기술기고문
본딩을 통한 LNA의 RF 성능 향상 기법
글: 마사 키아(Mahsa Kia), 테스트 개발 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
RF 엔지니어링은 일종의 흑마술일까, 아니면 과학적 법칙일까?
이 글에서는 항공우주 시장용 18 ~ 31GHz 저잡음 증폭기(LNA)인 ADH519S의 개발에서 직면한 과제들을 분석한다. 항공우주용 제품 개발에 사용된 다이는 원래 산업용으로 LC4 패키지로 출시된 것이었다. 이를 항공우주 및 고신뢰성 시장용으로 출시하고 MIL-PRF-38535 표준을 준수하도록 하기 위해, 가장 적합하면서 활용이 가능한 밀봉 세라믹 패키지를 사용해서 어셈블리 작업을 진행했다. 이 글에서는 본딩을 통해서 RF 성능을 향상하는 솔루션과 그 개발 과정을 설명한다. 이 제품을 개발하기 위해서는 다음과 같은 과제들을 해결해야 했다:
▶ 가장 적합하면서 가용한 항공우주용 품질의 밀봉 세라믹 패키지는 원래 출시된 패키지의 다이에 비해 커다란 공동(cavity)을 갖고 있다. 이 커다란 공동 때문에 본드 와이어의 길이를 두 배로 늘려야 했는데, 그러면 새로운 패키지의 기생성분과 결합하여, 디바이스의 불안정성을 야기할 가능성이 있었다.
▶ 꼭 불안정성이 발생하지 않는다 하더라도, 긴 본드 와이어의 기생성분이 S-파라미터를 떨어트릴 수 있었다.
이 글에서는 새로운 밀봉 세라믹 패키지에서 이러한 과제들을 어떻게 극복하고 최상의 안정성과 잡음 성능을 달성하게 되었는지 설명한다.
프로젝트 소개 및 설계 과정
지정된 18 ~ 31GHz 주파수 범위에서 향상된 안정성과 잡음 성능을 달성하기 위해, 패키지 안에 0dB 수동 감쇠기를 통합해서 RF 입력/출력 본드 와이어 길이를 단축했다.
엔지니어링 과정에서 서로 다른 4가지 유형의 엔지니어링 샘플을 개발해서 안정성, S-파라미터, 잡음 지수를 포함한 LNA의 핵심 파라미터들을 비교해 보았다. 공식 1에서 보듯이, m 안정성 계수를 사용해서 안정성을 계량화하고 비교했다. m의 크기는 안정성을 나타내는 지표이다. m 계수가 클수록 디바이스가 더 안정적인 것이다.
4가지 LNA 엔지니어링 샘플 유형은 다음과 같다:
Eng1
단지 LNA 다이를 패키지 중앙에 오게 하고 이중 원형 본드 와이어(double round bond wire)를 사용해서 본딩했다. 예상대로 패키지 기생성분과 본드 와이어로 인해서 지정된 동작 주파수 범위에서 m 안정성 계수가 1 미만이거나, 일부 주파수에서는 거의 1에 가까웠다. 이 주파수 범위에서 안정성을 달성하기 위해서는 입력 반사 손실(S11) 측면에서 향상이 필요했다. 그러려면 LNA 입력에 대해 기생성분을 낮출 필요가 있었다. 이 때문에 개발된 것이 Eng2이다.
Eng2
안정성을 향상하기 위해서 LNA 입력에 0dB 감쇠기를 추가했다. LNA 입력에 감쇠기를 추가하면 입력 매칭을 향상하고, 그럼으로써 입력 반사 손실(S11)을 향상할 수 있다. 결과적으로 본드 와이어를 짧게 할 수 있었고, 기생성분도 낮아졌다.
이렇게 해서 입력 반사 손실은 향상되었으나, 감쇠기 수동 부품들의 전류와 열 잡음으로 인해서 이 디바이스를 위한 잡음 지수가 요건을 충족하지 못하게 되었다. 잡음 지수를 향상하기 위해 Eng3과 Eng4를 개발 및 평가했다.
Eng3과 Eng4
이 두 회로 구성은 잡음 지수를 향상하기 위해 감쇠기를 LNA 출력에 배치했다. 프리스(Friis) 다단 잡음 공식에 따라서, 첫 번째 스테이지가 총 잡음에 가장 크게 기여하며, 이후의 스테이지들로 유발되는 잡음은 이전 스테이지의 이득으로 나뉘므로 입력 잡음이 크게 줄어든다. 이 구성에서, 총 잡음 지수는 다음과 같이 정의할 수 있다:
이 공식에서 FT는 총 잡음 지수이고, FLNA는 LNA 잡음 지수, FATTN은 감쇠기 잡음 지수, GLNA는 LNA 이득이다. 절충적 요인으로서, 증폭기 스테이지 다음에 오는 수동 감쇠기 부품들로 손실로 인해서 이득이 감소할 수 있다.
엔지니어링 샘플 Eng3은 다이-대-다이 본딩과 RF 입력/출력 본드에 리본 본드를 사용했다. 이에 반해 Eng4의 LNA 및 감쇠기 다이는 이중 원형 본드 와이어를 사용해서 와이어 본딩을 했다. 리본 본드와 이중 원형 본드를 사용하는 두 가지 본드 옵션에 대해 실시한 시뮬레이션(ADS 사용)에서는 다이-대-다이 본딩에 리본 본드를 사용할 경우, 입력 반사 손실과 이득이 아주 조금 향상되는 것으로 나타났다. 시뮬레이션을 검증하기 위해서 두 회로 구성을 어셈블리하고 평가했다.
서로 다른 LNA 본딩 구성 비교
Eng3/Eng4 대 Eng2
감쇠기를 출력에 배치하면 출력 반사 손실(S22)을 향상할 수 있다. 임피던스 매칭에 의해서 신호 반사를 최소화하기 때문이다. 이것은 다시 출력에서의 매칭을 향상하고 결과적으로 출력 반사 손실을 좋게 한다. 예상한 대로 보다 낮은 주파수에 대해서는 이득이 낮아졌지만, 22GHz 이상의 주파수에서는 이득 반응(S21)이 거의 동일하거나 한 개의 Eng2 샘플은 더 우수한 것으로 나타났다. 이것은 유닛-대-유닛 차이 때문인 것으로 판단된다.
Eng3 대 Eng4
리본 와이어 본드와 이중 원형 본드 와이어 샘플들을 비교해 보면, Eng3이 리본 본드로 스킨 효과(Skin effect)와 크로스토크(Crosstalk)를 낮춤으로써 해당 주파수 범위에서 성능이 더 우수했다. 리본 본드는 단면에 비해서 표면적이 넓으므로 저항이 더 낮고, 따라서 전력 효율이 더 높다. 테스트 결과를 보면, 리본 본드 샘플이 이중 원형 본드에 비해서 이득 성능이 약간 더 우수하고, 입력 반사 손실은 거의 동일하거나 약간 더 향상되며, 출력 반사 손실은 훨씬 더 우수한 것으로 나타났다.
LNA 성능 플롯
그림 1에서 그림 4까지는 Eng2, Eng3, Eng4 구성의 2개 샘플들의 S-파라미터를 보여준다. 이 데이터는 패키징된 디바이스를 시험하여 얻은 것이다. Eng1 구성은 시뮬레이션 검토 과정에서 가장 불안정한 것으로 나타났기 때문에 평가에서 제외했다.
그림 5는 평가 보드 상에서 측정된 잡음 지수 테스트 데이터를 보여준다.
그림 1: 입력 반사 손실 - 프로브 데이터
그림 2: 출력 반사 손실 - 프로브 데이터
그림 3: 이득 - 프로브 데이터
그림 4: 안정성 비교
그림 5: 잡음 지수
맺음말
RF 엔지니어링은 흑마술이 아니라 일련의 예측 가능한 물리 법칙들이다. 이 글에서 설명한 LNA 개발 과정을 다시 한 번 요약하면 다음과 같다:
▶ 기생성분 때문에 LNA에서 매칭과 반사 손실이 중요한 경우에, 패키지 공동(cavity)에 감쇠기를 포함하는 것이 기생성분을 낮추고 반사 손실을 향상하기 위한 좋은 방법이다. 하지만 다음과 같은 절충점들을 고려해야 한다:
•입력에 있는 감쇠기는 잡음 지수를 높인다.
•출력에 있는 감쇠기는 이득을 낮춘다.
▶ 전략적으로 패키지 내부에 감쇠기를 포함해서 기생성분을 낮추는 것은 µ 팩터를 사용하여 안정성을 측정하는 데 사용할 수있는 S- 파라미터가 향상되고, 주파수 범위에서 안정성을 달성하는 데에도 도움이 된다.
▶ 초고주파(3 ~ 30GHz) 동작에서는 리본 본드가 원형 와이어에 비해서 성능이 더 우수하다. 절충점은 어셈블리가 복잡하므로 제조용이성을 고려해야 한다는 것이다.
기본적인 RF 법칙과 공식들로도 이러한 결과를 예측할 수 있었을 것이다. 하지만 서로 다른 디바이스 구성을 어셈블리하기 전에 ADS와 Genesys로 두 가지 다이 배치와 서로 다른 본딩에 대해서 시뮬레이션을 실시하고, 실제 시험 결과로 시뮬레이션을 확인했다.
저자 소개
마사 키아(Mahsa Kia)는 노스캐롤라이나 주립대학에서 전기공학 석사학위를, UC 버클리에서 IC 설계 자격증을 취득했다. 대학 졸업 후 곧바로 2017년에 ADI에 입사했다. 현재 우주 및 고신뢰성 그룹에서 테스트 개발 엔지니어로서 다양한 제품을 맡고 있다. 문의: mahsa.kia@analog.com
머리말
RF 엔지니어링은 일종의 흑마술일까, 아니면 과학적 법칙일까?
이 글에서는 항공우주 시장용 18 ~ 31GHz 저잡음 증폭기(LNA)인 ADH519S의 개발에서 직면한 과제들을 분석한다. 항공우주용 제품 개발에 사용된 다이는 원래 산업용으로 LC4 패키지로 출시된 것이었다. 이를 항공우주 및 고신뢰성 시장용으로 출시하고 MIL-PRF-38535 표준을 준수하도록 하기 위해, 가장 적합하면서 활용이 가능한 밀봉 세라믹 패키지를 사용해서 어셈블리 작업을 진행했다. 이 글에서는 본딩을 통해서 RF 성능을 향상하는 솔루션과 그 개발 과정을 설명한다. 이 제품을 개발하기 위해서는 다음과 같은 과제들을 해결해야 했다:
▶ 가장 적합하면서 가용한 항공우주용 품질의 밀봉 세라믹 패키지는 원래 출시된 패키지의 다이에 비해 커다란 공동(cavity)을 갖고 있다. 이 커다란 공동 때문에 본드 와이어의 길이를 두 배로 늘려야 했는데, 그러면 새로운 패키지의 기생성분과 결합하여, 디바이스의 불안정성을 야기할 가능성이 있었다.
▶ 꼭 불안정성이 발생하지 않는다 하더라도, 긴 본드 와이어의 기생성분이 S-파라미터를 떨어트릴 수 있었다.
이 글에서는 새로운 밀봉 세라믹 패키지에서 이러한 과제들을 어떻게 극복하고 최상의 안정성과 잡음 성능을 달성하게 되었는지 설명한다.
프로젝트 소개 및 설계 과정
지정된 18 ~ 31GHz 주파수 범위에서 향상된 안정성과 잡음 성능을 달성하기 위해, 패키지 안에 0dB 수동 감쇠기를 통합해서 RF 입력/출력 본드 와이어 길이를 단축했다.
엔지니어링 과정에서 서로 다른 4가지 유형의 엔지니어링 샘플을 개발해서 안정성, S-파라미터, 잡음 지수를 포함한 LNA의 핵심 파라미터들을 비교해 보았다. 공식 1에서 보듯이, m 안정성 계수를 사용해서 안정성을 계량화하고 비교했다. m의 크기는 안정성을 나타내는 지표이다. m 계수가 클수록 디바이스가 더 안정적인 것이다.
4가지 LNA 엔지니어링 샘플 유형은 다음과 같다:
Eng1
단지 LNA 다이를 패키지 중앙에 오게 하고 이중 원형 본드 와이어(double round bond wire)를 사용해서 본딩했다. 예상대로 패키지 기생성분과 본드 와이어로 인해서 지정된 동작 주파수 범위에서 m 안정성 계수가 1 미만이거나, 일부 주파수에서는 거의 1에 가까웠다. 이 주파수 범위에서 안정성을 달성하기 위해서는 입력 반사 손실(S11) 측면에서 향상이 필요했다. 그러려면 LNA 입력에 대해 기생성분을 낮출 필요가 있었다. 이 때문에 개발된 것이 Eng2이다.
Eng2
안정성을 향상하기 위해서 LNA 입력에 0dB 감쇠기를 추가했다. LNA 입력에 감쇠기를 추가하면 입력 매칭을 향상하고, 그럼으로써 입력 반사 손실(S11)을 향상할 수 있다. 결과적으로 본드 와이어를 짧게 할 수 있었고, 기생성분도 낮아졌다.
이렇게 해서 입력 반사 손실은 향상되었으나, 감쇠기 수동 부품들의 전류와 열 잡음으로 인해서 이 디바이스를 위한 잡음 지수가 요건을 충족하지 못하게 되었다. 잡음 지수를 향상하기 위해 Eng3과 Eng4를 개발 및 평가했다.
Eng3과 Eng4
이 두 회로 구성은 잡음 지수를 향상하기 위해 감쇠기를 LNA 출력에 배치했다. 프리스(Friis) 다단 잡음 공식에 따라서, 첫 번째 스테이지가 총 잡음에 가장 크게 기여하며, 이후의 스테이지들로 유발되는 잡음은 이전 스테이지의 이득으로 나뉘므로 입력 잡음이 크게 줄어든다. 이 구성에서, 총 잡음 지수는 다음과 같이 정의할 수 있다:
이 공식에서 FT는 총 잡음 지수이고, FLNA는 LNA 잡음 지수, FATTN은 감쇠기 잡음 지수, GLNA는 LNA 이득이다. 절충적 요인으로서, 증폭기 스테이지 다음에 오는 수동 감쇠기 부품들로 손실로 인해서 이득이 감소할 수 있다.
엔지니어링 샘플 Eng3은 다이-대-다이 본딩과 RF 입력/출력 본드에 리본 본드를 사용했다. 이에 반해 Eng4의 LNA 및 감쇠기 다이는 이중 원형 본드 와이어를 사용해서 와이어 본딩을 했다. 리본 본드와 이중 원형 본드를 사용하는 두 가지 본드 옵션에 대해 실시한 시뮬레이션(ADS 사용)에서는 다이-대-다이 본딩에 리본 본드를 사용할 경우, 입력 반사 손실과 이득이 아주 조금 향상되는 것으로 나타났다. 시뮬레이션을 검증하기 위해서 두 회로 구성을 어셈블리하고 평가했다.
서로 다른 LNA 본딩 구성 비교
Eng3/Eng4 대 Eng2
감쇠기를 출력에 배치하면 출력 반사 손실(S22)을 향상할 수 있다. 임피던스 매칭에 의해서 신호 반사를 최소화하기 때문이다. 이것은 다시 출력에서의 매칭을 향상하고 결과적으로 출력 반사 손실을 좋게 한다. 예상한 대로 보다 낮은 주파수에 대해서는 이득이 낮아졌지만, 22GHz 이상의 주파수에서는 이득 반응(S21)이 거의 동일하거나 한 개의 Eng2 샘플은 더 우수한 것으로 나타났다. 이것은 유닛-대-유닛 차이 때문인 것으로 판단된다.
Eng3 대 Eng4
리본 와이어 본드와 이중 원형 본드 와이어 샘플들을 비교해 보면, Eng3이 리본 본드로 스킨 효과(Skin effect)와 크로스토크(Crosstalk)를 낮춤으로써 해당 주파수 범위에서 성능이 더 우수했다. 리본 본드는 단면에 비해서 표면적이 넓으므로 저항이 더 낮고, 따라서 전력 효율이 더 높다. 테스트 결과를 보면, 리본 본드 샘플이 이중 원형 본드에 비해서 이득 성능이 약간 더 우수하고, 입력 반사 손실은 거의 동일하거나 약간 더 향상되며, 출력 반사 손실은 훨씬 더 우수한 것으로 나타났다.
LNA 성능 플롯
그림 1에서 그림 4까지는 Eng2, Eng3, Eng4 구성의 2개 샘플들의 S-파라미터를 보여준다. 이 데이터는 패키징된 디바이스를 시험하여 얻은 것이다. Eng1 구성은 시뮬레이션 검토 과정에서 가장 불안정한 것으로 나타났기 때문에 평가에서 제외했다.
그림 5는 평가 보드 상에서 측정된 잡음 지수 테스트 데이터를 보여준다.
그림 1: 입력 반사 손실 - 프로브 데이터
그림 2: 출력 반사 손실 - 프로브 데이터
그림 3: 이득 - 프로브 데이터
그림 4: 안정성 비교
그림 5: 잡음 지수
맺음말
RF 엔지니어링은 흑마술이 아니라 일련의 예측 가능한 물리 법칙들이다. 이 글에서 설명한 LNA 개발 과정을 다시 한 번 요약하면 다음과 같다:
▶ 기생성분 때문에 LNA에서 매칭과 반사 손실이 중요한 경우에, 패키지 공동(cavity)에 감쇠기를 포함하는 것이 기생성분을 낮추고 반사 손실을 향상하기 위한 좋은 방법이다. 하지만 다음과 같은 절충점들을 고려해야 한다:
•입력에 있는 감쇠기는 잡음 지수를 높인다.
•출력에 있는 감쇠기는 이득을 낮춘다.
▶ 전략적으로 패키지 내부에 감쇠기를 포함해서 기생성분을 낮추는 것은 µ 팩터를 사용하여 안정성을 측정하는 데 사용할 수있는 S- 파라미터가 향상되고, 주파수 범위에서 안정성을 달성하는 데에도 도움이 된다.
▶ 초고주파(3 ~ 30GHz) 동작에서는 리본 본드가 원형 와이어에 비해서 성능이 더 우수하다. 절충점은 어셈블리가 복잡하므로 제조용이성을 고려해야 한다는 것이다.
기본적인 RF 법칙과 공식들로도 이러한 결과를 예측할 수 있었을 것이다. 하지만 서로 다른 디바이스 구성을 어셈블리하기 전에 ADS와 Genesys로 두 가지 다이 배치와 서로 다른 본딩에 대해서 시뮬레이션을 실시하고, 실제 시험 결과로 시뮬레이션을 확인했다.
저자 소개
마사 키아(Mahsa Kia)는 노스캐롤라이나 주립대학에서 전기공학 석사학위를, UC 버클리에서 IC 설계 자격증을 취득했다. 대학 졸업 후 곧바로 2017년에 ADI에 입사했다. 현재 우주 및 고신뢰성 그룹에서 테스트 개발 엔지니어로서 다양한 제품을 맡고 있다. 문의: mahsa.kia@analog.com
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