JP2006114715A - 容量可変型コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の方法に比べ格段に大容量で、かつ、プリント基板またはＬＳＩパッケージを作製した後に容量を容易に変更できる容量可変型コンデンサを提供する。
【解決手段】 プリント基板に実装される集積回路の電源電極と接地電極との間に配設されるバイパスコンデンサであり、電源電極に電気的に接続される第１の電極と接地電極に電気的に接続される第２の電極との間に誘電体を形成したコンデンサ素子を複数設け、コンデンサ素子間にスイッチング素子を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板又はパッケージに内蔵される容量可変型コンデンサ、特に、プリント基板等に実装される集積回路の電源電極と接地電極との間に配設されるバイパスコンデンサとして用いることができる容量可変型コンデンサに関するものである。

従来、プリント基板にＬＳＩ（集積回路）等の電子部品を実装する際に、プリント基板の不要輻射ノイズの発生を防止し、かつ信号波形を安定させるＥＭＣ（ElectroMagnetic Compatibility）対策用にバイパスコンデンサが用いられている。一方、プリント基板への高密度実装を達成するために、ＢＧＡ（Ball Grid Aray Package）やＰＧＡ（Pin Grid Aray Package）といったグリッドアレイタイプの電子部品も多用されており、これらグリッドアレイタイプの電子部品にもバイパスコンデンサが用いられている。

図１１は従来のバイパスコンデンサの実装方法の一例を示す図である。図１１に示す従来例では、プリント基板３２上にＢＧＡタイプのＬＳＩ３１ａと電源配線パターン１０ａとグランド（接地）配線パターン１１ａが配置されている。この電源配線パターン１０ａはコンデンサ３４の片方の電極に接続され、コンデンサ３４のもう一方の電極にはグランド配線パターン１１ａが接続される。コンデンサ３４はインダクタンス成分を減らすために、ＢＧＡ３１ａの近くに配置される。しかしながら、近くに配置しても、ＬＳＩ等の電源端子とコンデンサの間には、プリント基板に実装するための一定以上の距離が必要で、距離に比例して、電源配線パターンにインダクタンス成分が発生する。

インダクタンスが無視できる低い周波数帯域では、バイパスコンデンサとして作用するが、高周波数帯域では、伝送ノイズおよび不要輻射ノイズの抑制が不十分となる。この点を解決するために例えば、特許文献１には、バイパスコンデンサの接続方法と形成方法が開示されている。しかしながら、上述の方法では、グリッドアレイタイプの電子部品には適用できない。そこで、特許文献２に示されるＢＧＡを利用したコンデンサ形成方法が提案されており、ＢＧＡ内にコンデンサを形成するためにインダクタンス成分が小さくなり、伝送ノイズおよび不要輻射ノイズを抑制できる。また、特許文献３に示される基板内蔵型コンデンサ形成方法では、プリント基板内にコンデンサを形成するためにインダクタンス成分が小さくなり、伝送ノイズおよび不要輻射ノイズを抑制できる。
特開平９−１０２６６３号公報 特開平９−８２５５７号公報 特開平８−２０４３４１号公報

しかしながら、上述の従来の方法では、プリント基板またはＬＳＩパッケージ内にコンデンサを形成しているため、大容量のコンデンサ形成が困難で、かつ、基板またはパッケージ作製した後にコンデンサの容量を変更することはできないという問題点があった。

そこで、本発明は前記課題に鑑み、大容量で、かつ、プリント基板またはＬＳＩパッケージを作製した後に容量を変更できる容量可変型コンデンサを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明では、複数のコンデンサ素子をアレイ状に配置して、その素子間にスイッチング素子を設けることにより、容量可変型コンデンサを構成している。

すなわち、本発明による容量可変型コンデンサは、プリント基板又はパッケージに実装される集積回路の電源電極と接地電極との間に配設されるバイパスコンデンサであって、前記電源電極に電気的に接続される第１の電極と前記接地電極に電気的に接続される第２の電極との間に誘電体を形成したコンデンサ素子を複数設け、コンデンサ素子間にスイッチング素子を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、プリント基板またはＬＳＩパッケージを作製した後に容量を容易に変更できる。

この発明では、好ましくは、前記コンデンサ素子間のスイッチング素子が、可動部を有する機構スイッチで構成されている。さらに好ましくは、前記機構スイッチが、ＭＥＭＳにより形成されており、前記機構スイッチが、スイッチのオンまたはオフの状態を保持する例えばばねからなるスイッチ状態保持機構を有し、前記機構スイッチの可動部は、電磁アクチュエータまたは静電アクチュエータまたは圧電アクチュエータにより動作する。

また、本発明による容量可変型コンデンサは、請求項１において、前記コンデンサ素子間のスイッチング素子が、電気スイッチで構成されている。
このように構成することで、プリント基板またはＬＳＩパッケージ作成後に容量を容易に変更できる。

この発明では、好ましくは、前記電気スイッチが、例えばＦＥＴ等のトランジスタで形成されている。

また、本発明による容量可変型コンデンサは、請求項１から８において、前記コンデンサ素子が、アレイ状に配置している。

このように構成することで、単位体積あたりのコンデンサ素子およびスイッチング素子を多く形成できる。

この発明では、好ましくは、前記コンデンサ素子が、３次元的に配置している。さらに好ましくは、複数の前記コンデンサ素子において、それぞれの第２の電極が１つの導体で形成されている。

また、本発明による容量可変型コンデンサは、請求項１から１１において、前記コンデンサ素子の第１の電極と第２の電極の少なくとも一方の対向面が、凸凹形状を有している。
このように構成することで、コンデンサ素子の容量を大きくすることができる。

この発明では、好ましくは、前記コンデンサ素子の第１の電極と第２の電極が、櫛型構造である。

以上述べたように、本発明の容量可変型コンデンサは、素子間にスイッチング素子を設けた複数のコンデンサ素子をアレイ状に配置することで、大容量、かつ、プリント基板またはＬＳＩパッケージ作成後に容量を容易に変更できる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の容量可変型コンデンサについて、説明する。
第１の実施の形態．
この発明の第１の実施の形態を図１に基づいて説明する。図１はこの発明の第１の実施の形態の容量可変型コンデンサの構成を概念的に示した斜視図であり、図２はこの発明の第１の実施の形態の容量可変型コンデンサ内蔵した容量可変型コンデンサ内蔵ＬＳＩパッケージの構成を示す断面図であり、図３はこの発明の第１の実施の形態の容量可変型コンデンサ内蔵した容量可変型コンデンサ内蔵プリント基板の構成を示す断面図である。

図１〜３において、容量可変型コンデンサは、それぞれ第１の電極２１と第２の電極２２との間に誘電体２３を設けてなる複数のコンデンサ素子１２と、コンデンサ素子間に配置されたスイッチング素子１３とからなっている。すなわち、第１の実施の形態の容量可変型コンデンサは、複数のコンデンサ素子１２が、例えばアレイ状（マトリクス状）に配置され、各コンデンサ素子１２の第１の電極２１と第２の電極２２は以下のように接続されている。

第１の実施の形態の容量可変型コンデンサにおいて、マトリクス状に配列された複数のコンデンサ素子１２の第２電極は共通の１つの電極（共通電極）として形成されており、複数のコンデンサ素子１２は第２電極側で互いに接続されている。そして、その共通電極は一部でグランド配線１１に接続されている。また、コンデンサ素子１２の第１電極２１は隣接コンデンサ素子間で互いに分離された個別電極として設けられている。そして、マトリクス状に配列された複数のコンデンサ素子１２の１つのかどにあるコンデンサ素子１２の第１の電極２１は電源配線１０に接続され、隣接する第１の電極２１間にスイッチング素子１３が設けられている。

このように構成された第１の実施の形態の容量可変型コンデンサでは、隣接するコンデンサ素子間に設けられたスイッチング素子１３のオンオフを切り替えることによって、電源配線１０とグランド配線１１の間に並列に接続されるコンデンサの数を変更でき、静電容量の変更が可能となる。

図２は、図１に示した容量可変型コンデンサを内蔵した具体例の１つである容量可変型コンデンサ内蔵ＬＳＩパッケージ（具体例１）の構成を示す断面図である。
この図２の具体例１の容量可変型コンデンサ内蔵ＬＳＩパッケージでは、ある電極層（例えば、グランドプレーン）に複数のコンデンサ素子の第２の電極２２となる共通電極を形成し、その共通電極の上の層に各コンデンサ素子の誘電体２３を設け、その誘電体２３の上の電極層を利用してそれぞれ各コンデンサ素子の第１の電極２１を形成している。
そして、隣接する第１の電極２１間は、その上の層（スイッチ層２４）に構成されたスイッチング素子１３により接続されている。

このように、ＬＳＩパッケージの内部にコンデンサを形成する場合、一般的に、スペースの制約から１つのまとまった領域が必要になる大容量のコンデンサを形成することは困難であり、かつ、パッケージを作製した後にコンデンサの容量を変更することも困難である。
しかしながら、第１の実施の形態の容量可変型コンデンサを内蔵するようにすれば、まとまった領域がなくても複数の領域に分けて複数のコンデンサ素子１２を形成して、比較的大容量のコンデンサを内蔵することが可能となり、かつコンデンサの容量を変更することが可能となる。

また、図３は、プリント基板３２に容量可変型コンデンサを内蔵するようにした具体例であり、図２のパッケージと同様、ある内部電極層に共通電極を形成し、その共通電極の上の層に各誘電体２３を設け、その誘電体２３の上の電極層にそれぞれ各コンデンサ素子の第１の電極２１を形成している。
そして、隣接する第１の電極２１間は、その上の層（スイッチ層２４）に構成されたスイッチング素子１３により接続される。

以上のようにして、基板に第１の実施の形態の容量可変型コンデンサを内蔵するようにすれば、まとまった領域がなくても複数の領域に分けて複数のコンデンサ素子１２を形成して、比較的大容量のコンデンサを内蔵することが可能となり、かつコンデンサの容量を変更することが可能となる。

また、複数のコンデンサ素子が並列に接続される容量可変型コンデンサにおいて、より大きな容量のコンデンサを実現するためには、コンデンサ素子の容量を大きくすることと、基板またはＬＳＩパッケージ内に形成される微細コンデンサ素子間をつなぎ合わせるための微細スイッチの実現が必要になる。

各コンデンサ素子の容量は、近年のプリント基板の多層化技術を利用することで大きくでき、微細スイッチは、後述するトランジスタによる電気スイッチ、あるいは、近年、ＴＩ社（Texas Instruments Inc．）のＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子等で注目されているＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術（例えば、日経エレクトロニクス１９９９．１０．２５、ｎｏ．７５５、ｐ１１１）を利用した機構スイッチで実現することができる。

以上、図１に示す例では、コンデンサ素子１２の平面形状は、いずれも正方形としその大きさも同一に描いているが、コンデンサ素子の形状、大きさはこれに限定されるものではない。従って、本発明では、複数のコンデンサ素子の形状及び／又は大きさは異なっていても良い。また、コンデンサ素子１２が長方形の外形を持つ領域内に縦横に整列して配置されているが、コンデンサ素子の配列パターンは、これに限定されない。

第２の実施の形態．
本発明に係る第２の実施の形態の容量可変型コンデンサを図４，図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら説明する。図４は、第２の実施の形態の容量可変型コンデンサの構成を模式的に示す斜視図であり、図５Ａは、第２の実施の形態の容量可変型コンデンサにおける電磁アクチュエータを備えた機構スイッチを概念的に説明するための断面図である。また、図５Ｂは、図５Ａにおいて概念的に示した機構スイッチの構成を説明するための斜視図である。

この本発明に係る第２の実施の形態の容量可変型コンデンサは、隣接するコンデンサ素子間を接続するスイッチング素子として可動部を有する機構スイッチ１３ａを用いている点が、図１に示した第１の実施の形態とは異なっている。
第２の実施の形態の容量可変型コンデンサにおいて、機構スイッチ１３ａは、電磁アクチュエータ２６とばね２５とによって構成されており、隣接する２つのコンデンサ素子１２の第１の電極２１間を接続するために移動可能に設けられた導電部材２８が、第１の電極２１に接続、非接続状態となることで選択的にオン、オフする。

より具体的には、移動可能に設けられた導電部材２８に接続された可動コイル２６ｂの両端をサスペンション電極２６ｃを介してそれぞれ固定電極に接続し、可動コイル２６ｂの内側に固定磁石２６ａを配置することにより、電磁アクチュエータ２６は構成される。
また、このような機構スイッチ１３ａをコンデンサ素子間のスイッチング素子として用いる場合、第１の電極２１には電源配線１０が接続されていることから、第１の電極２１と導電部材２８の間に電位差Ｖが生じ、静電力（吸引力）が働くので、ばね２５により導電部材２８を保持する構造としている。このばね２５により、スイッチがオフ時に第１の電極２１と導電部材２８とが接触しないようになっている。尚、第１の電極２１と導電部材２８の間の静電力（吸引力）は、次式で表され、その静電力（吸引力）を考慮してバネの強さは設定される。
Ｆ＝εＳＶ^２／（２ｄ^２）・・・（式１）
ここで、εは第１の電極２１と導電部材２８との間の誘電率、ｄは第１の電極２１と導電部材２８との間の距離、Ｓは第１の電極２１と導電部材２８の対向部分の面積である。

機構スイッチ１３ａは、近年、ＴＩ社（Texas Instruments Inc．）のＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子等で注目されているＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して、半導体プロセスで製作することで、小型かつ低浮遊容量化が実現でき、高周波帯域での利用が可能となる。

以上のように構成された第２の実施の形態の容量可変型コンデンサにおいて、電磁アクチュエータ２６を選択的にオン、オフすることにより、隣接する２つのコンデンサ素子１２の第１の電極２１の間の電気的な接続、非接続状態を制御でき、所望の容量になるように必要な数のコンデンサ素子を並列に接続できるので、大容量化が可能となり、基板またはパッケージを作製した後に任意のコンデンサ容量を設定することができる。

なお、第２の実施の形態では、機構スイッチとして電磁アクチュエータを用いた場合の例を述べたが、図６Ａ，図６Ｂに示すような静電アクチュエータを用いて構成してもよい。
図６Ａ，Ｂの静電アクチュエータ２７においては、隣接するコンデンサ素子１２の第１電極２１に対向する導電部材２８が、サスペンション電極２７ｃとサスペンション部２７ａとによって移動可能に設けられている。

このように構成された静電アクチュエータ２７において、サスペンション電極２７ｃを介して導電部材２８と電源配線１０との間の電位差を制御して導電部材２８と第１の電極２１を接触させたり離したりすることができ、大容量化、及び基板またはパッケージを作製した後に任意のコンデンサ容量を設定することが可能となる。
また、図６Ａ、Ｂの静電アクチュエータ２７は、電磁アクチュエータに比較して半導体製造技術を用いたマイクロマシニング技術で作製することが容易であり、基板又はパッケージと一体化されたスイッチング素子を容易に構成できる。

具体的には、例えば、基板等の表面に犠牲層を形成し、その上に移動可能に構成する必要がある導電部材２８、サスペンション電極２７ｃ及びサスペンション部２７ａを形成した後に、犠牲層を選択的に除去する。このようにすると、サスペンション電極２７ｃ及びサスペンション部２７ａによって第１の電極上に中空で支持された導電部材２８を容易に作製できる。

また、第２の実施の形態では、機構スイッチとして、図６Ｃ，図６Ｄに示すような圧電アクチュエータを用いて構成したものであってもよい。
図６Ｃ，Ｄの圧電アクチュエータ２９においては、隣接するコンデンサ素子１２の第１電極２１に対向するように圧電素子２９が、例えば、一端側が固定され、他端側がサスペンション電極２９ｃの一端に接続されて移動可能に保持され、サスペンション電極２９ｃの他端が固定電極２９ｂに接続される。
この圧電素子２９ａは、２枚の圧電体板が張り合わされてなり、その２枚の圧電体板の間には中央電極（例えば、正側の電極）が設けられ、圧電体板の外側の表面にはそれぞれ表面電極（例えば、負側の電極）が形成されている。

このように構成された圧電アクチュエータ２９において、サスペンション電極２９ｃを介して中央電極と表面電極間に所定の電圧を印加すると、圧電素子は湾曲する。これを利用して隣接するコンデンサ素子の第１の電極２１間を導通させたり切り離したりすることができ、大容量化、及び基板またはパッケージを作製した後に任意のコンデンサ容量を設定することが可能となる。

第３の実施の形態．
本発明に係る第３の実施の形態の容量可変型コンデンサを図７Ａ，図７Ｂを参照しながら説明する。図７Ａは、第３の実施の形態の容量可変型コンデンサの構成を模式的に示す斜視図であり、図７Ｂは、第３の実施の形態の容量可変型コンデンサにおける電気スイッチ１４の構造を説明するための断面図である。

この本発明に係る第３の実施の形態の容量可変型コンデンサは、隣接するコンデンサ素子間を接続するスイッチング素子として電気スイッチ１４を用いている点が、図１に示した第１の実施の形態とは異なっているが、その他の部分については、第１の実施の形態と同様に構成されている。

第３の実施の形態において、電気スイッチ１４は、Ｓｉ基板１４ａと、Ｓｉ基板１４ａの上面に所定の間隔を隔てて形成されたソース電極１４ｂ及びドレイン電極１４ｃと、ソース電極１４ｂ及びドレイン電極１４ｃの間の基板上にゲート酸化膜１４ｄを介してポリシリコンゲート１４ｅと、ポリシリコンゲート１４ｅの上に形成されたゲート電極１４ｆとによって構成されたトランジスタ半導体スイッチング素子である。

以上のように構成された第３の実施の形態の容量可変型コンデンサにおいて、電気スイッチ１４を選択的にオン、オフすることにより、隣接する２つのコンデンサ素子１２の第１の電極２１の間の電気的な接続、非接続状態を制御でき、コンデンサ素子を並列に接続できる。これにより、大容量化が可能となり、基板またはパッケージ作成後に任意のコンデンサ容量を設定することができる。

この第３の実施の形態では、トランジスタで負荷であるコンデンサ接続の有無を制御するが、一般に、トランジスタの特性として、負荷容量が大きくなるとスイッチング速度が遅くなり、高周波に追従できなくなって、高周波帯域ではバイパスコンデンサとして機能しなくなるという問題がある。しかしながら、本発明では、微細コンデンサをアレイ状にならべて、並列接続して大容量のコンデンサを得るため、個々のコンデンサ素子は小容量であり、高周波スイッチングにトランジスタが追従でき、高周波帯域でもバイパスコンデンサとして機能する。

以上のように構成された第３の実施の形態の可変容量コンデンサによれば、バイパスコンデンサの大容量化が可能となり、基板またはパッケージ作成後に任意のコンデンサ容量を設定することができる。

また、第３の実施の形態として、コンデンサ素子が平面上に整列してアレイ状に配置している場合を例として述べたが、図８に示すように、コンデンサ素子が多層プリント基板に３次元的に配置している場合には、並列接続する数を増大させることができ、バイパスコンデンサのさらなる大容量化が可能となる。

なお、第３の実施の形態として、第１の電極および第２の電極が平面形状の場合を例として述べたが、図９に示すように、コンデンサ素子の電極を誘電体２３の凸凹形状の表面に形成した場合、あるいは、図１０に示すように、コンデンサ素子の電極を櫛型構造とした場合には、平面形状の電極に比べて、個々のコンデンサ素子の容量をより大きくでき、バイパスコンデンサのさらなる大容量化が可能となる。

以上説明したように、本発明の容量可変型コンデンサは、素子間にスイッチング素子を設けた複数のコンデンサ素子をアレイ状に配置することで、大容量、かつ、プリント基板またはＬＳＩパッケージ作成後に容量を容易に変更できる。従って、プリント基板の不要輻射ノイズの発生を防止し、かつ信号波形を安定させるＥＭＣ対策に対応したコンデンサとして有用である。

本発明に係る第１の実施の形態の容量可変型コンデンサの構成を概念的に示した斜視図。 第１の実施の形態の容量可変型コンデンサ内蔵ＬＳＩパッケージの構成を示す断面図。 第１の実施の形態の容量可変型コンデンサ内蔵プリント基板の構成を示す断面図。 本発明に係る第２の実施の形態の容量可変型コンデンサの構成を概念的に示した斜視図。 第２の実施の形態の機構スイッチの一具体例として電磁アクチュエータを用いて構成した機構スイッチを説明するための断面図。 図５Ａの機構スイッチのより具体的な構成を説明するための斜視図。 第２の実施の形態の機構スイッチの他の具体例として静電アクチュエータを用いて構成した機構スイッチを説明するための断面図。 図６Ａの機構スイッチのより具体的な構成を説明するための斜視図。 第２の実施の形態の機構スイッチの別の具体例として圧電アクチュエータを用いて構成した機構スイッチを説明するための断面図。 図６Ｃの機構スイッチのより具体的な構成を説明するための斜視図。 本発明に係る第３の実施の形態の容量可変型コンデンサの構成を模式的に示す斜視図。 第３の実施の形態の電気スイッチの一具体例としてトランジスタを用いて構成した電気スイッチを説明するための断面図。 ３次元配置されたコンデンサ素子を説明するための斜視図。 凸凹形状電極を有するコンデンサ素子を説明するための断面図。 櫛形構造電極を有するコンデンサ素子を説明するための断面図。 従来のバイパスコンデンサの実装方法を示す図。

符号の説明

１０ 電源配線、
１１ グランド配線、
１２ コンデンサ素子、
１３ スイッチング素子、
１３ａ機構スイッチ、
１４ 電気スイッチ、
２１ 第１の電極、
２２ 第２の電極、
２３ 誘電体、
２４ スイッチ層、
２５ ばね、
２６ 電磁アクチュエータ、
２７ 静電アクチュエータ、
２８ 導電部材、
３１ ＬＳＩパッケージ、
３２ プリント基板、
３３ ベアチップＩＣ。

Claims (13)

1. プリント基板又はパッケージに実装される集積回路の電源電極と接地電極との間に配設されるバイパスコンデンサであって、前記電源電極に電気的に接続される第１の電極と前記接地電極に電気的に接続される第２の電極との間に誘電体を形成したコンデンサ素子を複数設け、コンデンサ素子間にスイッチング素子を設けたことを特徴とする容量可変型コンデンサ。
2. 前記コンデンサ素子間のスイッチング素子が、可動部を有する機構スイッチで構成されていることを特徴とする請求項１記載の容量可変型コンデンサ。
3. 前記機構スイッチが、ＭＥＭＳにより形成されていることを特徴とする請求項２記載の容量可変型コンデンサ。
4. 前記機構スイッチが、スイッチのオンまたはオフの状態を保持するスイッチ状態保持機構を有することを特徴とする請求項３記載の容量可変型コンデンサ。
5. 前記スイッチ状態保持機構が、ばねで形成されていることを特徴とする請求項４記載の容量可変型コンデンサ。
6. 前記機構スイッチの可動部は、電磁アクチュエータまたは静電アクチュエータまたは圧電アクチュエータにより動作することを特徴とする請求項５記載の容量可変型コンデンサ。
7. 前記コンデンサ素子間のスイッチング素子が、電気スイッチで構成されていることを特徴とする請求項１記載の容量可変型コンデンサ。
8. 前記電気スイッチが、トランジスタで形成されていることを特徴とする請求項７記載の容量可変型コンデンサ。
9. 前記コンデンサ素子が、アレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の容量可変型コンデンサ。
10. 前記コンデンサ素子が、３次元的に配置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の容量可変型コンデンサ。
11. 複数の前記コンデンサ素子において、それぞれの第２の電極が１つの導体で形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の容量可変型コンデンサ。
12. 前記コンデンサ素子の第１の電極と第２の電極の少なくとも一方の対向面が、凸凹形状を有していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の容量可変型コンデンサ。
13. 前記コンデンサ素子の第１の電極と第２の電極が、櫛型構造であることを特徴とする請求項１から１２に記載の容量可変型コンデンサ。
    

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