JP2011520219A

JP2011520219A - 改良されたフォームｃリレーおよびそのリレーを使用するパッケージ

Info

Publication number: JP2011520219A
Application number: JP2011505135A
Authority: JP
Inventors: エス．エリス，トラヴィス; イー．ティッタリントン，マーク; デイ，ステファン; デーンウォールファース，ポール
Original assignee: コトテクノロジー，インコーポレーテッド
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2011-07-14
Also published as: GB2468821A; WO2009137239A2; DE112009000842T5; WO2009137239A3; KR20100101688A; CN101971280A; GB201012239D0; US8063725B2; US20090256662A1

Abstract

改良されたリード・リレー・パッケージ（２２４）が、スタブ容量を低減し、ＲＦ性能を改良するために、信号出力（２０４ａ、２０４ｂ）を電気的に相互接続する、少なくとも１つのブリッジ・フィルタ素子（２０２）を有する２つのフォームＡリレー（２０６ａ、２０６ｂ）を含む、「疑似」フォームＣリレー（２００）提供する。その結果、リード・リレー・パッケージ（２２４）は、１８ＧＨｚ以上のような、非常に高い周波数で動作することができる。さらに、バイア（２６２）が、接地された共平面導波路を模擬するために、支持基板（２２８）を貫通して設けられてよく、また、切り欠きで形作られるＲＦシールド（２５４）が、信号線の経路を通して５０オームのインピーダンス環境をより良く模擬するために設けられてよい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全内容が本明細書に組み込まれている、２００８年４月１５日に出願した米国仮出願第６１／０４５，１７４号に関し、その優先権を主張するものである。

本発明は、一般にスイッチング・デバイスに関する。より詳細には、本発明は、リード・スイッチなどの電磁デバイス、およびリード・リレーなどの電磁デバイスに対する、改良されたパッケージングおよび回路の一体化に関する。

電磁リレーは、長年の間、電子産業界で知られている。そのような電磁リレーは、リード・スイッチを組み込むリード・リレーを含む。典型的には、リード・スイッチは、通常、保護用の不活性ガスまたは真空で満たされた、気密にシールされたガラス・チューブ内で合流する２枚の平坦な舌状接点を含む、電磁的に活動化されるデバイスである。スイッチは、コイルまたは永久磁石のいずれかからの、外部で生成された磁界により操作される。外部磁界が有効であるとき、重なり合う舌状接点の終端が互いに引きつけあい、最終的に接触してスイッチを閉じる。磁界が取り除かれると舌状接点は消磁され、バネ力でそれらの静止位置に戻り、従ってスイッチが開かれる。スイッチがガラスの外囲器を持たず、また磁力で駆動されないことも可能である。例えば、外囲器は銅など、他の材料で作製されてよく、求心力、遠心力および加速力など、他の力で駆動されてよい。

磁気コイルで駆動されるリード・スイッチは通常、ボビンまたはスプール状の部材の中に格納される。ワイヤのコイルがボビンの外側の周りに巻き付けられ、電流源に接続される。コイルを通して流れる電流が所望の磁界を生成し、ボビン筐体内のリード・スイッチを駆動する。

図１〜図３は、上で論じたような従来技術のリード・スイッチ・デバイスの、より詳細な構成を示す。最初に図１を見ると、従来技術のリード・スイッチ構成１０の斜視図が示される。知られているリード・スイッチ１１は、好ましくは、ガラスの外囲器１２およびリード・スイッチ１１の両端から出る２つの信号リード１４、ならびにコイル末端のリード１５を含む。信号リードは、１対の金属接点１３に接続される。金属など他の外囲器が、求心力、遠心力および他の加速力など他の力で駆動されるスイッチに使用されてよいことに留意されたい。リード・スイッチ１１の構造は、当業界でよく知られているので、その詳細を論じる必要はない。通常、真鍮または銅で作製されるシールド導体１６が、リード・スイッチ１１を受け取り格納する円筒形スリーブの形で設けられる。リード・スイッチ１１およびシールド１６は、ボビンまたはスプール２０の中心のボア１８の中に格納される。導電性ワイヤ２２が、ボビン２０の周りに巻かれる。その結果、リード・スイッチ１１デバイスを保護し、環境のインピーダンスを制御し、総合的な信号伝送を改良するために、同軸配列が形成される。リード・スイッチ１１、シールド導体１６およびボビン２０が、全体として、円筒形の構成として示される。断面が楕円形の構成など、様々な他の構成が使用されてよく、依然として、本発明の範囲内に含まれることを、理解されたい。

従来技術において理解する（ｕｎｄｅｒｓｔｏｏｄａｎｄｋｎｏｗｎ）ことができるように、ワイヤ２２のコイルの自由端と、シールド１６と、リード・スイッチ１１の信号端子１４とが、所望される通りに回路に電気的に相互接続される。リード・スイッチ１１の構成のそれぞれの構成部品は、リード・フレームまたは他の電気的相互接続（図示せず）によって回路に相互接続される。リード・フレームまたは他の電気的相互接続は、望ましい同軸環境の不連続性を導入する。

上述の通り、全体的なリード・スイッチ・デバイス１０は、ユーザの回路の中に容易に収容されるように設計されなければならない。例えば、高周波で動作するように使用される回路は、規定の特性インピーダンス環境を用いて設計される。回路の顧客の仕様に対してリード・デバイス１０を設計し、製作する目標は、デバイス１０の所望のインピーダンスを、できるだけ厳密に回路環境に整合させることである。リード・デバイス１０自体から、デバイス１０を受け取る回路の回路板トレースまでのインピーダンスに不連続性がないことが好ましい。特性インピーダンスＺ_１は一般に、信号導体１４の外径と、シールド１６の内径と、信号導体１４とシールド１６の間の絶縁体（図示せず）の誘電率との関数である。

図１のリード・スイッチ・パッケージの他の修正形態が、図２および図３に示される。リード・スイッチ・デバイス１０３が外部ボビン１０２を含んで与えられており、リード・スイッチ１１１を駆動するのに必要な磁界を導入するために、コイル１０９が外部ボビン１０２の周りに巻き付けられている。ワイヤ１０９の端は、磁界電流の電気的相互接続をもたらすために、ボビン１０２に接続された柱、ピンなど（図示せず）に接続されうる。リード・スイッチ１１１の両側に対応する２つの信号リード１０６が、リード・スイッチ１１１から出ている。また、内部シールド・スリーブ１１０の両端に対して図３に示すように電気的に相互接続される１対のシールドまたは接地のタブ１０８が、ボビンのボディ１０２のそれぞれの側でボビンのボディ１０２から出ている。図２の分解斜視図である図３に示すように、これらの接地タブ１０８は、シールド・スリーブ１１０の両側におけるシールド・スリーブ１１０自体からの延長部である。

特に、リード・スイッチ１１１は、ガラス・カプセル１２６の中に信号導体１０６を含み、不活性ガスまたは真空１２８が信号導体１０６を取り巻いている。ある一定のリード・スイッチ１１１、または多チャネル環境における複数のリード・スイッチを収容するために、好ましくは円筒形または管状の構成であるが楕円形の断面でよい接地シールド１３０が、ガラス・カプセル１２６の周りに配置される。前述の組立体が、励磁するコイル１０９を含むボビン１０２の中に格納される。

リード・デバイスのいくつかの用途は、スイッチが５００ＭＨｚを超える周波数の信号を伝えることを必要とする。しかし、伝送される信号電力が顕著に減衰することなく、ますます高くなる周波数を伝送するためのリード・リレーに対する継続的な必要性が存在する。現在のリード・リレーは、８〜１０ＧＨｚの範囲まで、動作可能である。

しかし、これらの動作帯域幅の範囲を１８ＧＨｚに、また場合によってはそれ以上に高める、さらなる必要性が存在する。一般に、リード・リレーが、信号経路全体にわたるインピーダンスの不連続性を最小化しスタブ容量を低減するようにＲＦ経路が最適化される非常に高いＲＦ性能を有する必要性が存在する。

従来技術において、様々な種類のスイッチング機能が自動試験装置（ＡＴＥ）用の回路板などの回路の中に組み込まれうるように、個別のリード・スイッチを使用し、それらのスイッチング機能を形成することが一般的である。例えば、図４のように、リード・スイッチが、単極５２を有する単投スイッチング・デバイス５０として使用されうる。これは、「フォームＡ」構成として知られる。また、単一のスイッチ５４が２つの異なる極５６、５８に投入可能な、図５に示すようなフォームＣスイッチング環境が可能である。そのような多極スイッチングは、より高いコストと共に、デバイスに複雑さを加えることが理解されうる。このことに対処するために、スイッチングを簡素化し、比較的低コストで容易に利用可能な個別のリード・スイッチ・デバイスの使用を可能にするために、「疑似」フォームＣ構成が、従来技術において一般的に使用される。そのような「疑似」フォームＣスイッチング構成が、図６に見られるスイッチング配列６０に示される。この構成を達成するために、２つのフォームＡスイッチ６２、６４が、ブリッジ６６と共に使用される。理解されるように、スイッチのリードおよび回路板上のトレースから成る適切な接続により、適切なスイッチング能力が、自動試験装置（ＡＴＥ）の中などの回路板上の回路の中に組み込まれうる。

しかし、当業界でよく知られているように、このことが、一般に「スタブ接続」と呼ばれる、リード・スイッチの端子と回路板の間の長い、無防備の脆弱な接続を招く結果となる。この長い、無防備のスタブ接続の結果、接地に対する顕著な寄生容量Ｃが存在することになる。これは「スタブ容量」と呼ばれ、高周波経路に負荷を与えるように働き、それにより、回路の周波数が、例えば約５．０ＧＨｚの範囲内の値に制限される。しかし、高速マイクロプロセッサなど、非常に高速の被試験体（ＤＵＴ）を適切に試験するために、試験回路の周波数は、１８ＧＨｚ以上など、７ＧＨｚ以上の範囲に到達しなければならない。残念ながら、従来技術のリード・スイッチ・デバイス構成は、デバイスが高速デバイスを試験することを本質的に不可能にする、回路板上のスタブ接続を含む。

従来技術における前述の欠点は、そのようなフォームＣまたは「疑似」フォームＣ配列のリード・スイッチが組み込まれる実際の回路を見れば、容易に理解されうる。図７および図８は、そのような回路環境の例を示す。回路３００は、一般に３１３などで示される回路デバイスを試験する目的のＡＴＥ（自動試験装置）において一般に使用されるものの１つである。この回路３００は、用途に応じて、端と端を接続して連続して「積み上げ可能な」、三端子デバイスを示す。第１のリード・スイッチ３０２および第２のリード・スイッチ３０４を有する三端子デバイス３０６が、全体的に点線で参照されるように、図７に示される。例えば、第１のリード・スイッチ・デバイス３０２が、高周波ＡＣ信号のための接続をもたらし、一方、第２のリード・スイッチ３０４が、ＤＣ信号または低周波ＡＣ信号のための接続をもたらす。

より詳細には、信号発生器３０８が、第１のリード・スイッチ３０２の第１の端子３１０に接続される。第２のリード・スイッチ３０４が、第１の端子３１２および第２の端子３１４を備える。第１のリード・スイッチ３０２の第２の端子３１６が、第２のリード・スイッチ３０４の第２の端子３１４と、ノード３１８で接続される。このノード３１８は、デバイス３０６に対する出力端子３２６となる。リード・スイッチ３２０、３２２の第２のペアが、被試験体（ＤＵＴ）３１３からの刺激を受けるために使用される。レシーバ３１７が、リード・スイッチ３２０、３２２の第２のペアからの出力を受ける。スイッチのペアの直列の性質により、個別に選択可能かつ分離可能な異なる数のＤＵＴに対するいくつかの異なる試験動作のある回路を設計することができる。図８は、図７の回路図を実施するリード・リレーのペアのうちの１つの、代表的な概略図を示す。

この回路を実施するために、２つの個別のリード・スイッチが、スイッチのリードと、それらの間の回路板上のトレースとから成る適切な接続３２４で、回路板（図示せず）に接続される。このことが、一般に「スタブ接続」と呼ばれる、リード・スイッチの端子と回路板の間の長い、無防備の脆弱な接続をもたらす結果となる。この長い、無防備のスタブ接続３２４の結果として、接地に対する顕著な寄生容量Ｃが存在することになる。これは「スタブ容量」と呼ばれ、高周波経路に負荷を与えるように働き、それにより、回路の周波数が、例えば約５．０ＧＨｚの範囲内の値に制限される。しかし、高速マイクロプロセッサなど、非常に高速の被試験体（ＤＵＴ）を適切に試験するために、試験回路の周波数は、７ＧＨｚの範囲に、また将来は１８ＧＨｚ以上などに、到達しなければならない。それゆえ、回路板上にリード・スイッチ３０２、３０４およびスタブ接続３２４を搭載する従来技術を用いる、この回路３００は、高速デバイスを試験することは不可能である。このスタブ接続の保護が、本発明を使用するための多くの異なる方法の一例である。

産業界における他の関心は、その中にスイッチが取り付けられる回路に対する、スイッチのインピーダンス整合に関する。現在利用可能なリード・デバイスは、ユーザによる所与の回路環境の中に組み込まれる。当業界でよく知られているように、１８ＧＨｚ以上の範囲内など、より高い周波数における用途の場合、リード・スイッチは、理想的には、５０オームなど、スイッチが取り付けられる回路の所望のインピーダンス要件に可能な限り厳密に整合するように構成される。

これらのインピーダンス整合要求に対処するために、回路環境の中で、回路の完全性および要望される整合されたインピーダンスを維持するために、全環境を通して同軸配列が好ましい。上述の通り、リード・スイッチのボディは、必要な同軸環境を含む。さらに、ユーザの回路板上の信号トレースは一般に、２つの接地リードが同一平面内で信号リードの両側に存在する「接地された共平面導波路」、または接地面が信号導体の面の下に存在する「ストリップ・ライン」を含む。適切に使用されるこれらの技術が、適切な回路機能に対する所望のインピーダンスを維持するために許容できる、制御されたインピーダンスの伝送ラインを提供する。

このことは、例えば、リード・スイッチ自体が、物理的にパッケージされ、所与の回路構成を持つ回路板に電気的に相互接続されなければならないという事実による。製造およびパッケージングを容易にするために、シールドおよび信号の端子をリード・フレーム・アーキテクチャに終端させ、全組立体をプラスチックのような誘電材料の中に包むのが、一般的である。これらのリードは、表面実装可能なように、ガルウィングすなわち「Ｊ」型に形成されてよい。回路板への電気的相互接続を作製するために、信号のリードまたは端子が、リード・スイッチのボディから空中に出る。プラスチックの誘電体から空気への信号リードのこの遷移が、スイッチ自体のボディの中に見られる保護的な同軸環境の、望ましくない不連続性を生成する。そのような不連続性が、リード・スイッチ・デバイスのインピーダンスに、不正確さと不確実さを生成する。

その結果、回路設計者は、保護的同軸環境の不連続性およびリード・スイッチ・デバイスの定格インピーダンスの劣化に関連する固有の問題に対処し未然に防ぐように、回路を具体的に設計することにより、この問題を補償しなければならない。例えば、回路は、寄生インダクタンスおよび寄生容量を加えることによって不連続性を補償するように調整されてよい。不連続性補償のこの方法は好ましくない。というのは、この方法は、設計プロセスを複雑にして遅くし、回路の完全性を低下させるおそれがあるからである。このことは、１８ＧＨｚ以上で動作する回路環境など、非常に高い周波数の回路環境に対して、特に問題である。

しかし、そのような調整による補償計画は、比較的狭い周波数範囲に対してのみ、功を奏する。上述のように回路を調整する必要性を低減することが、要求されている。従来技術は、インピーダンスの、リレーからボードへの遷移を制御するために、高価で製造が困難な、注意深く設計されたバイアの構造を使用する。

米国仮出願第６１／０４５，１７４号米国特許第６０５２０４５号米国特許第６０２５７６８号米国再発行特許第３８３８１号米国再発行特許第６６８３５１８号

前述を考慮すると、１８ＧＨｚ以上の範囲における信号など、より高い周波数の信号を達成するように寄生スタブ容量を低減することができるリード・スイッチ・デバイスが、必要とされている。さらに、そのようなリード・スイッチ・デバイス環境におけるＲＦ性能を高めることが、必要とされている。また、パッケージのボディ全体を通って回路への相互接続までの、制御されたインピーダンス環境を含むリード・スイッチ・デバイスが、必要とされている。特に、小さい空間に取り付けるために、また回路板を積み上げるために、リード・スイッチ・デバイスがコンパクトで薄型である必要性が存在する。さらに、システムの高周波性能を最適化するために、表面実装構成であるリード・スイッチ・デバイスが、必要とされている。さらに、制御されないインピーダンス環境を補償するために回路を調整する必要性を低減することができるリード・スイッチ・デバイスが、必要とされている。また、簡素化された製造および取り付けのために、小さな設置面積を有し、標準的な形状および構成であるリード・スイッチ・デバイスが、必要とされている。

さらに、１８ＧＨｚ以上の範囲などにおいて、従来技術のリード・スイッチ・デバイスより十分に速く機能することが可能なリード・スイッチ・デバイスが、必要とされている。フォームＣおよびフォームＡの用途に適するリード・スイッチ・デバイスが、必要とされている。１８ＧＨｚ以上の範囲におけるデバイスなど、非常に高い周波数におけるデバイスの改良された動作のために、ＧＨｚ範囲における高周波をフィルタで除くことが、必要とされている。特に、高周波信号の減衰の程度を低減することが、必要とされている。５０オームの範囲において動作する回路など、所与の回路にデバイスを整合させ相互接続させることが、必要とされている。同軸環境を模擬するために、リード・スイッチ・デバイスが取り付けられる回路の動作を最適化することが、必要とされている。また、高周波信号にＤＣ電圧を加えることができることが、必要とされている。従来技術において、デバイスのシールド構成を変更することにより、インピーダンスの不連続性を最小化するという、他の必要性が存在する。

本発明は、リード・リレーなど、従来技術の電磁スイッチ・デバイスの利点を保持する。さらに、本発明は、現在利用可能なスイッチング・デバイスに見られない新しい利点を提供し、そのような現在利用可能なデバイスの多くの欠点を克服する。

本発明は、一般に、薄型構成の回路板上の回路にリード・スイッチ・デバイスを効率的に相互接続する特定の用途に対する、新奇でユニークなリード・リレー・デバイスおよびパッケージを対象とする。本発明のリード・スイッチ・パッケージは、廉価な構造でありながら、能率的で効果的に回路板に相互接続することを可能にする。

より詳細には、最新のＡＴＥを使用して最新の高速デバイスを試験することに配慮するために、１８ＧＨｚ以上の範囲内など、８〜１０ＧＨｚ範囲より十分高い周波数において容易に動作することができる、新しい「疑似」フォームＣリレー・デバイスに関する。スタブ容量は、ＧＨｚ範囲の高周波をブロックするためのロー・パス・フィルタ・ブリッジをユニークに使用することにより、顕著に低減される。このことが、高周波信号の減衰を効果的に低減し、それによりスタブ容量の影響を低減する。従って、本発明により、スタブ容量が、より良く制御され、補償されて、ＲＦ性能が改良されうる。また、本発明により、ＤＣを高周波信号に加えることが可能になる。

また、高周波経路が、模擬同軸信号保護環境を使用して、保護される。薄型の、ボード搭載可能なリード・リレー・パッケージが、本発明により提供される。リード・スイッチの一部分が、リレー基板中の開口を通して延びる。基板は、リレーが主回路カードに電気的に接続するために載る基板と同じ面に搭載される、ハンダ・ボール・アレイ（ＢＧＡ）、ランド・グリッド・アレイ（ＬＧＡ）、コラム・グリッド・アレイ（ＣＧＡ）、またはピン・グリッド・アレイ（ＰＧＡ）など、一連の電気接点を含む。２チャネル・パッケージにおけるような、１つまたは複数のリード・スイッチは、リレーのシールドに接続するリレー基板の底面上に配置される信号トレースおよび追加の電気トレースを介して、電気接点に直接、電気的に接続される。これらの追加のトレースは、信号トレースの両側の平行な位置に経路設定され、共平面導波路をもたらして、信号経路の所望のインピーダンスを維持する。リード・リレー・デバイスは、自動試験装置（ＡＴＥ）の中の回路板に容易に搭載されるために、ＢＧＡパッケージで提供されることが好ましい。

それゆえ、本発明の目的は、コンパクトで薄型のリード・スイッチ・パッケージを提供することである。

本発明の目的は、改良されたＲＦ性能を有するリード・スイッチ・デバイスを提供することである。

本発明の他の目的は、より高い周波数の帯域幅の信号の伝送を可能にするために、チャネル間の寄生スタブ容量をより良く制御し、補償するリード・スイッチ・デバイスを提供することである。

本発明の目的は、全パッケージを通して、制御されたインピーダンス環境を有するリード・スイッチ・デバイスを提供することである。

本発明の他の目的は、５０オームの信号経路環境を維持するために、疑似同軸環境を有するリード・スイッチ・デバイスを提供することである。

本発明の他の目的は、既存の回路環境のインピーダンスと容易に整合されるリード・スイッチ・パッケージを提供することである。

本発明の他の目的は、非常に高い周波数の信号を効果的に伝えることができるリード・スイッチ・パッケージを提供することである。

本発明の他の目的は、小さな設置面積を有するリード・スイッチ・パッケージを提供することである。

本発明の他の目的は、自動試験装置用に使用される回路板など、主回路板に容易に表面実装されうるリード・スイッチ・パッケージを提供することである。

本発明の目的は、１８ＧＨｚ以上の範囲などにおいて、従来技術のリード・スイッチ・デバイスより十分速く機能することができるリード・スイッチ・デバイス・パッケージを提供することである。

本発明の他の目的は、フォームＣおよびフォームＡの用途に適するリード・スイッチ・デバイス・パッケージを提供することである。

本発明の他の目的は、デバイスの改良された動作のために、ＧＨｚ範囲における高周波をフィルタで除くことである。

本発明の他の目的は、デバイスの改良された動作のために、ＧＨｚ範囲における高周波チャネル内分離を提供することである。

他の目的は、リード・スイッチ・デバイス・パッケージにおける高周波信号の減衰の程度を低減することである。

本発明の他の目的は、５０オーム範囲で動作する回路など、所与の回路に対してデバイスを整合させ、相互接続させることである。

本発明の他の目的は、同軸環境を模擬するためにリード・スイッチ・デバイス・パッケージが取り付けられる回路の動作を、最適化することである。

本発明の他の目的は、高周波信号にＤＣ電圧を加えることができることである。

本発明の他の目的は、デバイスのシールド構成を変更することにより、インピーダンスの不連続性を最小化することである。

本発明の特性である新奇な特徴が、添付の特許請求の範囲の中で説明される。しかし、添付の図面と関連する、以下の詳細な説明を参照することにより、本発明の好ましい実施形態が、他の目的および付随する利点と共に、十分に理解されるであろう。

従来技術のリード・リレー構成の分解斜視図である。組み立てられた従来技術のリード・リレー・デバイスの他の実施形態の斜視図である。図２の従来技術のリード・リレー・デバイスの分解斜視図である。フォームＡスイッチ構成の概略図である。フォームＣスイッチ構成の概略図である。「疑似」フォームＣスイッチ構成の概略図である。リード・リレーと共に一般的に用いられるサンプル回路の概略図である。図７に示す回路の図形による実施（ｐｉｃｔｏｒｉａｌｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）の図である。伝統的なシングル・エンドＡＴＥアーキテクチャにおける使用のために本発明を使用する回路図である。本発明のリレーにおいて使用されるロー・パス・フィルタの性能を示すグラフである。本発明のリレーの性能パラメータを示す表である。本発明による、例えば７ｍｍのリード・スイッチを使用するバンドパス特性を示すグラフである。高帯域幅の伝統的な差動ＡＴＥアーキテクチャにおける使用のために本発明を使用する回路図である。簡略化されたＰＭＵを有する、高帯域幅の最新の差動ＡＴＥアーキテクチャにおける使用のために本発明を使用する回路図である。信号線の間のリンクがない一体化されたＰＭＵを有する、高帯域幅の最新の差動ＡＴＥアーキテクチャにおける使用のために本発明を使用する回路図である。本発明のリレーを使用して作製されたリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。カバーが取り除かれた、図１６のリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。外部シールド・カバーが取り除かれた、図１６のリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。ボビンの１つが取り除かれた、図１６のリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。リード・スイッチの周囲からボビンおよびシールドが取り除かれた、図１６のリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。底部材のカプセル材料が取り除かれた、図１６のリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。ボール・グリッド・アレイを示すために底部材およびリード・スイッチの１つが取り除かれた、図１６のリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。パッケージを回路板に電気的に相互接続するためのボール・グリッド・アレイの一例を示すための、図１６のリード・スイッチ・パッケージの底の斜視図である。本発明によるＲＦシールドの外形（ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）を示すためにカバーおよび底の一部分が取り除かれた、図１６のリード・スイッチ・パッケージの斜視図である。図２４に示すリード・スイッチ・パッケージの上面図である。図２４に示すリード・スイッチ・パッケージの左側の立面図である。

本発明の改良されたフォームＣリレー２００が、図９〜図２６に関連して、以下に詳細に示される。本発明のリレーは、図７の回路３００などの回路のために、容易に使用可能であり、それによりこの回路は、高速デバイスの試験に適応させるために、１８ＧＨｚ以上の範囲における周波数で容易に動作することができる。本発明のリレー２００は、そのような回路が、１８ＧＨｚ以上の範囲で動作することを可能にする。というのは、ＲＦ性能が、全体的に２０２で示されるロー・パス・フィルタの使用により大幅に改良され、一方で、高周波経路が、模擬同軸信号保護環境を使用して保護される。また、デュアル・チャネル環境における、いずれかのチャネル上の約１８ＧＨｚへのＤＣ信号が、３ｄＢ未満の信号電力損失で、本発明のリレーを使用する回路の中で達成されうる。本発明のリレー２００は、２つの高周波経路の間のスタブ容量を互いに分離するために、図９の２０２ａおよび２０２ｂなど、２つのフィルタ素子を使用する最初のものである。

本発明によれば、ロー・パス・フィルタ２０２ａおよび２０２ｂは、好ましくは、それらの１対で、図９に示すような、平行な「疑似」フォームＣリレー配列における２つのリード・スイッチ２０６ａおよび２０６ｂの信号線２０４ａおよび２０４ｂを、相互接続する。この図および他の図において、ロー・パス・フィルタ２０２ａおよび２０２ｂは、図９におけるような、小さなブラック・ボックスとして代表的に示される。これらのブリッジするロー・パス・フィルタ素子２０２は、２つの単極単投フォームＡスイッチ２０６ａおよび２０６ｂを、信号が、望まれる通りに経路設定されうる「疑似」フォームＣスイッチ構成に、効果的に切り替える。この「疑似」フォームＣ構成の良い一例が、伝統的なシングル・エンドＡＴＥアーキテクチャを全体的に表す、図９の回路図の中に示される。この実施形態において、ロー・パス・フィルタ２０２ａおよび２０２ｂは、それぞれ、全体的にＡおよびＢで示される各チャネルのために使用される。この配列の実際の物理的構造が、図１６〜図２６に関連して、以下に詳細に論じる。以下のように、適切な回路板トレースが、図９の回路を実施するために、容易に使用されうる。

ロー・パス・フィルタ素子２０２は、「疑似」フォームＣリレー２００を生成するために、２つのフォームＡリレー２０６ａおよび２０６ｂの間に低周波数ブリッジを生成する。このことが、２つのフィルタ素子２０２ａおよび２０２ｂが近接すること、ならびに単一経路に対する素子２０２ａおよび２０２ｂが正しい角度を向くことにより、隣接するチャネルＡおよびＢの間の電磁結合が低減し、そのことが、１０ＧＨｚ超の周波数における総合的ＲＦ性能を改良するという利点を提供する。本発明を実施するために使用されうる適切なロー・パス・フィルタ素子２０２は、ＧＨｚ範囲の信号を減衰させるように設計されたフェライト・ビード・フィルタであることが好ましい。

そのような好ましいフェライト・ビード・フィルタの一例が、株式会社村田製作所が製造販売するＭｏｄｅｌＮｏ．ＢＬＤ１８ＧＳｅｒｉｅｓ（０６０３Ｓｉｚｅ）である。このフェライト・ビードは、１）４７０オーム±２５％のインピーダンス（１００ＭＨｚ／２０℃にて）、２）１８００オーム±３０％のインピーダンス（１ＧＨｚ／２０℃にて）、３）２００ｍＡの定格電流、４）１．３０オームのＤＣ抵抗（最大）、５）−５５℃〜＋１２５℃の動作温度、および、６）１回路用、の特性を有する。好ましいロー・パス・フィルタ２０２のインピーダンス−周波数特性を、図１０に示す。他のロー・パス・フィルタ２０２が使用されてよく、やはり本発明の範囲内にあることに留意されたい。

やはり図９を参照すると、ＡＴＥ環境における「疑似」フォームＣリレー２００の、より詳細な相互接続が示される。パラメトリック測定ユニット（ＰＭＵ）２０８は、デバイスのチャネルＡの下流にあるインターコネクト２１２に付随する。このようにして、スイッチＡを開くことで、ＰＭＵ測定を損なう可能性のある、漏れの多い出力段を有するドライバ・コンパレータ負荷（ＤＣＬ）２１０を分離する。その結果、本発明のリレー２００が、ＤＣＬ２１０とＤＵＴ（被試験体）２１４の間の高周波経路をもたらす。図１１は、本発明により作製されたプロトタイプのフォームＣリレー２００の試験結果の詳細を示し、その試験結果は、この環境の中で「疑似」フォームＣリレーを使用する、従来技術の回路より優れた性能を示す。その結果、本発明のユニークなリレー２００を使用することにより、１６ＧＨｚなど、１８ＧＨｚの範囲内で、−３ｄＢのロールオフ周波数が、成功裏に達成されうる。そのような結果はさらに、例として７ｍｍリード・スイッチが使用された図１２のグラフにおいて示される。手近な用途の要求に適合させるために、異なる種類のロー・バンド・パス・フィルタおよびリード・スイッチが、本発明に従って使用されうることを理解されたい。理解されるように、そのようなフィルタおよびリード・スイッチを修正することで、異なる性能結果が得られるであろう。

本発明の「疑似」フォームＣリレー２００がＡＴＥアーキテクチャにおいて使用されうる方法の他の例が、図１３〜図１５に示される。図１３の例において、環境は、伝統的な差動アーキテクチャであり、そこにおいて、２つの（疑似）フォームＣリレー２００ａおよび２００ｂが、差動信号方式を有するインターコネクト２１２’を介して、ドライバとＤＵＴ２１４の間に高帯域幅接続を維持しながら、２０８において最適なＰＭＵ測定をもたらすために、各差動チャネルに対して使用される。この例において、ロー・パス・フィルタ２０２ａが、「疑似」フォームＣリレー２００ａおよび２００ｂのそれぞれのうちの１チャネルだけに使用される。例えば、ロー・パス・フィルタ２０２ａが、上の１対のリード・スイッチ２１６のチャネルＢに、また、下の１対のリード・スイッチ２１８のチャネルＡに、使用される。

図１４および図１５は、最新の差動ＡＴＥアーキテクチャにおける、本リレーの使用例を示す。図１４は、簡略化されたＰＭＵ２２０を有するＡＴＥアーキテクチャの例を示す。このアーキテクチャは、より高い周波数の信号方式標準をより良くサポートする。このアーキテクチャは、低減された機能性を有するが、ＰＭＵ２０８が、上のように伝統的に提供した必要な機能性のいくつかを依然として提供するＰＭＵシステムを、統合することを含む。このモードにおいて、本発明のリレー２００は、例えば較正目的に有用な、全体的に２２２としての、より低い周波数のブリッジを提供する。

次に図１５を見ると、２つの信号線２０４ａおよび２０４ｂの間にリンクが存在しない、統合されたＰＭＵ２２０を有する高帯域幅ＡＴＥアーキテクチャが、提供される。このアーキテクチャは、本発明のリレー２００を使用することができる、他の代替環境である。例えば、電気的性能が最大化され、チャネル帯域幅が、周波数帯域のより高い側に突き出るという利点がある。

前図を見ると、本発明のリレー２００は、従来技術のリレーに対する前述の改良を利用するために、多くの異なる種類のアーキテクチャ環境の中に組み込まれうる。

デュアル・フォームＡリレー（図示せず）もまた、本発明によって提供されうることに留意されたい。この構成は、フィルタ素子２０２、信号トレースおよび関連する接点パッドが省略されること以外は、上の好ましい実施形態の構成と同じである。

前述は、本発明が、従来技術のリレーに対していかに新しく新奇であるかを、概略的に説明する。本発明はまた、以下に詳細に説明される、多くの構造的改良を有する。

図１６〜図２６は、ＡＴＥ回路板（図示せず）上への取り付けに適するリード・リレー・パッケージ・デバイスに組み込まれる、本発明のリレーを示す。全体的に２２４で示される本発明のパッケージは、一般に、上のように、２つの個別のロー・パス・フィルタ素子２０２ａおよび２０２ｂを有する、２つのチャネルＡおよびＢを含むことが好ましい。しかし、２つのチャネルＡおよびＢより多いチャネルが、本発明により、単一パッケージ２２４の中に設けられてよい。この配列において、図２２および図２３におけるように、適切なハンダ・ボール相互接続２２６が、所与のチャネルに対応する各リード・スイッチに対して使用される。さらに、多くの異なる種類の相互接続が、本発明のパッケージによって使用されうる。本発明のパッケージ２２４が、制御されたインピーダンス環境を有する信号リード・シールドを必要とする、幅広い電子デバイスを収容できることを、理解されたい。

考察を容易にするために、１チャネルの構造および構成の１つを、以下に詳細に論じる。他の１つまたは複数のチャネルが、同様に、本発明によって構築されうることを、理解されたい。

本発明のリレーを使用するパッケージ２２４が、図１６〜図２６に示され、それらの図は、例示のため、また考察を容易にするために、構成部品を取り外した様々な段階である。この例において、パッケージ２２４は、ブリッジする１対のロー・パス・フィルタ２０２ａおよび２０２ｂを有する、図９に示す回路３００の一部として使用されうる。

リード・スイッチ・パッケージ２２４一式は、リード・スイッチ２３６からの信号リード２３２および接地リード２３４を受けるための、複数の接点パッド２３０と共に基板ベース２２８を含む。金属または非金属のシェル２３８が、液密シールをもたらすために、例えば周囲を取り巻くエポキシのビード（図示せず）で、基板ベース２２８に固定される。全体的な組立体２２４は、他のやり方として、好ましくは、プラスチックで外側被膜されうる。

基板ベース２２８は、リード・デバイス２４６のボビン部分２４２を受けて、短い直線状の信号経路をもたらし、また、パッケージ２２４の全体的寸法を低減するために、図１８〜図２２にあるように、窪んだ中央部または開口２４０を含む。接点パッド２３０が、基板ベース２２８のシート部分２４８において設けられて、信号リード２３２と接地リード２３４を接触させる。リード・デバイス２４６は、信号リード２３２および接地リード２３４で全体を支持されるように、重量が比較的軽い。しかし、他のベース基板筐体が使用されてよく（図示せず）、そこにおいて、ボビン２４２は、それ自体のシート上に置かれるか、または基板２２８の追加の起伏部が、リード・デバイス２４６を支持するために、設けられる。

上述のフェライト・ビードなど、ロー・パス・フィルタ２０２ａおよび２０２ｂが、信号リード２３２が電気的に接続するパッド２３０と相互接続される接点パッド２５０に、ハンダ付けなどによって固定される。この物理的相互接続が、図２０〜図２２に概略的に示され、図２１において最も良く分かる。

信号リード２３２および接地リード２３４は、ＡＴＥ回路を保持する回路板など、回路板（図示せず）上の回路と、さらに電気的に相互接続するために、基板ベース２２８の反対側の面上のハンダ・ボール２２６と電気的に相互接続される。これは、ＢＧＡ相互接続として知られている。パッケージ２２４の底が図２３に示され、図２３は、回路板とのそのような相互接続のための、ボール・グリッド・アレイのそのような一例を示す。保護的シェル２３８（または固体のカプセル材料）と共に、制御されたインピーダンス環境の中で、高周波数リード・スイッチ２４６を収容するための表面実装構成である、コンパクト・リード・スイッチ・パッケージ２２４が与えられている。

特に、リード・スイッチ２４６は、ガラス・カプセル２５２の中に信号導体２３２を含み、それらの間に不活性ガスまたは真空を有する。ある一定のリード・スイッチ２４６、または多チャネル環境における複数のリード・スイッチを収容するために、好ましくは円筒形または管状の構成であるが楕円形断面であってよい接地シールド２５４が、ガラス・カプセル２５２の周りに配置される。上述の組立体は、その周りに励磁コイル２５６を含む、ボビン２４２の中に格納される。励磁コイルの自由端は、基板ベース２２８の底面２６０上の、対応するハンダ・ボール２２６に電気的に接続される柱２５８に接続される。

本発明の一部として、共平面導波路が、導電性貫通バイアの形で設けられる。これらの貫通バイアは、パッケージ２２４の形などで、本発明のリレー２００の性能を、さらに改良するように設けられることが好ましい。そのような構成は、本出願の権利者が所有する米国特許第６０５２０４５号、米国特許第６０２５７６８号、米国再発行特許第３８３８１号および米国再発行特許第６６８３５１８号に示され、また、本発明のユニークなブリッジ・フィルタ２０２ａおよび２０２ｂを、容易に収容できる。貫通バイア構造に関して、接点パッド２３０、２５０は、例えば、基板ベース２２８の底面２６０上の、対応するハンダ・ボール２２６と電気的に相互接続され、そのことが、図２２に詳細に見られうる。このようにして、接点パッド２３０、２５０を介して、信号リード２３２および接地リード２３４の、ハンダ・ボール２２６との相互接続が見られる。

信号リード２３２および接地リード２３４は、図２２で最も良く分かるように、基板ベース２２８の面を貫通する導電性バイア２６２により、基板ベース２２８の底面２６０上のハンダ・ボール２２６と電気的に相互接続される。この好ましい実施形態において、導電性バイア２６２は、望ましい５０オームの環境を維持するために、信号リード２３２、および接地リード２３４それぞれに設けられる。好ましくは、全体的に２６２として示される、３つ以上の電気的導管またはバイアが、基板ベース２２８の面を貫通して設けられる。

上述の通り、同軸構成が、リード・スイッチ・パッケージ２２４の全ボディを通してできるだけ維持されるときに、リード・スイッチ２４６を通る信号が、最適化される。本発明の面貫通導波路は、基板ベース２２８の底面２６０上のハンダ・ボール２２６につながる。例えば、図２０のトレース２６４に接続される各貫通バイア２６２は、パッド２５０に接続された信号バイア２６２の周りに、所望の共平面導波路を生成するために使用される。この構成が好ましいが、他の構成が使用されてよい。

基板ベース２２８の面を貫通するインピーダンスＺ_２は、基板ベース２２８の誘電材料の厚さと、信号バイア２６２の幅と、パッド２５０に接続された信号バイアと近傍の接地バイア２６２の間の距離と、基板ベース２２８の誘電材料の誘電率との関数である。

基板ベース２２８の底面２６０において、真の同軸配列が、上のように、接地トレース２６４に接続された貫通バイア２６２に接続された、適切なハンダ・ボール２２６をもたらすことにより形成される。この接地のループが、リード・スイッチ２４６自体の周りの円筒形シールド導体２５４に見られるものと同じ方式で、実際の同軸シールド導体を形成する。シールド２５４は、ＥＭＩシールドおよび構成部品近傍の保護のために特定されるものではなく、リード・スイッチ２４６の信号の忠実度を含み、改良するためでもある。同軸接地ループにおいて、インピーダンスＺ_３は、信号バイア２６２の直径と、接地ループの直径と、絶縁性基板ベース２２８の誘電率との関数である。

本発明は、真の同軸環境を模擬するために、導波路を使用する。このユニークな導波路は、基板ベース２２８の実際の面を貫通し、パッケージ２２４の底におけるハンダ・ボール相互接続２２６まで延びる。従来技術とは違って、導波路すなわち模擬同軸配列が、リード・スイッチ２４６自体から、マイクロストリップまたは導波路が回路板（図示せず）上に通常存在するハンダ・ボール相互接続２２６まで、連続する。その結果、信号は、制御されない不連続性から保護される。信号リード２３２に対するシールド保護は、リード・スイッチ２４６の実際のボディから、回路板に対する実際の電気的界面まで延ばされ、制御される。本発明によれば、信号伝送経路の総合的インピーダンスが安定し、所望の総合的インピーダンスの値と整合され、それにより、ユーザによる実質的な回路調整の必要性が不要となる。

理解されるように、本発明は、リード・スイッチの信号リードの、より優れた保護のために、実際かまたは模擬のいずれかの同軸環境を提供する。面貫通導電性バイアは、連続的な同軸環境が、リード・スイッチ２４６から、直接下の、回路板（図示せず）との電気的相互接続まで設けられることを可能にする。多くの用途において、リード・スイッチ２４６により伝送される信号の周波数により、信号リード保護のための同軸配列をもたらすために、完全な連続接地ループは必要ではない。本発明において、接地導体バイアは、１．２７ｍｍまたは１．００ｍｍのグリッド上にあることが好ましい。リード・スイッチに対する一般的な周波数は、１．０〜８．０ＧＨｚの範囲内にある。これらの周波数において、波長は、３００ｍｍ〜４０ｍｍの範囲内にある。「模擬」同軸配列の何らかの不連続性を感知するには、波長が長すぎる。それゆえ、模擬同軸配列は、真の完全同軸配列と比較して、効率において実質的に同等である。その結果、導体バイア・グリッドが不連続であるとみなされるほど波長が短くなるまでは、このトポロジーは、効果的なシールドをもたらす。

上で論じたグリッドに対して、８ｍｍまでの短さの波長、１８ＧＨｚ以上の周波数に対して、効果的なシールドが、本発明で実現されうる。パッケージ内のデバイスおよび手近な用途に従って、より多くの、またはより少ない、基板ベースの面を貫通する導電性バイアが使用されてよい。

本発明のリレー２００を使用するパッケージ２２４が、回路板との電気的相互接続のために、ＢＧＡパッケージの中でハンダ・ボール２２６を使用するように示されるが、ピン・グリッド、ランド・グリッドなど、他の種類の相互接続が使用されてよい。さらに、ボール・グリッド・アレイのソケット配列が、所望されるときにパッケージを取り外すかまたは置き換えるのを容易にするために、使用されうる。基板ベースのボディは、プラスチックなどの誘電材料であることが好ましいが、電子デバイス・パッケージに適する任意の他の材料で製作されてよい。例えば、高温用ＦＲ−４ＰＣＢ材料が、誘電材料用に使用されることが好ましい。本発明で使用されるバイア２６２は、銅、アルミニウム、スズおよび他の産業界で知られている合金など、知られている導電性材料で作製されてよい。

本発明によるリード・スイッチ・パッケージ２２４は、金属または非金属のシェルの中に完全に封入されることが好ましく、あるいは、デバイスを付加的に保護するために、完全に外側被覆されてよい。代替として、薄型構成において気密および／または液密シールをもたらすために、リード・スイッチ・パッケージ２２４が、金属または非金属のシェルで部分的に包まれ、プラスチックで部分的に外側被覆され、または他の材料を使用して部分的にカプセル化されてよい。

さらに、本発明によれば、１つまたは複数の個別のスイッチ２４６を取り囲むＲＦシールド２５４は、図２４〜図２６において最も良く分かるように、形作られうる。この外形が、伝送線においてスイッチのシールのガラス２５２が配置される点における容量の差を補償し、それにより、それら２つの位置におけるインピーダンスの不連続性を低減するために、フル・ウェーブ電磁界モデリング・ソフトウェアを使用して最適化される。より具体的には、各スイッチのガラスのシール２５２付近の領域が、伝送線上に低インピーダンス領域を生成する。シールド２５４の形状、すなわち切り欠き２６６などの使用が、このインピーダンスを約５０オームになるように引き上げ、それにより、インピーダンスをＡＴＥ回路環境に整合させる。

ＲＦシールド２５４の形状が、好ましくはそれぞれ対向する切り欠き２６６および長手方向に走るスロット２６８を含む、ある一定の構成を有することが、容易に理解される。このようにして、ＲＦシールド２５４の調整と、上のような共平面導波路の組合せにより、安定した５０オームの信号経路が、ＡＴＥ回路環境に整合するように達成されうる。

前記を考慮して、改良された「疑似」フォームＣリレー２００が、最新のＡＴＥ回路を収容するために、１８ＧＨｚ以上の範囲など、より高い周波数で動作することができるパッケージ２２４の中に組み込まれうる。

本発明の趣旨から逸脱することなく、例示された実施形態に対して、様々な変更および改変が行われうることが、当業者には理解されよう。すべてのそのような改変および変更は、添付の特許請求の範囲によってカバーされることが意図される。

Claims

第１の面および第２の面を有する支持基板と、
信号入力および信号出力を有する主ボディを有する第１のリード・スイッチと、
信号入力および信号出力を有する主ボディを有する第２のリード・スイッチと、
前記第１のリード・スイッチの前記主ボディを取り囲む第１の接地シールドと、
前記第２のリード・スイッチの前記主ボディを取り囲む第２の接地シールドと、
前記第１の接地シールドに接続された前記支持基板の前記第１の面上の複数の接地端子と、
前記第２の接地シールドに接続された前記支持基板の前記第１の面上の複数の接地端子と、
前記基板を貫通して経路設定され、前記第１のリード・スイッチの前記信号出力に相互接続された第１の信号バイアと、
前記基板を貫通して経路設定され、前記第２のリード・スイッチの前記信号出力に相互接続された第２の信号バイアと、
前記基板を貫通して経路設定され、前記第１の接地シールドに相互接続された第１の複数の接地バイアと、
前記基板を貫通して経路設定され、前記第２の接地シールドに相互接続された第２の複数の接地バイアと、
前記第１の信号バイアと、前記第２の信号バイアと、前記第１の複数の接地バイアと、前記第２の複数の接地バイアとにそれぞれ電気的に相互接続された前記支持基板の第２の面上の複数の接点と、
前記第１のリード・スイッチの前記信号出力を、前記第２のリード・スイッチの前記信号出力と電気的にブリッジする、少なくとも１つのフィルタ・エレメントとを備える、リード・リレー・デバイス。
前記支持基板が、前記第１のリード・スイッチおよび前記第２のリード・スイッチをそれぞれ受けるための複数の座を有する、請求項１に記載のリード・デバイス・パッケージ。
前記複数の接点がハンダ・ボールである、請求項１に記載のリード・デバイス・パッケージ。
前記第１のリード・スイッチおよび前記第２のリード・スイッチのそれぞれのガラス・シールが配置される電送線中の点における容量の差を補償して、それら２つの位置におけるインピーダンスの不連続性を低減するように、前記第１の接地シールドおよび前記第２の接地シールドが形作られる、請求項２に記載のリード・デバイス・パッケージ。
信号入力および信号出力を有する第１のリード・スイッチと、
信号入力および信号出力を有する第２のリード・スイッチと、
前記第１のリード・スイッチの前記信号出力を、前記第２のリード・スイッチの前記信号出力と、電気的にブリッジさせる少なくとも１つのフィルタ・エレメントとを備え、
スタブ容量が低減され、ＲＦ性能が改良される、リード・リレー・デバイス。