의 선폭은 10um이고, 두께는 3um이다.

이는 상용으로 제작되는 금속의 두께를 그대로 사용한 것이고, 기판은 갈륨비소이고, 이 기판 두께는 100um이며, 마이크로스트립 구조로 기판의 뒷면은 접지를 위한 금속이 도금되어 있다.

도 5는 도4의 본 발명에 따른 되감기식 이층 인덕터의 산란계수 특성을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 도 4의 포트 3과, 포트 4 에 해당하는 S33과 S44의 산란계수를 임피던스 차트에서 보았을 때 S44의 특성이 아래쪽으로 내려가 있다.

이는 포트 4와 포트 3의 특성이 서로 다른 것을 의미하고, 포트 4쪽의 션트-캡(shunt-cap)값이 포트 3의 션트-캡(shunt-cap)에 비해서 상대적으로 큰 것을 의미한다.

상기와 같은 특징으로 조금 더 자세히 관측하기 위해서 상기 도 5를 통해 구해진 산란계수를 어드미턴스 파라미터로 변환한 후에 이의 역수를 취하여 인덕턴스의 주파수에 따른 변화를 도 6의 그래프를 통해 살펴보면, 포트 3의 인덕턴스 변화가 주파수에 따라 상대적으로 둔감하고 사용가능 주파수 범위도 11.2GHz, 17.8GHz로 많은 차이를 보이고 있다.

상기와 같은 차이는 인덕터의 구조에 기인하는 것으로, 포트3, 4가 느끼는 션트-캡이 서로 다르기 때문이다.

즉, 포트 4의 경우는 기판의 바닥에 있기 때문에 션트-캡이 크지만, 포트3의 경우는 공기층 위에 떠있고, 또한 아래의 나선판들에 의해서 스크리닝(screening) 효과를 가지기 때문에 션트-캡이 작게 느껴지게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 이층 인덕터를 되감기식으로 만듦으로 인하여 인덕터의 크기를 줄이면서도 공기층 위의 나선팔이 느끼는 션트-캡 성분을 줄여서 사용 가능한 주파수 범위를 크게하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 매칭 회로를 고주파 필터형태로 구성하는 경우네 병렬 인덕터를 하나의 포트를 사용한다면, 전기적인 특성을 우수하게 유지하면서 크기를 작게 구현할 수 있는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 기판에 접지되는 제 1 금속층;

   상기 제 1 금속층과 직렬 형태로 공기중에 부상하여 형성되는 제 2 금속층;

   상기 제 1 금속층과 제 2 금속층을 상호 선택 접속시키는 연결부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 되감기식 나선형 이층 인덕터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 금속층의 선폭은 15um이고, 두께는 0.5um 이며, 제 2 금속층의 선폭은 10um이고 두께는 3um인 것을 특징으로 하는 되감기식 나선형 이층 인덕터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 기판의 물질은 갈륨비소이고, 두께는 100um이며, 마이크로스트립 구조인 것을 특징으로 하는 되감기식 나선형 이층 인덕터.