와이어 본딩을 이용한 고효율 변압기 구조

*조은일, 이성호, 남상욱

서울대학교 전기공학부 뉴미디어통신공동연구소

e-mail : echo@ael.snu.ac.kr

A High-Efficient Transformer Structure Using Bond Wire

*Eunil Cho, Sungho Lee, Sangwook Nam

Institute of New Media and Communication,

School of Electrical Engineering, Seoul National University

Abstract

We propose a new on-chip transformer structure utilizing the characteristics of bond wires. We have introduced the design, simulation and measurements. The proposed structure has advantages of passive efficiency and less metal stress problems. The measured insertion loss at the 1.9 GHz range is a -1.54 dB (70%) including PCB loss. This can be easily integrated with PAs and also used for baluns.

I. 서론

RF 집적회로를 설계하는 데 있어서 변압기는 필수적인 구성요소이다. 그러나 현재 집적회로에서 가장 많이 쓰이는 나선모양의 변압기는 실리콘 기판에서 사용하기에 몇 가지 문제점이 있다. 전도성이 있는 기판에 마그네틱 필드가 지나가게 되면 Eddy currents가 생성되고 이로 인한 손실을 무시할 수 없다. 또, 면적을 줄이기 위해 라인의 폭을 얇게 가져가게 되는데 이는 도선 손실을 증가시키고, 전력증폭기와 같은 큰 전류가 요구되는 응용에 있어서 약점을 가진다.

본 논문에서는 기존에 사용되고 있는 나선형 변압기의 몇 가지 단점을 해소할 수 있는 새로운 모양의 변압기를 제안한다. 와이어 본딩을 이용하면 기본적으로 Q 팩터가 높으므로 고효율의 변압기를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 높은 전류도 견딜 수 있는 특성을 가진다.

II. 본론

와이어 본딩을 이용한 새로운 변압기의 구조는 그림 1. 과 같다. 이 구조는 몇 가지 장점을 가진다. 먼저, 지름이 1 mil인 와이어는 저항이 적어 기존의 상위 도선을 이용하는 것보다 높은 효율을 가질 수 있다. 또, 폭이 수십um, 두께가 수um 인 상위 도선보다 큰 전류가 흐를 때의 스트레스 문제가 없어서 전력증폭기의 출력단 파워 컴바이닝에 유리하다. 그리고 구조상 마그네틱 필드가 기판을 수직으로 통과하지 않고 평행하게 지나가기 때문에 Eddy currents가 흐름으로써 발생되는 손실을 줄일 수 있다.

이 구조의 효율을 결정하는 몇 가지 요인은 다음과 같다. 첫째, 패드에 본딩을 하기 때문에 물리적인 이유로 인접한 두 와이어의 간격은 제한될 수밖에 없다. 이는 커플링 계수 k 팩터에 큰 영향을 주어 이는 바로 효율로 나타나므로 패드의 면적, 패드와 패드사이의 간격을 최소한으로 할 필요성이 있다. 둘째, 와이어의 높이가 낮으면 충분한 인덕턴스가 확보되지 않아 불리하다. 최적의 인덕턴스를 갖도록 와이어의 높이를 결정할 필요가 있다[1].

그림 1. 제안된 변압기의 구조

(a)                      (b)

그림 2. 변압기 사진. (a) 제안된 구조 (b) 기존의 구조

Ⅳ. 시뮬레이션 및 측정 결과

성능 비교를 위해 제안된 변압기와 기존의 나선모양 변압기를 0.13-um CMOS 공정으로 구현하였다(그림 2. 참조). 와이어 본딩을 이용한 구조에서 패드간의 거리는 공정에서 제공하는 최소값인 10um를 사용하였고, 시뮬레이션을 통해 최적화한 결과 300um의 와이어 높이일 때 가장 성능이 뛰어나 이를 칩으로 구현하였다. 그림 3. 과 같이 와이어 본딩을 이용한 구조는 기존의 구조보다 Q 팩터가 상당히 높았고, 실제 측정결과 그림 4.와 같이 기존의 구조보다 나은 삽입 손실을 나타내었다. 1.9GHz대역에서 시뮬레이션은 -1.35dB, 실제 측정은 -1.54dB의 효율을 보여주었고, 이는 각각 73%, 70%에 해당한다. 이에 반해, 기존의 구조는 66%의 측정결과를 보여주어 4%정도 개선되었음을 알 수 있다.

Ⅳ. 결론 및 향후 연구 방향

새로운 구조의 변압기는 기존의 변압기에 비해 원하는 주파수 대역에서 효율이 높고, 전력증폭기의 출력 단과 같이 큰 전류를 견뎌야 하는 응용에 유리하다.

그림 3. 기존 구조와 새로운 구조의 Q팩터를 비교한 시뮬레이션 결과

그림 4. 기존 구조와 새로운 구조의 삽입 손실을 비교한 시뮬레이션과 측정 결과

하지만 Q 팩터가 큼에도 불구하고 공정상, 물리적 한계 때문에 커플링 계수 k 팩터에 제한이 있어서 월등한 효율 증가를 가져오지는 못한다. 이를 극복하는 방향이 앞으로의 연구 목표가 될 것이다.

ACKNOWLEDGMENT

이 논문은 2007년도 정부(과학기술부)의 재원으로 한국과학재단의 국가지정연구실사업으로 수행된 연구임(No. R0A-2007-000-20118-0(2007)).

참고문헌

[1] I. Aoki, S. D. Kee, D. Rutledge, and A. Hajimiri, “Distributed active transformer: A new power combining and impedance transformation technique,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 50, no. 1, Jan. 2002.