실리콘 게르마늄에 기반한 2009년도 레이더 트랜시버의 시장 도입에 대한 기대치가 높아 지고 있다. 제품의 기술 안정도가 증명되면 전체 공급망은 업계 숙원의 대량 생산용 원가 절감 기술을 채택함으로써 무수한 애플리케이션에 사용될 것으로 보인다.

자동차 애플리케이션 용 레이더 기술

자료제공│인피니언 테크놀로지스 코리아

실리콘 게르마늄 / 도프 실리콘

 최근까지 고대역 GHz에서의 고주파 기술은 항상 고가의 특수 반도체만을 필요로 해왔다. 하지만 반도체 제조사들은 기존의 실리콘 제조 방법을 제한적이었던 애플리케이션 분야로까지 가능케 하는 실리콘 게르마늄(SiGe) 기반의 프로세스를 다양화함으로써 포트폴리오를 확대하는 추세이다.

 CMOS 기반의 반도체 제조 프로세스가 모바일 라디오 소비자 영역(GSM, UMTS, WLAN 트랜스시버 기준으로 2.4GHz에서 5GHz까지)에 적용되는 반면 바이폴라 소자는 이미 40GHz까지 작동되는 회로에 사용된다. 실리콘 게르마늄 소자는 0.5미터 간격으로 20미터까지 거리를 재는 레이더 애플리케이션과 같은 단거리 레이더(SRR: Short range radar)에 점점 더 많이 사용되고 있다. 이는 잘 알려진 바와 같이 가격 절감의 이점으로 인해 더욱 확대되는 추세이다.

 그럼에도 불구 하고 100GHz까지의 전환 주파수를 갖는 이 기술은 250미터까지의 거리를 측정하는 장거리 레이더(77GHz) 애플리케이션에까지는 아직 적용되지 못하는 한계를 지닌다. 인피니언의 B7HF200 생산 프로세스에서 보듯이 이 기술은 트랜지스터 기반의 탄소 도핑 프로세스라는 특별한 과정을 필요로 한다. 실제로 77GHz 회로는 전환 주파수를 200GHz까지 2배 가량 높여줌으로써 갈륨비소에 의존하지 않고도 최대한 작동하게 된다(그림 1).

그림 1. 빠른 실리콘 프로세스의 기술 로드맵(200GHz 이후, 다음 이정표는 2012년도에 500GHz를 달성하는 것이다)

 77GHz에서 갖는 18dBm까지의 출력 값은 레이더 소자에서 이미 이러한 방법으로 생성되고 있다. 칩 제조업체들은 2세대의 비싼 77GHz 센서를 최적화하려는 가능성을 발휘하여 대량 생산에 준비를 하고 있다. 실리콘 게르마늄의 이점은 제조 비용 절감뿐 만이 아니다. 갈륨비소와 비교해 기술 또한 뛰어난 재생산 및 동질성을 갖고 있어 큰 사이즈의 웨이퍼(8인치까지)에서도 생산이 가능하며 취급 시 손상 가능성이 적으므로 예외적인 몇 가지 중간 단계를 제외하곤 일반적인 장비로 생산 및 테스트가 가능하다. 자동차용 칩을 예로 들면 익숙하지 않은 프로세스 보다는 이미 잘 알고 있는 기술을 이용하여 바로 생산할 수 있다.

 B7HF200의 경우, 전체 온도 범위 -40℃에서 125℃까지 사용 가능할 뿐 아니라 AEC-Q100 자동차 규격을 준수하는지도 확인해야 한다. 다음 단계로는 회로의 대량 생산이 가능하도록 보쉬(Bosch)사와 협력하였다. 실리콘 게르마늄 트랜스시버 기반의 성공적인 3세대 센서가 최근 디트로이트에서 개최된 SAE 컨퍼런스에서 선보였는데 이는 2009년도 시장에 출시될 예정이다(그림 2).

그림 2. 실리콘 게르마늄 기반의 싱글 칩 레이더 프론트 엔드: 앞면에 있는 트랜스시버(위), 뒷면에는 보쉬의 LRR3 장거리 레이더 센서인 싱글 프로세싱(아래)

온 칩 - 멀티플 블록, 적어진 RF 변환 손실

 지금까지 77GHz RF 프런트 엔드는 시스템 제조사 또는 모듈업체가 트랜스시버로 어셈블리한 소량의 갈륨비소 칩으로 구성되었다. ‘각각의 칩에, 칩만의 최적화된 프로세스’라는 원칙에 따라 서로 다른 갈륨비소 프로세스를 이용한 칩들은 VCO, PA 및 믹서와 같은 블록에서 볼 수 있다. 이러한 기능은 실리콘 게르마늄을 이용하면 더욱 효율적으로 풀 수 있게 된다.

 이 공정을 채택하면 전력 증폭기, 저잡음 믹서 및 싱글칩의 로직을 하나로 집적, 트랜시버를 모놀리식 소자로 작동시킬 수 있다. 그 결과, 가장 중요한 기능 블록은 하나의 반도체로 구현되어 완전한 SoC의 형태를 띄게 되며 RF 신호 변환의 횟수는 최소화 된다(그림 3). 이렇게 함으로써 RF 구조의 공간과 복잡성이 최소화된다. 또한 복잡한 테스트 패턴이 병합되므로 이 회로는 시스템 완제품 라인에서 ‘좋은 다이’(KDG: known good die)의 형태로 조립된다.

그림 3. 컨트롤 소자(아래)의 RF 모듈(위) 싱글 칩 트랜스시버 및 레퍼런스 오실레이터

 센서나 시스템 제조사는 반도체 제조사가 웨이퍼 레벨에서 이용하는 기능 및 파라미터 테스트와 같은 추가 로직을 시스템 레벨에서 자가 테스트로 이용할 수 있다. 그 예로는 전력 감지기, 온도 센서 및 디바이더 회로와 같은 인피니언의 고집적 RXN7740 레이더 트랜시버 칩이 있다. 이는 77GHz에서 결코 쉽지 않은 기술로서 반 소자(semi discrete) 형태의 갈륨비소 구조에서는 생각할 수 없을 만큼 아주 복잡하다. 이 소자를 사용하게 될 시스템 개발자 및 사용자들도 더 높은 신뢰도의 이점을 가질 수 있다.

 이 기술은 적은 수량의 RF 신호가 연결/결합되어야 하는 프론트 엔드(fron-tend)구조를 가지고 있다. 이러한 전환은 최대 성능을 내기 위해 선택적으로 최적화 되어야 하는데 이 때 디바이더 출력 및 제어 핀 등을 조절하는 일은 그다지 중요치 않다. 이미 어떠한 소자들은 레이저 트리밍에 적합하므로 임피던스가 애플리케이션/PCB에 맞게 매치될 수 있다. 더 정확한 매칭 일수록 회로 개발자들의 어려움을 덜어주므로 긴밀한 협력을 필요로 하는 공정을 통해 기존의 RF 보드를 칩으로 옮기는 도전 과제를 풀 수 있었다.

하드웨어 애플리케이션 -

실리콘 게르마늄은 합리적인 가격으로 각각 다르게 적용

 실리콘 게르마늄은 갈륨비소가 아니다. 이는 반도체의 특성뿐 아니라 기계적, 온도적, 전기적 및 회로 엔지니어링 애플리케이션이 다르기 때문이다. 개발자 및 관리자들의 도전 과제는 신선한 아이디어를 필요로 하는 기술 변화에 대한 준비이다. 초기 실리콘 게르마늄 사용자의 말을 인용하자면 ‘갈륨비소 회로 설계는 고성능 실리콘 게르마늄 설계와 기본을 같게 해서도, 할 수도 없다.’(예: 전형적인 갈륨비소 회로는 싱글 엔드 신호 전달을 사용하므로 각각의 신호가 개별적인 루트를 가지며 회로의 GND는 칩의 뒷부분에 있는 캐리어와 연결되어 있다. 실리콘 게르마늄 칩은 반대로 뒷면이 전기로부터 격리되고 시스템 그라운드가 하나 또는 여러 개의 금속화 층으로 된 앞면을 갖고 있다)

 더욱 중요한 것은 완전히 다른 회로 기술이 고성능 Si 기술(예: 프로세서 및 고속 로직 용)에 적용되는 아날로그 라디오 주파수 회로에 사용된다는 점이다. 이는 시스템 그라운드가 신호 경로에서 가상일 때(전류 ‘0’)발생 되며 칩에서 보드로 발송되지 않고 RF 변환에서 손실을 초래함을 의미한다.

기타 장점

- 차등 결합은 손실이 적으므로 와류 인덕턴스는 싱글 엔드 변환과 반대로 부분적으로 상쇄된다
- 차등 결합은 폭 넓은 대역을 갖는다
- 차등 RF 변환은 와이어 변이 결합보다 더 관대하다
- 차등 회로 구성 및 신호 발송은 회로의 여러 부품간에 필요한 상호 접속을 급격히 줄일 뿐 아니라 하나의 칩에 중요한 기능 블록을 고도로 집적시킨다
- 차등 회로 구성은 감소된 인터페이스 신호 민감성(더 나은 신호 무결성)을 갖는다

 또 다른 중요한 부분은 열 관리다. 실리콘 게르마늄 시스템의 전력 손실이 변환 손실의 부재로 인해 갈륨비소 실행 이전 개별 소자의 합보다 낮더라도 그리 완벽하지는 않다. 3와트의 열분산은(그 발열 현상을 제거해 야 할) 작은 공간, 정확히는 10mm2 이하로 응축된다. 이러기 위해서는 집적된 구리 표면 또는 특별한 열 전도체와 같은 금속 기반의 전력 손실을 분산시킬 매우 세밀한 인쇄 회로 보드 설계가 필요하다(그림 4).

그림 4. 골드 본딩 와이어(노란색)가 히트싱크 역할도 하는 실리콘 게르마늄 MMIC를 인쇄회로기판에 연결한다.

 이럴 경우, 장점으로는 실리콘이 열전도에 아주 좋으므로 칩의 발열 현상이 뒷면에서 직접 분산될 수 있다는 것이다. 실리콘게르마늄 회로는 높은 온도까지 동작되기 때문에 칩의 뒷면은 작동 온도를 125도 이상까지 넘지 않는다. 이는 전체 자동차 온도 범위가 칩이 설치된 위험한 상황에서도 충분히 커버될 수 있음을 의미한다.

 레이더 프론트 엔드 설계의 요점은 PCB 레이아웃의 모든 관점인 배어 다이 및 플립 칩 용 패키징 기술, 열 관리, PCB에서의 신호 발송 및 안테나 설계를 습득하는 것이다. 즉 전체 시스템 지식이 필요하다. 오늘날 실리콘 게르마늄 시스템은 사용자가 스펙만 알 뿐 내부 기능을 무시해 버리는 블랙박스 솔루션과 많이 동떨어져 있다. 오히려 그러한 솔루션은 전체 시스템에서 없어서는 안될 부분을 차지하고 RF 프론트 엔드의 어셈블리와 융합되어야 한다.

동일 칩 - 멀티플 애플리케이션/시스템

 반도체 제조사들은 파티셔닝 작업을 통해 모듈의 빌딩 블록 키트를 만들게 되며 이를 바탕으로 여러 가지 다른 시스템 아키텍처가 비교적 짧은 시간에 구성된다. OEM 방식의 목적은 최소의 레이더 센서 타입 또는 하드웨어를 관리하고 애플리케이션 소프트웨어를 통해 이를 커스터마이징함으로써 앞으로는 그 누구도 각각의 애플리케이션(예: 차량 충돌 완화, ACC 등)에 특화된 하드웨어를 만들 수 없게 하는 것이다.

 시스템 제조사 레벨에서는 유사한 일이 현존한다. 모든 레이더 프론트 엔드가 다른 칩을 사용할 필요는 없으므로 가장 좋은 방법은 다른 애플리케이션 및 응용 확대 단계(안테나 수, DSP의 성능, 종속 접속 등)를 통해 동일한 칩 종류를 비교하고 점차적으로 표준화하는 것이다. 전류 칩의 모든 기능 블록은 재사용 가능하며 중, 장거리의 동작을 충분히 잘 합치는 기능을 잘 수행해야 한다.

 오늘날의 새로운 멀티 모드 레이더는 0.5미터에서 250미터의 거리를 커버하고 거리에 따라 조리개 앵글이 12에서 30도 사이 각도를 유지한다. 이러한 폭넓은 적용성은 대량 생산을 확대시킴으로써 결과적으로는 시스템 제조업체에게 즉각적으로 원가 절감의 효과를 제공하게 된다. 여전히 맞춤 솔루션은 비싸겠지만 재사용을 고려하고 있다면 이러한 딜레마나 틈새를 벗어날 수 있다. 반도체 제조사들이 기여할 수 있는 부분은 안테나와 별개로 라디오 주파수 회로의 중요한 기능 블록을 제공하는 고신뢰도로 테스트를 거친 ‘표준’ 소자이다.

프로그램 가능성 및 패키지

 오늘날의 1세대 레이더 시스템 IC (RASICTM)는(그림 5) 실리콘 게르마늄으로 할 수 있는 가장 초기 단계이다. 열린 시장(비싼 ASIC 대신)에서 가장 범용의 칩을 공급 하는 게 목적이라면 더욱 풍부한 창의성을 요한다. 논리적인 다음 단계는, 예를 들어, 다음 세대의 글로벌 단거리 표준이자 24GHz UWB의 성공에서 보인 77-81GHz 범위의 주파수를 높이는 것이다.

그림 5. RXN7740 트랜스시버는 모든 송/수신 소자를 갖고 있다(예: 하나의 칩에 구현된VCO, 믹서 및 디바이더 회로)

 한 단계 더 나아간 발전으로는 칩의 구조를 변환하는 것인데 이는 결코 간단한 일이 아니다. 이러한 주파수에서 신호가 예상치 않게 라인에서 라인으로 점프하므로 4GHz 프로세서와 같은 저주파수 제품에서 구조를 스위치 온/오프/오버하는 것은 불가능하다. 선택된 회로 부분을 복원하는 일은 전력 손실을 줄이는 매우 효율적인 측정 방법으로 유용하다.

 패키징의 경우도 유사하다. 레이더 칩은 대개 ‘배어 다이’의 형태로 제공된다. 즉 패키지 안된, 얇고 슬라이스된 실리콘 칩이 청색 테이프에서 떼어진 뒤 픽&플레이스 기계를 이용하여 인쇄 회로 보드에 점착된 후 골드 와이어로 연결되는 것이다. 현재 업계에서는 간단한 어셈블리 및 스토리지를 가능케 하는 패키징 기술을 연구 중이다.

 오늘날 가장 문제를 야기시키는 것은 결합된 와이어 길이 및 RF 접촉의 변환 손실이다. 칩에 아주 섬세하게 생성된 미크론 단위의 RF 전력 기술은 송신 안테나로부터 칩 자체로도 세밀하게 수신된다. 이 특징은 실리콘 게르마늄에만 특별히 적용되는 것이 아니지만 이러한 관점에서 모든 RF 솔루션은 공통점을 갖는다. 연구 활동이 더욱 집중적으로 이뤄지고 있으므로 패키지가 개발되면 추가 비용은 손쉬운 취급 및 표준 패키지 기술에 상쇄될 것이다

요약

 새로운 실리콘 게르마늄 트랜스시버는 장거리 76~77GHz 기술을 적용하는 시스템 제조사들에게 새로운 지평을 열게 할 뿐 아니라 81GHz까지의 단거리 분야에도 잠재력을 제공한다. 중간급 자동차 카테고리의 더 작고 가격 경쟁력 있는 레이더 센서는 운전자 보조 시스템 기능을 가능케 한다. 500GHz급 실리콘 프로세스(RoCC와 같은 연구 프로젝트, 그림 1참조) 기술의 발전은 전력 손실을 줄이는 동시에 대역폭을 확대할 것이다.

 그래도 여전히 몇 가지 과제가 남아있게 되는데 즉 라디오 주파수 회로 개발자들은 올바르게 RF 소자를 적합한 기판에 적용하기 위해 그리고 최고의 성능을 그들의 시스템에서 이끌어 내기 위해 조만간 새롭고 획기적인 기술을 필요로 할 것이다. ‘실리콘 게르마늄이 갈륨비소의 대체물이 아니다’란 사실을 인지하고 그리 따라야 하지만 ‘실리콘 게르마늄에서 하나 빼고 아웃’이란 슬로건과 일맥 상통하는 올바른 방향을 인지해야 한다. 이미 완전한 RF 설계는 현존하는 라디오 주파수 ASSP의 적용으로 바뀌는 중이며 고객층도 복잡한 커스토마이징의 스펙으로 변하고 있다.

 실리콘 게르마늄에 기반한 2009년도 레이더 트랜시버의 시장 도입에 대한 기대치가 높아 그 기술은 쉽사리 수용될 것이다. 제품의 기술 안정도가 증명되면 전체 공급망은 업계 숙원의 대량 생산용 원가 절감 기술을 채택함으로써 무수한 애플리케이션에 사용될 것으로 보인다.

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