JP2010050621A

JP2010050621A - 薄膜バラン

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Publication number: JP2010050621A
Application number: JP2008211787A
Authority: JP
Inventors: Makoto Endo; 眞遠藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP5051063B2; US8143968B2; US20100045401A1

Abstract

【課題】直流バイアス供給のためのキャパシタを内蔵させつつ、平衡伝送特性を改善し得る薄膜バランを提供する。
【解決手段】本実施形態に係る薄膜バランは、２つのコイルを備える不平衡伝送線路と、２つのコイルを備え、不平衡伝送線路に電磁気的に結合する平衡伝送線路と、平衡伝送線路に接続された、キャパシタ４を構成する第１電極と、接地端子７２に接続された、第１電極に対向配置されてキャパシタ４を構成する第２電極５１と、を有する。第２電極５１は、不平衡伝送線路又は平衡伝送線路を構成するコイルに対向する部分を有すると共に、第１電極に対向して一体に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、不平衡―平衡の信号変換を行なうバランであって、特に、小型薄型化に有利な薄膜プロセスにより形成された薄膜バランに関する。

無線通信機器は、アンテナ、フィルタ、ＲＦスイッチ、パワーアンプ、ＲＦ−ＩＣ、バラン等の各種高周波素子によって構成される。ここで、アンテナやフィルタ等の共振素子は、接地電位を基準とした不平衡型の信号を扱うが、高周波信号の生成や処理を行なうＲＦ−ＩＣは、平衡型の信号を扱うため、両者を接続する場合には、不平衡−平衡変換器として機能するバランが使用される。

ところで、携帯電話などの移動体通信機や無線ＬＡＮに用いられるバランに対してバイアスを印加して、平衡信号を増幅させることが求められることがある。この場合には、バランの平衡伝送線路とＧＮＤ端子との間に、目的の周波数の信号がＧＮＤへ流れるような容量をもつキャパシタを直列に挿入して、ＤＣ成分と目的の周波数成分とを分ける必要がある。

かかる機能を有するバランとして、特許文献１には、バランの平衡伝送線路とＧＮＤ端子との間にキャパシタを設けた積層型バランが開示されている。この積層型バランは、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）技術を用いて形成されたものであり、その全面にキャパシタが形成されている。
特許第３７８０４１４号公報

ところで、本願発明者が、近時の電子デバイスへの小型化、薄型化の要求に応えるべく、上記従来のようなバイアス供給用のキャパシタを備えるバランの特性について鋭意検討を行ったところ、薄膜プロセスで形成した薄膜バランにおいては、バイアス供給用のキャパシタがバランの平衡伝送特性に影響を与えることを見出した。これは、薄膜バランでは、キャパシタと平衡伝送線路との間の層間距離が積層型バランに比べて短いという、構造的な要因に起因するものと推定されるものの、従来の積層型バランの構成を用いる限りにおいては、場合によっては、薄膜バランに要求される種々の特性をこれまで以上に十分に高めることができないことが判明した。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、直流バイアス供給のためのキャパシタを内蔵させつつ、平衡伝送特性を改善することができる薄膜バランを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の薄膜バランは、一対の第１のコイルを備える不平衡伝送線路と、一対の第２のコイルを備え、不平衡伝送線路に電磁気的に結合する平衡伝送線路と、平衡伝送線路に接続された、キャパシタを構成する第１電極と、接地端子に接続された、第１電極に対向配置されてキャパシタを構成する第２電極と、を有し、前記第２電極は、第１のコイル又は第２のコイルの少なくとも一方に対向する部分を有すると共に、第１電極に対向して一体に形成されていることを特徴とする。

このような構成では、第２電極は、第１電極に対向配置された領域においてキャパシタ電極として機能するとともに、第１のコイル又は第２のコイルの少なくとも一方に対向する領域においてシールド電極として機能すると予想される。そして、薄膜バランの平衡伝送特性（信号の位相及び強度の平衡度）が改善される作用機序の詳細については未だ不明な点があるものの、上記構成の第２電極は、キャパシタ電極とシールド電極とを別々に設けた場合に比べて、平衡伝送特性が改善される結果が得られた。

好ましくは、第２電極は、第１電極に対向する領域から、第１のコイル及び第２のコイルのコイル開口に対向する領域まで延在している。さらに好ましくは、第２電極は、第１のコイル及び第２のコイルの双方に対向する領域に配置されている。このように、第２電極の配置領域を広げれば、それだけシールド効果は高まるものと想定される。

また、第１電極は、好ましくは、第１のコイル及び第２のコイルのコイル開口に重ならないように配置されている。さらに好ましくは、第１電極は、第１のコイル又は第２のコイルのコイル導体に対向する領域に配置されているか、第１のコイル及び第２のコイルに重ならないように配置されている。平衡伝送線路に電気的に接続される第１電極は、接地電位に固定される第２電極の配置とは異なり、コイル開口に重ならないように配置することにより、不平衡伝送線路と平衡伝送線路の電磁気的結合に与える影響が低減され、これにより平衡伝送特性の改善がなされるものと予想される。

例えば、一対の第１のコイルは同一面に並んで配置され、一対の第２のコイルは一対の第１のコイルに対向して配置されており、第１電極は、一対の第１のコイル又は一対の第２のコイルを各コイルに分割する仮想線に対して対称となるように配置されている。左右のコイルを分割する仮想線に対して対称となるようなキャパシタの配置は、対称性が求められる平衡伝送特性に適しているものと予想される。

本発明によれば、接地端子に接続される第２電極が、第１のコイル又は第２のコイルの少なくとも一方に対向する部分を有すると共に、第１電極に対向して一体に形成されていることにより、薄膜バランの平衡伝送特性を改善することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本実施形態に係る薄膜バラン１の等価回路図である。
図１に示すように、コイル１１と、コイル１２と、コイル１１及びコイル１２を接続する引き出し配線３２とにより不平衡伝送線路２が構成されている。不平衡伝送線路２の一端は不平衡信号端子７１に接続されており、不平衡伝送線路２の他端は開放されている。また、コイル２１と、コイル２２と、コイル２１及びコイル２２を接続する引き出し配線３１とにより平衡伝送線路３が構成される。２つのコイル２１，２２の一端は、引き出し配線３１を介してＤＣ供給端子７３に接続され、またキャパシタ４を介して接地端子７２に接続されている。２つのコイル２１，２２の他端は、平衡信号端子７４，７５に接続されている。

このように、薄膜バラン１は、隣接する一対のコイル（第１のコイル）１１，１２を備える不平衡伝送線路２と、不平衡伝送線路２の各コイル１１，１２に対向して配置された一対のコイル（第２のコイル）２１，２２を備え、不平衡伝送線路２に電磁気的に結合する平衡伝送線路３と、平衡伝送線路３に一端が接続されたキャパシタ４と、キャパシタ４の他端に接続された接地端子７２とを備える。また、薄膜バラン１は、その他の端子として、不平衡信号端子７１と、ＤＣ供給端子７３と、平衡信号端子７４，７５と、ＮＣ（Non-Connection）端子７６を備えている。

図１を参照して薄膜バラン１の基本的な動作について説明する。
上記の薄膜バラン１では、不平衡信号端子７１に不平衡信号が入力されると、不平衡信号はコイル１１、引き出し配線３２、及びコイル１２を伝播する。そして、コイル１１においてはコイル２１と電磁気的に結合し、コイル１２においてはコイル２２と電磁気的に結合することによって、不平衡信号は位相が１８０°異なる２つの平衡信号に変換され、この２つ平衡信号が平衡信号端子７４，７５から出力される。このとき、ＤＣ供給端子７３にバイアス電圧を印加しておくことにより、平衡信号が増幅されて出力される。なお、平衡信号から不平衡信号の変換動作は、上述した動作を逆にしたものである。

上述したバランの動作から明らかなように、バランの平衡伝送特性は重要な要素である。平衡伝送特性は、２つの平衡信号の位相のずれが１８０°に近く、また、２つの平衡信号の強度が近いほど、高く評価される。

次に、本実施形態に係る薄膜バラン１の構造について説明する。図２〜図６は、薄膜バラン１の各配線層の平面図である。このうち、図２は第１配線層１０の平面図であり、図３は第２配線層２０の平面図であり、図４は第３配線層３０の平面図であり、図５は第４配線層４０の平面図であり、図６は第５配線層５０の平面図である。第１配線層１０が最下層の配線層であり、第５配線層５０が最上層の配線層である。図７は、図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線における薄膜バラン１の概略断面図である。

図２〜図６に示すように、第１配線層１０〜第５配線層５０の全ての層に、不平衡信号端子７１、接地端子７２、ＤＣ供給端子７３、平衡信号端子７４，７５、及びＮＣ端子７６が形成されている。各端子７１〜７６はスルーホールＰを介して異なる層間において電気的に接続されている。なお、図２〜図６に示す全てのスルーホールＰには上下層を電気的に導通させるよう金属めっきが施されている。以下、各配線層の構成について詳細に説明する。

図２に示すように、第１配線層１０には、不平衡伝送線路２を構成する２つのコイル１１，１２（一対の第１のコイル部）が隣接して形成されている。各コイル１１，１２は、１／４波長共振器相当を構成する。コイル１１の外側の端部１１ａは不平衡信号端子７１に接続されており、コイル１１の内側の端部１１ｂはスルーホールＰに接続されている。コイル１２の内側の端部１２ａはスルーホールＰに接続されており、コイル１２の外側の端部１２ａは開放されている。

図３に示すように、第２配線層２０には、平衡伝送線路３を構成する２つのコイル２１，２２（一対の第２のコイル部）が隣接して形成されている。各コイル２１，２２は、１／４波長共振器相当を構成する。平衡伝送線路３の各コイル２１，２２は、キャパシタ４の各コイル１１，１２に対向配置されており、対向している部分で磁気結合して結合器を構成する。コイル２１の外側の端部２１ａは平衡信号端子７４に接続されており、コイル２１の内側の端部２１ｂはスルーホールＰに接続されている。また、コイル２２の外側の端部２２ａは平衡信号端子７５に接続されており、コイル２２の内側の端部２２ｂはスルーホールＰに接続されている。

図４に示すように、第３配線層３０には、引き出し配線３１，３２が形成されている。引き出し配線３１は、３つのスルーホールＰとＤＣ供給端子７３とを接続するように分岐した形状を有する。そして、引き出し配線３１は、２つのスルーホールＰを介してコイル２１の端部２１ｂ及びコイル２２の端部２２ｂに接続されている。また、引き出し配線３２はスルーホールＰを介してコイル１１の端部１１ｂ及びコイル１２の端部１２ｂに接続されている。

図５に示すように、第４配線層４０には、下部電極４１が形成されている。下部電極４１は、スルーホールＰ及び引き出し配線３１に接続されている。これにより、下部電極４１は、ＤＣ供給端子７３及び平衡伝送線路３のコイル２１，２２に接続されている。下部電極４１は、本発明の第１電極の一実施形態である。

下部電極４１は、コイル１１，２１のコイル開口Ｃ１及びコイル１２，２２のコイル開口Ｃ２に重ならないように配置されていることが好ましい。さらに好ましくは、下部電極４１は、コイル１１，１２，２１，２２のコイル導体に対向する領域に配置されているか、コイル１１，１２，２１，２２に重ならないようにコイルの外側の領域に配置されていることが好ましい。平衡伝送線路３に電気的に接続される下部電極４１は、接地電位に固定されるもう一方の上部電極の配置とは異なり、コイル開口Ｃ１，Ｃ２に重ならないように配置することにより、不平衡伝送線路２と平衡伝送線路３の電磁気的結合に与える影響が低減され、これにより平衡伝送特性の改善がなされるものと予想される。図５では、下部電極４１が、コイル１２，２２のコイル導体に対向する領域に配置されている例を示している。

図６に示すように、第５配線層５０には、下部電極４１に対向して配置された上部電極５１が形成されている。下部電極４１と、上部電極５１と、下部電極４１及び上部電極５１の層間の誘電体膜とにより、キャパシタ４が構成される。上部電極５１は、接地端子７２に接続されている。上部電極５１は、本発明の第２電極の一実施形態である。

上部電極５１は、下部電極４１に対向する領域から、少なくとも１つのコイル開口Ｃ１，Ｃ２に対向する領域まで延在しており、シールド電極を兼用していることを特徴とする。さらに、好ましくは、上部電極５１は、下部電極４１に対向するキャパシタ４となる領域から、双方のコイル開口Ｃ１，Ｃ２に対向する領域まで延在している。さらに好ましくは、上部電極５１は、コイル領域の全面に対向する領域に配置されている。このように、上部電極５１の配置領域を広げれば、それだけシールド効果は高まるものと想定される。図６では、上部電極５１が、コイル領域の全面に形成されている例を示している。

以上、図２〜６を用いて説明した内容を、図１に照らし言い換えると、本実施形態に係る薄膜バランは不平衡回路を有し、その不平衡回路は１対の１／４波長回路が連結した構成をもつ伝送線路（第１のコイル部）を備え、不平衡回路を構成する一方の１／４波長回路は不平衡信号端子に接続され、他方の１／４波長回路は開放端に接続される。
この薄膜バランは、さらに不平衡回路と電磁気的に結合する平衡回路を有し、その平衡回路は一対の１／４波長回路を構成する伝送線路（第２のコイル部）を備えている。平衡回路を構成する一方の１／４波長回路の一端は平衡信号端子に接続され、その他端は平衡回路を構成する他方の１／４波長回路の一端と接続される。また、平衡回路を構成する他方の１／４波長回路の他端は平衡信号端子に接続される。さらに、平衡回路を構成する一対の１／４波長回路間の一点はキャパシタの一端と直流供給端子に接続され、そしてキャパシタの他端は接地端子に接続される。
このような回路構成において、そのキャパシタを構成する一対の電極のうちいずれか一方が、第１のコイル又は第２のコイルの少なくとも一方に対向する部分を有すると共に、第１の電極に対向して、一体に形成されている。

図７に示すように、上述した第１配線層１０〜第５配線層５０は、例えばアルミナからなる基板６０上に形成されている。各配線層１０〜５０の材料や製法に限定はないが、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、電気めっき法、又は無電解めっき法により形成されたＡｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の材料からなる。各配線層１０〜５０間には、誘電体膜６１〜６４が形成されている。誘電体膜６１〜６４の材料に特に限定はないが、例えば、誘電体膜６２、６４として、ポリイミド、感光性樹脂等が用いられる。誘電体膜６１の膜厚は、例えば３μｍ〜１００μｍである。また、不平衡伝送線路２が形成される第１配線層１０と、平衡伝送線路３が形成される第２配線層２０との間の誘電体膜６１には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン、アルミナ等が用いられ、例えば２．０μｍの窒化シリコンが用いられる。また、キャパシタ４の下部電極４１と上部電極５１との間の誘電体膜６３には、例えば窒化シリコン、酸化シリコン、アルミナ等が用いられる。

上述したように、本実施形態では、そのキャパシタを構成する上部電極５１が、コイル１１，１２（第１のコイル）又はコイル２１，２２（第２のコイル）の少なくとも一方に対向する部分を有すると共に、下部電極４１に対向して、一体に形成されている。このような構成により、上部電極５１はシールド電極を兼用しており、別個のシールド電極を必要としないものである。これによる効果について、実施例を参照して説明する。

（実施例１）
図７に示す構造において、コイル２２から上部電極５１までの距離ｔ１を７０μｍに設定した構造を実施例１とする。各配線層のレイアウトは、図２〜６に示した通りである。

（比較例１）
図８は、比較例１の薄膜バランの概略断面図を示す。比較例１では、上部電極５１ａを、下部電極４１に対向する領域にのみ配置し、上部電極５１ａの上層に別個独立したシールド電極８０を配置した。図７に示す実施例１と同じシールド条件にすべく、コイル２２からシールド電極８０までの距離ｔ２を７０μｍに設定した。

（評価結果）
上記の実施例１及び比較例１の構造について、２つの平衡信号の出力バランスをシミュレーションにより求めた。目的の周波数は、２４００−２５００ＭＨｚとした。以下の評価では、出力バランスが−１．０ｄＢ以上１．０ｄＢ以下を合格基準とした。結果を図９に示す。図９では、Ｅ１は実施例１の結果、Ｃ１は比較例１の結果を示す。

図９に示す出力バランス特性は平衡信号端子７４と平衡信号端子７５から出力される振幅差であることから０ｄBがより理想的な出力バランスとなる。図９に示すように、実施例１は、比較例１に比べて出力バランスが優れていることがわかる。

この評価結果について考察する。薄膜プロセスで形成した薄膜バランにおいては、キャパシタと平衡伝送線路との間の層間距離が特許文献１に示す積層型バランに比べて短いことから、通常、キャパシタ電極とは別個に、平衡伝送線路から所定の距離を離してシールド電極を設置するものと思われ、これにより平衡伝達特性が改善されるものと期待される。ところが、本実験結果からは、キャパシタ電極をシールド電極と兼ねることにより、作用機序の詳細については未だ不明な点があるものの、キャパシタ電極とシールド電極とを別個に最適化して配置した場合よりも、平衡伝達特性が良くなるという効果が得られた。

次に、上部電極５１を下部電極４１に対向する領域から少なくともどの程度周囲に延在させることにより、平衡伝達特性の改善効果が現われるかについて、実施例を参照して説明する。

（実施例２）
実施例２では、図１０に示すように、下部電極４１に対向する領域から２つのコイル開口Ｃ１，Ｃ２に対向する領域に延在する上部電極５２を形成した。なお、コイルから上部電極までの距離は実施例１と同様７０μｍに設定した。

図１１は、実施例２の構造について、２つの平衡信号の出力バランスをシミュレーションにより求めた結果を示す。条件は、図９で説明したのと同様である。図１１において、Ｅ２は実施例２の結果、Ｃ１は比較例１の結果を示す。

図１１に示すように、コイル開口Ｃ１，Ｃ２まで上部電極５２を延在させた実施例２は、コイル領域の全面に上部電極５１を配置した実施例１よりは平衡伝達特性は劣るものの、比較例１に比べて平衡伝達特性が優れていることがわかる。

最後に、下部電極の好適な変形例について、実施例を参照して説明する。図１２及び図１３は、下部電極の他の例を示す平面図である。

（実施例３）
図１２に示す実施例３では、キャパシタ４の下部電極４２ａ，４２ｂが、左右のコイルを各コイルに分割する仮想線（ＮＣ端子７６とＤＣ供給端子７３とを結ぶ仮想線に等しい）に対して対称となるように配置されたものである。なお、下部電極４２ａ，４２ｂは、コイル開口Ｃ１，Ｃ２には重ならないが、コイル導体に重なるように配置されている。下部電極４２ａ，４２ｂ同士は、引き出し配線４３により接続されている。

（実施例４）
図１３に示す実施例４では、下部電極４３は、左右のコイルに重ならないように配置されている。具体的には、下部電極４３は、右側のコイルの周囲であって、接地端子７２とＤＣ供給端子７３の間の領域に配置されている。

図１２及び図１３に示す配置によっても、実施例１と同様の効果を奏することができる。図１２に示すように、左右のコイルを分割する仮想線に対して対称となるようなキャパシタの配置は、対称性が求められる平衡伝送特性に適しているものと予想される。また、図１３に示すように、コイル開口を含めたコイル領域全体に重ならないように配置することにより、不平衡伝送線路と平衡伝送線路の電磁気的結合に与える影響がさらに低減され、これにより平衡伝送特性の改善がなされるものと予想される。

なお、上述したとおり、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、下部電極が、シールド電極を兼ねていてもよい。この場合には、下部電極が接地端子７２に接続され、上部電極がＤＣ供給端子７３及び平衡伝送線路３に接続される。また、例えば、各端子７１〜７６の配置に限定はなく、例えばＮＣ端子７６を接地端子として用いることも可能である。また、薄膜バラン１を構成する配線構造は、４層未満又は５層以上であってよい。また、キャパシタを最上層に形成し、不平衡電極を最下層に形成するよう、層構成が全く逆の構造でも同じ効果が得られる。さらに、コイル配置に限定はなく、例えば、不平衡伝送線路２及び平衡伝送線路３の４つのコイルが全て積層され、１つのコイル開口のみが画成されているような構造の薄膜バランであってもよい。

本発明の薄膜バランは、バイアス供給用のキャパシタを備える薄膜バランの平衡伝送特性の改善を図ることができるため、特に小型化が要求される無線通信機器への適用が可能である。

本実施形態に係る薄膜バラン１の等価回路図である。薄膜バラン１の第１配線層１０を示す平面図である。薄膜バラン１の第２配線層２０を示す平面図である。薄膜バラン１の第３配線層３０を示す平面図である。薄膜バラン１の第４配線層４０を示す平面図である。薄膜バラン１の第５配線層５０を示す平面図である。図４のＶＩＩ−ＶＩＩ線における概略断面図である。比較例１の薄膜バラン１の概略断面図である。実施例１及び比較例１の出力バランスの比較結果を示す図である。実施例２の薄膜バランの上部電極を示す平面図である。実施例２の出力バランスの結果を示す図である。実施例３の下部電極を示す平面図である。実施例４の下部電極を示す平面図である。

符号の説明

１…薄膜バラン、２…不平衡伝送線路、３…平衡伝送線路、４…キャパシタ、１０…第１配線層、１１…コイル、１１ａ，１１ｂ…端部、１２…コイル、１２ａ，１２ｂ…端部、２０…第２配線層、２１…コイル、２１ａ，２１ｂ…端部、２２…コイル、２２ａ，２２ｂ…端部、３０…第３配線層、３１、３２…引き出し配線、４０…第４配線層、４１…下部電極、５０…第５配線層、５１，５２…上部電極、６０…基板６０、６１〜６５…誘電体膜、７１…不平衡信号端子、７２…接地端子、７３…ＤＣ供給端子、７４…平衡信号端子、７５…平衡信号端子、７６…ＮＣ端子、Ｐ…スルーホール、Ｃ１，Ｃ２…コイル開口。

Claims

一対の第１のコイルを備える不平衡伝送線路と、
一対の第２のコイルを備え、前記不平衡伝送線路に電磁気的に結合する平衡伝送線路と、
前記平衡伝送線路に接続された、キャパシタを構成する第１電極と、
接地端子に接続された、前記第１電極に対向配置されて前記キャパシタを構成する第２電極と、
を有し、
前記第２電極は、第１のコイル又は第２のコイルの少なくとも一方に対向する部分を有すると共に、第１電極に対向して一体に形成されていることを特徴とする、
薄膜バラン。
前記第２電極は、前記第１電極に対向する領域から、前記第１のコイル及び前記第２のコイルのコイル開口に対向する領域まで延在した、
請求項１記載の薄膜バラン。
前記第２電極は、前記第１のコイル及び前記第２のコイルの双方に対向する領域に配置された、
請求項１記載の薄膜バラン。
前記第１電極は、前記第１のコイル及び前記第２のコイルのコイル開口に重ならないように配置された、
請求項１記載の薄膜バラン。
前記第１電極は、前記第１のコイル又は前記第２のコイルのコイル導体に対向する領域に配置された、請求項１記載の薄膜バラン。
前記第１電極は、前記第１のコイル及び前記第２のコイルに重ならないように配置された、
請求項１記載の薄膜バラン。
前記一対の第１のコイルは同一面に並んで配置され、前記一対の第２のコイルは前記一対の第１のコイルに対向して配置されており、
前記第１電極は、前記一対の第１のコイル又は前記一対の第２のコイルを各コイルに分割する仮想線に対して対称となるように配置された、
請求項１記載の薄膜バラン。