6G 시대를 위한 저유전 열경화성 테이프: 스마트폰 내부 부품 개발 지원

밀리미터파를 지원하는 스마트폰 내부 부품 개발

현재 사용 중인 5세대(5G) 스마트폰은 밀리미터파(28GHz) 통신 인프라의 느린 구축, 짧은 통신 범위 등의 문제를 안고 있다. 따라서 Sub 6으로 알려진 6GHz 미만의 대역은 유용성 때문에 주로 사용됩니다. 그러나 향후 몇 년 동안 트래픽 증가를 고려할 때 밀리미터파(28GHz) 대역으로의 전환은 불가피한 것으로 간주됩니다. 또한 90GHz에서 300GHz 사이의 테라헤르츠 미만파와 약 3THz의 초고주파 대역을 사용하는 6G 통신의 구현은 2030년경에 시작될 것으로 예상됩니다.

이 기사에서는 스마트폰 내부의 고주파 안테나용 회로 기판으로 저유전 본딩시트를 채택하는 기술과 전송 손실을 줄이기 위한 또 다른 관련 핵심 기술을 소개합니다. 이 기사에서는 이러한 발전을 위해 특별히 개발된 Dexerials의 저유전 열경화성 테이프에 대해 설명하면서 마무리합니다.

다음 이미지는 올해(2023년) 매장에서 사용할 수 있는 새로운 스마트폰 모델의 내부 구성 요소를 보여줍니다. 유전율이 낮은 열경화성 테이프는 빨간색으로 표시된 "연결 FPC"라고 표시된 구성 요소에 사용됩니다. 연결 FPC 보드는 5G 밀리미터파 무선 신호(노란색으로 표시)를 수신하는 "AiP(Antenna-in-Package)" 구성 요소를 수신된 무선 신호를 기반으로 계산을 수행하는 주 회로 기판에 연결하는 배선 회로 기판을 말합니다. 연결 FPC 보드는 외부에서 수신된 다운스트림 신호를 주 회로 기판으로 보낼 뿐만 아니라 주 회로 기판에서 처리된 신호를 AiP로 중계하는 데 사용됩니다. 거기에서 이러한 업스트림 신호는 안테나에서 전송됩니다.

다음 다이어그램은 스마트폰의 통신 구성 요소와 전송 및 수신 처리 흐름을 보여줍니다. 가장 왼쪽에 있는 부품은 '애플리케이션 프로세서(AP)'로 알려진 IC 칩으로, 스마트폰의 두뇌를 구성하며 PC의 CPU와 동일합니다. 가장 오른쪽 구성 요소는 신호가 송수신되는 안테나입니다.

가장 먼저 다룰 주제는 구성 요소입니다. 다음 다이어그램의 왼쪽 부분에 있는 응용 프로그램 및 기저대역 프로세서는 메인 보드로 알려진 더 큰 인쇄 회로 기판에 장착됩니다. 앞서 언급한 AiP(antenna in package)는 신호파를 변조하는 RF 트랜시버와 안테나를 포함한 여러 구성 요소로 구성됩니다. 일반적으로 안테나는 하우징 외부 근처에 장착되고 신호의 효율적인 송수신을 위해 메인 보드와 분리됩니다. 이러한 구성 요소의 전기 회로는 연결 FPC 보드를 사용하여 상호 연결됩니다. 스마트폰의 디자인에 따라 하우징의 긴 쪽 길이의 절반보다 길어질 수 있습니다.

여기에서는 밀리파대(28GHz)의 AiP를 예로 설명합니다만, 현재 접속 FPC에는 주파수 8-10GHz의 아날로그 신호가 왕래하고 있습니다. AiP에 탑재된 RF 트랜시버로 송신(상향)시에는 「업 컨버트」, 수신(하향) 시에는 「다운 컨버트」라고 불리는 주파수 변환이 행해집니다. 이것은 28GHz의 전기 신호는 전송로에서 감쇠·손실이 일어나기 쉽기 때문입니다.

다음 이미지는 저희의 저유전율 열경화성 테이프를 사용한 연결 저유전 본딩시트 기판의 단면을 보여줍니다. 덱세리얼즈(Dexerials)의 저유전율 열경화성 테이프인 D5300 시리즈는 변성 폴리이미드(PI) 층 사이에 사용됩니다.

FPC 자체를 28GHz 대응 안테나로

다음 다이어그램은 2023년 하반기부터 스마트폰에 사용될 것으로 예상되는 기술을 보여줍니다. 안테나가 수신한 밀리미터파는 원래 28GHz 주파수에서 FPC 보드를 통해 AiP에서 메인 보드로 전송됩니다. 메인 보드의 업스트림 신호도 28GHz의 고주파로 전송됩니다. 이 메커니즘을 달성하려면 커넥터와 연결 FPC 보드에서 고주파 아날로그 신호의 감쇠를 최소화해야 합니다. 하향 변환된 8GHz 주파수 대신 원래 28GHz 주파수에서 신호를 교환하면 안테나 측의 처리가 간소화되어 기능을 간소화 및 통합하고 처리 속도를 높일 수 있습니다(아래 그림 참조). 이와 같이 이 메커니즘을 실현하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다.

일부에서는 FPC 보드를 안테나 보드로 채택하기 위해 이 메커니즘을 더욱 발전시키려는 시도를 하고 있습니다. 현재 스마트폰 안테나는 리지드 또는 세라믹 보드에 안테나 역할을 하는 금속 라인 패턴을 에칭하거나 인쇄하여 제조됩니다. 위에서 설명한 아이디어는 단단하고 단단한 세라믹 기판을 얇고 구부릴 수 있는 FPC 기판으로 교체하고 안테나로 사용하는 것입니다. FPC 기판은 강성 및 세라믹 기판보다 비용이 저렴하며 더 얇은 스마트폰 제조에 기여하는 것으로 간주됩니다.

FPC를 밀리미터파 대응의 안테나 기판으로 하기 위해서는, 28GHz의 신호를 흘릴 수 있는 FPC의 개발이 필요합니다. 당연히 FPC를 적층하는 본딩 시트에도 밀리미터파 대응의 저유전성이 요구됩니다. 본딩 시트의 저유전성에 대해서는, 이쪽의 기사에 상세하게 해설했으므로, 꼭 한번 읽어 주세요.

Anti-heat measures: 스마트폰의 밀리미터파 대역에 대한 주요 과제

다음 이미지는 현재 사용 가능한 스마트폰 모델의 내부 구성 요소를 보여 줍니다. 더 높은 내열성이 필요한 구성 요소는 노란색으로 표시되고 목표 온도는 빨간색으로 표시됩니다.
애플리케이션 프로세서(AP)는 스마트폰의 정보 처리를 담당하는 IC 칩입니다. 격렬한 가공 중에 온도가 약 90°C에 달할 수 있으며, 이는 차례로 주변 구성 요소에 열적 영향을 미칩니다. 또한 많은 스마트폰은 AiP와 배터리의 온도를 각각 약 60°C 및 40°C 미만으로 유지하도록 설계되었습니다.

위에서 설명한 바와 같이, 향후 출시될 스마트폰은 밀리미터파 대역을 사용할 것이 확실하며, 이는 스마트폰 하우징 내부의 온도 상승이라는 문제를 제기합니다. AiP 및 신호 처리 IC 칩과 같은 더 많은 발열 부품이 추가되면 스마트폰의 내부 온도가 상승하는 경향이 있습니다.

내부 온도 상승은 FPC 기판에 사용되는 변성 폴리이미드 및 기타 플라스틱의 온도 상승으로 이어집니다. 일반적으로 플라스틱의 유전 손실 탄젠트는 아래 이미지 오른쪽 그래프에서 볼 수 있듯이 온도가 상승함에 따라 감소하는 것으로 알려져 있습니다. 이로 인해 FPC 기판을 포함한 회로 기판의 신호 전송 지연이 발생할 수 있습니다.

이러한 이유로 고주파 대역의 신호를 이용하는 회로 기판에서는 온도가 상승해도 유전 정접이 변화하지 않고 신호 손실도 증가하지 않는 절연 재료로 구성된 FPC가 이상적입니다.

​저유전 열경화성 테이프: 스마트폰의 미래를 뒷받침하는 토대

Dexerials는 FPC 보드에서 고주파 신호의 활용도가 증가할 것으로 추정합니다. 이러한 변화는 주파수를 하향 변환할 필요 없이 FPC 보드를 통해 신호를 전송할 수 있도록 하는 설계 변경과 위에서 설명한 대로 FPC 보드를 안테나로 사용하는 지속적인 연구 때문입니다. 또한 스마트폰 내부에 열원이 추가되어 FPC 보드 자체의 온도가 상승할 수 있습니다. 결과적으로, 우리는 고주파 및 고온 조건에서도 안정적인 저유전 특성을 유지하는 열경화성 테이프에 대한 수요가 있다고 확신합니다.

아래 그림은 각 절연 재료의 유전 특성(유전 정접)을 나타낸 것입니다. 빨강선이 이미 발매를 하고 있는 본딩 시트(제품번호:D5330), 푸른 선이 곧상시를 예정하고 있는 개발품이 됩니다. 왼쪽의 그래프는 유전 탄젠트와 주파수의 관계를 보여줍니다. 덱세리얼즈에서는 액정 폴리머(LCP)보다 뛰어난 유전 정접이 되는 Df＜0.002를 타겟으로 하고 있습니다만, 종래품(D5330)이 약간 타겟 영역을 벗어나고 있는 것에 대해, 개발품은 타겟내에 들어가고 있습니다. 오른쪽의 그래프는 유전 탄젠트와 환경 온도의 관계를 보여줍니다. 개발품은 90℃까지 타겟내에 들어가 있어, 변화량 자체도 억제되고 있습니다.

당사의 저유전 열경화성 테이프는 액체 폴리머 및 변성 폴리이미드 층 또는 고속 투과 저유전 본딩시트 보드의 핵심 재료에 비용 효율적으로 접착할 수 있습니다. 결과적으로 기존 제조 장비를 사용하여 5G(밀리미터파) 신호를 지원할 수 있는 저유전 본딩시트 보드를 제조할 수 있습니다(자세한 내용은 이 기사 참조). 다가오는 6G 시대를 앞두고 스마트폰 메이커를 포함한 모든 고객의 요구에 부응하는 것을 목표로 하는 Dexerials의 제품 개발에 대한 최신 정보를 확인하십시오.