KR20240079753A - 안테나 모듈 - Google Patents

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KR20240079753A
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antenna module
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Abstract

본 발명은 전자기파가 통과하는 슬랏이 형성되는 슬랏 안테나와, 무선통신칩이 결합되고, 상기 무선통신칩과 연결되고 전자기파를 송수신하는 신호전송라인이 형성되는 패키지 기판을 포함하고, 슬랏 안테나와 패키지 기판이 개별적으로 만들어진 후 결합되는 안테나 모듈에 관한 것이다.

Description

안테나 모듈{Antenna module}
본 발명은 슬랏안테나를 포함하는 안테나 모듈로, 특히, 밀리미터파 대역의 무선통신 성능과, 방열특성을 향상시킬 수 있고, 불량 검출이 용이한 안테나 모듈에 관한 것이다.
무선통신 데이터 트래픽(data traffic)이 비약적으로 증가되고, 무선통신 관련 전자기기가 고성능화 되고 있다. 무선망에서 신속하게 대용량의 데이터를 주고받아야 하는 자율주행, VR/AR, IoT 관련 기술, 원격의료, 초고해상도 영상 전송 등의 관련 기술 개발이 가속화되며 이를 지원하기 위한 5G 및 밀리미터파 대역의 부품 및 관련 기술이 요구되고 있다.
이렇게, 무선통신 데이터 전송량을 증가시키기 위해서, 무선통신부품의 경우 사용 주파수가 높아지고 그 대역폭을 증가시켜야 한다.
무선 송수신 시스템에서는 주파수 대역이 높아짐에 따라, 송수신 신호의 출력을 높이고 신호 대 잡음 비를 개선하기 위해, 안테나의 개수의 증가가 요구된다.
따라서, 5G용 특히 밀리미터파 대역에서는 필수적으로 안테나를 다수의 어레이 형태로 배열하고, 빔을 조종하는 빔포밍 기능을 수행할 수 있게 안테나 모듈을 구성하게 된다.
전자파 빔을 형성하고 조절하는 기능을 수행하는 안테나 모듈 또는 시스템은 통상적으로 많은 안테나 엘리먼트들, 집적회로들, 이들의 상호 접속부 및 제어 라인들로 구성된다. 이러한 안테나 모듈은 다층 구조의 안테나 요소들, 이들의 신호 전달 구조, 빔포밍 등의 기능을 수행하는 무선통신 집적회로칩(RFIC), 중간주파수 분배 회로, 로컬오실레이터, 그와 관련된 회로, 제어 회로, 바이어스 회로 등을 부가적으로 포함한다.
이러한 모듈 및 시스템 들은 무선통신 시스템에 필수적으로 구성되며, 높은 출력 및 낮은 신호 손실 저하, 빔포밍 등의 기능 수행, 높은 수신 감도, 낮은 가격, 손쉬운 호환 및 확장 등이 중요한 개발 목표가 된다.
또한, 12-18 GHz, 24GHz, 28GHz, 39 GHz, 60 GHz 등의 초고주파 대역에서는 RF 신호는 신호 전달 과정에서 쉽게 흡수되고 손실이 발생하여, 무선통신의 품질이 급격이 저하될 수 있다.
따라서, 안테나 모듈의 경우, 안테나의 높은 이득 및 방사효율 확보, 안테나와 RFIC 간의 연결부 손실 최소화, 복잡한 신호라인 배치로 인한 상호 신호 간섭 최소화, 안테나 어레이 사이의 간격 확보(대개 신호 파장의 0.5배 간격) 등의 기술 개발이 요구된다.
이와같이, 안테나 모듈은 송수신하는 주파수가 증가함에 따라, 출력을 높이고 빔포밍 기능을 수행하기 위해 다수의 밀리미터파 대역의 안테나가 배열 어레이 형태로 구성되며, 이를 구현하기 위한 집적회로 등과 집적되어 구성된다.
한편, 사용되는 주파수가 높아짐에 따라, 해당하는 대역의 안테나의 크기, 전송라인의 폭 등은 감소하고, 집적회로의 집적도는 증가된다.
밀리미터파 대역의 안테나가 RFIC 및 그 관련 회로 등의 집적회로와 함께 결합되어 안테나 모듈을 구성하기 위해서는 안테나 어레이와 집적회로가 기판의 최상층에 위치할 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 안테나 요소의 개수가 늘어남에 따라, 각각의 안테나마다 집적회로와 연결되어 구성되어야 하는 라우팅의 개수가 늘어나게 되어 안테나 사이의 간격이 넓어져야 한다. 따라서, 효과적인 안테나 어레이 구성에 의해, 빔포밍 등의 기능을 제대로 수행하기 위한 배치를 할 수 없다.
이를 해결하기 위해 기존의 한국 등록특허 1581225에 의하면, 안테나 요소들은 기판의 최상층에 형성하고, 집적회로 및 BGA 등은 기판의 반대편 측면에 배치하여 구성하는 이중 측면 패키지를 사용한다. 또한, 안테나에 직접 라우팅되어 구성되는 무선통신 칩(RFIC)인 집적회로 이외에 부가적인 제어 및 전력 공급을 위한 IC 등은 BGA 들을 통해 다른 패키지 기판에 연결하는 방식을 사용한다.
이러한 방식은 패키지 기판 최상층에 다수의 안테나로 어레이를 구성하고, 동일한 패키지 기판의 반대면 면에 페이스 업 형태로 RFIC를 구성하여 각각의 안테나 요소에 하나의 RFIC의 입출력 라인을 대응하여 연결한다.
안테나와의 피딩 라인은 기판 내부의 유전층들과 금속층 등을 이용하여 구성하게 된다.
이러한 안테나 모듈 구성 방법은 안테나가 패키지 기판 안에 함께 구성되어 안테나 인 패키지(antenna in package)라고 부르며, 안테나 및 RFIC 간의 신호전달라인을 짧게 구성하여 손실 요소를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, RFIC 등의 집적회로가 안테나 어레이의 반대편에 있으므로 집적회로의 제어 및 전원 라인 들이 안테나와 동일면에 배치하지 않고, 패키지 내부에 금속라인들을 배치할 수 있다.
반면, 제어 및 전원 라인들에 라우팅되는 추가적인 수동소자 및 커넥터 등을 연결하기 위해 BGA 등을 이용하여 다른 패키지 기판과 연결하여야 한다.
또한, 안테나의 성능을 향상시키기 위해 다층의 안테나 구조를 구현해야 하는 경우, 안테나 신호전달 구조가 제어 및 전원 라인의 간섭을 피하기 위한 다층 구조를 구현하는 경우 등에 있어서, 안테나 어레이를 늘릴 때 이러한 구조가 매우 복잡해지며 배선이 어려워지고, 패키지 기판의 층수가 크게 증가하게 된다. 이와같이 기판의 층 수가 증가되면 패키지 기판을 통해 RFIC 등으로부터 발생되는 열을 방출시키기 어려워진다.
또한, 안테나와 RFIC 신호라인이 모두 하나의 패키지 기판에 구성되므로 RFIC와 연결된 RF 신호라인의 특성과 안테나의 특성이 합쳐진 형태로만 특성 파악이 가능해진다. 즉, 안테나 어레이 만의 특성을 평가하거나, RFIC의 RF 신호라인 등의 특성을 개별적으로 평가할 수 없게 된다. 설계 및 제작 공정 등에 의한 불량에 대해 각각 개별적으로 평가를 진행할 수 없어 불량 파악 및 개선, 수율 향상 등이 어려운 문제가 있다. 또한, 사용 과정 중에, RFIC 등의 고출력 소자 및 그 부속 부품 및 라인 등에서 불량이 발생한 경우, 이를 평가하여 불량 부분을 검출할 수 있는 방법이 부재하다. 즉, RFIC의 어느 하나의 출력이 저하되는 등의 특성 저하 문제가 발생할 때, 그 문제가 발생한 소자를 파악하여 교체하기 어려워 전체 모듈을 통째로 교체해야 한다. 또한, 이러한 이중측면 패키지에서 최상층 안테나가 패치 형태로 구성되어 있을 경우, 각각의 안테나 하나씩에 대해 RF 특성을 측정할 수 있는 방법이 부재하다.
또한, 이와같이 안테나와 RFIC의 제어/전원 라인의 라우팅 파트를 같이 구성해야 하므로, 안테나의 특성에 알맞는 재료 기판을 사용하는 데 제약이 있다. 즉, 초고주파 대역에서 유전손실이 적은 재료 패키지 기판을 적용하는 경우에는 매우 고가이고 강성이 나쁘거나, 다층으로 구성하는 데 제약이 있는 상황이다.
이에 따라, 안테나 기판 & 무선통신 칩 집적회로의 PCB 패키지 기판을 별도로 제작하여 본딩 연결하는 방법도 제시되었다.
한국 등록 특허 2145219 등에 의하면, 안테나 모듈을 구성하는 데 있어서, 안테나 성능을 향상시키거나 소형화하기 유리한 안테나 모듈을 제공하기 위해서 반도체 칩이 배치되고 관련 회로가 형성된 PCB 패키지 기판과 별도로 안테나 어레이 및 그 피딩 구조 일부가 형성된 안테나 기판을 본딩 방법에 의해 전기적인 연결을 시키는 방식이다.
대개 각각의 안테나에 연결되어 RF 신호을 전달하기 위한 피딩 금속 비아와 RFIC로부터 연결되어 RF 신호를 전달하기 위한 금속 비아를 볼 형태의 범프를 이용하여 전기적으로 연결하고 고정시킨다.
안테나 기판과 집적회로 패키지 기판을 바로 범프로 연결시키기도 하고, 그 중간에 인터포저 기판을 더 구성하여 재배선하여 연결시키기도 하나, 반드시 패키지 기판 간의 연결을 위해 볼 형태의 범프를 이용하여 전기적으로 연결하고 고정시키기 위한 구조물을 사용하게 된다.
안테나 요소의 개수가 증가할수록 신호전달 및 기판 부착을 위한 범프의 개수는 늘어나고, 동작 주파수가 높아질수록, 요구되는 범프의 크기 또한 작아져야 한다.
이러한 패키지 기판 위에 패키지 기판을 연결시키는 방식으로 패키지 온 패키지(package on package) 방법의 일종인데, 안테나 기판과 반도체 집적회로의 패키지 기판을 분리하여 안테나 모듈을 제작하여 안테나 기판의 재료와 반도체 패키지 기판의 재료를 다르게 사용할 수 있다.
따라서, 안테나 이득 등의 특성을 향상시키기 위하여, 안테나 및 안테나 피딩 구조 등을 다층으로 효과적으로 설계할 수 있으며, 기판 재료 역시 효과적으로 선택할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 안테나 신호라인 피드 비아 이외에 그라운드 비아도 역시 꼼꼼히 범프로 연결해야 하여, 추가적인 제작 공정이 필요하고, 다수의 범프 형성이 매우 복잡할 수 있다.
또한, 안테나 신호라인 연결을 위한 범프로 인해 임피던스의 미스매치 등이 발생하여 RF 신호손실이 커질 수 있다. 또한, 각 패키지 기판 간의 본딩 구조는, 고출력을 위한 IC 등의 발열로 인해 기판이 휘어지게 되며 기판 간의 열팽창계수 차이에 의해 장시간 사용 시 범프의 본딩이 쉽게 떨어지는 불량 문제가 다수 발생된다.
특허문헌 1) 국내등록특허공보 제10-1581225(명칭: 표면 장착가능한 직접회로 패키지 수단, 등록일: 2015. 12. 23) 특허문헌 2) 국내등록특허공보 제10-2145219(명칭: 반도체 패키지 및 이를 포함하는 안테나 모듈, 등록일: 2020. 08. 11)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 10GHz 이상의 초주파수 대역에서 높은 성능을 가질 수 있는 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 슬랏을 구비한 슬랏안테나와, 무선통신칩(RFIC)이 결합된 패키지 기판으로 구성되며, 슬랏 안테나의 일면과 패키지 기판의 일면이 맞닿도록 하여, 높은 이득과 방사효율을 가지며 방열 특성이 높은 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 안테나와 패키지 기판 사이에 슬랏과 신호접속부를 마주보게 놓고 커플링을 통해 무선통신 신호을 전달하므로, 기존의 안테나와 패키지 기판 연결에 사용되던 범프 본딩구조가 필요하지 않아, 범프 사용시에 발생하는 신호손실 및 범프 연결의 불량 문제가 개선된 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
그리고, 안테나와 패키지 기판을 각각 개별적으로 제작하고 연결시켜 안테나 모듈을 구성하므로, 안테나와 패키지 기판을 개별적으로 특성을 검사한 후 구성 가능한 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 안테나와 패키지 기판을 연결하거나 분리할 수 있도록 안테나 모듈을 구성하므로, 패키지 기판의 신호접속부를 개별적으로 특성을 검사하여, 신호접속부 및 이와 연결된 무선통신칩의 불량을 검출할 수 있도록 하는 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
슬랏 안테나의 슬랏에 릿지형성 돌기를 형성하여, 동작 주파수에 해당하는 전자기파의 송수신이 가능한 슬랏의 크기를 줄여 슬랏의 배치를 용이하게 하거나, 전자기파의 송수신 성능을 향상시킬 수 있는 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
슬랏 안테나의 슬랏에 유전체를 채워, 동작 주파수에 해당하는 전자기파의 송수신이 가능한 슬랏의 크기를 줄임으로써 슬랏의 배치를 용이하게 하거나, 전자기파의 송수신 성능을 향상시킬 수 있는 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 무선통신칩의 입출력부와 연결된 신호전송라인을 패키지 기판 내부에 배치하고, 그라운드층을 패키지 기판의 일면에 마주보게 배치하여 무선통신 신호를 반사 시켜, 신호의 전송 효율을 향상시킨 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 슬랏 안테나와 맞닿는 패키지 기판의 일면에, 슬랏 안테나의 슬랏에 위치할 수 있도록 신호커플링패턴을 배치하여, 무선신호의 커플링을 강화시킴으로써, 무선통신 신호의 전송이 보다 원활하게 이루어질 수 있는 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 슬랏 안테나 및 패키지 기판 중 어느 하나 이상의 옆면에 방열수단을 결합하여, 방열 특성이 개선된 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
그리고, 슬랏 안테나의 하부에 트렌치를 형성하여, 기판의 라우팅 및 배치를 효율적으로 구성 가능한 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 슬랏 안테나의 외부를 금속재질로 형성하되, 내부를 외부보다 밀도가 낮은 재질로 형성하여, 방열이 원활하게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 장치의 하중 또한 낮출 수 있는 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 슬랏 안테나와 패키지 기판에 정렬시켜 고정할 수 있는 고정홀을 형성하여, 슬랏 안테나와 패키지 기판 간의 정렬 및 고정을 용이하게 하여 제조 공정을 단순화하고 공정에 필요한 시간을 단축할 수 있는 안테나 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 안테나 모듈은, 전자기파가 통과하는 슬랏(110)이 형성되는 슬랏 안테나(100); 및 무선통신칩(210)이 결합되고, 상기 무선통신칩과 연결되고 전자기파를 송수신하는 신호전송라인(220)이 형성되는 패키지 기판(200);을 포함하고, 상기 슬랏 안테나(100)와 상기 패키지 기판(200)이 결합 형성되는 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100)와 상기 패키지 기판(200)이 개별적으로 만들어진 후 결합되는 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏(110)은 상기 안테나(100) 상에 복수개가 일정한 간격으로 이격 배치되어 어레이를 형성하는 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 패키지 기판(200)은 상기 신호전송라인(220)을 감싸는 형태로 배치되는 차폐부(230);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차폐부(230)는 상기 패키지 기판(200)을 구성하는 유전체층(200A)에 형성되는 복수개의 그라운드층(231)과, 상기 그라운드층(231)을 연결하는 차폐비아(232);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수개의 상기 그라운드층(231) 중 선택되는 어느 하나의 그라운드층은 상기 신호전송라인(220)을 사이에 두고 상기 슬랏(110)과 마주보게 배치되는 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 차폐부(230)는 상기 슬랏(110)을 감싸는 형태로 배치되어 중앙에 신호전송부(201)를 형성하는 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 슬랏(110)을 향해 돌출 형성되는 릿지형성 돌기(120);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 릿지형성 돌기(120)가 복수개 형성되는 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 슬랏(110)에 구비되는 슬랏 폐쇄부재(130)를 포함하고, 상기 슬랏 폐쇄부재(130)는 유전체인 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 폐쇄부재(130)는 유전율이 2 이상이고 10 이하인 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 패키지 기판(200)은 상기 신호전송라인(220)과 상기 슬랏(110) 사이의 전자기파 이동을 가이드하는 커플링부(240);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 하면에 형성되는 트렌치(140);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100)는 외면이 전도체로 형성되고, 내부가 상기 전도체보다 밀도가 낮은 재질로 형성되는 것;을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100), 패키지 기판(200) 중 어느 하나 이상의 측면에 결합되는 방열수단(300);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 하면에 형성되는 고정홈(150); 상기 패키지 기판(200)은 상하 두께방향으로 천공되는 고정홀(250);을 포함하고, 고정홈(150) 및 고정홀(250)에 체결되는 고정볼트(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 하면에 형성되는 고정바(160); 상기 패키지 기판(200)은 상하 두께방향으로 천공되고 상기 고정바(160)가 결합되는 고정홀(250);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명인 안테나 모듈은, 무선통신 신호를 송수신하는 슬랏을 구비한 슬랏 안테나와 무선통신칩이 집적된 패키지 기판을 서로 맞닿게 배치하여 무선통신 신호를 전달하여 고이득 및 높은 방사 효율의 안테나 모듈을 구성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명인 안테나 모듈은, 슬랏을 구비한 슬랏 안테나와 무선통신칩이 집적된 패키지 기판을 서로 맞닿게 배치하여 무선통신 신호를 전달하여, 안테나와 무선통신칩의 신호전송라인 사이의 미세한 전기적 연결구조체를 다수 제작하는 패키징 공정을 없앨 수 있는 장점이 있다.
본 발명인 안테나 모듈은, 슬랏을 구비한 슬랏 안테나와 무선통신칩이 집적된 패키지 기판을 서로 맞닿게 배치하여 무선통신 신호를 전달하여, 과도한 열 발생에 의해 안테나 기판과 패키지 기판의 전기적 연결구조체가 분리되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명인 안테나 모듈은, 슬랏을 구비한 안테나와 무선통신칩이 집적된 패키지 기판을 적용하여 안테나 모듈을 구현하므로, 회로 구현를 위한 패키지 기판을 안테나 특성과 별도로 제작할 수 있어, 회로 구현에 더 적합한 기판 재료를 사용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명인 안테나 모듈은, 전면 또는 외면이 전도체로 된 슬랏 안테나를 적용하여, 안테나 모듈에서 발생하는 열의 방출이 원활 해져서 방열 특성을 향상시키고 출력 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명인 안테나 모듈은, 슬랏 안테나와 패키지 기판을 별도로 제작하고 연결하여 안테나 모듈를 구현하므로, 안테나의 특성과 불량을 측정 분석하거나, 패키지 기판 및 각각의 무선통신 칩, 이에 연결된 각각의 신호전송라인의 특성 및 불량을 개별적으로 측정 분석하여 불량 검출이 가능하고 수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 슬랏 안테나의 슬랏에 릿지형성 돌기를 형성하여, 동작 주파수에 해당하는 전자기파의 송수신이 가능한 슬랏의 크기를 줄여 슬랏의 배치를 용이하게 하거나, 전자기파의 송수신 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 슬랏 안테나의 슬랏에 공기보다 유전율이 높은 유전체가 채워지므로, 슬랏 크기를 최소화 가능한 장점이 있다.
또한, 무선통신칩의 신호전송라인을 패키지 기판 내부에 배치하고, 그라운드층을 패키지 기판의 일면에 마주보게 배치하여 무선통신 신호를 반사 시킴으로써, 신호의 전송 효율을 한층 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 슬랏 안테나와 맞닿는 패키지 기판의 일면에 슬랏에 위치할 수 있도록 신호커플링패턴을 배치하여, 무선신호의 커플링을 강화시켜 신호 전송 효율을 개선할 수 있는 장점이 있다.
또한, 슬랏 안테나 하부에 트렌치가 형성되어, 패키지 기판에 결합되는 무선통신 칩, 집적회로 칩, 수동소자, 커넥터 등을 슬랏 안테나와 맞닿는 면에 배치 가능하므로, 패키지 기판의 라우팅 및 배치를 효과적으로 구성 가능한 장점이 있다.
아울러, 안테나 모듈 가장자리에 방열핀이 형성된 방열수단을 결합할 수 있어, 열 방출이 보다 원활하게 이루어져 출력 손실 저하 및 기판 등의 변형을 방지 가능한 장점이 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명인 안테나 모듈의 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 3 내지 도 4는 본 발명인 안테나 모듈의 제2 실시예를 나타낸 도면.
도 5 내지 도 6은 본 발명인 안테나 모듈의 제3 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명인 안테나 모듈의 제4 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명인 안테나 모듈의 제5 실시예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명인 안테나 모듈의 제6 실시예를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명인 안테나 모듈의 제7 실시예를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명인 안테나 모듈의 제8 실시예를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명인 안테나 모듈의 제9 실시예를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명인 안테나 모듈의 제10 실시예를 나타낸 도면.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 안테나 모듈(1000)에 관하여 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명인 안테나 모듈의 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 3 내지 도 4는 본 발명인 안테나 모듈의 제2 실시예를 나타낸 도면이고, 도 5 내지 도 6은 본 발명인 안테나 모듈의 제3 실시예를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명인 안테나 모듈의 제4 실시예를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명인 안테나 모듈의 제5 실시예를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명인 안테나 모듈의 제6 실시예를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명인 안테나 모듈의 제7 실시예를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명인 안테나 모듈의 제8 실시예를 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명인 안테나 모듈의 제9 실시예를 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명인 안테나 모듈의 제10 실시예를 나타낸 도면이다.
이하의 설명 중 '무선통신 신호'와 '전자기파'의 경우 모두 통신을 위한 신호를 나타냄을 미리 정의하도록 한다.
도면 1 내지 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 안테나 모듈(1000)은 전자기파를 송수신하는 하나 이상의 슬랏(110)이 형성되어 어레이 형태로 배열된 슬랏 안테나(100)와, 무선통신칩(210)이 결합되고, 무선통신칩(210)의 신호를 전송하는 신호전송라인(220)과 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)과 일대일로 대응되는 신호접속부(C)가 형성되는 패키지 기판으로 구성된다.
여기서 무선통신칩(210)은 무선통신 집적회로(RFIC) 칩을 말할 수 있고, 신호 접속부(C)는 전자기파가 방사되거나 수신되는 패키지 기판(200)의 최상측면을 포함할 수 있다.
슬랏 안테나(100)는 하나 이상의 슬랏(110)이 어레이 형태로 배열된 구조로, 슬랏(110)을 통해 전자기파가 방사되거나 수신된다. 슬랏 안테나(100)는 슬랏(110)의 크기 및 구조가 전송하는 전자기파의 주파수 대역을 결정하고, 이 슬랏(110)이 전자기파를 송수신하는 안테나로 동작하게 된다.
이러한 슬랏(110)은 전자기파의 손실이 없이 전달되도록 슬랏의 옆면이 금속과 같은 전도체로 구현되는 것이 바람직하며, 상측과 하측이 관통되어 비어 있는 형태로 전자기파가 위아래로 잘 전달될 수 있도록 구성하는 게 바람직하다.
즉, 이러한 슬랏(110)은 잘 알려진 웨이브가이드와 비슷한 형상으로, 위에서 본 평면이 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 가느다란 사각 형태와, 옆면에 하나의 릿지형성 돌기가 형성된 "ㄷ" 형태, 양쪽의 옆면에 각각의 릿지형성 돌기가 형성된 "H" 형태로 구현될 수 있다.
이러한 슬랏 안테나는 슬랏 웨이브가이드 안테나라고도 불리우며, 슬랏 안테나는 높이가 낮게 평판 형태로 구현될 수 있고, 저가로 쉽게 제작할 수 있으며, 널리 사용되는 마이크로스트립 패치 안테나에 비해 이득이 높고 방사 효율도 높은 장점이 있다.
반면 널리 사용되는 유전체 기판 위에 형성된 마이크로스트립 패치 안테나의 크기에 비해 동일한 동작주파수 대역에서 슬랏 공간의 크기가 상대적으로 커야 하기 때문에, 어레이 형태로 구현 시 설계가 어려운 단점을 가질 수 있다.
따라서, 슬랏 안테나를 안테나 모듈로 구성하기 위해 복수개의 슬랏(110)을 구비한 배열 어레이 형태로 구현하기 위해서는, 슬랏(110)의 크기와 신호 접속부(C)의 배열 및 배치를 알맞게 설계해야 한다.
또한, 슬랏 안테나(100)는 슬랏(110)의 크기를 줄이기 위해 릿지가 형성된 형태로 구현하거나, 내부에 유전체를 채울 수도 있다.
도 1을 참조하면, 패키지 기판(200)은 상기 신호전송라인(220)을 감싸는 형태로 배치되는 차폐부(230)를 포함하고, 상기 차폐부(230)는 상기 패키지 기판(200)을 구성하는 유전체층(200A)에 형성되는 복수개의 그라운드층(231)과, 상기 그라운드층(231)을 연결하는 차폐비아(232)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 패키지 기판(200)의 일면에 형성되는 신호접속부(C)는 그라운드층(231)에 의해 감싸지고, 슬랏(110)과 마주보게 배치될 수 있다.
상세히 설명하면, 슬랏(110)과 신호접속부(C)가 서로 마주보게 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)을 결합하여, 패키지 기판(200)의 무선통신 칩(210) 신호가 차폐부(230) 중앙에 형성된, 신호전송부(201), 신호접속부(C), 슬랏(110)을 통해 이동하는 신호 전송구조를 형성함으로써, 무선통신 신호의 전송 손실을 최소화함과 동시에, 다른 안테나와 신호전송라인(220) 사이에서 전송되는 무선통신 신호 및 장치 작동에 사용되는 아날로신호와의 신호 간섭을 차단할 수 있도록 한 것이다.
이때, 상기 차폐부(230)는 상기 신호전송부(201)를 감싸는 형태로 배치되어, 신호전송부(201)를 통과하는 신호가 외부 신호로부터 받는 간섭을 차단하는 것을 권장하고, 이러한 차폐부(230)는 패키지 기판(200)을 구성하는 유전체층(200A)에 형성되는 복수개의 그라운드층(231)과, 상기 그라운드층(231)을 연결하는 차폐비아(232)를 포함할 수 있다.
또한, 위에서 말하는 신호전송부(201)는 차폐부(230)로 감싸진 패키지 기판(200)의 특정 영역을 뜻하고, 무선통신칩(210)의 입출력 포트 개수에 대응하여 복수개가 형성될 수 있음은 물론이다.
이러한 안테나 모듈(1000)에서 안테나의 송신은 상기 패키지 기판(200)에 결합된 무선통신칩(210)으로부터 동작주파수 대역의 초고주파 신호를 상기 신호전송라인(220)을 통해 전달하면, 복수개의 차폐비아(232)로 감싸져 있는 신호전송부(201)를 통해 상기 패키지 기판의 일면에 형성된 신호접속부(C)로 전달되고, 이를 다시 신호접속부(C)로부터 상기 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)에 전달되어, 미리 설계된 주파수 대역과 빔폭 등의 특성을 가진 전자기파를 상기 슬랏을 통해 방사하는 형태로 이루어진다. 안테나의 수신은 반대의 과정으로 거쳐, 슬랏을 통해 특정 주파수의 전자기파를 수신하며, 수신된 신호를 무선통신 칩으로 전송하게 된다.
무선통신칩(210)이 장착된 패키지 기판(200)은 하나 이상의 유전체층(200A)이 다층으로 적층된 형태로 제작될 수 있고, 필요에 따라 하나의 재료가 아니라 다양한 재료가 결합된 이종접합 형태로 형성될 수도 있다.
아울러, 패키지 기판(200)의 경우 무선통신 칩과 신호전송라인 외에도 파워 앰프(Power Amplifier), 믹서(mixer) 등의 다양한 집적회로 칩(IC), 인턱터, 커패시터, 저항 등의 다양한 수동소자, 연결을 위한 커넥터 등을 포함할 수 있다.
패키지 기판(200)은 금속층 및 연결비아 등이 형성되고, 이를 이용하여 무선통신 신호를 전달하기 위한 신호전송 배선, 전원, 제어신호 등을 라우팅하기 위한 금속 배선, 접지층 및 차폐구조 등이 배치될 수 있다.
패키지 기판(200)은 고주파인 무선통신 주파수 대역의 신호 뿐만 아니라 전원, 제어신호 등의 다양한 아날로그 신호 등이 전달되고, 무선통신칩(210) 및 다양한 집적회로 칩, 수동소자, 커넥터 등으로 구성될 수 있다. 따라서, 무선통신 주파수 대역의 신호 감쇄가 적도록 유전손실율이 작아야 하고, 다양한 공정 및 열 발생 등에 의해 기판이 휘어지지 않도록 기계적인 강성도 우수하며, 기판 구현을 위해서는 다층 구조로 제작해야 하므로 재료 가격도 높지 않아야 하는 요구사항이 있다.
또한, 무선통신 주파수 대역이 높아질수록, 소자의 집적도가 더욱 증가되고, 배선 등을 구현하기가 복잡해지므로, 위의 요구사항의 특성이 더욱 필요하게 된다.
그러나, 초고주파에서 유전손실이 적어 주로 사용되는 테프론과 같은 소재는 기계적 강성이 나쁘고 다층으로 구현 시 가격이 매우 비싼 단점이 있고, 저주파에서 값싸게 사용되는 FR4와 같은 소재는 기계적 강성이 상대적으로 우수하고 다층으로 구현이 간편한 장점이 있으나, 초고주파에서 유전손실이 매우 커 적용하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 하나의 유전체 소재를 적용 시 이러한 다양한 요구사항을 만족시키기 어려워, 이종의 유전체를 적용하여 이종접합 구조로 기판을 구현하기도 하나, 이는 다층 구조를 구현하기도 어렵고, 제조단가가 크게 증가하는 문제가 있다.
또한, 기계적 강성이 나쁜 테프론 같은 초고주파 저손실 소재로 제작한 다층 패키지 기판의 경우는, 장기간 사용 시 열에 의해 기판이 휘어지는 등의 불량이 발생하게 되는 단점이 있다.
도 2의 (a)는 슬랏 안테나(100)의 평면도이고, 도 2의 (b)는 슬랏 안테나(100)의 일면과 신호접속부(C)가 형성된 패키지 기판(200)의 일면이 맞닿게 배치된 안테나 모듈의 평면도이다.
도 2의 (a)와 도 2의 (b)를 참조하면, 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)은 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)와 일대일로 대응되며, 슬랏 안테나(100)의 일면이 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)가 형성된 일면과 맞닿게 정렬되어 놓여지게 된다.
또한, 패키지 기판(200) 일면에 형성된 그라운드층(231)은 슬랏(110)의 가장자리에 위치하게 배치되며, 상기 그라운드층(231)의 중앙에 신호접속부(C)가 슬랏에 정렬되어 무선통신 신호를 전송하게 된다. 도 2(b)는 이들 간의 위치 관계를 설명하기 위해 슬랏의 크기가 신호접속부보다 큰 경우를 도시했으나, 신호접속부가 슬랏과 크기가 같거나 클 수도 있다.
또한, 이러한 패키지 기판의 그라운드층(231)과 슬랏 안테나(100)의 표면(전도층)이 이격 없이 연결되어 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)이 맞닿는 연결부를 완벽하게 차폐함으로써, 연결부에서 전자기파 손실이 발생하지 않도록 하는 것을 권장한다.
이때, 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)은 웨이브가이드와 같이 외벽 또는 전체가 금속과 같은 전도체를 구성되어 내부는 비어 있는 형태이므로, 상측과 하측이 관통되어 전자기파가 공진 모드를 형성하여 위아래로 잘 전달될 수 있는 역할을 한다.
즉, 슬랏(110)이 형성하는 공간은 전자기파가 이동하는 통로가 되며, 또는 패키지 기판(200)과 맞닿은 일면으로는 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)와 일대일로 대응되어 신호가 커플링되어 전달하는 역할을 하고, 반대면으로는 공간 내에 전자기파를 방사하거나 수신하는 안테나의 역할을 수행하는 것이다.
또한, 복수개의 슬랏(110)이 슬랏 어레이를 형성할 경우에는 안테나의 이득을 높일 수 있으며, 안테나 빔의 방사 각도를 조절하는 빔포밍 기능을 수행할 수 있다. 이러한 슬랏 어레이 안테나에서 슬랏 사이의 배치 주기(L1)는 안테나 어레이의 이득 및 빔의 각도 조절 등을 고려하여, 주로 사용되는 주파수 대역의 반파장(0.5배)로 형성되는 것이 가장 바람직하나, 필요에 따라 0.55배, 0.6배 등의 다른 간격으로도 형성될 수도 있고, 이러한 간격은 무선통신칩 및 관련 회로의 배치 공간에 따라 그 간격이 조절될 수 있음은 물론이다.
위에서 설명한 내용을 요약하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나 모듈(1000)은 결국 슬랏(110)이 안테나의 역할을 수행하게 함으로써, 신호의 전송 손실이 적고 안테나의 방사효율이 좋아지도록 한 것이다. 즉, 안테나 어레이가 유전체 기판의 상부에 다층 구조의 금속층으로 형태로 형성되어 있거나, 또는 다충의 전송층을 포함한 형태로 구성되어 있는 기존 발명의 안테나 모듈의 경우에는 안테나 구조를 형성하는 유전체의 유전 손실에 의해 무선신호의 손실이 발생한다. 따라서, 이러한 안테나 모듈에서의 안테나의 이득 및 방사 효율이 본 발명의 슬랏 안테나를 적용한 안테나 모듈에 비해 저하되는 것은 자명하다.
또한, 무선통신 신호가 통과하는 상기 슬랏(110)과 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)를 맞닿게 하기 때문에, 커플링을 통해 전자기파가 전달되므로, 기존의 안테나 모듈처럼 안테나와 무선통신칩과 연결된 신호전송라인 사이의 전기적 연결을 위해 필수적으로 형성되어야 했던 범프 들과 같은 전기적 연결구조체가 필요 없어진 것이다.
도면 상에는 그라운드층(231)에 의해 이격이 발생한 것으로 도시되었으나, 그라운드층(231)은 대개 수~수백 마이크로미터 이하 두께의 매우 얇은 층이기 때문에 실질적으로 슬랏(110)과 신호접속부(C)가 밀착되는 것을 방해하지 않음은 물론이다.
위에서 설명한 전기적 연결구조체(볼 형태의 범프) 제거를 통해, 볼 형태의 범프 등을 다수 형성하는 패키징 공정을 생략 가능하므로, 공정 단순화를 실현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 안테나 모듈은 무선통신 신호가 통과하는 상기 슬랏(110)과 상기 신호접속부(C)를 통해 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200) 사이에 전자기파가 커플링되어 전달되므로, 기존 안테나 모듈에서 장시간 모듈 구동 시 발생되는 열에 의해 안테나 기판과 패키지 기판을 연결하는 미세한 볼 형태의 범프 등의 전기적 연결구조체가 분리되는 것을 방지할 수 있도록 하였다.
또한, 이와 같이 슬랏 안테나(100)와 무선통신칩(210)이 구비되는 패키지 기판(200)을 분리해서 구현할 수 있어, 안테나의 특성 및 제작과 관계 없이 패키지 기판(200)에 기계적 특성 등이 더 우수한 기판 재료를 사용할 수 있도록 한 것이다.
또한, 본 발명의 슬랏 안테나(100)는 전면 또는 외면을 금속 등의 전도체로 구현하여, 패키지 기판(200)의 고출력 반도체 집적회로칩 등으로부터 발생되는 열을 슬랏 안테나(100)를 통해 원활하게 방출하므로, 발열에 의한 출력 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 슬랏 안테나(100)는 전면 또는 외면을 금속 등의 전도체로 구현하여, 패키지 기판(200)의 다양한 신호를 차폐하여 각각의 슬랏을 통한 신호의 전달의 간섭을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명인 안테나 모듈(1000)은 슬랏 안테나와 패키지 기판을 개별적으로 제작하여 연결되므로, 슬랏 안테나(100)의 특성과 불량을 측정 분석하거나, 패키지 기판(200) 및 개별 무선통신칩(210)과 이에 연결된 각각의 신호전송라인(220)의 특성 및 불량을 개별적으로 측정 분석하여 불량제품을 검출 가능하므로, 제조 수율을 향상 가능한 장점이 있다.
다시한번 설명하면, 본 발명인 안테나 모듈(1000)의 제조는 슬랏 안테나(100)를 제조하는 슬랏 안테나 제조단계와, 패키지 기판(200)을 제조하는 패키지 기판 제조단계와, 제조된 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)을 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 정렬 후, 도 1의 (b)도시된 바와 같이 결합하는 결합단계를 통해 이루어질 수 있다.
이때, 검사단계에서 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)의 상태를 판단하여 불량품을 제거하여, 이후 이루어지는 결합단계에서 정상상태의 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)이 결합된 안테나 모듈이 제작될 수 있도록 한 것이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 안테나 모듈의 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 슬랏(110)이 'H' 형상이 되도록 슬랏의 옆면에 돌출 형성되는 릿지형성 돌기(120)를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 릿지형성 돌기(120)를 통해 슬랏을 H 형상이 되도록 형성하여, 슬랏(110)의 크기를 줄이거나, 슬랏(110)을 통과하는 전자기파의 주파수 대역을 조절하거나, 전자기파 전송 특성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
슬랏 안테나(100)에서 전자기파를 송수신하는 역할을 하는 슬랏(110)은 넓은 주파수 대역을 확보하기 위해서 필요한 크기가 상대적으로 패치 안테나의 패치의 크기에 비해 큰 단점이 있다. 따라서, 이러한 슬랏 안테나(100)에서 슬랏(110)의 옆면에 릿지형성 돌기(120)를 형성하여, 슬랏(110)의 크기를 줄이고, 전송 주파수 대역을 높이고, 전송 특성을 향상시킨 것이다.
이때, 상기 릿지형성 돌기(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 슬랏(110)의 좌측과 우측면 양측에 동일하게 위치시켜 슬랏 안테나(100)에서 방사되거나 수신되는 빔의 특성을 균일하게 만드는 게 바람직하고, 일 실시예로는 슬랏(110)의 좌우면 양측에 동일하게 릿지형성 돌기(120)를 형성하여, 슬랏(110)의 형상이 'H' 형상을 가지도록 할 수 있다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 안테나 모듈의 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 슬랏(110)에 구비되는 슬랏 폐쇄부재(130)를 포함하고, 상기 슬랏 폐쇄부재(130)는 유전체일 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 슬랏 안테나(100)에서 슬랏(110)은 비어 있는 공간이므로 내부에 공기가 무선통신 신호가 전달되는 매질로 사용되지만, 공기를 매질로 사용할 경우 슬랏(110)의 크기가 일정 이상이어야 하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 공기보다 유전율이 높은 슬랏 폐쇄부재(130)를 상기 슬랏(110)에 채워넣어, 슬랏(110)의 크기가 줄여도 동일한 무선통신 신호 전송 능력을 가질 수 있도록 한 것이다.
슬랏(110)은 안테나 모듈(1000)의 주파수 대역에 맞게 그 구조 및 크기가 설계되어야 하는데, 유전율이 1인 공기가 사용되는 슬랏(110)의 경우의 그 크기는 슬랏 내부에 유전율이 높은 소재를 채운 경우에 비해 상대적으로 크게 구현되게 되게 된다.
슬랏의 크기를 줄여 구현할 경우에는, 상대적으로 다수의 슬랏(110)을 배열하는게 용이해지며, 슬랏 안테나(100) 하면에 트렌치가 만들어지며 형성되는 공간을 사용하여 배치를 용이하게 하거나, 전도층을 넓게 구현하여 방열 특성을 높일 수 있다.
따라서, 이러한 슬랏(110)에 공기보다 유전율이 높은 유전체가 채워지므로, 슬랏 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 이러한 슬랏 폐쇄부재(130)로는 보통 사용되는 기판의 유전체 물질인 FR4, 테프론 등의 다양한 소재가 적용될 수 있다.
또한, 슬랏(110)의 크기(면적)는 대개 유전체의 유전율의 제곱근에 반비례하므로, 슬랏(110)의 크기를 용이하게 조절하여 제작하기 위해 슬랏 폐쇄부재(130)로는 유전율이 2~10 사이인 유전체를 사용하는 게 바람직하다.
또한, 슬랏 안테나(100)를 밀링, 다이캐스팅, 와이어 컷 들의 방법으로 제작 후, 슬랏의 공간에 액상의 유전체 물질을 넣고 굳히는 방법으로 매우 간단하게 슬랏 폐쇄부재(130)가 포함된 슬랏 안테나를 제작할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제4 실시예에 따른 안테나 모듈(1000)은 상기 차폐부(230)를 구성하는 복수개의 그라운드층(231) 중 선택되는 어느 하나 이상이 신호전송라인(220)을 사이에 두고 상기 슬랏(110)과 마주보게 배치될 수 있다.
상세히 설명하면, 무선통신칩(210)과 연결된 신호전송라인(220)을 패키지 기판(200) 내부로 배치하고, 그라운드층(231)을 상기 신호전송라인(220)의 후측에 배치하여, 후측에 배치된 그라운드층(231)이 인가되는 무선통신 신호를 반사시킬 수 있도록 함으로써, 무선통신 신호 전송 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이때, 상기 그라운드층(231), 차폐비아(232), 전원 및 제어신호라인(260)의 배치 및 연결은 서로 간섭이 없도록 최적의 형태로 배치되어야 함은 물론이다.
도 8을 참조하면, 제5 실시예에 따른 안테나 모듈의 상기 슬랏 안테나(100)는 상기 슬랏(110)을 포함하고, 상기 패키지 기판(200)은 상기 신호전송라인(220)과 상기 슬랏(110) 사이의 전자기파 이동을 가이드하는 커플링부(240)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 커플링부(240)는 상기 신호전송부(C)에 위치되는 신호커플링층(241)과, 상기 신호커플링층(241)과 상기 신호전송라인(220)을 연결하는 신호전송비아(242)를 포함할 수 있다.
상세히 설명하면, 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)과 신호접속부(C)의 임피던스 매칭 및 신호의 커플링을 향상시켜, 상호 간에 높은 신호 전송 능력을 가지도록 패키지 기판의 신호접속부에 신호커플링층을 구성한 것이다.
이때, 신호커플링층(241)은 신호연결비아(242)를 통해 신호전송라인(220)과 신호를 전송할 수 있다.
아울러, 패키지 기판(200)의 신호커플링층(241)은 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)과 마주보게 위치되며, 패키지 기판(200)의 최상측 그라운드층(231)에 의해 감싸지는 형태로 구성되는 게 바람직하다.
도 9를 참조하면, 제6 실시예에 따른 안테나 모듈에서 슬랏 안테나(100)는 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 하면에 트렌치(140)가 형성될 수 있다.
상세히 설명하면, 패키지 기판(200)의 경우 무선통신칩(210), 기타 집적회로 칩, 수동소자, 커넥터, 신호전송라인(220) 등이 형성되는데, 이러한 구성요소를 하면에 형성할 경우, 특히 하면 쪽으로 연결배선이 복잡해지고, 전기적 연결을 위한 패키지 기판(200) 내부의 배선층 개수가 많아지는 문제점이 있으므로, 패키지 기판(200)과 마주보는 슬랏 안테나(100)의 하면에 트렌치(140)를 형성하여, 슬랏 안테나(100)와 인접한 패키지 기판(200)의 상면에 무선통신칩(210), 수동소자, 커넥터, 신호전송라인(220) 등의 구성요소를 배치할 수 있도록 한 것이다. 또한, 이 트렌치에 위치한 구성요소에 의해 발생되는 신호는 전면 또는 외면이 전도체로 구성되는 슬랏 안테나의 구조적 특성에 의해 차폐되어 슬랏을 통해 전달되는 무선 신호에 영향을 끼지는 않는 효과 또한 발생하게 됨은 물론이다.
위에서 설명한 바와 같이 트렌치(140)를 통해 구성요소 배치를 자유롭게 할 경우, 패키지 기판(200)의 하면에 전원 및 제어신호라인(260)이 형성될 수 있으므로, 아날로그 신호 라우팅 배선이 신호전송라인(220)에서 멀어져 전원 및 제어신호라인의 아날로그신호가 무선통신 신호를 간섭하지 않는 효과 또한 발생하게 됨은 물론이다.
즉, 무선통신 신호가 전송되는 통로와 아날로그신호 라우팅 배선이 인접할 경우 간섭이 발생하기 때문에, 초고주파인 밀리미터파 대역의 안테나 모듈 구현이 어렵우므로, 적절한 배치 공간 확보를 위해 안테나 모듈을 구성하는 패키지 기판(200)이 두꺼워져야 했던 문제점을 해결 가능한 것이다.
다시한번 설명하면, 슬랏 안테나(100)에 트렌치(140)가 형성되어, 패키지 기판(200)에 결합되는 무선통신칩(210), 기타 집적회로 칩, 수동소자, 커넥터 등을 패키지 기판(200)의 하부면 뿐만 아니라 슬랏 안테나(100)와 결합되는 상부면에도 배치할 수 있으므로, 패키지 기판(200)의 라우팅 및 배치를 효과적으로 구성 가능한 장점이 있는 것이다.
도 10을 참조하면, 제7 실시예에 따른 안테나 모듈은 상기 슬랏 안테나(100), 패키지 기판(200) 중 어느 하나 이상의 측면에 결합되는 방열수단(300)을 포함할 수 있다. 특히, 슬랏 안테나의 외면은 도전체에 의해 형성되어 있으므로, 이러한 슬랏 안테나의 도전면으로부터 방열수단으로 안테나 모듈에서 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있다.
상세히 설명하면, 본 발명인 안테나 모듈은 무선통신 칩 등 고출력의 반도체 파워소자칩이 복수 개 실장되므로, 이러한 무선통신 칩의 출력이 높아질수록 송신하는 신호의 출력를 높이고, 낮은 신호도 수신할 수 있게 된다.
따라서, 점점 더 높은 출력의 소자가 실장되는 게 요구되고, 이러한 고출력 소자 들로부터 상당한 열이 발생되게 된다.
패키지 기판(200) 내에서 상당한 열이 발생하고, 이렇게 발생한 열이 일정 수치 이상으로 상승 시 반도체소자들의 특성을 저하시키거나, 기판을 휘게 하는 등의 변형을 일으키며, 기판에 실장된 소자들의 본딩을 분리시키는 등의 문제가 발생되게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 방열수단(300)을 통해 패키지 기판(200)을 포함하는 안테나 모듈에서 발생되는 열의 방출이 효과적으로 이루어질 수 있도록 한 것이다.
다시한번 설명하면, 패키지 기판(200)의 경우 유전손실이 적을수록 무선통신 신호의 손실이 적게 발생하지만, 유전손실이 적은 테프론 등의 소재는 고가일 뿐만 아니라 열전도도 및 기계적인 특성이 낮아 열에 의한 변형이 쉽게 발생하는 문제점이 있으므로, 상기 방열수단(300)을 통해 열을 방출하여 발열에 의한 안테나 모듈의 출력 손실 저하 및 패키지 기판의 변형을 방지한 것이다.
이때, 상기 방열수단의 경우 슬랏 안테나(100) 및 패키지 기판(200)이 결합 형성되는 안테나 모듈의 측면을 감싸는 형태로 결합되는 방열패드(410)와, 상기 방열패드(410) 외측면에 이격 형성되는 복수개의 방열핀(420)을 포함할 수 있다.
도 11을 참조하면, 제8 실시예에 따른 안테나 모듈의 상기 슬랏 안테나(100)는 외면(F)이 전도체로 형성되고 내부(I)가 상기 전도체보다 밀도가 낮은 이종의 재질로 형성될 수 있다.
상세히 설명하면, 슬랏 안테나(100)의 경우 슬랏(110)이 무선통신 신호가 송수신되는 통로 역할을 하므로, 슬랏(110)의 옆면은 전자기파를 손실 없도록 차폐 가능한 전도체(금속 등) 재질로 형성되어야 한다.
그리고, 패키지 기판의 신호접속부와 맞닿는 부분의 경우는 패키지 기판의 그라운드층과 이격 없이 슬랏 안테나의 하부 전도체면이 맞닿도록 하는 게 전송되는 무선통신 신호의 손실을 줄이는 측면에서 바람직하다.
또한, 슬랏 안테나의 상부면의 경우에도 안테나의 기능을 수행하기 위해서는 전도체로 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 슬랏 안테나의 외부면의 일정 부분은 전도체로 구성되어야 하나, 슬랏 안테나의 내부는 반드시 전도체로 구성되어야 할 필요는 없다.
따라서, 슬랏 안테나(100) 전체를 전도체 재질로 형성할 경우 안테나 모듈 하중이 높아지는 문제점이 있으므로, 전자기파를 차폐하며 손실없이 슬랏(110)을 통과하도록 가이드하는 외면(F)만 전도체 재질로 형성하고, 슬랏 안테나의 내부(I)는 외면을 형성하는 재질보다 가벼운 다른 이종의 재질(PCB재료, 유전체 등의 절연체, 발포금속, 특히 가볍고 유연한 재료)로 형성하여 무게를 최소화 가능하게 한 것이다.
그리고, 슬랏 안테나(100)의 외면도 전체가 동일한 재질로 형성되지 않고 복수개의 재질로 형성될 수 있고, 구체적으로 슬랏(110)을 형성하는 내측 외면의 경우 전도 특성이 우수한 금속으로 형성되되, 하부면의 경우 열전도도가 높은 금속으로 형성되어 방열이 효과적으로 이루어지도록 할 수도 있다.
슬랏 안테나(100)의 하부면을 전도 특성을 가지고 열전도도가 높은 금속으로 형성 시, 슬랏 안테나를 통한 방열이 효과적으로 이루어질 수 있음은 자명하다.
이때, 위에서 설명한 전도 특성을 가지고 열전도도가 높은 금속은 Al, Cu, Ag 또는 이들 금속의 합금을 포함할 수 있으나, 이 외에도 다양한 금속을 포함할 수 있으므로 한정하지 않는다.
도 12를 참조하면, 제9 실시예에 따른 안테나 모듈은 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 상기 슬랏 안테나(100)의 하면에 고정홈(150)이 형성되고, 상기 패키지 기판(200)에 상기 고정홈(150)에 대응되는 고정홀(250)이 천공될 수 있으며, 이러한 고정홈(150)과 고정홀(250)에 체결되는 고정볼트(400)에의해 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)이 연결될 수 있다.
앞서 말한바와 같이 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)과 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)는 일대일로 대응되게 위치되어야 하고, 슬랏 안테나(100)의 하부면과 패키지 기판(200) 신호접속부(C) 가장자리를 감싸는 그라운드층(231)은 서로 밀착되는게 바람직하다.
따라서, 미리 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)을 정렬시켜 맞붙게 하기 위한 고정홀(250)과 고정홈(150)을 제작 단계에서 형성하고. 결합단계에서 이러한 상기 슬랏 안테나(100)의 고정홈(150)과 패키지 기판(200)의 고정홀(250)을 고정볼트(400)를 이용하여 연결함으로써, 슬랏 안테나(100)와 패키지 기판(200)을 올바른 결합 위치로 정렬함과 동시에, 슬랏 안테나(100)의 하부면과 패키지 기판(200)의 상부면이 이격 없이 맞붙게 되는 것이다.
이때, 패키지 기판(200)의 상부면에 형성되는 그라운드층(231)의 경우 매우 얇은 층이므로, 실질적으로 그라운드층(231)과 신호접속부(C)가 모두 슬랏 안테나(100)의 하부면에 직접 접할 수 있다.
이러한 안테나 모듈의 정렬 및 고정 방법은 한 개의 고정홀(250) 및 고정홈(150)으로도 그 기능을 수행할 수 있으나, 복수 개 이상을 통해 이루어질 경우 정렬 및 고정이 보다 효과적으로 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 13을 참조하면, 제10 실시예에 따른 안테나 모듈은 상기 슬랏 안테나(100)의 하면에 고정바(160)가 돌출 형성되고, 상기 패키지 기판(200)은 상기 고정바(160)가 결합되는 고정홀(250)이 형성될 수 있다.
상세히 설명하면, 슬랏 안테나(100)의 슬랏(110)과 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)는 일대일로 대응되어 위치되어야 하고, 슬랏 안테나(100)의 하부면과 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)를 감싸는 그라운드층(231)은 서로 맞붙는 게 바람직하다.
따라서, 미리 슬랏 안테나(100)에 패키지 기판(200)을 정렬시켜 맞붙게 하기 위한 고정바(160)를 형성하고, 패키지 기판에 상기 고정바(160)가 체결되는 고정홀(250)을 형성하여, 상기 슬랏 안테나의 고정바(160)를 패키지 기판의 고정홀(250)에 체결하면, 슬랏 안테나(100)의 하부면과 패키지 기판(200)의 신호접속부(C)가 이격 없이 맞붙게 되는 것이다.
이때, 패키지 기판(200)의 상부면에 형성되는 그라운드층(231)의 경우 매우 얇은 층이므로, 실질적으로 그라운드층(231)과 신호접속부(C)가 모두 슬랏 안테나(100)의 하부면에 직접 접할 수 있다.
이러한 안테나 모듈의 정렬 및 고정 방법은 한 개의 고정바(160)와 고정홀(250)로도 그 기능을 수행할 수 있으나, 복수 개 이상의 고정바(160)와 고정홀(250)을 사용할 경우 그 효과가 더 좋음은 자명하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 슬랏 안테나 110 : 슬랏
120 : 릿지형성 돌기 130 : 슬랏 폐쇄부재
140 : 트렌치 150 : 고정홈
160 : 고정바
200 : 패키지 기판 200A : 유전체
201 : 신호전송부 210 : 무선통신칩
220 : 신호전송라인 230 : 차폐부
231 : 그라운드층 232 : 차폐비아
240 : 커플링부 250 : 고정홀
260 : 전원 및 제어신호라인
300 : 방열수단
400 : 고정볼트

Claims (17)

  1. 전자기파가 통과하는 슬랏(110)이 형성되는 슬랏 안테나(100); 및
    무선통신칩(210)이 결합되고, 상기 무선통신칩과 연결되고 전자기파를 송수신하는 신호전송라인(220)이 형성되는 패키지 기판(200);을 포함하고,
    상기 슬랏 안테나(100)와 상기 패키지 기판(200)이 결합 형성되는 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100)와 상기 패키지 기판(200)이 개별적으로 만들어진 후 결합되는 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랏(110)은 상기 안테나(100) 상에 복수개가 일정한 간격으로 이격 배치되어 어레이를 형성하는 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 패키지 기판(200)은 상기 신호전송라인(220)을 감싸는 형태로 배치되는 차폐부(230);를 포함하는, 안테나 모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 차폐부(230)는 상기 패키지 기판(200)을 구성하는 유전체층(200A)에 형성되는 복수개의 그라운드층(231)과, 상기 그라운드층(231)을 연결하는 차폐비아(232);를 포함하는, 안테나 모듈.
  6. 제 5항에 있어서,
    복수개의 상기 그라운드층(231) 중 선택되는 어느 하나의 그라운드층은 상기 신호전송라인(220)을 사이에 두고 상기 슬랏(110)과 마주보게 배치되는 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 차폐부(230)는 상기 슬랏(110)을 감싸는 형태로 배치되어 중앙에 신호전송부(201)를 형성하는 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100)는 상기 슬랏(110)을 향해 돌출 형성되는 릿지형성 돌기(120);를 포함하는, 안테나 모듈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 릿지형성 돌기(120)가 복수개 형성되는 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100)는 상기 슬랏(110)에 구비되는 슬랏 폐쇄부재(130)를 포함하고, 상기 슬랏 폐쇄부재(130)는 유전체인 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 슬랏 폐쇄부재(130)는 유전율이 2 이상이고 10 이하인 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 패키지 기판(200)은 상기 신호전송라인(220)과 상기 슬랏(110) 사이의 전자기파 이동을 가이드하는 커플링부(240);를 포함하는, 안테나 모듈.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100)는 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 하면에 형성되는 트렌치(140);를 포함하는, 안테나 모듈.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100)는 외면이 전도체로 형성되고, 내부가 상기 전도체보다 밀도가 낮은 재질로 형성되는 것;을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100), 패키지 기판(200) 중 어느 하나 이상의 측면에 결합되는 방열수단(300);을 포함하는, 안테나 모듈.
  16. 제 1항 내지 제 14항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100)는 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 하면에 형성되는 고정홈(150);
    상기 패키지 기판(200)은 상기 고정홈(150)과 마주보게 형성되는 고정홀(250);을 포함하고,
    고정홈(150) 및 고정홀(250)에 체결되는 고정볼트(400);를 포함하는, 안테나 모듈.
  17. 제 1항 내지 제 14항 중 선택되는 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 슬랏 안테나(100)는 상기 패키지 기판(200)과 마주보는 하면에 형성되는 고정바(160);
    상기 패키지 기판(200)은 상기 고정바(160)와 마주보는 위치에 형성되고, 상기 고정바(160)가 결합되는 고정홀(250);을 포함하는, 안테나 모듈.
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