DE69423684T2 - Verbindungsstruktur zur Übersprechverringerung um die Chip-Ausgangsselektivität zu verbessern - Google Patents

Verbindungsstruktur zur Übersprechverringerung um die Chip-Ausgangsselektivität zu verbessern

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Description

  • Diese Anmeldung ist verwandt mit den folgenden US-Patenten: US- A-5 397 862 von David E. Bockelman und Douglas H. Weisman mit dem Titel "A Horizontally Twisted-Pair Planar Conductor Line Structure", US-A-5 389 735 von David E. Bockelman mit dem Titel "A Vertically Twisted-Pair Conductor Line Structure", US-A-5 430 247 von David E. Bockelman mit dem Titel "A Twisted-Pair Planar Conductor Line Off-Set Structure" und US-A-5 459 284 von David E. Bockelman und Douglas H. Weisman mit dem Titel "A Twisted-Pair Wire Bond and Method Thereof". Alle Anmeldungen wurden gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung hinterlegt, und alle wurden Motorola, Inc. zugewiesen.
    • Hintergrund
  • Diese Erfindung betrifft miniaturisierte Hochfrequenzschaltungen und insbesondere die Verbindung dieser Schaltungen.
  • Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen; in einer Radiofrequenzstruktur ("radio frequency" (RF)) mit mehreren Substraten wird ein RF-Signal von einem Substrat 100 auf ein anderes Substrat 200 geführt und daraufhin auf das erste Substrat 100 zurückgeführt.
  • Beispielsweise sind bei einem Funk-Transceiver die aktiven RF- Funktionen, wie etwa die Verstärkung in einer Generatorschaltung 102 und die Mischung in einer Empfängerschaltung 103 auf einem Halbleitersubstrat 100 gefertigt, während ein passiver Band-Pass-Filter 101 mit einer gewissen Verzögerung auf dem anderen Substrat 200 gefertigt ist. In diesem Fall wird das Haupt-RF-Signal von dem ersten Substrat 100 weggeführt, auf dem zweiten Substrat 200 gefiltert oder einer anderen einfachen Verarbeitung zugeführt und daraufhin für die weitere Verarbeitung zu dem ersten Substrat 100 zurückgeführt.
  • Diese Führung des RF-Signals gemäß Fig. 1 und ihre nachfolgende Selektivitätsfunktion, wie in Fig. 12 dargestellt, ist für das Folgende als "wiedereintretende RF-Chip-Ausgangsselektivität" ("reentrant off-chip RF selectivity") definiert. Die RF- Selektivität ist die Charakteristik, welche das Ausmaß bestimmt, mit welchem das erwünschte Signal von den Störungen anderer Frequenzen oder von Signalen außerhalb des Bands unterschieden werden kann. Mit anderen Worten hat die Selektivität einen Bezug zum Betrag der Abschwächung von Signalen außerhalb des Bandes.
  • Im allgemeinen ist der aktive RF-Abschnitt eines Funkeingangsbereiches des Transceivers auf einem Halbleitersubstrat gefertigt, welches relativ zu dem Ausgangschip oder dem zweiten Substrat physikalisch klein ist. Diese geringe Größe des aktiven oder ersten Substrates erfordert, daß beliebige elektrische Verbindungen auf dem Halbleitersubstrat nah beieinanderliegen. Im Folgenden sind "nah beieinanderliegende elektrische Verbindungen" als elektrische Verbindungen definiert, welche Verbindungsbereiche aufweisen, welche distal einen Abstand in einer Größenordnung haben, die ihrer Seitenlänge entspricht.
  • Bei Chip-Ausgangsanordnungen des Standes der Technik resultierte eine schlechte RF-Selektivitätsfunktion aus der Übersprechkopplung ("cross-talk coupling") oder dem Springen des RF- Signals von dem Eingang zum Ausgang des Filters bei den nah beieinanderliegenden elektrischen Verbindungen, wobei im Ergebnis der Filter umgangen wird. Die Übersprechkopplung ist der Signalverlust des erwünschten Signals, welcher von der Interferenz elektromagnetischer Streukupplung von Energie einer Schaltung mit einer anderen verursacht wird, d. h. durch die induktive und die kapazitive Kupplung, welche zwischen dicht benachbarten parallelen elektrischen Verbindungen existiert, wie etwa bei Anschlußflächen. Aus einer anderen Perspektive betrachtet kann beim Führen eines Signals aus dem Chip über eine kurze elektrische Verzögerung des Filters die Mischung der Signale zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Signalprozessors, welche jeweils zur Übersprechkopplung beitragen, eine ernsthafte Verschlechterung der Selektivität bewirken oder andererseits die erwünschte Verzögerung oder Timing-Funktion des funktionellen Chip-Ausgangsblocks verschlechtern.
  • Das Problem des Übersprechens mit wiedereintretenden RF- Verbindungen wird größer, wenn die elektrischen RF-Verbindungen näher beieinanderliegen. Die stärkste Art oder ein Grund für die Übersprechkupplung mit wiedereintretenden RF-Verbindungen wird als Gleichtakt-Impedanzkopplung ("common mode impedance coupling") bezeichnet und häufig bei Schaltungen mit einem Ende festgestellt.
  • Schaltungen mit einem Ende erzeugen oder empfangen ein einzelnes Wechselstromsignal (AC), welches auf eine gemeinsame Erdung bezogen ist. Viele oder alle Schaltungen in einem solchen Sy stem mit einem Ende teilen sich eine gemeinsame Erdung, und alle Signalströme kehren zu ihren ursprünglichen Schaltungen über diese gemeinsame Erde zurück. Jedoch hat eine beliebige geteilte Erdung eine nicht verschwindende Impedanz, welche allen Schaltungen gemeinsam ist, und diese gemeinsame Impedanz stellt einen Weg zur Verfügung, über welche sich die Signale koppeln können, wobei ohmsche Verluste auftreten.
  • Im Falle der wiedereintretenden Chip-RF-Ausgangsselektivität der Fig. 1 und 12 wird das von der Generatorschaltung 102 erzeugte RF-Signal in die Last oder die Empfängerschaltung 103 als Funktion der ohmschen Verluste oder der gemeinsamen Impedanz 104 gekoppelt, wie es schematisch in Fig. 1 und durch das sich ergebende Ansprechverhalten in Fig. 12 dargestellt ist. Die Kurve 1201 in Fig. 12 stellt ein typisches Frequenz- Ansprechverhalten des Filters 101 dar, welches alleine eine Dämpfung von etwa 80 dE außerhalb des Bands aufweist; die Kurve 1200 repräsentiert ein typisches verschlechtertes Ansprechverhalten, wobei die gemeinsame Impedanz 104 zu dem Filter 101 addiert wurde. Daher ist die maximale Dämpfung oder Selektivität außerhalb des Bands des Band-Pass-Filters 101 mit der Schaltung mit einem Ende gemäß Fig. 1 nicht verwirklicht. Stattdessen führt die Übersprechkopplung im allgemeinen zu einer Dämpfung oder zu einer Selektivität von nur etwa 30 dB, wie es anhand von Kurve 1200 in Fig. 12 zu erkennen ist.
  • Herkömmlicherweise haben sich die Bemühungen, die Selektivität zu erhöhen, darauf konzentriert, die Erdung zu verbessern und Vielfacherdleitungen zu verwenden, um die Übersprechkopplung zu verringern. Jedoch sind diese Anstrengungen alleine im Sinne einer signifikanten Verbesserung der Selektivität fehlgeschlagen, da nach wie vor Schaltungen mit einem Ende in diesen wie dereintretenden Chip-Ausgangsanordnungen verwendet wurden. Entsprechend ist es erwünscht, eine verbesserte wiedereintretende Chip-RF-Ausgangsselektivitätsstruktur zur Verfügung zu stellen, welche das Übersprechen an den Filterverbindungen für die RF- Verarbeitung signifikant vermindert, was jedoch nicht auf eine frequenzselektive Filterung beschränkt ist.
  • Die US 4 891 616 offenbart eine Verbindungsstruktur für miniaturisierte Hochfrequenzschaltungen mit Schaltungssubstraten, welche wenigstens ein Paar differentieller Übertragungsleitungen aufweisen, welche einen Abstand zueinander aufweisen, sowie Grundebenen zum Abschirmen der Übertragungsleitungen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung mit einer Gleichtaktimpedanz.
  • Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer idealen Darstellung eines differentiellen Filtersystems.
  • Fig. 3 ist ein Blockdiagramm einer nicht-idealen Darstellung eines differentialen Filtersystems.
  • Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines Funkempfängereingangs gemäß der Erfindung.
  • Fig. 5 ist ein Diagramm der differentiellen Übertragungsleitung 423 gemäß Fig. 4 in einer parallelen Konfiguration.
  • Fig. 6 ist ein Diagramm der differentiellen Übertragungsleitung 423 aus Fig. 4 in einer vertikal gestapelten Konfiguration.
  • Fig. 7 ist ein Diagramm einer verbesserten Struktur für die differentielle Übertragungsleitung 423 aus Fig. 6 in einer vertikal gestapelten Konfiguration.
  • Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer verallgemeinerten wiedereintretenden Chip-Ausgangsschaltung entsprechend der Erfindung.
  • Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer verallgemeinerten wiedereintretenden Substratverbindung gemäß der Erfindung.
  • Fig. 10 ist ein Diagramm einer leitungsgebundenen Substratverbindung der verallgemeinerten wiedereintretenden Chip-Ausgangsschaltung aus Fig. 8.
  • Fig. 11 ist ein Diagramm einer Flip-Chip-Verbindung der verallgemeinerten wiedereintretenden Chip- Ausgangsschaltung aus Fig. 8.
  • Fig. 12 ist eine Frequenzansprechgrafik, welche die Dämpfung außerhalb des Bands eines idealen Filters 201 in der Schaltung aus Fig. 2 gegen seine Funktion in der Schaltung aus Fig. 3 darstellt.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Gleiche Bezugszeichen werden in der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen beibehalten, wobei der Effekt der gemeinsamen Impedanz stark vermindert werden kann, indem eine differentielle Schaltung bei miniaturisierten Hochfrequenzanwendungen, wie etwa bei integrierten Schaltungen oder Chips, verwendet wird. Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen; eine ideale Darstellung eines differentiellen Filtersystems wird gezeigt, in welcher ein Generator 202, eine Last 203 und ein Filter 201 jeweils gegen einen gemeinsamen Bezugspunkt 204 isoliert sind.
  • Jedoch haben bei einer praktischen Implementierung eines differentiellen Systems wie in Fig. 3 alle Leiter 31-34 auf dem RF-Weg wenigstens einige parasitäre Kapazitäten 35-38 bezüglich eines gemeinsamen Punktes 204, wie etwa das Halbleitersubstrat selbst, welches als schwach leitende Grundebene wirkt. Bei Halbleiteranwendungen repräsentiert das Halbleitersubstrat eine leitende Fläche bezüglich der darüber angeordneten Schaltung. Jedoch ist die Substratleitfähigkeit im Vergleich zu einem Metall schlecht, und durch diese schlechte Leitfähigkeit wird verursacht, daß das Substrat eine schlechte RF-Grundebene ist.
  • Beispielsweise weist ein schwach dotiertes Halbleitersubstrat (typischerweise für Silizium-Si-Prozesse) signifikante ohmsche Verluste zwischen zwei Punkten auf dem Substrat auf sowie spannungsabhängige Verarmungskapazitäten zwischen dem Bezugspotential und der gesamten restlichen Schaltung oberhalb des Substrates. Die geringe Leitfähigkeit gestattet, daß ein Punkt auf dem Substrat einen Wert der Verarmungskapazität aufweist, während ein zweiter physikalisch getrennter Punkt auf dem Substrat einen anderen Wert der Verarmungskapazität hat. Wenn diese beiden Punkte zwei differentielle Signalwege repräsentieren, so werden sich diese beiden Wege eine gemeinsame Impedanz 104, wie in Fig. 1 zu erkennen, teilen, und daher werden sich die Signale zwischen den beiden Wegen koppeln. Zusätzlich könnten die ohmschen Verluste des Halbleitersubstrats einen Abschnitt der gemeinsamen Impedanz 104 repräsentieren und ebenfalls zu der Übersprechkopplung beitragen.
  • Diese parasitäre Kapazität kann eine signifikante Kopplung aufgrund einer gemeinsamen Impedanz mit wiedereintretender Chip- RF-Ausgangsselektivität bewirken, selbst wenn differentielle Schaltungen verwendet werden. Wenn daher die Kondensatoren 35 und 36 nicht gleich sind oder wenn die Kondensatoren 37 und 38 nicht gleich sind, so ist das Ansprechverhalten des Filtersystems ähnlich dem nicht optimalen Kurvenverlauf 1200 aus Fig. 12.
  • Um das Übersprechen bei der wiedereintretenden Chip-RF- Ausgangsselektivität gemäß der Lehre dieser Erfindung zu verringern, werden differentielle Schaltungen, differentielle Übertragungsleitungen und differentielle Chip- Ausgangsfunktionen, wie etwa die Filterung, simultan verwendet. Weiterhin stellt diese Erfindung eine Struktur zur Verfügung, welche die parasitären Kapazitäten ausgleicht, die zu allen differentiellen Elementen gehören.
  • Es wird auf Fig. 4 Bezug genommen; ein Funkempfängereingangsbereich ist schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist ein Halbleitersubstrat (z. B. Si oder Gallium Arsenid GaAs) 409 mit einer oberen und einer unteren Oberfläche, die an einem Ende von einer Kante 40 umgeben sind, wenigstens einen RF-Verstärker 402 und einen Mischer 415 auf, die in dem Substrat ausgebildet sind. Der Verstärker 402 hat einen differentiellen Ausgang, welcher ein Paar komplementärer Signale in einer zueinander phaseninvertierten Beziehung erzeugt, welche zusammen als einzelnes differentielles Signal bekannt sind, was per Definition impliziert, daß die individuellen Ausgangsanschlüsse keine gemeinsame Erdung teilen. Der Verstärker 420 hat eine vorbestimmte Quellenimpedanz, vorzugsweise bei 50 Ohm. Der Mischer 415 empfängt ein differentielles RF-Signal, und er hat eine gewisse Lastimpedanz, vorzugsweise ebenfalls bei 50 Ohm.
  • Ebenfalls ist auf dem Substrat 409 ein Satz von zwei Paaren von Leitern 410, 411 bzw. 413, 414 vorgesehen, welche zwei physikalisch nah beieinanderliegende Übertragungsleitungen 423, 424 bilden, die vorbestimmte physikalische Dimensionen aufweisen, welche erforderlich sind, um die erwünschte charakteristische Impedanz zu erzeugen, um die Impedanzen der Quelle und der Last sorgfältig aufeinander abzustimmen. Der Abstand zwischen den beiden physikalisch nah beieinanderliegenden Leitern ist weniger als etwa der zehnfache Zwischenraum zwischen den beiden Leitern einer einzelnen Übertragungsleitung. Die Übertragungsleitungen 423 und 424 sind benachbart und im wesentlichen auf einer gewissen Länge zueinander parallel. Es kann eine oder mehrere 90-Grad-Biegungen in der Leitung geben, selbst wenn keine Richtungsänderungen erforderlich sind. Wenn jedoch Richtungsänderungen verwendet werden, wie in Fig. 4 dargestellt ist, kann eine gewisse Kompensation erforderlich sein, um die geeignete Impedanzabstimmung in den Übertragungsleitungen zur Verfügung zu stellen.
  • Eine gut leitende bzw. eine Metallgrundebene oder eine beliebige leitende Äquipotentialebene 412 ist für beide Übertragungs leitungen 423 und 424 gemeinsam unterhalb vorgesehen. Sowohl die obere Fläche als auch die untere Fläche der Grundebene 412 ist isoliert und unterhalb der Übertragungsleitungen 423 und 424 angeordnet, die über der oberen Fläche des Substrats liegen, und entfernt von der Kante 40. Bei einem aus Si gefertigten Substrat ist die Metallebene an einem Punkt mit einer gewissen Spannung angeschlossen, wie etwa der Erdung der Schaltung. Bei anderen Substraten kann die Grundebene einfach eine freistehende Metallschicht sein.
  • Ein Mittel zum Bereitstellen elektrischer Verbindungen für das Halbleitersubstrat 409 in der Form elektrischer Anschlußstellen ist in dieser Ausführungsform in Form von Leitungsverbindungs- Anschlußstellen 403, 404, 406 und 407 dargestellt. Die beiden Paare von Verbindungs-Anschlußstellen 403, 404 sowie 406, 407, welche jeweils den elektrischen Verbindungen oder Enden für die Übertragungsleitungen 423 und 424 entsprechen sind benachbart und auf derselben Schicht wie die Leitungen angeordnet. Diese Verbindungs-Anschlußstellen sind Bereiche aus nicht passiviertem Metall, welche groß genug sind, um eine elektrische Leitung zu gestatten, wie etwa Standard-Leitungsverbindungen 405, um an der Oberfläche der Anschlußstellen 403, 404, 406 und 407 angebracht zu werden. Eine gemeinsame Anschlußstellengröße liegt im Bereich von 100 Quadratmikrometern mit einer Seitenlänge von 100 um. Im allgemeinen haben derartige Verbindungs- Anschlußstellen mindestens einen Mittenabstand, der herkömmlicherweise etwa 150 um beträgt.
  • Die Grundebene 412 kann sich unterhalb der Verbindungs- Anschlußstellen 403, 404, 406 und 407 erstrecken, es ist jedoch bevorzugt, daß die Grundebene 412 entfernt von den Anschluß stellen abbricht. Dieser Abbruch vermindert die Kapazität zwischen den Anschlußstellen und Erde, welche andernfalls zu groß sein könnte, um eine nützliche RF-Verbindung zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Grundebene 412 ist eine Schlüsselkomponente dieser Erfindung, insbesondere bei Halbleiterausführungen. Indem eine gut leitende Grundebene 412, wie etwa eine große untere Metallschicht, zugefügt wird, kann die Kopplung über eine gemeinsame Impedanz durch die Festlegung der physikalischen Dimensionen der Schaltungen oberhalb der Ebene gesteuert werden.
  • Beispielsweise kann für die beiden Leiter 410 und 411 der differentiellen Übertragungsleitung 423 sichergestellt werden, daß sie im wesentlichen dieselbe Kapazität bezüglich der Grundebene 412 aufweisen, indem ihre Breiten und ihre Höhen oberhalb der Grundebene 412 eingestellt werden. Die Kapazität, wie etwa 35 oder 36 aus Fig. 3, ist keine Funktion der Spannungen auf den Übertagungsleitungsleitern mehr. Weiterhin ist durch die Anforderung, daß die physikalisch dichten differentiellen Übertragungsleitungen 423 und 424 eine gemeinsame Grundebene 412 mit hoher Leitfähigkeit teilen eine gemeinsame Impedanz zwischen den Übertragungsleitungen 423, 424 noch weiter vermindert. Eine gute Grundebene hat geringere Verluste als ein Substrat. Daher können parasitäre Kapazitäten gut ausgeglichen werden, um die Übersprechkopplung zu verringern. Ohne diese Grundebene 412 mit hoher Leitfähigkeit und die differentiellen Übertragungsleitungen wäre das Übersprechen zwischen den beiden Signalwegen nicht akzeptabel, insbesondere für die Chip-Ausgangsselektivität in einem Funkempfänger.
  • Eine weitere Komponente der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist ein zweites Substrat 408, auf welchem ein Filter 422 aufgebaut ist. Die entsprechenden Leitungsverbindungs-Anschlußstellen 416 -419 erlauben, daß die Leitungsverbindungen 405 die beiden Substrate 408 und 409 verbinden.
  • Die Spezifikationen eines herkömmlichen Funksystems erfordern von einem solchen Filter eine Selektivität von etwa 80 dB, wie an der Kurve 1201 aus Fig. 12 zu erkennen ist. Der eigentliche Filter 422 kann auf vielfältige verschiedene Weise sowie mit vielen verschiedenen Materialien implementiert werden, jedoch müssen all diese Implementierungen einen Satz kritischer Einschränkungen aufweisen. Erstens muß der Filter 422 differentielle Eingänge und Ausgänge aufweisen, wobei jeder mit einer gewissen Quellen- oder Lastimpedanz versehen ist, vorzugsweise 50 Ohm. Weiterhin dürfen sich die differentiellen Eingänge, welche durch die zwei nicht geerdeten Eingangsanschlüsse 425 und 426 definiert sind, und die differentiellen Ausgänge, welche durch die beiden nicht geerdeten Ausgangsanschlüsse 427 und 428 des Filters 422 definiert sind, keine gemeinsame Erdung teilen; d. h., daß all diese Anschlüsse 425, 426, 427 und 428 im wesentlichen von einer beliebigen gemeinsamen Erdung isoliert sein müssen.
  • Wenn die Übertragungsleitungen 429 und 430 für den Filter erforderlich sind, statt ein bereits sorgfältig abgestimmtes integriertes Filterpaket zu haben, wie etwa einen differentiellen akustischen Oberflächenwellenfilter ("differential surface acoustical wave (SAW) filter"), müssen die Übertragungsleitungen 429 und 430 denselben Einschränkungen gehorchen, welche auf die Übertragungsleitungen 423 und 424 anzuwenden sind. Die Grundebenen 420 und 421 sind elektrisch mit der Grundebene 412 verbunden dargestellt, wobei dies jedoch nicht erforderlich ist.
  • Um die Selektivität des Filters 422 von 80 dB unter schlechten Bedingungen von nahe beieinanderliegenden elektrischen Verbindungen aufrechtzuerhalten, sollte eine Struktur, welche den Prinzipien gemäß der vorliegenden Erfindung gehorcht, implementiert werden. Ohne die spezielle Wiedereintrittsbehandlung der Übergänge von dem Filter und zurück, würde das Übersprechen zwischen dem Eingang 425 und 426 und dem Ausgang 427 und 428 des Filters 422 die Selektivität in einer Größenordnung von etwa 30 dE begrenzen, wie es aus der Kurve 1200 aus Fig. 12 erkennbar ist.
  • Es wird wiederum auf Fig. 4 Bezug genommen; einer Antenne 431 und ein breitbandiger Vorwähler oder Vorverstärkerfilter 401 empfängt und weiterverarbeitet ein eingehendes RF-Signal, welches dem RF-Verstärker 402 zuzuführen ist. Die Verbindung zwischen dem Vorwähler 401 und dem Vorverstärker 402 kann durch eine Vielzahl herkömmlicher gängiger Verfahren gefertigt werden, so auch durch eine differentielle Übertragungsleitung, wie etwa die Übertragungsleitungen 424 und 423.
  • Die Übertragungsleitungen 423 und 424 (und die Übertragungsleitungen 429 und 430, wenn erforderlich) können viele verschiedene Ausführungsformen innerhalb eines Satzes vorbestimmter Einschränkungen aufweisen. Die Übertragungsleitungen müssen differentiell sein, wobei jede differentielle Übertragungsleitung zwei nicht geerdete Leiter aufweisen muß. Die Übertragungsleitungen 423 und 424 müssen im wesentlichen identische Querschnitte aufweisen, wobei diese Querschnitte über die Länge der Übertragungsleitungen im wesentlichen konstant sein müssen.
  • Weiterhin müssen die Leiter 410, 411, 413 und 414 geometrisch so konfiguriert sein, daß sie im wesentlichen dieselbe Kapazität mit Bezug auf die Grundebene 412 aufweisen.
  • Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen; eine Ausführungsform der Übertragungsleitungen 423 und 424 ist in einer Anordnung mit paralleler Konfiguration dargestellt. Die Leiter 501 und 502 sind kombiniert, um eine differentielle Übertragungsleitung 505 auszubilden. Beide Leiter 501 und 502 sitzen in einer horizontal ausgerichteten Ebene, und daher wird diese Übertragungsleitungsstruktur im allgemeinen als horizontal orientierte planare differentielle Übertragungsleitung bezeichnet oder einfach als horizontale differentielle Übertragungsleitung. Die Leiter 501 und 502 haben im wesentlichen dieselben Breiten und im wesentlichen dieselben Höhen über der Grundebene 503 mit gemeinsamen Potential. Die Breite und die Höhe der Leiter sowie die dazwischen liegende horizontale Trennung definieren die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung 505.
  • Eine Grundebene 503 ist in einem gewissen definierten Abstand unterhalb der Leiter 501 und 502 dargestellt, wobei eine erste isolierende Schicht 507 zwischengelagert ist. Die Grundebene 503 kann unmittelbar unterhalb auf einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 506 liegen, oder sie kann durch eine zweite isolierende Schicht 504 isoliert sein. Es ist wichtig festzustellen, daß die Leiter 501 und 502 geometrisch so konfiguriert sind, daß sie dieselbe Kapazität bezüglich der Grundebene 503 aufweisen.
  • Mit Bezug auf Fig. 6 wird eine andere Ausführungsform der Übertragungsleitungen 423 und 424 in einer gestapelten Konfiguration gezeigt. Die Leiter 601 und 602 sind kombiniert, um eine differentielle Übertragungsleitung 600 zu bilden. Die Leiter 601 und 602 sind vertikal gestapelt, der Leiter 601 befindet sich oberhalb des Leiters 602, und daher wird diese Übertragungsleitungsstruktur im allgemeinen als vertikal orientierte planare differentielle Übertragungsleitung oder einfach als vertikale differentielle Übertragungsleitung bezeichnet.
  • Der obere Leiter 601 hat eine größere Breite als der untere Leiter 602, wobei der obere Leiter 601 etwa doppelt so breit ist wie der untere Leiter 602. Die genaue Beziehung zwischen den Breiten ist so, daß die Kapazität des oberen Leiters 601 zur Grundebene 605 im wesentlichen gleich der Kapazität von dem unteren Leiter 602 zur Grundebene 605 ist.
  • Die Leiter 601 und 602 sind durch eine erste isolierende Schicht 603 voneinander getrennt. Die Breite und die Höhe der Leiter 601 und 602 sowie der dazwischen liegende vertikale Abstand bestimmen die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung 600. Wie vorstehend beschrieben, ist die Grundebene 605 in einem gewissen definierten Abstand unterhalb des unteren Leiters 602 dargestellt, wobei eine zweite isolierende Schicht 604 zwischengeschaltet ist. Die Grundebene 605 kann direkt auf dem Halbleitersubstrat 607 liegen, oder sie kann durch eine dritte isolierende Schicht 606 isoliert sein.
  • Durch Verbreiterung des oberen Leiters 601 zum Ausgleich parasitärer Kapazitäten bezüglich der Erde können Ungleichgewichte eingefügt werden. Der breitere obere Leiter 601 hat geringere ohmsche Verluste und eine geringere Selbstinduktivität als der schmalere untere Leiter 602. Dieses Ungleichgewicht bei den Leiterverlusten und den Induktivitäten kann den Betrag der Gleichtaktimpedanzkopplung erhöhen. Um diesen Ungleichgewichten entgegenzutreten, wird eine Struktur verwendet, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist.
  • Es wird auf Fig. 7 Bezug genommen, wo eine voll ausgeglichene vertikale differentielle Übertragungsleitung über der Grundebene 605 dargestellt ist. Aus Gründen der Einfachheit und der Klarheit sind die Zwischenschichten aus Trägermaterial nicht dargestellt. Eine Öffnung, wie etwa ein Schlitz 700 ist durch den oberen Leiter 601 eingebracht. Dieser Schlitz 700 ist im wesentlichen bezüglich der Breite des oberen Leiters 601 zentriert, und er ist in der Länge auf dem oberen Leiter ausgerichtet. Die Breite 701 des Schlitzes ist so, daß der obere Leiter 601 Verluste und eine Selbstinduktivität aufweist, die in etwa derjenigen des unteren Leiters 602 entsprechen. Die Breite 701 ist so gewählt, daß sie geringfügig kleiner ist als die Breite des unteren Leiters 602, wobei ein Kompromiß zwischen dem Ausgleich und der Übertragungsqualität besteht. Die Länge 702 des Schlitzes kann jede beliebige Länge sein, und idealerweise liegt ein langer Schlitz über die gesamte Länge der Übertragungsleitung vor. Um jedoch eine gute Übertragungsqualität sicherzustellen, liegt die Schlitzlänge bevorzugt im Bereich des 10- bis 20-fachen der Breite des unteren Leiters 602, Wenn man weiterhin die Länge des Schlitzes einige Größenordnungen geringer hält als eine Wellenlänge, so wird sich der Schlitz nicht wie eine Antenne bei der Betriebsfrequenz verhalten, wodurch Strahlungsverluste vernachlässigbar sind. Wenn die Übertragungsleitung länger ist als die Schlitzlänge 702, wird eine willkürliche Zahl an Schlitzen 700 periodisch entlang der Länge des oberen Leiters 601 angeordnet. Die Schlitze 700 sind durch einen Zwischenabschnitt 703 des oberen Leiters 601 voneinander getrennt, und diese Trennung hat eine geringere Länge 704.
  • Es wird auf Fig. 8 Bezug genommen, wo eine eher verallgemeinerte Schaltung gemäß der Erfindung dargestellt ist. Ein Halbleitersubstrat 800 enthält wenigstens eine Generatorschaltung oder einen Generator 801 und eine Empfängerschaltung 802. Der Generator 801 hat einen Ausgang, welcher ein Paar komplementäre Signale in einer zueinander phaseninvertierten Beziehung erzeugt, welche zusammen als einzelnes differentielles Signal bekannt sind. Entsprechend hat die Empfängerschaltung 802 einen Eingang, welcher derartige differentielle Signale empfangen kann. Ebenfalls sind ein Paar differentieller Übertragungsleitungen 806 und 807 enthalten, welche denselben Beschränkungen unterworfen sind, wie vorstehend beschrieben; eine Grundebene 804 und Verbindungsbereiche 808 wurden zusammen vorstehend für Fig. 4 beschrieben.
  • Die verallgemeinerte Ausführung gemäß Fig. 8 enthält ebenfalls ein zweites Substrat 813 und elektrische Verbindungen 809 zwischen den Substraten 800 und 813, welche hier als Leitungsverbindungen dargestellt sind. Das zweite Substrat 813 enthält wenigstens einen funktionellen Block 812, wie zum Beispiel einen frequenzselektiven Filter. Jedoch können andere Funktionen, wie etwa eine Verzögerungsleitung ersatzweise zum Einsatz kommen. Die Erfordernisse des funktionellen Blocks 812 sind dieselben wie vorstehend beschrieben: zunächst muß der funktionelle Block differentielle Eingänge und differentielle Ausgänge aufweisen, welche jeweils eine gewisse Quellen- oder Lastimpedanz aufweisen, vorzugsweise bei 50 Ohm. Weiterhin dürfen sich der Eingang und der Ausgang des funktionellen Blocks 812 keine gemeinsame Erdung teilen; alle Anschlüsse müssen im wesentlichen gegen jegliche gemeinsame Erdung isoliert sein. Wenn Übertragungsleitungen 811 und 814 vorgesehen sind, müssen die Übertragungslei tungen 811 und 814 denselben Beschränkungen gehorchen, welche für die Übertragungsleitungen 806 und 807 des ersten Substrats 800 gelten. Die Grundebenen 815 und 816 können elektrisch mit der Grundebene 804 verbunden sein, was jedoch nicht erforderlich ist (nicht gezeigt).
  • Es wird auf Fig. 9 Bezug genommen, wo eine andere Ausführungsform der Substratverbindung dargestellt ist. Diese Ausführungsform ähnelt derjenigen in Fig. 8, wobei zusätzlich Zwischenübertragungsleitungen 909 und 910 sowie eine Grundebene 908 vorgesehen sind. Bei dieser Ausführung gestatten die Übertragungsleitungen 909 und 910 auf einem gemeinsamen Trägersubstrat 950 (zum Beispiel einer gedruckten Schaltkarte, einem keramischen Substrat oder einer flexiblen Karte ("flex board")) dem Chip-Ausgangssubstrat oder dem zweiten Substrat 812, daß es von dem Halbleitersubstrat 901 entfernt wird, ohne die Verminderung des Übersprechens zu opfern. Die Grundebene 908 ist wiederum durch eine isolierende Schicht getrennt, und die Grundebene 908 kann auf der Rückseite des gemeinsamen Substrats 950 angeordnet sein. Die Übertragungsleitungen 909 und 910 sowie alle anderen Komponenten sind denselben Einschränkungen unterworfen wie vorstehend beschrieben.
  • Die elektrischen Verbindungen zwischen den Substraten können in zahlreichen Ausführungsformen vorliegen, neben der getrennten Zwischenstruktur gemäß Fig. 9. Eine Art der Verbindung zwischen den Substraten, wie vorstehend durchgängig erwähnt, besteht in der Verwendung von Leitungsverbindungen 405, wie in Fig. 10 dargestellt. Eine andere Verbindung zwischen den Substraten ist als "flip chip" oder "direct chip attach" (direkte Chip- Aufbringung) bekannt, wie in Fig. 11 dargestellt ist, wobei keine Leitungsverbindungen 405 verwendet werden.
  • Zusammenfassend hilft diese Erfindung dabei das Problem des Signal-Übersprechens zu lösen, wenn ein Signal von einem Substrat auf ein zweites Substrat weggeleitet wird, durch einen elektrischen Signalprozessor geleitet wird (etwa einem Filter mit einer relativ kurzen Verzögerung) und daraufhin auf das erste Substrat zurückgeleitet wird, insbesondere, wenn die elektrischen Verbindungen eng beieinanderliegen müssen. Unter ungünstigen Umständen von nahe beieinanderliegenden elektrischen Verbindungen muß die Implementierung aller Komponenten des Übertragungssystems sorgfältig durch die geeignete differentielle Übertragungsleitungsstruktur gesteuert werden, um das Übersprechen zwischen dem Signalprozessoreingang und dem Ausgang zu reduzieren.

Claims (10)

1. Verbindungsstruktur für miniaturisierte Hochfrequenzschaltungen mit:
- einem Substrat (409) mit einem Paar von Eingangsanschlüssen und einem Paar von Ausgangsanschlüssen, um eine externe elektrische Kopplung zu dem Substrat (409) zur Verfügung zu stellen;
- einer differentiellen Eingangsübertragungsleitung (423), die in dem Substrat (409) ausgebildet ist und an das Paar von Eingangsanschlüssen gekoppelt ist, sowie einer differentiellen Ausgangsübertragungsleitung (424), die in dem Substrat (409) ausgebildet ist und mit dem Paar von Ausgangsanschlüssen gekoppelt ist;
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Schicht (412) mit gemeinsamem Potentialniveau unterhalb der differentiellen Übertragungsleitung und entfernt von den Anschlüssen angeordnet ist, um die parasitären Kapazitäten zwischen den differentiellen Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen (423, 424) auszugleichen.
2. Verbindungsstruktur nach Anspruch 1, bei der jede differentielle Übertragungsleitung (423, 424) erste und zweite Leiter (410, 411; 413, 414) aufweist, wobei:
- der erste Leiter im wesentlichen parallel zu dem Substrat (409) ist; und
- der zweite Leiter oberhalb des ersten Leiters liegt, wobei der zweite Leiter breiter ist als der erste Leiter, so daß die Kapazität des zweiten Leiters bezüglich der Schicht mit gemeinsamem Potentialniveau im wesentlichen gleich der Kapazität des ersten Leiters zu der Schicht (412) mit gemeinsamem Potentialniveau ist.
3. Verbindungsstruktur nach Anspruch 1, bei der jede differentielle Übertragungsleitung (423, 424) erste und zweite Leiter aufweist, wobei:
- der erste Leiter im wesentlichen parallel zu dem Substrat (409) ist; und
- der zweite Leiter oberhalb des ersten Leiters angeordnet ist, wobei der zweite Leiter breiter ist als der erste Leiter, so daß die Kapazität des zweiten Leiters bezüglich der Schicht (412) mit gemeinsamem Potentialniveau im wesentlichen gleich der Kapazität des ersten Leiters bezüglich der Schicht (412) mit gemeinsamem Potentialniveau ist, wobei der zweite Leiter wenigstens einen Schlitz (700) aufweist, der Schlitz im wesentlichen in der Mitte des zweiten Leiters angeordnet ist und der Schlitz eine Breite aufweist, so daß die ohmschen Verluste und die Selbstinduktivität des zweiten Leiters im wesentlichen gleich den ohmschen Verlusten und der Selbstinduktivität des ersten Leiters sind.
4. Verbindungsstruktur nach Anspruch 1, welche weiterhin aufweist:
- ein zweites Substrat (813);
- eine Verarbeitungsschaltung (812), die in dem zweiten Substrat (813) ausgebildet ist, um ein erstes differentielles Signal zu empfangen und elektrisch zu verarbeiten, wobei die elektrische Verarbeitungseinheit (812) einen differentiellen Eingang mit einer vorbestimmten Lastimpedanz aufweist und die Verarbeitungseinheit (812) einen differentiellen Ausgang mit einer vorbestimmten Quellenimpedanz aufweist, um ein zweites differentielles Signal durch Verarbeitung des ersten differentiellen Signals zur Verfügung zu stellen; und
- wobei der differentielle Eingang des zweiten Substrats elektrisch mit der differentiellen Ausgangsübertragungsleitung des ersten Substrats über das Paar von Ausgangsanschlüssen gekoppelt ist und der differentielle Ausgang des zweiten Substrats elektrisch mit der differentiellen Eingangsübertragungsleitung des ersten Substrats über das Paar von Eingangsanschlüssen gekoppelt ist.
5. Verbindungsstruktur für miniaturisierte Hochfrequenzschaltungen mit:
- einem ersten Substrat (901) mit wenigstens einem ersten Paar differentieller Übertragungsleitungsanschlüsse;
- einem zweiten Substrat (950) mit wenigstens einem zweiten Paar differentieller Übertragungsleitungsanschlüsse (909, 910);
- einer ersten Schicht mit gemeinsamem Potentialniveau, welche unter einem Abschnitt des ersten Paars differentieller Übertragungsleitungsanschlüsse angeordnet ist, um die parasitären Kapazitäten auszugleichen, welche mit den ersten Übertragungsleitungsanschlüssen in Verbindung stehen;
- einer zweiten Schicht (908) mit gemeinsamem Potentialniveau, welche unter einem Abschnitt des zweiten Paars differentieller Übertragungsleitungsanschlüsse angeordnet ist, um die parasitären Kapazitäten auszugleichen, die mit den zweiten Übertragungsleitungsports in Verbindung stehen; und
- leitende Mittel zum Verbinden der differentiellen Übertragungsleitungsports des ersten und zweiten Substrats, wobei die leitenden Mittel entfernt von der ersten und der zweiten Schicht mit gemeinsamem Potentialniveau angeordnet sind.
6. Verbindungsstruktur nach Anspruch 5, bei der das wenigstens erste Paar differentieller Übertragungsleitungsports aufweist:
- einen ersten differentiellen Eingangsport mit einem ersten Paar von Eingangsanschlüssen und einen ersten differentiellen Ausgangsport mit einem ersten Paar von Ausgangsanschlüssen;
- eine erste Übertragungsleitung, die auf dem ersten Substrat ausgebildet ist, wobei der erste differentielle Ausgangsport mit dem ersten Paar von Ausgangsanschlüssen gekoppelt wird; und
- eine zweite Übertragungsleitung, die auf dem ersten Substrat ausgebildet ist, wobei das erste Paar von Eingangsanschlüssen mit dem ersten differentiellen Eingangsport gekoppelt wird.
7. Verbindungsstruktur nach Anspruch 6, bei der das wenigstens zweite Paar differentieller Übertragungsleitungsanschlüssen umfaßt:
- einen zweiten differentiellen Eingangsport mit einem zweiten Paar von Eingangsanschlüssen und einen zweiten differentiellen Ausgangsport mit einem zweiten Paar von Ausgangsanschlüssen;
- eine dritte Übertragungsleitung, die auf dem zweiten Substrat ausgebildet ist, wobei das zweite Paar von Eingangsanschlüssen mit dem zweiten differentiellen Eingangsport gekoppelt ist; und
- eine vierte Übertragungsleitung, die auf dem zweiten Substrat ausgebildet ist, wobei der zweite differentielle Ausgangsport mit dem zweiten Paar von Ausgangsanschlüssen gekoppelt ist.
8. Verbindungsstruktur nach Anspruch 7, bei der die leitenden Mittel umfassen:
- ein erstes Paar von Verbindungsleitungen, welche das erste Paar von Ausgangsanschlüssen mit dem zweiten Paar von Eingangsanschlüssen verbinden; und
- ein zweites Paar von Verbindungsleitungen, welche das zweite Paar von Ausgangsanschlüssen mit dem ersten Paar von Eingangsanschlüssen koppeln.
9. Verbindungsstruktur nach Anspruch 7, bei der die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse beider Substrate Verbindungs- Anschlußstellen aufweisen, um eine direkte Anfügung des zweiten Substrats an dem ersten Substrat zu unterstützen, wenn das zweite Substrat invertiert ist und auf der Oberseite des ersten Substrats in einer "flip-chip"- Konfiguration montiert ist.
10. Verbindungsstruktur nach Anspruch 5, bei der die leitenden Mittel umfassen:
- ein drittes Substrat mit wenigstens einem dritten Paar von differentiellen Übertragungsleitungsports;
- eine dritte Schicht mit gemeinsamem Potentialniveau, die unterhalb eines Abschnittes des dritten Paars differenti eller Übertragungsleitungsports angeordnet ist, um die parasitären Kapazitäten auszugleichen, die mit den dritten Übertragungsleitungsports in Verbindung stehen; und
- Verbindungsleitungen zum Verbinden der differentiellen Übertragungsleitungsports des ersten und des zweiten Substrats, wobei die Verbindungsleitungen entfernt von der ersten, der zweiten und der dritten Schicht mit gemeinsamem Potentialniveau angeordnet sind.
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