DE2912293C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Mikrominiatur-Verzögerungsleitung, insbesondere solche zur Anwendung in Hybridschaltkreisen.

Auf dem Markt sind zahlreiche Verzögerungsleitungen in Form standardisierter Dual-in-Line-Gehäuse. Man erhält dagegen keine zur Anwendung in Hybridschaltkreisen geeignete Verzögerungsleitung in Chipform.

Die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung löst die Aufgabe, eine elektrische Mikrominiatur-Verzögerungsleitung zu schaffen, die für Hybridschaltkreise geeignet ist.

In der einfachsten Ausführung der elektrischen Verzögerungsleitung sind mindestens zwei seriengeschaltete Mikrominiatur-Induktivitäten zwischen Schichten aus dielektrischem Material angeordnet, die sich ihrerseits zwischen Schichten aus Permalloy oder anderem Metall hoher Permeabilität befinden, wobei die letztgenannten Schichten einen Streifen darstellen, der sich über die Induktivitäten erstreckt und bei jeder Induktivität unterbrochen ist und an der Mittelachse jeder Spule einen Zwischenraum bildet.

Die erfindungsgemäße Verzögerungsleitung ist einfach im Aufbau und kann wirtschaftlich hergestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben, die folgendes darstellen:

Fig. 1 einen Teil einer vergrößerten Draufsicht auf eine elektrische Verzögerungsleitung, die die Merkmale der Erfindung aufweist,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Teils der Leitung, geschnitten längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen bevorzugten Aufbau einer Induktivität, die einen Teil der Verzögerungsleitung bildet, in größerem Maßstab,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Verzögerungsleitung in Chipform mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 5 ein Schaltschema einer unbestimmten Zahl von Abschnitten eines m-Filters, wie sie für die erfindungsgemäße Verzögerungsleitung verwendet werden,

Fig. 6 bis 15 Draufsichten, die stark schematisiert den bevorzugten Verfahrensgang beim schrittweisen Aufbau einer Induktivität nach Fig. 3 verdeutlichen.

Die erfindungsgemäße Verzögerungsleitung wendet, wie sich aus Fig. 5 ergibt, ein m-Filter an, bei dem jeder Abschnitt zwei seriengeschaltete Spulen 8 (Fig. 1 bis 4) aufweist, die jeweils eine Induktivität L₁ besitzen, deren Gegeninduktivität M ist, sowie einen Querkondensator C₁. Die Verzögerungsleitung kann sich aus beliebig vielen derartigen Abschnitten zusammensetzen, und die Zahl der Abschnitte wird lediglich durch den zulässigen Verlust bzw. die Dämpfung beschränkt.

Gemäß der Erfindung ist die Verzögerungsleitung auf einem Substrat 10 aus Quarz, Glas oder einem anderen dielektrischem Material aufgebaut, das vorzugsweise zur Aufnahme der Einzelbestandteile der Verzögerungsleitung in Form von schichtartigen Ablagerungen geeignet ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter "Ablagerung oder Ausscheidung dünner Schichten" auch die Aufbringung nach den bei der Herstellung gedruckter Schaltungen üblichen Verfahren verstanden werden. Vorzugsweise wird die in der US-PS 37 85 046 beschriebene Methode zur Beschichtung aus der Dampfphase angewandt. Nach dieser Methode werden die verschiedenen Schichten mit Hilfe von Masken aufgebracht, die die Form der Flächenstücke umgrenzen, auf die das leitende Metall und das dielektrische Material abgeschieden werden sollen.

Wie die Fig. 2 zeigt, wird eine Schicht 12 aus Permalloy, MU-Metall oder einem anderen geeigneten Metall hoher Permeabilität auf einer zusammenhängenden Fläche des Substrats 10 abgeschieden und vollständig mit ihm verbunden. Diese Schicht stellt den Rückweg des magnetischen Kreises dar und ist gleichzeitig die Erdungsfläche für die Kondensatoren der Verzögerungsleitung. Die Schicht hat zweckmäßigerweise eine Dicke von etwa 500 nm (5000 Å).

Auf die Schicht 12 aus Metall hoher Permeabilität wird eine Schicht 14 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrit, Quarz oder einem anderen geeigneten dielektrischen Material in zusammenhängender Schicht und mit dem Metall verbunden aufgebracht. Diese Schicht kann unterschiedlich dick ausgebildet werden; das wird weiter unten erörtert.

Dann werden auf der dielektrischen Schicht 14 zwei elektrisch leitende Anschlüsse 16 und 18 auf der einen Seite des Substrats angebracht, die zum Einbau der Verzögerungsleitung in zugehörige Hybridschaltkreise dienen. Nötigenfalls können diese Anschlüsse bis auf die Rückseite des Substrats 10 geführt werden, damit der Hybridschaltkreis auch auf der Substratrückseite angeschlossen werden kann. Die Erdungsfläche 12 aus Metall hoher Permeabilität dient zur wirkungsvollen Isolierung des Hybridschaltkreises gegenüber der Verzögerungsleitung.

Dann werden mindestens zwei Mikrominiatur-Induktivitäten 8 auf der dielektrischen Schicht 14 aufgebaut und mit ihr verbunden. Wie Fig. 4 erkennen läßt, sind zehn derartige Induktivitäten auf dem Substrat in gegenseitigem Abstand in zwei Reihen angeordnet.

Nach Fig. 3 besteht jede Induktivität aus einer Mehrzahl übereinanderstehender koaxialer Windungen 20 einer elektrisch leitenden Metallschicht, wobei benachbarte Windungen voneinander durch eine Zwischenschicht 22 aus dielektrischem Material isoliert sind. Die ganz innen und die ganz außen liegende Windung setzen sich seitwärts in entgegengesetzten Richtungen fort und bilden die Anschlüsse 24 und 26.

Sämtliche die Verzögerungsleitung bildenden Induktivitäten 8 (zehn Stück nach Fig. 4) werden durch Anwendung passend ausgebildeter Masken gleichzeitig, aber mit Abstand voneinander und in der verlangten geometrischen Anordnung hergestellt. Die Fig. 6 bis 15 veranschaulichen in stark schematisierter Weise die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte, nach denen die in Fig. 3 gezeichnete Induktionsspule gebildet wird. Danach wird eine erste Maske benutzt, um aus der Dampfphase den ersten Windungsabschnitt 30 der ersten elektrisch leitenden Windung abzuscheiden. Bei der gezeichneten Ausführungsform umfaßt dieser Abschnitt den seitlich herausragenden Endabschnitt 24, von dem ein Teil auf einem Teil eines der beiden Anschlüsse 16 und 18, beispielsweise des Anschlusses 18 aufliegt.

Danach wird durch passende Anwendung geeigneter Masken eine Schicht aus Quarz oder einem sonstigen dielektrischen Material 32 aus der Dampfphase über einem Material des Abschnitts 30 abgeschieden (Fig. 6), wobei ein vorderes Endstück des Abschnitts freigehalten wird, um eine leitende Verbindung zu einem hinteren Endstück des nächsten leitfähigen Windungsabschnitts 34 (Fig. 7) herzustellen. Dieser letzgenannte Abschnitt liegt auf der dielektrischen Schicht 32 auf.

Dann wird eine zweite Abscheidung einer dielektrischen Schicht 36 (Fig. 8) auf dem hinteren Teil des leitenden Abschnitts 34 aufgebracht. Die für diesen Abscheidungsvorgang benutzte Maske stimmt praktisch überein mit der Maske, die für die erste dielektrische Ablagerung 32 erforderlich war, wobei das Muster der Maske um 180° gedreht war, so daß das vordere Endstück des darunterliegenden leitenden Abschnitts 34 in leitende Verbindung mit dem hinteren Endstück des nächstfolgenden leitenden Abschnitts 38 gelangt. Die Form dieses letzten Segments stimmt praktisch genau überein mit der Form des zuletzt vorangegangenen leitenden Segments 34, jedoch, wie ohne weiteres ersichtlich, um 180° gedreht.

Abwechselnd werden nacheinander dielektrische Schichten 40, 44, 48, 52, 56, 60 und 64 und leitende Abschnitte 42, 46, 50, 54, 58 und 62 abgeschieden (Fig. 9 bis 14), wobei die Masken benutzt werden, die die Abscheidung der dielektrischen und der leitenden Schichtabschnitte der oben angegebenen Art herbeiführten, um die Windungen bis auf die für die Spulen 8 vorgesehene Zahl zu erhöhen. Bei der in den Fig. 6 bis 15 dargestellten Ausführungsform sind nacheinander 4½ Windungen leitfähiges Metall aufgebracht, wobei jede Windung elektrisch von der benachbarten durch eine Zwischenschicht aus dielektrischem Material getrennt ist.

Die Spule wird vervollständigt durch Zufügen des abschließenden leitenden Windungselements 66 mit integriertem Anschlußendteil 26 gegenüber dem Anschlußanfangsteil 24. Wie aus Fig. 15 zu entnehmen ist, wird dazu eine Maske mit einer Öffnung benutzt, die die gleiche Form hat wie die Maske, die zur Herstellung des ersten Windungsabschnitts 30 mit dem anhängenden Anschlußanfangsteil 24 gedient hat, jedoch um 180° gedreht.

Natürlich besitzen bei der Herstellung der in Fig. 4 wiedergegebenen Verzögerungsleitung mit zehn in gegenseitigem Abstand angeordneten Induktivitäts-Spulen die Masken, die zu der Folge der Abbildungen in den Fig. 6 bis 15 gehören, Öffnungen, die nach Zahl und Form für die gleichzeitige Abscheidung erforderlich ist, wenn zehn Induktivitäten gleichzeitig gebildet werden sollen.

Das Anschlußendteil 26 an der letzten Induktivitätsspule 8, die der ersten Spule gegenüberliegt, berührt bei der Abscheidung leitend überlappend den zweiten der beiden Anschlüsse 16 und 18, die zu Beginn auf der dielektrischen Schicht abgeschieden worden sind, beispielsweise den Anschluß 16.

Die einander gegenüberliegenden Anschlüsse 24, 26 aufeinanderfolgender Induktivitätsspulen 8 werden elektrisch mit Hilfe eines Verbindungsgliedes 68 überbrückt, das aus einer elektrisch leitenden Metallschicht besteht, etwa aus Aluminium, Gold oder einem anderen geeigneten Metall. Die Reihe der Induktivitäten wird auf diese Weise in Serie geschaltet.

Dann wird eine zweite Schicht 70 aus Siliziumoxid, Quarz oder einem anderen geeigneten dielektrischen Material auf die seriengeschalteten Induktivitäten 8 und auf die Verbindungsglieder 68 und die anstoßende erste Schicht 14 dielektrischen Materials aufgebracht. Die Schicht 70 endet kurz vor den Endanschlüssen 16 und 18, wie in Fig. 4 dargestellt.

Schließlich wird ein längs der Verbindungslinie der Mitten verlaufender länglicher Streifen 72 aus Permalloy oder einem anderen Metall hoher Permeabilität als Schicht von zweckmäßigerweise etwa 500 nm (5000 Å) Dicke über der zweiten Schicht 70 aus dielektrischem Material abgeschieden. Dieser schmale Streifen aus Metall hoher Permeabilität weist an jeder Spule eine Unterbrechung in Form eines Spaltes 74 an der Spulenachse auf. Dazu ist zu bemerken, daß die Spulenwindungen konzentrisch übereinander um eine Mittelachse aufgeschichtet sind, die senkrecht auf der tragenden Oberfläche des Substrats 10 steht.

Der Streifen 72 aus Permalloy oder einem anderen Metall hoher Permeabilität, der die Mitten benachbarter Spulen Induktivitäten verbindet, wirkt mit der Schicht 12 aus Metall hoher Permeabilität zusammen, die unter den Spulen liegt und bildet die erforderliche Gegeninduktivität M. Die verlangte Größe der Gegeninduktivität läßt sich erreichen, indem man die Breite des Streifens 72 und die Länge der Zwischenräume 74 an den Spulenmitten variiert. Die Dicke der dielektrischen Schichten 14 und 70 beeinflußt die Gegeninduktivität ebenfalls.

Die Kapazität C₁ je Abschnitt der Verzögerungsleitung wird durch die Kapazität zwischen der Erdungsfläche 12 aus Metall hoher Permeabilität und der Unterseite der Induktivitäts-Spule gebildet, eingeschlossen die Fläche der Endanschlüsse 24 und 26 und das Verbindungsglied 68, das die gegeneinander gerichteten Endanschlüsse zweier benachbarter Induktivität-Spulen verbindet. Diese Kapazität läßt sich variieren, indem man die Stärke der oberhalb der Erdungsebene liegenden dielektrischen Schicht 14 und die Fläche des Verbindungsgliedes 68 variiert.

Nachfolgend soll eine typische Verzögerungsleitung beschrieben werden: Angenommen, die Induktivität L₁ des Filters ist 45 nh. Für ein m-Filter mit einem charakteristischen Wellenwiderstand Z₀ besteht folgende Beziehung zwischen L₁, C₁ und Z₀:

Z₀ = ; L₁ = 0,515 L; C₁ = 1,26 C; M = 0,234 L

worin L bzw. C die Induktivität bzw. die Kapazität jedes Abschnitts eines Konstant-K-Filters bedeuten. Setzt man für den Wert von

Z₀ 100 Ohm, so ist C₁ = 1,27 L/Z₀² = 11,1 pf.

Wenn mehr als ein Abschnitt des Filters in Serie geschaltet wird, um die erforderliche Verzögerungszeit zu erhalten, hat jede Induktivitätsspule 8, ausgenommen die Spule an dem jeweiligen Ende der Serienschaltung, den Induktivitätswert 2L₁. Daher sollten alle Induktivitätsspulen, ausgenommen die beiden endständigen Spulen, eine Induktivität von 90 nh besitzen, die beiden Spulen an den Enden von jeweils 45 nh.

Der magnetische Streifen 72 und die Schicht 12 aus Permalloy oder einem anderen Metall hoher Permeabilität stellen, wie bereits erwähnt, eine Transformatorkupplung zwischen benachbarten Spulen her. Sie erhöhen außerdem die Selbstinduktivität jeder Spule. Wählt man für den magnetischen Streifen 12 die richtige Breite und für den Zwischenraum 74 die richtige Länge, so können die Gegeninduktivität und die Selbstinduktivität unabhängig voneinander variiert werden. Der leichteren Herstellung wegen ist es daher möglich, mit einer gleichen Anzahl von Windungen für alle Spulen zu arbeiten. Durch Verändern des Maßes der magnetischen Anreicherung können die Endspulen die halbe Induktivität (L₁) der anderen Spulen (sL₁) haben. Das läßt sich leicht erreichen, weil die Endspulen nur einen verbindenden magnetischen Streifen 72 statt deren zwei wie die anderen Spulen aufweisen.

Ferner sei angenommen, daß die Breite der Verbindungsglieder 68 gleich der der Endanschlüsse 24 und 26 ist. Sie sind in Fig. 1 nur der Übersichtlichkeit halber schmaler dargestellt. Die Gesamtfläche A₁ der Spule, der Endanschlüsse und des Verbindungsgliedes unmittelbar über der dielektrischen Schicht 14 aus Siliziumoxid beträgt 1180 mil² oder 7,61 · 10^-3 cm², und die Fläche A₂ des Teils der zweiten Halbwindung 34 über der dielektrischen Schicht 14, aber nicht der ersten Halbwindung 30 (Fig. 7) ist als Fläche ABCDEF gekennzeichnet und beträgt 150 mil² oder 0,967 · 10^-3 cm². Die erforderliche Kapazität je Abschnitt beträgt somit

worin K die Dielektrizitätskonstante von Siliziumoxid ist (angenommen K=6), d₁ die Dicke der Siliziumoxidschicht 14 über der Erdungsfläche 12 und d₂ die Dicke von 5 · 10^-4 cm² Siliziumoxid-Ablagerung zwischen den Spulenwindungen.

Da A₂ kleiner ist als A₁, und um die Lösung der quadratischen Gleichung zu umgehen, kann ein Näherungswert von d₁ ermittelt werden aus

Aus dem Vorstehenden ergibt sich für die Verzögerungszeit je Abschnitt

t₁ = 1,20 LC = 1,049 ns

Um eine Gesamtverzögerungszeit von 9 · ns zu erzielen, müssen demnach insgesamt neun Abschnitte der Verzögerungsleitung verwendet werden. Wie Fig. 4 zeigt, läßt sich das erreichen, indem zehn Mikrominiatur-Induktivitäten 8 in zwei Reihen je fünf Spulen auf einem Chip angebracht werden, der etwa 1 cm lang und ¼ cm breit ist.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die Erfindung eine Mikrominiatur-Verzögerungsleitung darstellt, die einen für eine wirtschaftliche Herstellung geeigneten vereinfachten Aufbau zeigt und für die Anwendung an Hybridschaltkreisen geeignet ist, und bei der schließlich der Betrag der Gegeninduktivität und der Kapazität je Abschnitt nach Bedarf verändert werden kann, indem die geometrischen Abmessungen der Einzelelemente bei der Herstellung variiert werden.

Claims (4)

1. Elektrische Mikrominiatur-Verzögerungsleitung, insbesondere zur Anwendung in Hybridschaltkreisen, gekennzeichnet durch die feste, einstückige, integrierte Zusammenfassung folgender Elemente:

• a) einer ersten Schicht (12) aus Metall hoher Permeabilität;
• b) einer ersten Schicht (14) aus dielektrischem Material, die über der ersten Schicht (12) aus Metall hoher Permeabilität angeordnet und mit ihr verbunden ist;
• c) einer Mehrzahl seriengeschalteter Mikrominiatur- Induktivitäten (8), die auf der ersten Schicht (14) aus dielektrischem Material liegen und mit ihr verbunden sind;
• d) einer zweiten Schicht (70) aus dielektrischem Material, die auf den Induktivitäten (8) liegt und mit ihnen verbunden ist;
• e) einer zweiten Schicht (72) aus Metall hoher Permeabilität in Gestalt eines schmalen Streifens, der auf der zweiten Schicht (70) aus dielektrischem Material liegt und mit ihr verbunden ist und längs der Mittellinie der seriengeschalteten Induktivitäten (8) verläuft, wobei die zweite Schicht (72) an jeder Induktivität (8) unterbrochen ist und an der Achse jeder Induktivität (8) einen Zwischenraum (74) bildet.

2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat (10) aus dielektrischem Material, das unter der ersten Schicht (12) aus Metall hoher Permeabilität liegt und mit ihr verbunden ist.

3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet

• a) daß die Induktivitäten (8) in einer Linie mit Abstand voneinander angeordnet sind,
• b) daß jede Induktivität (8) eine senkrecht auf der Ebene des Substrats (10) stehende Mittellinie besitzt,
• c) daß ihre entgegengesetzt gerichteten Endanschlüsse (24 und 26) in entgegengesetzten Richtungen von der Induktivität (8) weg auf der genannten Linie verlaufen, und
• d) daß ein elektrisch leitendes Metall (68) die gegeneinander gerichteten Endanschlüsse aufeinanderfolgender benachbarter Induktivitäten miteinander verbindet.

4. Verzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (10) Quarz verwendet wird, daß die Schichten (12, 72) aus Metall hoher Permeabilität aus Permalloy bestehen und die Schichten (14, 70) aus dielektrischem Material aus Siliziumoxid gebildet sind.