본 논문에서는 RF 비아 구조를 이용하여 2가지 종류의 K-대역 CMOS FMCW 레이더 칩용 고주파 패키지를 설계, 제작 및 평가하였다. 패키지는 범용 PCB와 LTCC 공정을 이용하여 각각 제작되었다. 24 GHz를 기준으로 설계가 진행되었으며, 3차원 전자기 시뮬레이션을 통해 와이어 본딩과 RF 비아 구조의 임피던스 변화를 확인하였다. 비아 구조는 임피던스 부정합에 의한 손실을 억제하기 위해 $50{Omega}$의 특성 임피던스를 가지도록 하였다. PCB 기반 패키지와 LTCC 패키지의 설계 검증을 위해 각 패키지의 RF 경로를 back-to-back 연결하여 시험용으로 제작하였고, 측정 결과 24 GHz에서 0.4 dB 이하의 우수한 삽입 손실을 얻었으며, 20~29 GHz 주파수 영역에서 0.5 dB 이하의 삽입 손실을 보였다. 반사 손실의 경우, 전체 주파수 영역에서 PCB 기반 패키지는 -13 dB 이하, LTCC 패키지는 -15 dB 이하의 특성이 측정되었고, back-to-back 연결의 리플 특성이 일반적으로 5 dB 정도의 반사 손실 열화를 초래하므로 패키지 자체의 RF 경로는 약 5 dB 정도 개선될 것으로 예측되었다.
In this paper, we design, fabricate and measure two kinds of high-frequency packages for K-band CMOS FMCW radar chips using RF via structures. The packages are fabricated with the conventional PCB process and LTCC process. The design centering of the packages is performed at 24 GHz and impedance variation caused by the wire bonding and RF via structure is fully evaluated using 3D electromagnetic simulation. The RF via structure with characteristic impedance of $50{Omega}$ is used to reduce impedance mismatch loss. Two kinds of test packages with back-to-back connected RF paths are fabricated and measured for the design verification of the PCB-based package and LTCC package. Their measured results show an insertion loss of less than 0.4 dB at 24 GHz and less than 0.5 dB for 20~29 GHz. The measured return loss is less than -13 dB for the PCB-based package and less than -15 dB for the LTCC package in the frequency band, but the return loss of the package itself is predicted to be better than that of the test package by about 5 dB, because the ripples of the back-to-back connection typically degrade the return loss by 5 dB or more.
