지난 시간에는 실리콘 커패시터인 Si-Cap의 구조와 특징에 대해서 알아보았는데요.
이번 시간에는 Si-Cap이 각각 어떤 어플리케이션에서 어떻게 활용되는지에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
첫번째, Optical application
Murata의 Si-Cap 기술은 특히 ESR, ESL, 삽입 손실과 같은 우수한 전기적 특성 및 최대 220GHz의 주파수에서도 뛰어난 안정성을 가지고 있습니다. 이로 인해서 초광대역 시스템에서 AC-Coupling, DC-Decoupling 등의 기능으로 인정받고 있습니다.
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신호 라인에서 AC-Coupling 커패시터로 사용하면 광대역에서 삽입 손실이 매우 낮아 전류 소비 감소 가능
- 바이어스 라인에서 DC-Decoupling 커패시터로 사용 시 고주파 노이즈 를 제거할 수 있어 높은 수신 감도와 송신 성능 가능
- Si-Cap의 작은 사이즈로 인해 모듈의 소형화와 기생 인덕턴스 감소 가능
- 온도 및 전압에 대한 높은 정전 용량 안정성
- 높은 용량 밀도 및 높은 집적 기술
또한, 신호 라인에서 AC-Coupling의 목적으로 SMD Type의 Si-Cap을 사용할 수 있습니다.
Si-Cap의 가장 큰 장점로는 아래의 그림과 같이 Rooting을 하지 않아도 된다는 것입니다. Rooting이란 신호 라인이 구불구불하게 배치되는 것을 의미합니다. MLCC의 경우 각 캐패시터 사이에 일정한 간격을 두고 배치해야 하기 때문에 Rooting이 생길 수밖에 없습니다. 하지만 일반적인 Si-Cap과 더 나아가 Si-Cap이 두 개 붙어있는 Differential Type의 Si-Cap을 사용하게 되면 Rooting을 하지 않고도 커패시터를 배치할 수 있게 됩니다. 이로써 PCB 면적의 최대 70%까지 줄일 수 있게 됩니다.
이처럼 Si-Cap은 Rooting을 하지 않아도 되기 때문에 여러가지 전기적 특성이 좋아지게 되고, 삽입 손실(S21) 또한 줄어들게 됩니다. 삽입 손실이 작다는 것은 신호가 캐패시터를 거쳐서 전달이 됐을 때, 신호의 손실이 거의 없이 원하는 만큼의 신호를 전달할 수 있음을 의미합니다. 아래의 그림과 같이 Si-Cap은 MLCC에 비해서 삽입 손실이 매우 낮고, 이 차이는 고주파로 갈수록 더욱 심해지게 됩니다.
바이어스 라인에서는 DC-Decoupling 목적으로 Wire-Bonding Type Si-Cap를 사용할 수 있습니다.
Si-Cap은 바이어스 라인에서 Driver, LD, TIA, PD 등의 부품과 Wire-Bonding을 통해서 연결됩니다. 이때 MLCC나 SLC는 높이가 다소 높은 편이기 때문에 다른 부품과 Wire-Bonding을 할 때 많은 와이어가 사용됩니다. 이에 따라 와이어가 길어지기 때문에 와이어의 기생 인덕턴스 성분이 증가하게 됩니다. 반면에 Si-Cap은 굉장히 작고 얇다는 장점으로 인해 Wire-Bonding을 할 대 와이어를 적게 사용할 수 있습니다. 이로 인해서 와이어의 기생 인덕턴스 성분은 줄어들게 되고, 고주파 노이즈의 제거에도 효과적입니다.
두번째, Base Station Application
기지국에서는 현재 속도 사용되는 속도의 100배인 10Gbps의 통신 속도를 가능하게 하는 확장 고속 대용량 통신이 사용되고 있습니다. 그러나 광대역 신호가 고출력으로 출력되는 경우, 기지국의 전력 증폭 모듈(PAM)에 일종의 노이즈인 IMD(Inter Modulation Distortion)가 발생하여 신호 무결성이 저하됩니다. IMD 주파수는 대역폭의 비례 함수이며, 2차 IMD의 영향을 받는 주파수는 서브 6 GHz에서는 최대 400 MHz, mmWave에서는 수 GHz입니다.
그렇다면 2차 IMD를 어떻게 제거할 수 있을까요?
IMD의 저주파 대역은 FET 드레인에 연결된 바이어스 회로를 사용하여 제거될 수 있습니다. 그러나, IMD의 고주파 대역은 RF 차단을 위한 마이크로스트립 라인의 영향으로 인해 PAM(Power Amplifier Module) 외부에서 제거하기 어렵습니다.
이를 해결하기 위해 Si-Cap을 PAM의 금속 기판 위에 직접 설치하고, FET와 Si-Cap을 와이어로 연결할 수 있습니다. 이 방법은 실제 사용 조건에서 높은 용량을 유지하는 소형 Si-Cap을 사용하여 PAM 내부의 제한된 공간에서 IMD를 제거할 수 있습니다.
세번째, Automotive application
현재 자동차 시장에서 가장 주목받는 트렌드는 바로 자율주행입니다. 따라서 최근에는 자율주행을 실현하는 LiDAR 센서 기술에 대한 수요가 급증하고 있습니다.
Murata의 Si-Cap은 LiDAR의 Emitter에서 전기 공급을 위한 Pulse 발생 캐패시터로서 사용되고 있습니다. Si-Cap은 ESL 특성이 낮기 때문에 원거리의 타겟도 검출이 가능하고 LiDAR의 해상도를 높일 수 있습니다.
자율주행 관련 기술의 발전과 함께 LiDAR는 높은 성능을 발휘해야 합니다. 예를 들어, 더 먼 거리의 물체를 감지하고, 더 높은 해상도를 감지하고, 반사된 빛을 받았을 때 노이즈의 영향을 줄일 필요가 있습니다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 방출된 빛의 출력을 증가시킬 필요가 있습니다.
그러나 고출력 레이저광은 사람의 눈에 유해한 영향을 미치기 때문에 방출되는 빛의 출력 에너지량을 제한하기 위한 표준(Eye Safe IEC 60825)이 제정되었습니다. 이러한 기준을 만족시키기 위해서는 더 높은 출력의 빛이 방출될 경우, 방출되는 빛의 시간을 줄여야 합니다.
높은 출력으로 빛을 방출할 때 짧은 빛의 Pulse를 방출하려면 Pulse 가 급격히 상승해야 합니다. 이러한 Pulse의 상승 시간을 단축하는 효과적인 방법은 Pulse 발생 캐패시터와 레이저 다이오드 사이의 기생 인덕턴스를 감소시키는 것입니다.
Si-Cap은 작은 크기와 얇은 두께로 인해 레이저 다이오드 근처에 배치할 수 있습니다. 또한, Wire-Bonding이 가능하기 때문에 레이저 다이오드와 직접 연결할 수 있습니다. 이러한 장점들은 Si-Cap과 레이저 다이오드 사이의 루프 기생 임피던스(ESL)를 감소시킬 수 있습니다. 그 결과, Si-Cap은 세라믹 캐패시터에 비해 좁은 광펄스(약 1.5ns)를 높은 출력(100W 이상)으로 방출할 수 있습니다.
네번째, Medical application
Murata는 수많은 맞춤형 패시브 디바이스(IPD)를 제공해 온 오랜 경험을 바탕으로 임플란트형(체내 임베디드형) 의료 기기에서도 많은 실적을 쌓아왔습니다. 시장을 선도하는 의료기기 메이커용으로도 전용 IPD를 설계·제공하고 있습니다. 예를 들어, 페이스 메이커나 신경 자극 장치 등에 IPD를 액티브 소자와 함께 적층해 보다 많은 시스템을 통합할 수 있어 소비 전류 억제나 신뢰성 향상을 실현하고 있습니다.
또한, Si-Cap은 주로 신경 자극제, 인공 망막, 달팽이관 삽입물 또는 심장 박동기와 같은 이식 가능한 의료 시스템에 사용하고 있습니다. 의료 모니터링 또는 카테터와 같은 기타 계측 장비에도 사용 실적이 증가하고 있습니다.
의료 등급 실리콘 커패시터 시리즈인 MGSC는 임플란트형 의료 기기와 같은 높은 신뢰성을 요구하는 의료 분야에 적합한 제품입니다.
MGSC 시리즈는 Burning Test를 통과하였고 초기 고장률이 다른 세라믹 캐패시터에 비해 현저히 낮도록 신뢰성 측면에서 최적화되어 있습니다. 또한 MGSC 시리즈의 매우 낮은 누설 전류는 배터리 기반 어플리케이션의 성능을 향상시키고 수명을 증가시킬 수 있습니다.
- 높은 신뢰성
- 100um의 매우 얇은 두께
- 전압, 온도, aging에 대한 높은 안정성
- Die to Die 적층 가능
- Finishing 및 Assembly : Wire-Bonding assembly를 위한 알루미늄 패드 Finishing과 Embedded assembly를 위한 구리(Cu) Finishing 가능
또한, Murata의 Si-Cap 제품은 100µm 이하의 매우 얇은 두께와 구리(Cu) 도금 finishing 으로 PCB와 라미네이트에 내장할 수 있습니다. 내장형 Si-Cap은 프로세서 공급 필터링을 위한 상당한 전류 루프 감소를 가능하게 하면서 보드의 사용 공간을 절약할 수 있게 해줍니다. EMSC 시리즈와 같은 표준 Si-Cap은 내장시킬 수 있고, 일부 커스텀 제품은 내장될 수 있도록 설계할 수 있습니다.
지금까지 각 애플리케이션 별로 Si-Cap이 어떻게 활용할 수 있는지에 대해서 알아보았습니다. Si-Cap은 광통신, 기지국 PA, 자동차, 의료 등의 굉장히 다양한 분야에서 적용이 되고 있습니다. 특히 Si-Cap은 높은 신뢰성과 우수한 전기적 특성, 작은 사이즈 등의 특징으로 인해 고신뢰성과 고주파수 등에서의 대응이 필요한 애플리케이션에 주로 사용되고 있습니다. 앞으로 많은 어플리케이션에서 더욱 고도화된 기술의 발전이 요구되는 만큼 Si-Cap의 수요 또한 증가할 것으로 예상하고 있습니다.
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<About Murata>
Murata Manufacturing Co., Ltd.는 무라타 제작소는 세라믹을 기반으로 전자부품의 개발・생산・판매를 하고 있으며 세계적인 통합전자부품 기업입니다. 독자적인 개발 및 재료 개발, 프로세스 개발, 상품 설계, 생산 기술들을 서포트하는 소프트웨어나 분석 · 평가등의 기술 기반으로 독창적인 제품을 창출해 일렉트로닉스 사회의 발전에 기여해 갈 것입니다.
