DE69318879T2

DE69318879T2 - Keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen

Info

Publication number: DE69318879T2
Application number: DE69318879T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Eda; Katsuyuki Miyauchi; Yutaka Taguchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2013-03-31
Also published as: EP0563873A3; EP0563873A2; US5387888A; DE69318879D1; EP0563873B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen mit: einer ersten dielektrischen Schicht aus einem ersten dielektrischen Material; einer ersten, auf einer Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildeten Masseelektrode; einer Streifenleitung, die auf einer gegenüberliegenden Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist; einer zweiten, aus dem ersten dielektrischen Material gefertigten dielektrischen Schicht, die als Schicht auf die erste dielektrische Schicht aufgebracht ist, so daß die Streifenleitung zwischen den beiden Schichten angeordnet ist; einer zweiten Masseelektrode, die auf einer der ersten dielektrischen Schicht gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht ausgebildet ist; einer dritten, aus einem zweiten diele ktrischen Material gefertigten dielektrischen Schicht, die auf die zweite Masseelektrode aufgebracht ist; einer auf der dritten dielektrischen Schicht angeordneten elektrischen Schaltung und einer elektrischen Leitung, die sich von einem Verbindungspunkt mit der Streifenleitung durch die zweite und die dritte dielektrische Schicht zu einem Verbindungspunkt mit der elektrischen Schaltung erstreckt, ohne elektrischen Kontakt mit der zweiten Masseelektrode zu haben. Eine so aufgebaute integrierte Schaltung ist aus EP-A-198 698 bekannt.
Es sind bisher monolithische Substrate bekannt, auf denen aktive und passive Elemente auf einem Halbleitersubstrat integriert sind, sowie hybride Substrate, die verschiedene aktive und passive Elemente auf einer dielektrischen Schicht wie Aluminiumoxid integrieren. Im allgemeinen besteht das Hybridsubstrat aus einer einzigen Schicht. Es ist auch ein Mehrschichtaufbau für elektrische Schaltungen eines dielektrischen Substrats aus Aluminiumoxid oder dergleichen bekannt.
Bei dem Aufbau des oben genannten monolithischen Substrats sind Einzeschichtaufbauten integriert. Wenn die Abmessungen der zu integrierenden elektronischen Bauelemente bestimmt werden, kännen also die Gesamtabmessungen abhängig von der Unterbringung dieser Bauelemente auf einer Ebene festgelegt werden. Bei einer Hochfrequenzschaltung tritt jedoch über den Zwischenraum oder das Substrat eine elektromagnetische Kopplung auf. Darum ist es schwierig, die Integrationsdichte einer Schaltung über einen bestimmten Wert hinaus zu steigern.
Ein Hybridsubstrat kann aus einer Mehrzahl von Schichten bestehen. Die Vielschichtigkeit wird jedoch nur bei der Metallisierung angewendet; elektronische Bauelemente wurden auf der Oberfläche angebracht, was Integrationsdichte und Kompaktheit einschränkt.
Bei einer Hochfrequenzschaltung entsteht generell leicht eine elektromagnetische Kopplung über einen Zwischenraum hinweg. Unterschiedliche Techniken, beispielsweise die Anbringung einer oberen metallenen Abschirmplatte, sind erforderlich, um die elektromagnetische Kopplung zu verhindern. Wird das Profil kompliziert, werden die Abmessungen zu groß oder ist die Abschirmung nicht vollständig, werden die Hochfrequenzcharakteristika beeinträchtigt.
Um diese Probleme zu lösen, sind verschiedene Strukturen vielschichtiger Keramiksubstrate vorgeschlagen worden. So haben z.B. T. Nishikawa et al eine kompakte Hochfrequenzfilterschaltung vorgeschlagen, die aus passiven Bauelementen wie Induktivitäten (L) und Kapazitäten (C) besteht und einen Mehrschichtaufbau aus dielektrischem Keramikwerkstoff und Elektroden aufweist (siehe: RF Front End Circuit Components Miniaturized Using Dielectric Resonators for Cellular Telephones, IEICE Transactions, Band E 74, Nr.6 (1991), Seiten 1556-1562). Diese Struktur ist aus dem gleichen dielektrischen Material gefertigt. Für eine Schaltung, wie beispielsweise die eines Resonators, mit aktiven Elementen ist jedoch die Verwendung eines ersten dielektrischen Materials mit großer dielektrischer Konstante in einem Substratabschnitt mit diskreten Bauelementen nicht geeignet, weil bei hohen Frequenzen eine Phasenverschiebung auftritt. Andererseits ist es günstig, wenn beim Bau eines Resonators die dielektrische Konstante eines zweiten dielektrischen Materials größer ist als die des vorherigen dielektrischen Materials.
Zur Lösung dieses Problems schlägt beispielsweise K. Hayashi einen Aufbau vor, bei dem die dielektrische Konstante eines ersten dielektrischen Materials für einen Resonator in einem für die Anordnung diskreter Bauelemente vorgesehenen Abschnitt größer ist als die eines zweiten dielektrischen Materials (JP-A-79 601/1992). In einer Schaltung mit aktiven Bauelementen wie Transistoren wird ein Kondensator großer Kapazität, beispielweise ein Überbrückungskondensator, für eine Gleichstrom-Vorspannungsschaltung benötigt. Diese Struktur ist darum für eine Miniaturisierung ungeeignet. Bei einer Schaltung eines Hochfrequenzverstärkers ist außerdem ein Pfad für die Gleichstromvorspannung mit einer Hochfrequenz-Übertragungsleitung verbunden. Wenn Hochfrequenzelemente in der Nähe von Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen angeordnet sind, kommt es zu ungünstigen Erscheinungen wie Verlusten oder Unregelmäßigkeiten, die Schwingungen erzeugen.
Bei dem in JP-A-25 082/1991 beschriebenen Aufbau ist der Durchmesser einer durchgehenden Öffnung in einem mit einer elektrischen Versorgungsleitung verbundenen Mehrschichten-Substrat verkleinert, oder die Länge derselben vergrößert, um eine Induktivitätskomponente zu vergrößern und Hochfrequenzanteile in der Stromversorgungsleitung zu vermeiden. Wird der Durchmesser verkleinert, dann ist die Strommenge jedoch begrenzt, und wird die Länge vergrößert, dann ist eine Miniaturisierung schwierig.
Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, ist aus der EP-A-1 98 698 eine integrierte Schaltungsvorrichtung mit einer Streifenleitungsstruktur bekannt, bei der eine elektrische Leitung sich von einem Verbindungspunkt mit der Streifenleitung aus durch dielektrische Schichten zu einem Verbindungspunkt mit einer elektrischen Schaltung erstreckt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes keramisches Mehrschicht-Substrat mit guten Leistungseigenschaften bei hohen Frequenzen zu schaffen.
Nach der Erfindung beträgt die effektive Länge der elektrischen Leitung vom Verbindungspunkt mit der Streifenleitung zur elektrischen Schaltung ein Viertel der Wellenlänge eines Signals, das über die Streifenleitung eingegeben wird; so bewirkt die Länge der elektrischen Leitung eine Dämpfung der hohen Frequenzen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen definiert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt im Erreichen besserer Hochfrequenzcharakteristika.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die kompakte Integration einer komplizierten Schaltung.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit der nachfolgenden Beschreibung erläutert, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen und die beigefügten Zeichnungen stützt. In den Zeichnungen zeigt:
Figur 1 einen Schnitt durch ein keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematisierter Darstellung;
Figur 2 ein Schaltungsdiagramm des Mehrschicht-Substrats nach Figur 1;
Figur 3 einen Schnitt durch ein keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematisierter Darstellung;
Figur 4 ein Schaltungsdiagramm des Mehrschicht-Substrats nach Figur 3;
Figur 5 einen Schnitt durch ein keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematisierter Darstellung und
Figur 6 ein Schaltungsdiagramm des Mehrschicht-Substrats nach Figur 5.
Unter Bezug auf die Zeichnungen werden nachfolgend die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.

Ausführungsform 1

In Figur 1 ist eine schematisierte, geschnittene Ansicht eines keramischen Mehrschicht-Substrats für hohe Frequenzen als Ausführungsform 1 dargestellt und in Figur 2 ein Schaltungsdiagramm des Mehr&chicht-Substrats. In Figur 1 ist eine Streifenleitung 1 zwischen erster und zweiter dielektrischen Schicht 2, 2' eingebettet. Die beiden dielektrischen Schichten 2, 2' bestehen aus dem gleichen dielektrischen Material. Eine obere Masseelektrode 3 ist auf der oberen Fläche der zweiten dielektrischen Schicht 2' oberhalb der Streifenleitung 1 vorgesehen, während eine untere Masseelektrode 4 an der unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht 2 unterhalb der Streifenleitung 1 angeordnet ist. Über der oberen Masseelektrode 3 ist eine dritte dielektrische Schicht 5 aus einem dielektrischen Material vorgesehen.
Die zweite und die dritte dielektrische Schicht 2', 5 und die obere Masseelektrode 3 weisen einen Spalt auf, um in der Mitte entlang der Streifenleitung 1, die auf der ersten dielektrischen Schicht 2 vorgesehen ist, diese Streifenleitung 1 freizulegen; in diesem freigelegten Abschnitt kann auf der ersten dielektrischen Schicht 2 eine Hochfrequenzschaltung aus diskreten elektronischen Bauelementen vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform enthält die Hochfrequenzschaltung einen Feldeffekttransistor 9 und ist mit der Streifeneitung 1 verbunden, wie es später im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben wird.
Durch die zweite und die dritte dielektrische Schicht 2' und 5 sind senkrechte, durchgehende Öffnungen vorgesehen, die auch durch die obere Masseelektrode 3 geführt sind; in diesen durchgehenden Öffnungen sind elektrische Leitungen 6, 6' vorgesehen. Auf der oberen Fläche der dritten dielektrischen Schicht 5 sind Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 8,8' angeordnet, die aus diskreten Bauelementen bestehen und Überbrückungskondensatoren enthalten und dem in dem freiliegenden Abschnitt angeordneten Transistor 9 verschiedene elektrische Spannungen zuführen. Ein Anschluß des Überbrückungskondensators in jeder Gleichstrom- Vorspannungsschaltung 8, 8' ist mit Masse verbunden, während der andere Anschluß über einen Teil von elektrischen Leitungen 7, 7' für die elektrischen Schaltungen 8, 8' und die Leitungen 6, 6' in den durchgehenden Öffnungen mit der Streifenleitung 1 verbunden ist.
Die effektive Länge der elektrischen Leitung 6, 6' vom Verbindungspunkt mit der Streifenleitung 1 durch die durchgehenden Öffnungen zum Überbrückungskondensator ist so ausgelegt, daß sie ein Viertel der Wellenlänge des der Streifenleitung 1 zugeführten Hochfrequenz-Eingangssignals beträgt. Es beträgt beispielsweise die Wellenlänge für Hochfrequenzsignale von 25 GHz in Luft 1,2 cm. Wenn die diele ktrischen Schichten 2, 2' aus einem diele ktrischen Material wie Aluminiumoxid mit einer dielektrischen Konstante von etwa 9 bestehen, dann verringert sich die Wellenlänge im Aluminiumoxid (dielektrisches Material) um (dielektrische Konstante) -1/2 oder auf etwa ein Drittel der dielektrischen Konstante in der Luft, d.h. auf 0,4 cm. Ein Viertel der Wellenlänge ist dann 0,4/4 = 0,1 cm (1000 um). Die tatsächlich verwendeten Größen für Signalfrequenzen von 25 GHz sind die folgenden: Die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 2' zwischen der Streifenleitung 1 und der oberen Masseelektrode 3 beträgt 850 um, die der dritten dielektrischen Schicht 5 beträgt 40 um und die der oberen Masseelektrode 3 beträgt 10 um. Die Länge der Leitungen 6, 6' ist darum 900 um. Die Länge der elektrischen Verbindungsleitung von den Leitungen 6, 6' zum Überbrückungskondensator beträgt 100 um. Bei Verwendung dieser Maße beträgt die Länge der Verbindungsleitung vom Verbindungspunkt mit der Streifenleitung 1 bis zum Überbrückungskondensator 1000 um. Das heißt, daß die Überbrückungskondensatoren mit Masse fast äquivalent mit einer Länge verbunden sind, die einem Viertel der Wellenlänge von 25 GHz- Hochfrequenzsignalen entspricht. In der Praxis variiert die effektive dielektrische Konstante entsprechend der Größe der durchgehenden Öffnungen und der Anordnung der Leitungen der Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 8, 8'. Die Veränderung der effektiven dielektrischen Konstante stellte sich jedoch als gering heraus.
Vom Verbindungspunkt der Streifenleitung 1 aus in Richtung der Leitungen 6, 6' entspricht diese Struktur elektrisch einer Verbindung mit offenem Ende, und für die von der Streifenleitung 1 übertragene Hochfrequenzsignale wird die Impedanz sehr groß. Es wird also verhindert, daß die Hochfrequenzsignale aus den Leitungen 6, 6' und den durchgehenden Öffnungen in die Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 8, 8' abgeleitet werden. Durch das Zufihren einer Gleichstromvorspannung an den Transistor 9 kann also elektrische Leistung zugeführt werden, ohne daß die Hochfrequenzschaltung, einschließlich Transistor 9, beeinträchtigt wird. Mit diesem Aufbau kann das Ableiten von hohen Frequenzen verhindert und die Hochfrequenzeigenschaften des keramischen Substrats können verbessert werden.
In Figur 2 ist ein Schaltungsdiagramm des Mehrschicht-Substrats nach Figur 1 dargestellt. Die Gleichstrom-Vorspannungsschaltung 8 liefert ein Eingangssignal als Gate-Spannung mit Vorspannung an einen Feldeffekttransistor 9, wohingegen die Gleichstrom-Vorspannungsschaltung 8'eineVorspannung (Versorgungsspannung) zuführt und ein Ausgangssignal über die Streifenleitung 1 aussendet. Die beiden Vorspannungen sind über die Überbrückungskondensatoren der Gleichstrom- Vorspannungsschaltungen 8, 8' mit Masse verbunden. Rechtecke stellen Impedanzen der mit den Bezugszeichen versehenen jeweiligen Bauelemente dar. Mit 1 gekennzeichnete Rechtecke stellen also Impedanzen der Streifenleitung 1 einschließlich der durchgehenden Öffnungen dar, während Rechtecke 6, 6' mit Schraffierung die Impedanz der Leitungen darstellen, die einem Viertel der Wellenlänge äquivalent sind. Ein beispielsweise in die linke Seite der Streifenleitung 1 eingegebenes Hochfrequenzsignal wird dem Gate des Transistors 9 zugeführt, der das Signal verstärkt. Das Signal kehrt danach in die Streifeneitung 1 zurück, um an die rechte Seite übertragen zu werden.
Nachfolgend wird die Herstellung der oben genannten Mehrschichtstruktur beschrieben. Aus der Gießmasse, die aus Aluminiumoxid mit einer Glaskomponente und organischen Materialien wie einem Bindemittel besteht, werden dünne Platten oder sogenannte Rohplatten von 0,05 bis 1 mm Dicke hergestellt, beispielsweise mit Hilfe eines Rakels. Aluminiumoxid ist ein dielektrisches Material mit besonders guten Hochfrequenzeigenschaften. Dann werden die durchgehenden Öffnungen mechanisch hergestellt, beispielsweise gestanzt. Es wird eine elektrisch leitende Paste mit Kupferoxid, der Glaskomponente und den organischen Komponenten als Bindemittel und dergleichen hergestellt. Diese Paste wird in die durchgehenden Öffnungen gefüllt. Sie wird außerdem zur Metallisierung auf die Rohplatten gedruckt, um vorgegebene Elektrodenmuster, Leitungen 6, 6', eine Streifenleitung 1 und dergleichen zu bilden. Die so vorbereiteten Rohplatten werden in der vorgegebenen Ordnung aufeinandergeschichtet und bei 850 bis 1000º C in einem Reduktionsofen gebrannt, in dem das Kupferoxid zu Kupfer reduziert wird. Das Ergebnis ist der in Figur 1 dargestellte Aufbau. Der freiliegende Abschnitt für die Streifenleitung 1 kann dadurch erzielt werden, daß Rohplatten mit einem für den freiliegenden Abschnitt vorgesehenen Zwischenraum und entsprechender Schichtung hergestellt werden. Danach werden diskrete elektronische Bauelemente für die Schaltungen 8, 8', 9 auf der oberen Fläche der dritten dielektrischen Schicht 5 bzw. im Zwischenraum an den vorgesehenen Punkten angeordnet. Damit ist ein keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen fertig.
Da für die Elektroden Kupfer verwendet wird, haben die Leitungen 6, 6' usw. einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand, so daß der Widerstandsverlust aufgrund von Elektrodenwiderständen niedrig ist; dies war bei Hochfrequenzschaltungen bisher ein Problem. Besonders für keramische Mehrschicht-Substrate für hohe Frequenzen ist dies sehr vorteilhaft. Wird Kupfer bei mehr als 1000º C gesintert, kann es mit benachbartem dielektrischem Material reagieren und dorthin diffundieren. Darum ist es erforderlich, mit 1000º C oder weniger zu sintern. Es hat sich herausgestellt, daß eine Erhöhung des Glasanteils die Sintertemperatur verringert. Anstelle des Kupfers kann Silber verwendet werden. In dem Fall wird eine Silberpaste aus Silberpulver mit Glas und einer organischen Paste zubereitet und gesintert. Für eine Silberpaste ist keine Reduktion erforderlich.

Ausführungsform 2

In Figur 3 ist ein Aufbau eines keramischen Mehrschicht-Substrats für hohe Frequenzen nach einer zweiten Ausführungsform dargestellt, während Figur 4 ein Schaltungsdiagramm des mehrschichtigen Aufbaus zeigt. Die Bezugszeichen 101 bis 104 und 109 in Figur 3 entsprechen den Bezugszeichen 1 bis 4 und 9 in Figur 1. Mit 101 ist eine Streifenleitung bezeichnet, mit 102, 102' eine erste und eine zweite dielektrische Schicht aus dem gleichen Material, in die die Streifenleitung 101 eingefügt ist; 103 bezeichnet eine obere Masseelektrode, die auf der zweiten dielektrischen Schicht 102' vorgesehen ist. Mit 104 ist eine untere Masseelektrode bezeichnet, die an der unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht 102 vorhanden ist. Auf dem freiliegenden Abschnitt der ersten dielektrischen Schicht 102 kann eine Hochfrequenzschaltung aus diskreten elektronischen Bauelementen angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform besteht die Hochfrequenzschaltung aus einem Feldeffekttransistor 109 und ist mit der Streifenleitung 101 verbunden, wie dies später unter Bezug auf Figur 4 beschrieben werden wird. Ein elektrisches Hochfrequenzsignal, das beispielsweise von der linken Seite der Streifenleitung 101 zugeführt wird, wird in den Transistor 109 eingegeben, kehrt zur Streifenleitung 101 zurück und wird an die rechte Seite dieser Zeichnung übertragen.
Eine dritte dielektrische Schicht 111 aus einem dielektrischen Material, dessen dielektrische Konstante größer ist als die der dielektrischen Schichten 102, 102', wird auf die obere Masseelektrode 103 aufgebracht. Außerdem wird eine vierte dielektrische Schicht 112, die aus den gleichen dielektrischen Materialien wie die erste und zweite dielektrische Schicht, 102, 102', besteht, aufgebracht. Durch die drei dielektrischen Schichten 102', 111 und 112 und durch die obere Masseelektrode 103 werden senkrecht durchgehende Öffnungen hergestellt. Auf der oberen Fläche der vierten dielektrischen Schicht 112 sind Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 108, 108' aus diskreten Bauelementen, die Induktivitäten einschließen, vorgesehen. Die Induktivitäten sind mit elektrischen Leitungen 107, 107' für die Gleichstrom-Vorspannungsschaltung verbunden und liefern unterschiedliche elektrische Spannungen an den Transistor 109. Ein- und Ausgangsseiten der Streifenleitung 101 sind elektrisch mit Leitungen 113, 113' in den durchgehenden Öffnungen verbunden, die zu den elektrischen Schaltungen 108, 108' an der oberen Fläche führen. Auch in der vierten dielektrischen Schicht 112 sind durchgehende Öffnungen vorgesehen. Gegenüber der Masseelektrode 103 sind an der anderen Seite der dritten dielektrischen Schicht 111 Elektroden 114, 114' angeordnet, die über Leiter 115, 115' in den durchgehenden Öffnungen mit den Leitungen 107, 107' an der oberen Fläche verbunden sind. Die Leiter 115-115' dienen dazu, die Streifenleitung 1 über die Induktivitäten der Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 108, 108' mit den Elektroden 114, 114' zu verbinden. Die Leitungen 113, 113' und 115, 115' sowie die auf der oberen Fläche der vierten dielektrischen Schicht 112 sind dazu vorgesehen, eine elektrische Verbindung mit der Streifenleitung 101 herzustellen; sie erstrecken sich an die obere Fläche der vierten dielektrischen Schicht 112 über die Induktivitäten der Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 108, 108' bis zu den Elektroden 114, 114' für die Kapazität. Der auf der vierten dielektrischen Schicht 112 vorgesehene Teil besteht aus einem Teil der elektrischen Leitungen 107, 107' der Gleichstrom-Vorspannungsschaltung.
In Figur 4 ist ein Schaltungsdiagramm des Mehrschicht-Substrats nach Figur 3 dargestellt. Die Gleichstrom-Vorspannungsschaltung 108 liefert ein Eingangssignal als Gate-Spannung mit einer Vorspannung an den Feldeffekttransistor 109, während die Gleichstrom-Vorspannungsschaltung 108' eine Vorspannung (Versorgungsspannung) liefert und ein Ausgangssignal abgibt. Die beiden Vorspannungen werden über die Überbrückungskondensatoren 116, 116', die aus den Elektroden 103 und 114, 114' bestehen, mit Masse verbunden. Rechtecke stellen Impedanzen der durch die Bezugszeichen gekennzeichneten Bauelemente dar. So stellt das Rechteck 101 Impedanzen der Streifenleitung 101 einschließlich derdurchgehenden Öffnungen dar; Rechtecke 113, 113' stellen die Induktivitäten der Leiter 113, 113' in den durchgehenden Öffnungen dar.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Induktivität, beispielsweise eine Spule, in den Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 108, 108' enthalten und ist in Serie mit der Streifenleitung 101 geschaltet, während ein Kondensator zum Verbinden der Vorspannungsschaltung mit Masse vorgesehen ist, um in den Vorspannungsschaltungen 108, 108' die Hochspannungsanteile fast vollständig zu sperren.
Da die Induktivität ein diskretes Bauelement ist, kann eine große Induktivität gewählt werden. Da die dielektrische Konstante der dritten dielektrischen Schicht 111 groß ist, kann die von den Elektroden 103 und 114, 114' erzeugte elektrostatische Kapazität einen großen Wert haben. Die dielektrische Schicht 111 in dieser Ausführungsform besteht aus einem Material mit einer dielektrischen Konstante von beispielsweise 70, die Dicke dieser Schicht beträgt 5 bis 50 um und die Flächen der Elektroden 114, 114' weisen geeignete Werte auf. Unter diesen Umständen kann ohne weiteres eine elektrostatische Kapazität von etwa 100 pF erzeugt werden. Auf diese Weise können Hochfrequenzanteile, die zu den Gleichstrom-Vorspannungsschaltungen 108, 108' abgeleitet werden, fast vollständig gesperrt werden, und dem Transistor 109 können unbeeinträchtigte Vorspannungen zugeführt werden.
Bei diesem Mehrschichtaufbau können die für die Gleichstrom-Vorspannungsschaltung und die elektrostatische Kapazität erforderlichen großen Flächen dadurch verkleinert werden, daß der Hochfrequenzsignalabschnitt von dem Abschnitt der Gleichstrom-Vorspannungsschaltung und dem Abschnitt für die elektrostatische Kapazität getrennt angeordnet wird. Auch das Umleiten hoher Frequenzen kann vermieden werden. Die Leistungsdaten der Hochfrequenzschaltung werden auf diese Weise verbessert.
Wie bei der Ausführungsform list die Länge der Leitungen 113, 113' durch die durchgehenden Öffnungen vom Verbindungspunkt an der Streifenleitung 101 bis zum Überbrückungskondensator in der Gleichstrom-Vorspannungsschaltung so gewählt, daß sie ein Viertel der Wellenlänge der verwendeten Hochfrequenz beträgt. Die Leitungen mit der Verwendung der durchgehenden Öffnungen spielen für die hohen Frequenzen die gleiche Rolle wie ein offenes Ende, so daß eine bessere Dämpfung oder Sperrcharakteristik erzielt wird.
Nachfolgend wird ein Herstellverfahren für den oben beschriebenen Aufbau erläutert. Für die dielektrischen Schichten 102, 102' und 112 wird ein anorganisches Material mit sehr guten Hochfrequenzeigenschaften, das Aluminiumoxid und Glas als Hauptbestandteile enthält, als dielektrisches Material verwendet. Die dielektrische Schicht 111 dagegen wird aus einem anorganischen Material mit einer größeren dielektrischen Konstante hergestellt, das Wismutniobium als Hauptbestandteil enthält und bei niedrigen Temperaturen gebrannt werden kann. Pulver aus diesen anorganischen Materialien werden mit organischen Materialien wie einem Bindemittel und einem Lösungsmittel so vermischt, daß sie eine Gießmasse ergeben. Mit beispielsweise einem Rakel werden dann dünne Platten, sogenannte Rohplatten, aus dieser Gießmasse hergestellt. Die Dicke der Aluminiumoxid-Glas- Platten beträgt 0,3 bis 1 mm, während die der Wismutniobiumplatte 6 bis 60 um beträgt.
Die durchgehenden Öffnungen werden mechanisch in den vorbestimmten Abschnitten gestanzt oder auf ähnliche Weise hergestellt. Eine Paste, die Kupferoxid, Glasbestandteile und organische Komponenten als Bindemittel und dergleichen enthält, wird als elektrisch leitende Paste verwendet und in die durchgehenden Öffnungen gefüllt. Außerdem wird diese Paste auf die Rohplatten gedruckt, um Elektroden, elektrische Leitungen, eine Streifenleitung und dergleichen in vorbestimmten Mustern auszubilden. Die so vorbereiteten Rohplatten werden dann in vorbestimmter Weise aufeinandergeschichtet. Der freiligende Teil der Streifenleitung 101 kann dadurch realisiert werden, daß Rohplatten mit einem Zwischenraum für den freiliegenden Teil hergestellt und entsprechend aufgeschichtet werden. Diese Platten werden dann bei 850 bis 950º C in einem Reduktionsofen gebrannt, um das Kupferoxid zu reduzieren. Danach werden diskrete elektronische Bauelemente an den dafür erforderlichen Stellen angeordnet, um ein keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen entsprechend der Ausführungsform 2 nach Figur 3 zu vollenden.
Da das für die Elektroden, die Leitungen und dergleichen verwendete Kupfer einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand hat, ist der durch den Elektrodenwiderstand entstehende Widerstandsverlust, der bei Hochfrequenzschaltungen ein Problem darstellt, sehr gering. Daraus entsteht besonders für ein keramisches Mehrschicht- Substrat für hohe Frequenzen ein großer Vorteil. Wird Kupfer bei mehr als 1000º C gesintert, kann es mit benachbartem dielektrischen Material reagieren oder dahin diffundieren. Es ist darum erforderlich, den Sintervorgang bei 1000º C oder weniger ablaufen zu lassen. Es stellte sich heraus, daß die Mischung aus Aluminiumoxid und Glas und dem Wismutniobium-Material eine gute Eignung aufwies. Anstelle des Kupfers kann Silber verwendet werden. In dem Fall wird eine Silberpaste aus Silberpulver und Glas und organischer Paste hergestellt und gesintert. Für eine Silberpaste ist keine Reduktion erforderlich.

Ausführungsform 3

In Figur 5 ist ein weiteres Beispiel für den Aufbau eines keramischen Mehrschicht- Substrats für hohe Frequenzen dargestellt, während in Figur 6 ein Schaltungsdiagramm dieses mehrschichtigen Aufbaus gezeigt ist. Die Bezugszeichen 201 bis 215' bezeichnen die gleichen Teile und Funktionen wie die Bezugszeichen 101 bis 115' in der Ausführungsform 2. Unterschiede dieser Struktur gegenüber der Ausführungsform 2 werden nachfolgend erläutert. Die Streifeneitung 201 teilt sich im linken Teil des Mehrschicht-Substrats in zwei Teile. Mit 222' ist eine fünfte dielektrische Schicht bezeichnet, die auf die erste Masseelektrode 204 aufgebracht ist. Mit 221 ist eine zweite Streifenleitung bezeichnet, die auf der fünften dielektrischen Schicht gebildet ist. Mit 222 ist eine sechste dielektrische Schicht bezeichnet, die auf die zweite Streifenleitung 221 aufgebracht ist, und 223 bezeichnet eine dritte Masseelektrode, die an der unteren Fläche der sechsten dielektrischen Schicht 222 ausgebildet ist. Mit 224 und 225 sind Leiter bezeichnet, die in durchgehenden Öffnungen zur Verbindung von Streifenleitungen 201 und 221 elektrisch isoliert von der ersten Masseelektrode 204 angeordnet sind. Die zweite Streifenleitung 221 ist über die Leiter 224, 225 mit den beiden Teilen der Streifenleitung 201 im linken Abschnitt dieses Mehrschicht-Substrats verbunden. Der Pfad für die elektrischen Hochfrequenzsignale und die Funktionen der Bauelemente 201 bis 215' sind die gleichen wie in der Ausführungsform 2. Mit der zweiten Streifenleitung 221 kann ein offener Stutzen (Stub) oder dergleichen für die Impedanzanpassung verbunden sein, so daß in dem mehrschichtigen Aufbau eine Impedanzanpassung ermöglicht wird, ohne die Substratfläche zu vergrößern.
In Figur 6 ist ein Schaltungsdiagramm des mehrschichtigen Substrats nach Figur 5 dargestellt. Die Gleichstrom-Vorspannungsschaltung 208 liefert ein Eingangssignal als Gate-Spannung mit Vorspannung an einen Feldeffekttransistor 209, während die andere Gleichstrom-Vorspannungsschaltung 208' eine Vorspannung (Versorgungsspannung) liefert und ein Ausgangssignal ausgibt. Über die aus den Elektroden 203 und 214, 214' bestehenden Überbrückungskondensatoren 216, 216' werden die beiden Vorspannungen mit Masse verbunden. Rechtecke stellen Impedanzen der jeweiligen Bauelemente dar, die durch die Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Rechtecke 201 bezeichnen also Impedanzen der Streifenleitungen 201 einschließlich der Leiter in den durchgehenden Öffnungen, während Rechtecke 221 die zweite Streifenleitung zur Impedanzanpassung bezeichnen.
Das Herstellungsverfahren für die Ausführungsform 3 wird nicht beschrieben, da es dem der Ausführungsform 2 gleicht.
Eine zweite Streifenleitung kann, ähnlich wie bei dem in Figur 1 dargestellten Aufbau, hinzugefügt werden. Das heißt, eine fünfte und sechste dielektrische Schicht und eine dritte Masseelektrode werden nacheinander auf die erste Masseelektrode 4 in Figur 1 aufgebracht, und die zweite Streifenleitung ist zwischen fünfter und sechster dielektrischer Schicht eingebettet. Die zweite Streifenleitung ist mit Streifenleitung 1 auf ähnliche Weise verbunden, wie es in Figur 5 dargestellt ist. Mit der zweiten Streifenleitung kann ein offener Stutzen (Stub) oder dergleichen für eine Impedanzanpassung verbunden sein.
Bei jeder der Ausführungsformen wird eine dielektrische Schicht nur auf der Seite einer der Masseelektroden der Streifenleitung gebildet, und eine die Impedanz anpassende Schaltung oder eine Gleichstrom-Vorspannungsschaltung wird auf der oberen Fläche der dielektrischen Schicht gebildet. Eine solche Schaltung kann jedoch auch auf beiden Seiten des Substrats vorgesehen sein. Bei einer großen Zahl von elektronischen Bauelementen können diese auf beiden Seiten des Substrats angeordnet sein, was die integrierte Schaltung kompakter macht.
Liegt die dielektrische Konstante des für die dielektrischen Schichten mit hoher dielektrischer Konstante verwendeten dielektrischen Materials bei 20 oder mehr, dann trägt dies zu einer kompakteren Bauweise bei, weil die dielektrische Konstante des Aluminiumoxid-Glas-Systems 10 oder weniger beträgt.
Als elektrostatische Kapazitätsschaltung ist lediglich ein Kondensator als mit Masse verbunden dargestellt; es ist jedoch auch möglich, eine Hochfrequenzfilterschaltung mit einem Kondensator vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung, auf denen die oben beschriebenen Ausführungsformen beruhen, hat die folgenden Vorteile:
Wie beschrieben, weisen die keramischen Mehrschicht-Substrate für Hochfrequenzen nach der Erfindung eine in ein erstes dielektrisches Material eingebettete Streifenleitung auf sowie Masseelektroden an seiner oberen und seiner unteren Fläche auf. Ein elektrischer Schaltungsabschnitt ist getrennt auf einer dielektrischen Schicht ausgebildet, die auf mindestens einer der Masseelektroden ausgebildet ist und Leiter in durchgehenden Öffnungen zum Verbinden der elektrischen Schaltung mit der Masseelektrode verbindet. Dadurch verkleinert dieser Aufbau die integrierte Schaltung und verbessert die Hochfrequenzcharakteristika, denn die Umleitung von Hochfrequenzsignalen zur elektrischen Schaltung kann verhindert werden.
Durch einen mehrschichtigen Aufbau wird ein Hochfrequenzschaltungsabschnitt zum Betreiben verschiedener Hochfrequenzelemente über eine Streifenleitung von einer elektrischen Schaltung wie beispielsweise einer Gleichstrom-Vorspannungsschaltung oder einer Schaltung zur Anpassung der Impedanz, die für diskrete elektronische Bauelemente benötigt werden, und von einer elektrostatischen Kapazitätsschaltung, die eine besonders große Fläche benötigt, getrennt. Mit diesem mehrschichtigen Aufbau werden also die Maße einer integrierten Schaltung verringert. Außerdem werden die Hochfrequenzeigenschaften verbessert, weil ein Umleiten von Hochfrequenzsignalen zur Gleichstromschaltung verhindert wird.

Claims

1. Ein keramisches Mehrschicht-Substrat für hohe Frequenzen mit: einer ersten dielektrischen Schicht (2; 102; 202) aus einem ersten dielektrischen Material;

einer ersten, auf einer Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht (2; 102, 202) ausgebildeten Masseelektrode (4; 104; 204);

einer Streifenleitung (1; 101; 201), die auf einer gegenüberliegenden Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht (2; 102; 202) ausgebildet ist;

einer zweiten, aus dem ersten dielektrischen Material gefertigten dielektrischen Schicht (2'; 102'; 202'), die als Schicht auf die erste dielektrische Schicht (2; 102; 202) aufgebracht ist, so daß die Streifenleitung zwischen den beiden Schichten (2, 2'; 102, 102'; 202, 202') angeordnet ist;

einer zweiten Masseelektrode (3; 103; 203), die auf einer der ersten dielektrischen Schicht (2; 102; 202) gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht ausgebildet ist;

einer dritten, aus einem zweiten dielektrischen Material gefertigten dielektrischen Schicht (5; 112; 212), die auf die zweite Masseelektrode (3; 103; 203) aufgebracht ist;

einer auf der dritten dielektrischen Schicht (5; 112; 212) angeordneten elektrischen Schaltung (8, 8'; 108, 108'; 208, 208') und

einer elektrischen Leitung (6, 6'; 113, 113'; 213, 213'), die sich von einem Verbindungspunkt mit der Streifenleitung (1; 101; 201) durch die zweite und die dritte dielektrische Schicht (2', 5; 102', 112; 202, 212) zu einem Verbindungspunkt mit der elektrischen Schaltung (8, 8'; 108, 108'; 208, 208') erstreckt, ohne elektrischen Kontakt mit der zweiten Masseelektrode (3; 103; 203) zu haben;

dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Länge der elektrischen Leitung (6, 6'; 113, 113'; 213, 213') vom Verbindungspunkt mit der Streifenleitung (1; 101; 201) bis zur elektrischen Schaltung (8, 8'; 108, 108'; 208, 208') ein Viertel der Wellenlänge eines Signals beträgt, das durch die Streifenleitung (1; 101; 201) einzugeben ist, wodurch die Länge der elektrischen Leitung (6, 6'; 113, 113'; 213, 213') zur Dämpfung hoher Frequenzen führt.

2. Keramisches Substrat nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite dielektrische Schicht (2, 2'; 102, 102'; 202, 202') als Hauptbestandteile Aluminiumoxid und Glas enthalten und die Streifenleitung (1; 101; 201) und die elektrische Leitung (6, 6'; 113, 113'; 213, 213') aus Kupfer oder Silber gefertigt sind.

3. Keramisches Substrat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elektrische Schaltung (8, 8'; 108, 108'; 208, 208') aus diskreten elektronischen Bauelementen gefertigt ist.

4. Keramisches Substrat nach Anspruch 3, bei dem die elektrische Schaltung (8, 8'; 108, 108'; 208, 208') eine Gleichstrom-Vorspannungsschaltung ist und eines der mit der elektrischen Leitung (6, 6'; 113, 113'; 213, 213') verbundenen diskreten elektronischen Bauelemente ein Kondensator ist.

5. Keramisches Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die zweite und die dritte dielektrische Schicht (2', 5; 102', 112; 202, 21 2) und die zweite Masseelektrode (3; 103; 203) oberhalb der ersten dielektrischen Schicht (2; 102; 202) einen Zwischenraum aufweisen, um einen Teil der Streifenleitung (1, 101; 201) freizulegen, und bei dem an der freiliegenden Fläche der ersten dielektrischen Schicht (2; 102; 202) eine elektrische Hochfrequenzschaltung (9; 109; 209) angeordnet ist, die mit der Streifenleitung (1; 101; 201) verbunden ist.

6. Keramisches Substrat nach Anspruch 5, bei der die elektrische Hochfrequenzschaltung (9; 109; 209) aus diskreten elektronischen Bauelementen gefertigt ist.

7. Keramisches Substrat nach Anspruch 6, bei dem die elektrische Hochfrequenzschaltung (9; 109; 209) einen mit der Streifenleitung (1; 101; 201) verbundenen Transistor enthält.

8. Keramisches Substrat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwischen der zweiten Masseelektrode (3; 103; 203) und der dritten dielektrischen Schicht (5; 112; 212) eine vierte dielektrische Schicht (111; 211) aus einem dritten dielektrischen Material mit höherer dielektrischen Konstante als das erste und zweite dielektrische Material aufgebracht ist, und eine dritte Elektrode (114; 214) auf dieser vierten Schicht (111; 211) ausgebildet ist, um zwischen der dritten Elektrode (114; 214) und der zweiten Masseelektrode (3; 103; 203) eine elektrostatische Kapazität zu erzeugen.

9. Keramisches Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer auf der ersten Masseelektrode (204) gegenüber der ersten dielektrischen Schicht (202) aufgebrachten fünften dielektrischen Schicht (222');

mit einer auf der fünften dielektrischen Schicht (222') gebildeten zweiten Streifenleitung (221);

mit einer auf der zweiten Streifenleitung (221) und der fünften dielektrischen Schicht (222') aufgebrachten sechsten dielektrischen Schicht (222);

bei dem die zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht (202, 202') angeordnete Streifenleitung (201) aus zwei voneinander getrennten Teilen besteht und die elektrischen Leitungen (224, 225), die elektrisch gegenüber der ersten Masseelektrode (204) isoliert sind, die zweite Streifenleitung (221) durch die erste bis fünfte dielektrische Schicht (202, 222') in Serie mit den beiden Teilen der Streifenleitung (201) verbinden.

10. Keramisches Substrat nach Anspruch 9, bei dem die zweite Streifeneitung (221) zur Impedanzanpassung mit einem offenen Stutzen (Stub) verbunden ist.