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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltungen, insbesondere auf Schaltungen mit Spulen.
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Die Anforderungen an die Miniaturisierung von Schaltungen oder Systemen wachsen ständig. Dabei gestaltet sich die Reduzierung des Flächenbedarfs von Schaltungen mit Spulenelementen als besonders schwierig, da sich diese im Vergleich zu Diodenelementen oder Transistorelementen nur schwerer in Schaltungen, beispielsweise auf einem Chip, integrieren lassen.
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Es ist daher wünschenswert, eine Lösung bereitzustellen, um Spulenelemente effizienter in Schaltungen bzw. Schaltungsanordnungen integrieren zu können.
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Die Patentschrift
US 3436687 A beschreibt eine Filterschaltung, bei der ein spiralförmiges Spulenelement über einen innenliegenden Kontakt und eine Durchkontaktierung mit einem darunter angeordneten spiralförmigen Spulenelement elektrisch verbunden ist.
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Die Veröffentlichung
EP 1 455 302 A1 offenbart ein integriertes Schaltungselement mit einem schaltkreisbildenden Teil und einer Antennenspule, die über innenliegende Eingangs/Ausgangsanschlüsse elektrisch verbunden sind.
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Die Veröffentlichung
WO 1997035273 A2 beschreibt eine Chipkarte, die sowohl einen kontaktlosen Zugriff als auch einen kontaktbehafteten Zugriff auf ein Chipmodul der Chipkarte ermöglicht (Hybridkarte). Die hybride Chipkarte umfasst ein Chipmodul und eine Drahtspule, die zusammen mit dem Chipmodul eine Transpondereinheit bildet. Das Chipmodul ist innerhalb der Spule angeordnet und weist ferner Außenkontaktflächen für den kontaktbehafteten Zugriff auf das Chipmodul auf, wobei die Außenkontaktflächen innerhalb der Spule angeordnet sind.
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Die Veröffentlichung
US 6310386 B1 zeigt eine ”Tape-based Flip-Chip Package” mit einer spiralförmigen Induktivität, wobei die spiralförmige Induktivität über einen innenliegenden und einen außenliegenden Kontakt der Spule und entsprechenden Durchkontaktierungen mit einem auf einer gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordneten Bump-Array und mittels diesem mit einer Schaltung auf einem weiteren Substrat verbunden ist.
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Zusammenfassung
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Ein Ausführungsbeispiel schafft eine Schaltung mit einem Eingangskontakt, und einer Spule, wobei die Spule um den Eingangskontakt herum angeordnet ist, und wobei ein innen liegender Spulenanschluss der Spule, der in der Spule angeordnet ist, mit dem Eingangskontakt elektrisch gekoppelt ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert.
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1A zeigt eine Aufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung mit einem Kontakt zum Anschließen der Schaltung, um den herum eine Spule angeordnet ist.
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1B zeigt einen Querschnitt AA' gemäß 1A einem ersten Ausführungsbeispiel.
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1C zeigt einen Querschnitt AA' gemäß 1A gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Schaltung mit einem weiteren Schaltungselement, das unter dem Kontakt angeordnet ist.
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2A zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines integrierten Tiefpasses.
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2B zeigt ein Blockschaltbild einer Realisierung eines Ausführungsbeispiels gemäß 2A.
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2C zeigt ein Blockschaltbild eines ersten und zweiten Filter-Halbglieds gemäß der Realisierung in 2B.
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2D zeigt eine herkömmliche Anordnung von Spulen und Kontakten.
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3A zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung mit zwei Tiefpassfiltern gemäß 2B.
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3B zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zehn nebeneinander angeordneten Filterschaltungen nach 2B.
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Die Figuren sind zur besseren Verständlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet. Ferner werden in der vorliegenden Anmeldung für Objekte und Funktionseinheiten, die gleiche oder ähnliche funktionelle Eigenschaften aufweisen, gleiche Bezugszeichen verwendet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass einerseits, sofern es nicht explizit anders angegeben ist, Abschnitte, die sich auf Objekte mit ähnlichen oder gleichen funktionalen Eigenschaften beziehen, zwischen den Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsbeispiele austauschbar sind. Andererseits wird darauf hingewiesen, dass durch eine gemeinsame Verwendung eines Bezugszeichens für ein Objekt, das in mehr als einem Ausführungsbeispiel auftritt, nicht gesagt ist, dass diese in den verschiedenen Ausführungsbeispielen oder den betreffenden Ausführungsbeispielen identische Merkmale und Eigenschaften aufweisen. Gemeinsam oder ähnliche Bezugszeichen stellen also keine Aussage bezüglich der konkreten Auslegung und Dimensionierung dar.
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1A zeigt eine Aufsicht einer Schaltung mit einem Kontakt (schraffierte Fläche) 110 zum elektrischen Anschließen der Schaltung (110) und einer Spule 120 (schwarz gezeichnet), wobei die Spule um den Kontakt 110 herum angeordnet ist, und wobei ein innen liegender Spulenanschluss 122 der Spule 120, der in der Spule 120 angeordnet ist, mit dem Kontakt 110 elektrisch gekoppelt ist.
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Der Kontakt 110 kann beispielsweise ein Eingangskontakt oder ein Ausgangskontakt der Schaltung 100 sein.
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Gegenüber herkömmlichen Lösungen zum Anschließen einer Schaltung bzw. zum Anschließen einer Schaltung mit einer Spule, die mit dem Schaltungskontakt zum Anschließen derselben elektrisch gekoppelt werden soll, ermöglichen Ausführungsbeispiele gemäß 1A Schaltungen, die einen geringeren Flächenbedarf haben und keine zusätzliche Verdrahtungsschicht benötigen, um den innen liegenden Anschluss elektrisch anzubinden.
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Bei herkömmlichen Schaltungskontakten zum Anschließen der Schaltung an beispielsweise eine andere Schaltung sind die Schaltungskontakte neben etwaigen Spulen angeordnet, und beanspruchen somit zum einen mehr Fläche als eine Schaltung gemäß 1A und benötigen zudem eine zusätzliche Verdrahtungsschicht, um beispielsweise den Schaltungskontakt mit dem innen liegenden Anschluss der Spule elektrisch zu verbinden.
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Die Schaltung 100 kann beispielsweise eine auf einem Chip aufgebrachte oder integrierte Schaltung sein, dies wird auch als On-Chip-integrierte Schaltung bezeichnet, und der Kontakt 110 zum Anschließen der Schaltung beispielsweise an eine andere Schaltung auf einem anderen Chip dienen.
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Der Kontakt 110 kann beispielsweise als Kontaktierungsball realisiert sein, wobei ein anderer Ausdruck für „Kontaktierungsball” „Lötkugel”, „Lötperle” bzw. abgekürzt „Ball” ist, wobei sich der Begriff „Ball” aus dem englischen Begriff „ball” bzw. „balls” ableitet. Mehrere Kontakte 110 können auf der Schaltung bzw. auf den Chip nebeneinander oder in einem bestimmten Raster angeordnet sein, um die Schaltung über die Kontaktierungsballs beispielsweise mit anderen Schaltungen zu verbinden. Bekannte Techniken sind beispielsweise das „Ball Grid Array”-Anordnungen, kurz BGA (Kugelgitteranordnung), oder Flipchip-Techniken, bei denen auf einem Chip integrierte Schaltkreise durch Löten oder leitfähiges Kleben oder auch Pressschweißen mit Anschlusskontakten bzw. Schaltungen auf anderen Chips verbunden werden.
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Bei diesen Ausführungsbeispielen, bei denen der Kontakt 110 ein Kontaktierungsball ist, kann der Kontakt 110 höher ausgebildet sein als die Leiterbahnen der Spule 120, um einen einfachen Anschluss der Schaltung 100 über den Kontaktierungsball 110 mit einer anderen Schaltung zu ermöglichen.
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Eine weitere Möglichkeit, die Schaltung 100 über den Kontakt 110 mit einer anderen Schaltung auf einem anderen Chip oder demselben Chip bzw. Schaltungsträger zu verbinden, ist beispielsweise das „Drahtbonden”, bei dem der Kontakt 110 mittels eines Bonddrahtes mit einem Kontakt der anderen Schaltung bzw. dem anderen Chip elektrisch verbunden wird.
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Der Anschluss über Kontaktierungsballs kann im Vergleich zu anderen Verfahren, beispielsweise dem Drahtbonden eine geringere Impedanz durch die kurzen Anschlüsse, eine bessere Wärmeabführung ermöglichen, sowie den Platzbedarf verringern.
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1B zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels gemäß 1A, wobei die Schaltung 100 hier auf einem Substrat 102 aufgebracht bzw. integriert ist. Der Kontakt 110 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1B höher ausgebildet als die Leiterbahnen der Spule 120, um wie zuvor dargelegt, beispielsweise einen Anschluss zu ermöglichen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Höhe des Kontakts 110 der Höhe der Leiterbahnen der Spule 120 entsprechen oder sogar geringer sein, abhängig davon, welche Anschlusstechnik verwendet wird, und abhängig von der Ausbildung der Anschlussfläche der Schaltung oder des Chips, mit dem die Schaltung 100 verbunden werden soll.
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1C zeigt einen Querschnitt AA' eines zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung gemäß 1A, das ein Schaltungselement 130 aufweist, das direkt unter dem Kontakt 110 angeordnet ist und mit diesem elektrisch verbunden ist. Das Schaltungselement 130 ist in dem Substrat 102 integriert bzw. eingebettet und weist einen ersten Anschluss 132 und einen zweiten Anschluss 134 auf. Über den ersten Anschluss 132 ist das Schaltungselement mit dem Kontakt 110 elektrisch gekoppelt, während das Schaltungselement über den zweiten Kontakt 134 beispielsweise mit einer in dem Substrat 102 integrierten Leitschicht oder Leiterbahn 136 elektrisch gekoppelt ist.
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Das Schaltungselement 130 kann ein beliebiges Schaltungselement, beispielsweise ein Kondensator, eine Diode oder ein Transistor sein.
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Ferner kann das Schaltungselement 130 als laterales oder vertikales Schaltungselement realisiert sein. Eine Verwendung eines vertikalen Schaltungselements ermöglicht eine weitere Reduzierung des Flächenbedarfs gegenüber lateralen Schaltungselementen.
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Das Substrat 102 kann beispielsweise ein Silizium-Substrat sein.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann das Schaltungselement neben dem Kontakt 110 angeordnet sein und die Spule 120 um den Kontakt 110 und das Schaltungselement 130 herum angeordnet sein. In weiteren Ausführungsbeispiel kann das Schaltungselement 130 versetzt unter dem Kontakt 110 angeordnet sein.
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1C zeigt eine parallele Anschaltung der Spule 120 und des Schaltungselements 130 an den Kontakt 110. Beide, das Schaltungselement 130 und die Spule 120 sind direkt mit dem Kontakt 110 elektrisch verbunden bzw. gekoppelt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann jedoch das Schaltungselement 130 oder ein anderes Schaltungselement seriell zwischen den Kontakt 110 und den innen liegenden Spulenanschluss 122 geschaltet sein, so dass die Spule 120 über das Schaltungselement 130 oder das andere Schaltungselement mit dem Kontakt 110 elektrisch gekoppelt ist, d. h. indirekt mit dem Kontakt 110 elektrisch gekoppelt ist. Bei der Verwendung eines vertikalen Schaltungselements ähnlich zu dem in 1 ist dann lediglich eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss 134 und dem innen liegenden Spulenanschluss 122 zu vorzusehen.
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Damit ergibt sich eine flächeneffiziente Möglichkeit, ein vertikales Schaltungselement zwischen den Kontakt (110) und dem innen liegenden Spulenanschluss (122) zu schalten.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Schaltungselement 130 eine ESD-Diode (ESD-Electrostatic Discharge = Elektrostatische Entladung) zum Schutz der Schaltung vor elektrostatischen Entladungen. In diesem Fall ist beispielsweise die Katode 132 der ESD-Diode 130 mit dem Kontakt 110 elektrisch verbunden und die Anode 134 der ESD-Diode 130 über die Leitung 136, bzw. über hochleitfähiges Substrat (102) mit Masse (GND) elektrisch verbunden.
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In dem in 1A gezeigten Beispiel weist die Spule 120 zwei Windungen auf, andere Ausführungsbeispiele der Schaltung können jedoch eine oder mehr als zwei Windungen aufweisen. Ferner können die Windungen der Spule 120 oktagonale, runde oder andere Formen aufweisen. Ferner zeigt 1B bzw. 1C eine Spule 120, deren Windungen in einer Ebene parallel zu, beispielsweise der Substratoberfläche, angeordnet sind. Die Windungen der Spule 120 können jedoch auch in verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Ferner kann die Spule 120 auf dem Substrat 102 aufgebracht sein, oder teilweise oder ganz in dem Substrat integriert sein.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel bzw. ein Aufbau eines Ausführungsbeispiels anhand eines ON-Chip-integrierten LCR Filters, insbesondere eines Tiefpassfilters, mit ESD-Schutzfunktionen beschrieben. Solche integrierten LCR-Filter dienen beispielsweise dem ESD-Schutz von Datenübertragungssystemen, der effektiven Dämpfung der in die Übertragungskabel eingestrahlten Hochfrequenzstörsignale, der Reduktion der abgestrahlten Störstrahlung durch Dämpfung der hochfrequenten Anteile des Datensignals, der Anpassung von unterschiedlichen Impedanzniveaus, der Reduktion von Leitungsreflexionen und der Verbesserung der Signalintegrität.
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Konkret bezieht sich das Ausführungsbeispiel auf eine Umsetzung in dem Infineon-Chip BGF109L zum Schutz von 10 Datenleitungen und zur Reduktion von eingestrahlter Hochfrequenzenergie, wobei der Chip BGF109L beispielsweise im Mobilfunk eingesetzt wird.
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Die 2A bis 2C zeigen schematische Darstellungen des in dem Chip integrierten Tiefpasses.
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2A zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels des integrierten Tiefpasses mit einem Eingangskontakt 210 und einem Ausgangskontakt 212 der Schaltung, in diesem Fall einer Filterschaltung 200. Wie zuvor anhand der 1A bis 1C erläutert, können der Eingangskontakt 210 und der Ausgangskontakt 212 als Kontaktballs ausgeführt sein, wobei in diesem Falle der Eingangskontakt 210 auch als „Input-Ball” und der Ausgangskontakt 212 auch als „Output-Ball” bezeichnet werden kann. Die Filterschaltung 200 weist eine erste Spule L1 und eine zweite Spule L2 auf, wobei die Bezeichnungen L1 und L2 gleichzeitig auch für die jeweilige Induktivität stehen. Ferner weist die Filterschaltung 200 eine erste Diode D1 mit einer Kapazität C1 auf, eine zweite Diode D2 mit der Kapazität C2 und eine dritte Diode D3 mit einer Kapazität C3 auf.
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Dabei sind die Spulen L1 und L2 in einem Serienpfad zwischen dem Eingangskontakt 210 und dem Ausgangskontakt 212 der Schaltung angeordnet und seriell miteinander verbunden. Die Katode der ersten Diode D1 liegt vor der Spule L1, die Diode D1 ist zwischen dem Eingangskontakt 210 und einer Masse 214 gekoppelt. Die Katode der zweite Diode D2 liegt zwischen der ersten Spule L1 und der zweiten Spule L2. Die zweite Diode D2 ist zwischen dem Serienpfad und der Masse 214 gekoppelt. Die Katode der dritten Diode D3 liegt zwischen der Spule L2 und dem Ausgangskontakt 212, D3 koppelt zwischen dem Ausgangskontakt 212 und einer Masse 214.
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2A zeigt eine Π-Filteranordnung. Alternativ könnte die Schaltung 200 auch eine T-Konfiguration aufweisen, die dann im Gegensatz zu dem Ersatzschaltbild gem. 2A nur die zweite Diode D2 nicht jedoch die erste Diode D1 oder die dritte Diode D3 aufweist.
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2B zeigt eine Realisierung eines Ausführungsbeispiels gemäß 2A, bei der als Dioden bzw. kapazitive Elemente ESD-Dioden verwendet werden, deren Sperrkapazität als Filterkapazität wirkt und entsprechend dimensioniert ist.
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2C zeigt das erste LC-Filter-Halbglied (im Englischen als „First Basic LC Filtersegment” bezeichnet) bestehend aus der ersten Spule L1 und der ersten Diode D1, und das zweite LC-Filter-Halbglied (im Englischen als „Second Basic LC Filtersegment” bezeichnet), bestehend aus der zweiten Spule L2 und der dritten Diode D3. Gegenüber 2B ist die zweite Diode D2 nicht gezeigt. Das erste Filter-Halbglied 204 und das zweite Filter-Halbglied 206 bilden die Grundelemente des Filters, während die zweite Diode D2 zur Abstimmung der Filtercharakteristika der Schaltung 200 eingesetzt werden kann.
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Die Sperrkapazitäten der ESD-Dioden D1 bis D3, die beispielsweise als vertikale Diodenelemente gegen Substrat bzw. Masse, im Englischen als Ground GND bezeichnet, ausgebildet sind, wirken als Filterkapazitäten und bilden im Zusammenspiel mit den Spulen L1, L2 die Filterfunktion. Als Gehäuse kann sowohl ein „Wafer-Level-Package” (WLP) mit Kontaktierungsballs 210, 212 verwendet werden, als auch Gehäusetechniken mit Bonddraht und Kontaktierungspad, wobei in diesem Falle die Bezugszeichen 210 und 212 das Kontaktierungspad bezeichnen, wobei der Begriff „pad” einen flächigen Anschluss bezeichnet. Alle Eingabe- und -Ausgabe-Funktionen (I/O Funktionen) und der Masseanschluss (GND) erfolgen über die Kontaktierungsballs oder Kontaktierungspads 210, 212, 214.
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Die Dioden D1 bis D3 sind beispielsweise als kreisförmige bzw. ringförmige vertikale Dioden ausgebildet, die direkt unterhalb der Kontaktierungsballs 210, 212 im Substrat 202 eingebettet sind. Auch eine Platzierung der Dioden neben den Kontaktballs ist möglich, wie bei D2 geschehen. Die Katode D1K der ersten Diode D1 ist mit dem Kontaktierungsball/-Pad 210, die Anode D1A der ersten Diode D1 mit beispielsweise dem hochleitfähigen Substrat 208 elektrisch verbunden. In analoger Weise gilt dies für die zweite und dritte Diode ebenso, das heißt die Katode der dritten Diode ist mit dem Kontaktierungsball/-Pad 212, und die Anode der dritten Diode mit dem hochleitfähigen Substrat 208 elektrisch gekoppelt, während die Katode der zweiten Diode zwischen die erste Spule L1 und die zweite Spule L2 und die Anode der zweiten Diode D2 mit der Masse 214 elektrisch gekoppelt ist, wobei die Masse 214 analog zu den Kontakten 210 und 212 als Massekontakt der Schaltung, beispielsweise als Kontaktierungsball/-Pad ausgebildet sein kann.
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Im Fall einer Doppeldiode sind die Anoden der Dioden D1 bis D3 mit einer EPI-Zwischenschicht verbunden (EPI-Epitaxial). In diesem Fall liegt die zweite Diode zwischen EPI und Substrat. Im Falle eines hochleitfähigen Substrats 208 kann der Masseanschluss der Diode bzw. Doppeldiode über das Substrat und über einen Masse-Kontaktierungsball/-Pad 214 erfolgen. Ein kapazitiver Anschluss des Substrates 208 an den Massekontakt 214 bzw. Massekontaktierungsball/-Pad ist auch möglich.
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Dabei können alle Filterkapazitäten, die durch die ESD-Dioden an dem Eingangskontakt 210 und dem Ausgangskontakt 212 realisiert werden als auch die Filterkapazitäten D2 (C2) zwischen den Filter-Halbgliedern 204, 206 zusammen in dem gleichen Diodenprozess hergestellt werden. Eine Feinabstimmung bzw. ein Fein-Tuning der Filterfunktion ist durch die Filterkapazitäten D2(C2) zwischen den Filter-Halbgliedern 204, 206 möglich.
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2D zeigt eine herkömmliche Lösung für eine Filterschaltung, bei der die Spulen neben den Filterkapazitäten bzw. ESD-Dioden liegen. Dabei bezeichnet die erste Stelle des zweistelligen Indexes die Elementnummerierung pro Filterschaltung, wie sie in den 2A bis 2C verwendet werden, und die zweite Stelle die Zuordnung zu einer bestimmten Filterschaltung. In anderen Worten, D11 mit der Kapazität C11 bezeichnet die erste Diode D1 der ersten Filterschaltung mit der Kapazität C11, während beispielsweise D22 die zweite Diode D2 gemäß den 2A bis 2C in einer zweiten Filterschaltung, die zusätzlich zu der ersten Filterschaltung auf dem Substrat angeordnet ist, bezeichnet. Entsprechendes gilt für die Bezeichnung der Spulen. In der in 2D gezeigten Realisierung können die Filterkapazitäten bzw. ESD-Dioden direkt unter dem Kontaktierungsball/-Pad z. B. A1 bis A4 liegen. Hier kann ebenfalls der Spulenbeginn im Spulenauge, d. h. dem Inneren der Spule, liegen, während der Spulenausgang im Außenbereich der Spule liegt.
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Wie aus 2D klar ersichtlich, ist die Spule L11' neben dem Kontaktierungsball A5, der über die Diode D11 angeordnet ist, angeordnet. Der Spulenbeginn liegt im Spulenauge der Spule L11', der Spulenausgang im Außenbereich der Spule L11'. Um nun die Spule L11' im Inneren zu kontaktieren, ist eine zusätzliche Verdrahtungsebene, ein sogenannter Durchsteiger nötig.
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Diese komplexere Verdrahtung, nämlich die zusätzliche Metalllage, erhöht die Kosten für die Herstellung der Schaltung beziehungsweise des Chips.
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Ferner erhöht die Spulenpositionierung neben den Kontaktierungsballs beziehungsweise der ESD-Diode den Platzbedarf auf dem Chip.
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Die in den 2A bis 2C und in den folgenden Fig. gezeigten Filterschaltungen sind sogenannte π-Filterkonstruktionen, mit Filterkapazitäten unter den Kontaktierungsballs. Wie zuvor dargelegt, können alternative Ausführungsbeispiele der Filterschaltungen auch eine erweiterte „T” Konstruktion ohne die äußeren ESD-Dioden beziehungsweise Filterkapazitäten D1 und D3 aufweisen.
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Die Eingangskontakte 210 und Ausgangskontakte 212 können auch als Kontaktierungspads beziehungsweise als Kontaktfläche für einen Bondanschluss dienen, der mit oder ohne darunter liegender ESD-Diode mit der entsprechenden Filterkapazität aufgebaut ist.
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Der zusätzliche Platzbedarf durch eine Parallel-Platzierung von ESD-Diode mit der entsprechenden Filterkapazität und der Spule ist nicht unbeträchtlich und wird bei höherer Integrationsdichte immer schwerwiegender. Der zusätzliche Verdrahtungslayer wird bei konventionellen Lösungen immer benötigt und erzeugt, wie zuvor dargelegt, weitere Kosten. Ein Verdrahtungslayer wird auch als Verdrahtungsebene bezeichnet.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Filterschaltungen angewendet bei dem BGF109L. 3 zeigt einen Abschnitt des Chips mit zwei Filterschaltungen, wobei auf die erste Filterschaltung mit den Schaltungselementen Cx1, Lx1 näher eingegangen wird. Die Ausführungen gelten analog für die zweite Schaltung.
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In Anlehnung an die 2A bis 2D sind in der 3 die aus diesen Fig. bekannten Bezugszeichen zusätzlich verwendet worden. 3 zeigt ein Anordnung 300 von zwei Filterschaltungen, wobei im folgenden nur eine, nämlich Filterschaltung 200 beschrieben wird. Für die zweite Filterschaltung gelten die Ausführungen in analoger Weise.
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Die Filterschaltung 200 mit einem ersten Filter-Halbglied 204 und einem zweiten Filter-Halbglied 206. Das erste Filter-Halbglied 204 weist eine erste Spule L11 und eine erste Diode D11 mit einer Kapazität C11 auf, wobei die erste Diode D11 unter dem Eingangskontakt 210 angeordnet ist und die erste Spule L11 um den Eingangskontakt 210 und die erste Diode D11 herum angeordnet ist. Die Spule L11 ist über einen innenliegenden Spulenanschluss 322 direkt mit dem Eingangskontakt 210 elektrisch gekoppelt und über einen außen liegenden Spulenanschluss 324 mit der zweiten Diode D21 elektrisch gekoppelt.
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Das zweite Filter-Halbglied 206 weist eine zweite Spule L21 und eine dritte Diode D31 auf, wobei die dritte Diode D31 unter dem Ausgangskontakt 212 der Schaltung 200 angeordnet ist und die zweite Spule L21 um den Ausgangskontakt 212 und die dritte Diode D31 herum angeordnet ist. Die zweite Spule L21 ist über einen innen liegenden Spulenanschluss 326 direkt mit dem Ausgangskontakt 212 elektrisch gekoppelt und über einen außen liegenden Spulenanschluss 328 mit der zweiten Diode D21 elektrisch gekoppelt.
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Ferner weist die Filterschaltung 200 einen Massekontakt 214 auf. Wie in der 2B dargestellt, ist die Kathode der ersten Diode D11, die Kathode der zweiten Diode D21 und die Diode der dritten Diode D31 in dem Substrat mit dem Massekontakt 214 elektrisch gekoppelt.
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Der direkte Vergleich der 3A mit der 2D macht noch einmal deutlich, dass der zusätzliche Platzbedarf durch eine Parallel-Platzierung von ESD-Diode und Spule, wie in 2D gezeigt, nicht unbeträchtlich ist, und bei höherer Integrationsdichte immer schwerwiegender wird. Ferner wird bei einem Vergleich der 2D mit 3A klar, dass eine Anordnung gemäß 3 auch günstiger für ein mögliches „Vereinzeln” solcher Filterschaltungen ist, da beispielsweise bei einem Layout gemäß 2 die Filterschaltungen nicht durch einen geraden Schnitt von anderen Filterschaltungen getrennt werden können. Ferner wird bei der 2D der zusätzliche Verdrahtungslayer, um den innen liegenden Spulenabschluss elektrisch zu koppeln, immer benötigt, und so die Kosten erhöht.
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Platziert man nun die Spule, zum Beispiel L11 und L21 um die kreisförmige ESD-Diode, zum Beispiel D11 beziehungsweise D21, herum, kann der Anschluss im Spulenauge, siehe Bezugszeichen 322 beziehungsweise 326, direkt mit der im Spulenauge liegenden ESD-Diode beziehungsweise dem Eingangs- 210 beziehungsweise dem Ausgangskontakt 212 erfolgen. Es wird kein zusätzlicher Verdrahtungslayer benötigt. Diese Vorteile ergeben sich unabhängig davon, ob unter dem Eingangskontakt 210 beziehungsweise Ausgangskontakt 212 eine ESD-Diode oder ein anderes Schaltungselement liegt, oder nicht.
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Der Eingangskontakt beziehungsweise Ausgangskontakt 210, 212 kann, wie zuvor gezeigt, beispielsweise als Kontaktball oder als Kontaktpad realisiert werden.
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Je nach benötigtem Induktivitätswert muss die Größe der Kontakte beziehungsweise der Kontaktballs oder -pads gewählt werden. Somit ist es auch möglich, geringe Spulenwerte mit kleinen Kontakten 210, 212 beziehungsweise kleinen Kontaktballs oder -pads zu realisieren.
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Die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten ESD-Dioden, Kontaktballs, Kontaktpads weisen beispielsweise einen Durchmesser von etwa 260 μm auf. Daraus folgt, unter Berücksichtigung eines gewissen Abstandes zwischen der kreisförmigen ESD-Diode und der inneren Spulenwicklung, ein innerer Spulendurchmesser von 290 μm bis 300 μm. Durch Einhalten eines Abstandes zwischen Spule und Kontaktierungsball kann vermieden werden, dass das magnetische Feld durch den Kontakt bzw. Ball zu stark verdrängt wird und im metallischen Ball Wirbelstürme erzeugt werden, die zu einer weiteren Reduktion der Spulengüte führen können.
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Zu einer Implementierung einer Spule von etwa 30 nH reichen in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel acht Windungen, bei einer Spulenleiterbreite von 2,8 μm und einem Wicklungsabstand von 2,5 μm. Der Gesamtdurchmesser eines CL-Filter-Halbgliedes, das durch eine ESD-Diode, die gegen das Substrat geschaltet ist, und eine serielle Spule gebildet wird, liegt in dem vorliegenden Fall bei 380 μm. Gerade bei einem WLP-Ballraster von 400 μm lassen sich diese CL-Filter-Halbglieder problemlos in größerer Anzahl auf einem Typ verschalten.
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Die magnetische Verkopplung zwischen verschiedenen CL-Filter-Halbgliedern ist relativ gering, vor allem wenn mit hochleitfähigem Substrat gearbeitet wird. Andere Koppelmechanismen, zum Beispiel Masse-Schleifenverkopplung, können den Effekt der magnetischen Kopplung übertreffen.
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Ausführungsbeispiele der CL-Filter-Halbglieder kommen vor allem dann zum Tragen, wenn viele gleichartige Funktionseinheiten beziehungsweise Filter-Halbglieder auf einem Bauteil vorzufinden sind. Bei dem zuvor angeführten Chip BGF109L handelt es sich dabei um zehn Tiefpassfilter mit jeweils zwei CL-Filter-Halbgliedern.
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3B zeigt ein Ausführungsbeispiel des Chips BGF109L mit den zehn Tiefpassfiltern mit den jeweils zwei CL-Filter-Halbgliedern, wobei jeweils zwei Tiefpassfilter, wie in 3A erläutert, zusammen in einer Reihe bzw. ineinanderreichend angeordnet sind.
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Wie schon zuvor beschrieben, handelt es sich bei dem BGF109L um einen Tiefpassfilter mit ESD-Schutzfunktion an den Eingangs- und Ausgangskontakten (I/O-Kontakten). Die Struktur ist auf hochleitfähigem p+ Si-Substrat (16 Milli-Ohm·cm) aufgebracht, wobei auch andere Substrate oder hochleitfähige Substrate verwendet werden können. Die Spulen sind in diesem Fall aus Kupfer. Andere Leitungsmaterialien sind auch möglich.
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Nutzt man nun das zuvor beschriebene Layoutprinzip, so ergibt sich für die zehn integrierten Funktionseinheiten beziehungsweise Filterschaltungen die in 3B gezeigte kompakte Struktur. Die Dioden sind als ringförmige, senkrechte Strukturen mit einem Außendurchmesser Da = 256 μm und einem Innendurchmesser Di von zirka 235 μm (n-well Ring) aufgebaut. Im Spulenauge liegt der Kontaktierungsball, im Substrat darunter die ESD-Diode. Die Kontakte A3 bis E3 sind die Massekontakte des Substrates. Das Substrat kann mit dem Masse-Kontaktierungsball über eine Ohmsche oder über eine kapazitive Kopplung verbunden sein. Bei dem vorliegenden BGF109L handelt es sich um eine Ohmsche Verbindung.
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Zusammenfassend bezüglich der Filterschaltungen kann daher gesagt werden, dass bei Ausführungsbeispielen zur Reduzierung des Platzbedarfs und des Verdrahtungsaufwandes bei integrierten LC-Filtern mit ESD-Schutzfunktion die seriellen Spulen um die Kontaktierungsballs beziehungsweise Kontaktierungspads mit gegebenenfalls darunter liegenden vertikalen ESD-Dioden herum positioniert sind. Die hierdurch entstehenden CL-Filter-Halbglieder lassen sich frei konfigurieren und miteinander zu komplexen Filterstrukturen verschalten. Alle Filterkapazitäten werden beispielsweise durch ESD-Dioden realisiert, die in einen gemeinsamen Herstellprozess hergestellt werden können.
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Wie anhand der 1A bis 1C zu Beginn erläutert, sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht auf Filterstrukturen beschränkt, sondern können in einer Vielzahl von anderen Anwendungen und anderen Kombinationen angewendet werden. Entsprechend können beispielsweise zwischen der Spule L1 und der Spule L2 gemäß 2C ein weiteres oder mehrere weitere Schaltungselemente gekoppelt sein.
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In anderen Worten, die Ausführungsbeispiele weisen ein optimiertes Spulen-Layout auf, das beispielsweise für integrierte Schaltungen im Wafer-Level-Package verwendet werden kann.
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Die zuvor diskutierten Ausführungsbeispiele können beispielsweise in Kommunikationssystemen eingesetzt werden, die einen Sendesignalweg und/oder Empfangssignalweg aufweisen, wobei Ausführungsbeispiele der Schaltungen beispielsweise sowohl in dem Empfangssignalweg wie auch in dem Sendesignalweg eingesetzt werden können. Ausführungsbeispiele der Schaltungen sind jedoch nicht auf Anwendungen in der Kommunikationstechnik eingeschränkt, sondern können beispielsweise allgemein in der Signalverarbeitung überall dort eingesetzt werden, wo Filter benötigt werden, oder wo allgemein Spulen, beispielsweise direkt mit Eingangs- oder Ausgangskontakten einer Schaltung oder eines Chips gekoppelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schaltung
- 110
- Kontakt
- 120
- Spule
- 122
- innen liegender Spulenanschluss
- 124
- außen liegender Spulenanschluss
- 102
- Substrat
- 130
- Schaltungselement
- 132
- erster Anschluss des Schaltungselements
- 134
- zweiter Anschluss des Schaltungselements
- 136
- Leiterbahn
- 210
- Eingangskontakt
- 212
- Ausgangskontakt
- 200
- Filterschaltung
- 202
- Substrat
- D1
- erste Diode
- D2
- zweite Diode
- D3
- dritte Diode
- L1
- erste Spule
- L2
- zweite Spule
- 214
- Massekontakt
- D1A
- Anode der ersten Diode
- D1K
- Katode der ersten Diode
- 204
- erstes Filter-Halbglied
- 206
- zweites Filter-Halbglied
- L11'
- erste Spule
- L21'
- zweite Spule
- L11
- erste Spule
- L21
- zweite Spule
- D11
- erste Diode
- D21
- zweite Diode
- D31
- dritte Diode
- 322
- innen liegender Spulenanschluss der ersten Spule
- 324
- außen liegender Spulenanschluss der ersten Spule
- 226
- innen liegender Spulenanschluss der zweiten Spule
- 328
- außen liegender Spulenanschluss der zweiten Spule
