TCXO 기술 시장분석

TCXO

제 3세대 휴대전화, 지상파 DMB에 가세해 무선 LAN, WiBro, Bluetooth, RFID(무선 태그), GPS 등 무선 기술을 사용한 시스템의 도입이 본격화 되고 있다. 또 근거리에서의 와이드 밴드 무선 통신을 실현한 UWB(Ultra Wide Band)의 개발도 진행되고 있다. 이와 같은 시스템에 사용되는 기기는 고주파수대로 이행하고 있고, 사용되는 고주파 부품에는 보다 소형화, 고성능화, 고정밀화가 요구되고 있다.수정 진동자나 수정 진동기는 4.0mm×2.5mm, 3.2mm×2.5mm 크기의 도입이 많아지고 있다. 2.5mm×2.0mm 크기는 일본에서 상품화되었으며 국내에서도 개발중이다. SAW 필터에서는 소자를 패키지에 플립칩을 실장함으로써 소형화를 실현하고 있다.수정 진동기에서는 VC-TCXO(전압 제어 기능부 온도 보상형 수정 진동기)의 요구가 높아지고 있어, 수정 메이커 각 사는 VC-TCXO의 개발을 강화하고 있다. 여기에 반도체 제조 기술이 도입되고 있다.TCXO의 종류 및 보상원리TCXO의 종류표 1과 같이 TCXO의 종류에는 직접형 아날로그, 간접형 아날로그, 간접형 디지털이 있다. 직접형 아날로그에는 써미스트와 저항기로 구성된 온도보상회로, 수정진동자, 발진기가 있다. 간접형 아날로그에는 수정진동자를 내장한 VCXO와 온도보상회로, 정전압회로가 있으며 간접형 디지털 회로에는 센서와 A/D(D/A)변환IC, ROM, VCXO가 있다.TCXO의 보상원리TCXO에 있어서 주파수 온도보상 회로는 매우 중요하다.수정발진기 부분에서 주파수 온도는 수정진동자의 주파수 온도에 주로 영향을 받는다.AT-Cut 수정 발진기의 주파수 온도 특성(Δf/f)XL=A0(T-T0)³+B0(T-T0)²+C0(T-T0)A0, B0, C0 : 온도 계수에 상응하고 일정하다.T : 변화된 온도T0 : 기준 온도주파수 온도 보상 발생기 부분에서 주파수 온도 특성을 보상하기 위하여 온도 보상 부분에는 아래의 식과 같은, 보상된 주파수 변화가 필요하다.(Δf/f)c=-{A0(T-T0)³+B0(T-T0)²+C0(T-T0)}X축은 온도이고 Y축은 주파수 변화이다.주파수 온도보상 부분에서 수정진동자 CL과 주파수 변화 사이의 관계는다음 공식은 PDF 파일을 참조.종류별 TCXO의 설명아날로그 타입의 블록도 및 구조DTCXO의 구조 및 동작원리DTCXO에서 중요한 특성 중의 하나인 주파수 온도 안정화를 위해 이동통신 단말기가 사용되는 환경 온도 범위를 -30~85℃로 설정한다. 이 온도범위에서 요구되는 캐리어의 주파수 안정도는 ±2.5ppm이며, 상온편차를 ±0.2ppm 정도로 설정해야 한다.다기능 TCXO의 구조 및 동작원리TCXO 내장 초소형 PLL Synthesizer 모듈교세라는 TCXO를 내장한 PLL 신디사이저 모듈을 개발하여 2002년 9월부터 양산을 개시했다.-교세라는 2002년 IC 방식의 양산에 성공했다. 또한 저주파에 대해 독자의 IC를 채용한 TCXO의 소형화 모델을 개발했으며, 최근 3.2×2.5×1.0mm³ 출시- GPS 기능을 탑재한 CDMA 듀얼밴드 휴대전화기에 채용 전망- 사이즈는 9.8×8.0×1.7mm3로 작은 편이다. PLL 신디사이저와 TCXO의 2개 부품을 사용한 경우에 비해 실장면적을 80% 삭감- 위상잡음은 최대 141dBc/Hz(1.25MHz 옵셋 시)로 낮은 편- TCXO와 PLL 신디사이저 IC 간 배선을 짧게 해 실현- 모듈에서 방사되는 전자잡음(radiation)을 기존 제품에 비해 약 10dB 저감TCXO의 국내시장- 국내에서 이동통신단말기용 초소형 TCXO를 개발하여 생산하고 있는 업체는 삼성전기와 파트론, 엑사이엔씨 등의 업체가 있다. 이 중에서 삼성전기는 3.2mm×2.5mm의 초소형 D-TCXO까지도 개발하여 상용화를 하고 있다. 엑사이엔씨는 3.2mm×2.5mm 규격의 TCXO를 개발 완료하였으며 파트론은 2.5mm×2.0mm 규격의 TCXO를 개발하고 있다.소형 SMD 온도보상의 최신 기술소형 SMD 온도보상 수정 발진기의 최신 기술이동통신 기기인 휴대전화는 간편한 정보 단말기기로 그 기능을 더욱 연마하고 있다. 새로운 기능이 탑재되면서 진화를 계속하고 있지만, 이와 동시에 사용자인 소비자들은 보다 소형화(박형화), 경량화와 고기능화의 트레이드오프 관계에 있는 성능을 요구하고 있다.그 결과 휴대전화의 설계 엔지니어는 기능의 IC 편성을 진행시킴과 동시에 보다 소형이고 레이아웃 설계의 자유도가 높은 장치를 요구하고 있다.2520 사이즈 소형 TCXO「2520 타입 시리즈」의 외형 치수는 2.5×2.0×0.9mm3 max.이고 용적은 0.0045cc(용적비 45% 감소, 3225 크기와의 용적비)이며 이동통신기기의 레퍼런스 오실레이터로 개발된 소형 TCXO이다(그림 10). 싱글 패키지(Single Package) 구조를 채용해 소형화를 실현했다.싱글 패키지 구조는 다른 구조에 비해 보다 소형의 IC가 필요하다. 이번에 소형 IC를 새롭게 개발함으로써 2520 크기의 TCXO를 실현했다. 주파수 온도 안정도는 ±2.0×10-6/-30℃~+85℃에 대응한다(표 4).3225 사이즈 고정밀도 TCXO「3225 사이즈 시리즈」는 싱글 패키지 구조의 3225 크기 고정밀도 TCXO이다. 외형 치수는 3.2mm×2.5mm max.이고 용적은 0.008cc(용적비 60%감소, 5032 크기와의 용적비)이며 GPS/업무용 무선통신 기기용의 레퍼런스 오실레이터로 개발된 고정밀도 TCXO이다(그림 11). 주파수 온도 안정도는 ±0.5×10-6/-40℃~+85℃에 대응 한다. 「3225 사이즈 시리즈」는 이동통신 기기에 들어가는 GPS 모듈 등의 소형화에 유효한 제품이다. 이동통신 기기에서의 위치 정보 통지 기능은 일본 및 유럽에서의 도입 예정이며, 텔레마케팅 디크스, 차의 위치 정보 통지 기능, 내비게이션 기능 등 향후 시장 확대가 예상된다.그림 11은 이번에 개발한 TCXO에 채용한 기술의 특징, 기술적 배경을 나타낸다.싱글 패키지 구조싱글 패키지 구조는 5032 사이즈, 3225 사이즈가 있다. 제조 기술면에서는 높은 기술 레벨, 관리 레벨이 필요하지만 제품의 저배화가 용이한 토털 어셈블리 타임의 단축이 가능하다는 큰 이점이 있다.IC의 실장에는 싱글 패키지 구조용으로 개발한 특수한 플립칩 실장 기술을 채용하고 있다. 접속부 및 재료에 납을 사용하지 않는 완전 무연 장치다(그림 12).소형 IC 개발TCXO의 소형화에 필요한 IC의 소형화로 인해 초소형을 실현했다. 성능은 유지하면서 면적비로 34% 감소의 소형화를 실현했다.1) 열 설계 개선TCXO의 기판 상에서 레이아웃 설계의 자유도를 개선하기 위해 열설계를 개선했다.TCXO가 파워 업 등의 발열량의 큰 장치의 근처에 레이아웃 됐을 경우 TCXO의 온도가 급격하게 변화해 주파수가 일시적으로 변동하는 현상이 발생한다. 이것은 세라믹 패키지(Ceramic Package)에 내장된 X-tal Blank의 온도와 IC-칩 상의 온도센서가 검출하는 온도에 엇갈림이 생겨서 온도 보상 오류가 발생되는 것이 원인이다.세라믹 패키지와 X-tal Blank, 세라믹 패키지와 IC-Chip 간의 열 저항을 맞춤으로써 이 현상을 저감할 수 있어, 발열량이 큰 장치 근처에 TCXO를 레이아웃 할 수 있게 되었다(그림 13).2) 하모닉스 성능을 개선TCXO의 기판 상에서의 레이아웃 설계 자유도를 개선하기 위해 무선 성능에 영향을 주는 출력 신호의 고차 하모닉스를 저감 했다(그림 14). TCXO 출력 신호의 고차 하모닉스는 휴대전화 수신시의 통화 품질, GPS의 수신 감도 등에 영향을 준다. 특히 저레벨의 신호를 취급하는 장치는 신호 라인에 영향을 미쳐 TCXO의 레이아웃 자유도가 제한되는 원인이 되고 있었다.TCXO 출력 신호의 고차 하모닉스를 회로 레벨로 개선함으로써 기판 설계시 TCXO의 레이아웃 자유도를 개선해 세트의 소형화를 가능하게 했다.3) 저 저압 동작에 대응IC 내부 동작 전압을 저전압화하여 동작 전원전압의 저전압화에 대응했다.전원전압 +2.4V ± 0.1V에서의 동작을 가능하게 했다.동작전원의 저소비 전력화를 실현 할 수 있다.4) 방습 곤포 관리가 불필요방습 곤포 관리가 필요하지 않음으로써, 장치의 취급을 용이하게 했다.방습 곤포는 수지 등의 흡습성 재료를 디바이스와 대기가 접하는 부분에 사용하는 경우에 필요하다. TCXO는 싱글 패키지 구조로 흡습 재료를 배제해 방습 곤포 관리가 불필요한 구조로 했다.방습 곤포 관리 레벨은 JEDEC의 J-STD-033으로 규정하고 있어 TCXO의 MSL(Moisture Sensitivity Level)은 MSL = 1 (방습 곤포 관리가 불필요)이다. 싱글 패키지 구조 이외의 TCXO는 MSL = 3(방습 곤포 관리가 불필요)이다.바. 향후의 전개이번 TCXO의 소형화, 고정밀화로의 대응을 추진하면서, 실제로 사용되는 시추에이션을 목표로 설계를 진행시켰다.TCXO의 로드맵 및 차세대 TCXO현재는 3.2mm×2.5mm가 주이며 소형으로 2.5mm×2.0 mm가 있다.- 그림 15는 버클리 대학에서 개발 중인 CMOS 통합 IC이다.향후 기술의 발전방향을 보면 CMOS 소자를 이용한 RFIC의 개발이 이루어져 베이스밴드(Baseband) IC와 RFIC를 하나의 칩셋에 구현하는 기술이 개발되고 있다. 이 기술로 디지털 온도보상 방식 TCXO의 EEPROM과 기타 소자들을 CMOS 통합 IC 내에 포함하여 개발하고 크리스탈만을 외부에 장착하는 기술이 실용화를 앞두고 있다.-RF 칩셋 내장형 TCXO는 온도보상 IC를 실리콘 CMOS 기술로 설계하고 웨이퍼를 식각하여 크리스탈을 삽입시키는 기술로, 이제까지 RF 칩셋에 내장하지 못했던 TCXO를 웨이퍼 상에 내장함으로써 이동통신 단말기의 단일 칩화(One Chip IC)를 이룰 수 있는 기술이다.이 기술은 RF MEMS 및 LTCC 적층 세라믹 기술과도 접목되어 위상잡음, 손실 등의 RF특성의 향상과 함께 복합 모듈화를 앞당길 전망이다.

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오영관 (webmaster@techworld.co.kr)

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