JP5009931B2 - インダクタ−キャパシタ共振器を用いた薄膜バンドパスフィルタ - Google Patents
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Description
［相互関連出願］
本出願は、「バンドパスフィルタ」と題されたＲｉｃｈａｒｄ Ｃｈｅｎによる２００５年１２月６日付の米国仮特許出願第６０／７４８，０４５号の利益を主張し、この仮特許出願を参照により本明細書中に組み込むものである。また、本出願は、「インダクタ−キャパシタ共振器を用いた薄膜バンドパスフィルタ」と題されたＲｉｃｈａｒｄ Ｃｈｅｎによる２００６年４月２１日付の米国実用特許出願第１１／４０８，４１２号の利益を主張し、この特許出願を参照により本明細書中に組み込むものである。
本出願は、「バンドパスフィルタ」と題されたＲｉｃｈａｒｄ Ｃｈｅｎによる２００５年１２月６日付の米国仮特許出願第６０／７４８，０４５号の利益を主張し、この仮特許出願を参照により本明細書中に組み込むものである。また、本出願は、「インダクタ−キャパシタ共振器を用いた薄膜バンドパスフィルタ」と題されたＲｉｃｈａｒｄ Ｃｈｅｎによる２００６年４月２１日付の米国実用特許出願第１１／４０８，４１２号の利益を主張し、この特許出願を参照により本明細書中に組み込むものである。
［技術分野］
本発明は、バンドパスフィルタに関し、より具体的には、薄膜バンドパスフィルタに関する。
本発明は、バンドパスフィルタに関し、より具体的には、薄膜バンドパスフィルタに関する。
近年、携帯電話や無線ＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）ルータなどの携帯通信端末は、それらに含まれる各種部品の小型化により、著しく小型化が進んできている。通信端末に含まれる部品の中で最も重要なもののひとつが、フィルタである。
特にバンドパスフィルタは、特定の通過帯域外の周波数の信号を阻止あるいは濾波するために、通信アプリケーションにおいて用いられることが多い。例えば、ブルートゥースや無線ローカル・エリア・ネットワーク（ＷＬＡＮ）は、データ通信用に２．４ＧＨｚ帯域を用いる。他の通信システムに用いられる近接周波数帯域としては、ＧＳＭ−９００（８８０〜９６０ＭＨｚ）、ＧＳＭ−１８００（１７１０〜１９９０ＭＨｚ、香港および英国ではＰＣＳとも呼ばれる）、ＷＣＤＭＡ（２１１０〜２１７０ＭＨｚ）などがある。２．４ＧＨｚ帯域用のフィルタは、周波数干渉を極力減らせるよう、これら近接帯域を阻止するのが好ましい。これら近接帯域はいずれも周波数として２．４ＧＨｚよりも低く且つこれに近接しているため、２．４ＧＨｚ帯域用のフィルタは、通過帯域の低域側のエッジにおいてより高いスカート選択性を有するのが好ましい。
一般にバンドパスフィルタは、通過帯域の両エッジ（すなわち、フィルタによる大きな減衰は受けない、当該範囲の高域側と低域側の周波数）において、挿入損失が低くロールオフ減衰が急峻であることが好ましい。帯域外除去・減衰特性は、バンドパスフィルタに関する重要なパラメータである。これは、フィルタにおける帯域内信号と帯域外信号とを区別する性能を測るものである。帯域外除去特性が高いほど、また、除去される帯域幅が広いほど、通常、フィルタはより優れたものとなる。また、通過帯域とその帯域外との間のロールオフ周波数のエッジが急峻になるほど、フィルタはより優れたものとなる。急速なロールオフを得るためには、一般的に、共振器Ｑ値の増大と、より多くの共振回路（すなわち、より多くのフィルタセクション）が要求される。これにより、帯域外においてより多くの伝送ゼロを生じさせることができ、帯域外減衰をより高次なものとすることができる。しかし、より多くのセクションや共振回路を用いることでフィルタは大型化し、通過帯域におけるフィルタの挿入損失が増加する。これは、現代の無線通信システムにおける小型化の要請に対して有益なことではない。
例えば、従来、急峻なロールオフ減衰を得るために低損失・高Ｑマイクロ波共振器回路が用いられてきた。マイクロ波共振器回路は、マイクロ波周波数において低損失を実現するため、一般的に４分の１波長あるいは２分の１波長伝送線路構造を用いている。低域ギガヘルツ帯の無線アプリケーションでは、これら伝送線路構造を収容できるようにするために、４分の１波長あるいは２分の１波長構造において部品寸法の大型化が必要となる。そのような大型部品は、長さ１ｍｍ×幅０．５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの回路寸法を要するような小型の電子装置に用いるには、一般的に不満足なものである。
上記に鑑み、本発明は、フィルタの一領域にインダクタ−キャパシタ（ＬＣ）共振器を構成し、フィルタの他の領域に結合ネットワークを構成したバンドパスフィルタを提供する。これにより、品質の向上したバンドパスフィルタをより小型に、しかも２層という少ない数の薄膜金属層に構成することができる。
本発明の一実施形態によれば、バンドパスフィルタは、１層以上の金属層を含み、各金属層は第１の領域と第２の領域を有する。前記フィルタは、更に、２つ以上のＬＣ共振器と、前記２つ以上のＬＣ共振器を並列に接続するための１つ以上の結合ネットワークを含む。前記２つ以上のＬＣ共振器は、前記１層以上の金属層の第１の領域内に収容され、前記１つ以上の結合ネットワークは、前記１層以上の金属層の第２の領域内に収容される。
このフィルタ構造は、２層よりも多くの金属層を用いてもよいが、２層だけの薄膜金属層を用いるように構成することができる。従ってこのフィルタは、より小型に構成することができる。また、フィルタにおいて、共振器を結合ネットワークから離れた領域に配置することで、金属どうしのクロスオーバーを打ち消すための追加の金属層は必要なくなる。すなわち、結合ネットワークが（全ての金属層において）共振器とは異なる領域に配置されるので、共振器と結合ネットワークとの間には金属のオーバーラップがほとんど乃至全く存在しない。従って、金属のオーバーラップを相殺するための追加の金属層を構成する必要性が大幅に減少する。このようなオーバーラップは、一般に共振器インダクタの品質因子（Ｑ）の低下を招く。
本発明の他の態様によれば、前記ＬＣ共振器に用いられるキャパシタは、ＬＣ共振器におけるインダクタの自然巻き（回転）方向に配置される。
本発明の他の態様によれば、バンドパスフィルタは３つのＬＣ共振器を含む。
本発明の他の態様によれば、前記ＬＣ共振器の各々におけるインダクタは、同一の巻き（回転）方向に配置される。
本発明の他の態様によれば、基板の一方の側において薄膜プロセスを用いることにより、フィルタの厚さを減らすことができる。また、基板は主に絶縁キャリアとして機能するので、一般に厚さが薄くてもよい。
ここに記載した本発明に関する記述は、単なる例示と説明にとどまり、特許請求の範囲に記載の本発明をなんら制限するものでないことを理解されたい。
以下、添付図面に例示される本発明の代表的な実施形態を詳細に参照する。
本発明はバンドパスフィルタに関し、より具体的には、薄膜バンドパスフィルタに関する。特に、本発明のバンドパスフィルタは、ブルートゥースの２．４ＧＨｚアプリケーションおよびその他の低ＧＨｚ帯アプリケーションに用いられるように構成することができる。
一実施形態によれば、当該バンドパスフィルタは１層以上の金属層を含み、各金属層は第１の領域と第２の領域を有する。前記フィルタは、更に、２つ以上のＬＣ共振器と、前記２つ以上のＬＣ共振器を並列に接続するための１つ以上の結合ネットワークを含む。前記２つ以上のＬＣ共振器は、前記１層以上の金属層の第１の領域内に収容され、前記１つ以上の結合ネットワークは、前記１層以上の金属層の第２の領域内に収容される。
図１は、本発明の一実施形態に係るバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す等角図である。バンドパスフィルタ１００は、インダクタ−キャパシタ（ＬＣ）共振器１３０と、結合ネットワーク１４０を含む。図１に示すように、ＬＣ共振器は３つ用いられている。しかし、所望のアプリケーションや周波数特性に応じて、２つあるいはそれ以上の共振器を用いてもよい。図１に示すように、共振器１３０と結合ネットワーク１４０は、いずれも２層の金属層、すなわち第１の金属層２００および第２の金属層３００内に構成するのが好ましい。本発明は、２層の金属層を用いたフィルタ構造に限られるものではない。特定のアプリケーション用には、必要に応じてもっと多くの金属層を用いてもよい。特に、３つよりも多くの共振器を有し、従って、より複雑な結合ネットワークを有するアプリケーション用には、より多くの金属層を用いてもよい。
ＬＣ共振器１３０は、フィルタパッケージの第１の領域１１０内に収容され、結合ネットワーク１４０は、フィルタパッケージの第２の領域１２０内に収容される。当該パッケージは、更に、入力端子１５０と、出力端子１６０と、グランド端子１７０，１８０を含む。図１に示すように、結合ネットワークの両金属層は、共振器の両金属層が構成されている領域とは別の領域に構成されている。この配置を用いることにより、本発明は、１）共振器の構成要素としてのインダクタおよびキャパシタに、両金属層上に実装できるよう柔軟性を持たせることができ、２）共振器Ｑ値を低下させるおそれのある、金属（すなわち、共振器以外の構造に由来する金属）による共振器へのクロスオーバーを回避するのに役立ち、３）共振器の性能を実質的に低下させることなく、フィルタの帯域外除去性能を調整するための追加のインダクタ（例えば、図１のＬ５１，Ｌ５２）の使用を可能にするものである。
図１乃至３に示すフィルタレイアウト図面において、Ｌ１とＣ１は第１の共振器１３０を形成し、Ｌ２とＣ２は第２の共振器１３０を形成し、Ｌ３とＣ３は第３の共振器１３０を形成する。Ｃ５１とＬ５１は、第１と第２の共振器間の相互接続（結合）回路である。Ｃ５２とＬ５２は、第２と第３の共振器間の相互接続（結合）回路である。Ｃ４とＬ４は、第１と第３の共振器間のみならず、フィルタの入力ポート１５０と出力ポート１６０との間の結合回路である。Ｃ５１とＬ５１、Ｃ５２とＬ５２、およびＣ４とＬ４によって形成されるこれら結合回路は、共に結合ネットワーク１４０を構成する。このような結合ネットワークは、バンドパスフィルタの所望の周波数応答特性を作り出すためにどのような形で設けてもよい。Ｌ６は、グランド１７０につながる端子インダクタンスを示す。
図１に示すレイアウトは、側壁パッケージング型の１ｍｍ×０．５ｍｍフォームファクタで構成されるべきバンドパスフィルタである。しかし、パッケージングの大きさや種類はどのようなものであってもよい。図１に示すように、共振器構造は３つ実装するのが好ましい。これら共振器は、集中インダクタおよびキャパシタ共振器として構成される。インダクタンス値が同じ場合、コイルインダクタは伝送線路１本よりも占有スペースが小さい。その理由は、コイルの全てのターンによって磁束が共有され、従って面積当たりのインダクタンス密度が高くなるからである。
図２は、図１に示したバンドパスフィルタにおける上層２００の物理的レイアウトを示す図である。図３は、図１に示したバンドパスフィルタにおける下層３００の物理的レイアウトを示す図である。なお、フィルタが、２つ以上のＬＣ共振器と、前記２つ以上のＬＣ共振器を並列に接続するための１つ以上の結合ネットワークとを含み、前記２つ以上のＬＣ共振器が前記１つ以上の金属層の第１の領域に収容され、前記１つ以上の結合ネットワークが前記１つ以上の金属層の第２の領域に収容される限りにおいて、図２と図３に示す上層と下層は、逆になってもよいし、別の方式でレイアウトされてもよい。
図２に示すように、第１の共振器（Ｌ１、Ｌ１１、Ｃ１）と、第２の共振器（Ｌ２、Ｌ２１、Ｃ２）と、第３の共振器（Ｌ３、Ｌ３１、Ｃ３）は、領域１１０において、部分的に上層２００内に形成される。金属領域２０３は、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタＣ１のトッププレートを形成する。金属領域２０３（Ｃ１）は、金属領域２０５（Ｌ１１）を介して金属領域２０７（Ｌ１）に接続される。金属領域２０７（Ｌ１）は、ビア２０９を介して、下層３００上のインダクタＬ１の残部に接続される。機能的に、金属領域２０３と２０５は、共に、金属領域２０３によって形成されるキャパシタＣ１に対して直列に接続されるインダクタＬ１１を形成する。この直列ＬＣ回路（すなわち、Ｃ１とＬ１１）は、インダクタＬ１と並列に接続されてＬＣ共振器を形成する。
金属領域２０７（Ｌ１）は、第１のＬＣ共振器（Ｌ１、Ｌ１１、Ｃ１）を第２のＬＣ共振器（Ｌ２、Ｌ２１、Ｃ２）に接続するため、金属領域２１５（Ｌ２１）に接続される。金属領域２１３は、ＭＩＭキャパシタＣ２のトッププレートを形成する。金属領域２１３（Ｃ２）は、金属領域２１５（Ｌ２１）を介して金属領域２１７（Ｌ２）に接続される。金属領域２１７（Ｌ２）は、ビア２１９を介して、下層３００上のインダクタＬ２の残部に接続される。機能的に、金属領域２１３と２１５は、共に、金属領域２１３によって形成されるキャパシタＣ２に対して直列に接続されるインダクタＬ２１を形成する。この直列ＬＣ回路（すなわち、Ｃ２とＬ２１）は、インダクタＬ２と並列に接続されてＬＣ共振器を形成する。
金属領域２１７（Ｌ２）は、第２のＬＣ共振器（Ｌ２、Ｌ２１、Ｃ２）を第３のＬＣ共振器（Ｌ３、Ｌ３１、Ｃ３）に接続するため、金属領域２２５（Ｌ３１）に接続される。金属領域２２３は、ＭＩＭキャパシタＣ３のトッププレートを形成する。金属領域２２３（Ｃ３）は、金属領域２２５（Ｌ３１）を介して金属領域２２７（Ｌ３）に接続される。金属領域２２７（Ｌ３）は、ビア２２９を介して、下層３００上のインダクタＬ３の残部に接続される。機能的に、金属領域２２３と２２５は、共に、金属領域２２３によって形成されるキャパシタＣ３に対して直列に接続されるインダクタＬ３１を形成する。この直列ＬＣ回路（すなわち、Ｃ３とＬ３１）は、インダクタＬ３と並列に接続されてＬＣ共振器を形成する。
ＬＣ共振器回路の各々は、金属領域２４７（Ｌ６）を介してグランド２７０（ここでは側壁端子）に接続される。金属領域２４７（Ｌ６）は金属領域２１７（Ｌ２）に接続され、金属領域２１７（Ｌ２）は、金属領域２１５（Ｌ２１）を介して金属領域２０７（Ｌ１）と金属領域２０５（Ｌ１１）に接続される。金属領域２４７（Ｌ６）は、金属領域２２５（Ｌ３１）を介して金属領域２２７（Ｌ３）と金属領域２２３（Ｃ３）にも接続される。
結合ネットワーク１４０は、領域１２０の上層２００内に部分的に収容される。金属領域２３９は、ＭＩＭキャパシタＣ５１のトッププレートとインダクタＬ５１の両方を形成する。同様に、金属領域２４１は、ＭＩＭキャパシタＣ５２のトッププレートとインダクタＬ５２の両方を形成する。金属領域２３９と２４１は、ビア２３３を介して、下層３００上の結合ネットワークの残部に接続される。また、金属領域２４３は、ＭＩＭキャパシタＣ４のトッププレートを形成する。このキャパシタは、ビア２３７を介して、下層３００上の結合ネットワークの残部に接続される。
ここで、図３に示される下層３００について説明すると、金属領域３５０（入力端子）は、金属領域３０３（Ｃ１）に接続されている。金属領域３０３は、ＭＩＭキャパシタＣ１のボトムプレートを形成する。金属領域３０３は、ＭＩＭキャパシタＣ５１のボトムプレートを形成する金属領域３３９に接続される。なお、金属領域３０３（Ｃ１）は（共振器の一部であるため）第１の領域１１０に位置しており、金属領域３３９（Ｃ５１）は（結合ネットワークの一部であるため）第２の領域に位置している。金属領域３３９（Ｃ５１）は、下層３００においてインダクタＬ１の他の部分を形成する金属領域３０７にも接続される。インダクタＬ１のこの部分は、ビア２０９を介して、上層にある当該インダクタの残部に接続される。
金属領域３１３は、ＭＩＭキャパシタＣ２のボトムプレートを形成する。金属領域３１３は金属領域３９０に接続され、金属領域３９０は、ビア２３３を介して、第２の共振器（すなわちＬ２、Ｌ２１、Ｃ２）を結合ネットワーク１４０に接続する。なお、金属領域３１３（Ｃ２）は（共振器の一部であるため）第１の領域１１０に位置しており、金属領域３９０は（結合ネットワークの一部であるため）第２の領域に位置している。金属領域３９０は、下層３００においてインダクタＬ２の他の部分を形成する金属領域３１７にも接続される。インダクタＬ２のこの部分は、ビア２１９を介して、上層にある当該インダクタの残部に接続される。
金属領域３２３は、ＭＩＭキャパシタＣ３のボトムプレートを形成する。金属領域３２３は、ＭＩＭキャパシタＣ５２のボトムプレートを形成する金属領域３４１に接続される。なお、金属領域３２３（Ｃ３）は（共振器の一部であるため）第１の領域１１０に位置しており、金属領域３４１（Ｃ５２）は（結合ネットワークの一部であるため）第２の領域に位置している。金属領域３４１（Ｃ５２）は、下層３００においてインダクタＬ３の他の部分を形成する金属領域３２７にも接続される。インダクタＬ１のこの部分は、ビア２２９を介して、上層にある当該インダクタの残部に接続される。金属領域３２７（Ｌ３）は、金属領域３６０（出力ポート）にも接続される。
ここで、領域１２０内に収容される結合ネットワーク１４０の残部について説明すると、金属領域３３９（Ｃ５１）は、ＭＩＭキャパシタＣ４の下部プレートおよびインダクタＬ４の一部を形成する金属領域３４６につながっている。金属領域３４１（Ｃ５２）は、（インダクタＬ４の他の一部を形成する）金属領域３４５につながっている。そして金属領域３４５は、ビア２３７を介して結合ネットワークの残部、すなわち金属領域２４３（キャパシタＣ４の上部プレート）につながっている。
図１乃至３に示すように、共振器キャパシタ（すなわちＣ１、Ｃ２、Ｃ３）は、これらが接続されるインダクタ（すなわち、それぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３）の自然巻き方向に配置されている。この場合、自然巻き方向とは、上層から下層への信号の流れの方向と定義される。従って、第１の共振器（Ｌ１、Ｌ１１、Ｃ１）では、信号は金属領域２０３から反時計回りに金属領域２０５と２０７を流れ、ビア２０９を通り、継続して反時計回り方向に金属領域３０７を流れる。図２と図３からわかるように、金属領域２０３と３０３（キャパシタＣ１の両プレート）は、反時計回りコイルと同方向における始端と終端に配置されている。この配置により、省スペース化と共振器Ｑ値の増大を実現することができる。
また、図１と図３に示される本発明の別の態様は、使用される前記２つ以上のＬＣ共振器がそれぞれ同じ巻き方向を有するというものである。これにより、２つの隣り合うインダクタ間あるいはキャパシタ間の間隔を等しくすることができ、その結果、２つの隣り合うインダクタ間でそれぞれほぼ同量の相互結合が生じることになる。このことは、バランスのとれた均一のフィルタ構造を形成するのに役立つ。
図４は、図１乃至３に示したバンドパスフィルタの回路図である。第１のＬＣ共振器４３１は、キャパシタ４０３（Ｃ１）とインダクタ４０５（Ｌ１１）を含むＬＣ直列回路に並列に接続されたインダクタ４０７（Ｌ１）を含む。ＬＣ共振器４３１は、インダクタ４４７（Ｌ６）を介してグランド４７０に接続される。ＬＣ共振器４３１は、入力ポート４５０にも接続される。また、ＬＣ共振器４３１は、キャパシタ４３９（Ｃ５１）とインダクタ４４０（Ｌ５１）を含むＬＣ直列回路を介して、ＬＣ共振器４３３に接続される。
第２のＬＣ共振器４３３は、キャパシタ４１３（Ｃ２）とインダクタ４１５（Ｌ２１）を含むＬＣ直列回路に並列に接続されたインダクタ４１７（Ｌ２）を含む。ＬＣ共振器４３３は、インダクタ４４７（Ｌ６）を介してグランド４７０に接続される。上述のとおり、ＬＣ共振器４３３は、キャパシタ４３９（Ｃ５１）とインダクタ４４０（Ｌ５１）を含むＬＣ直列回路を介して、ＬＣ共振器４３１に接続される。また、ＬＣ共振器４３３は、キャパシタ４４１（Ｃ５２）とインダクタ４４２（Ｌ５２）を含むＬＣ直列回路を介して、ＬＣ共振器４３４に接続される。
第３のＬＣ共振器４３４は、キャパシタ４２３（Ｃ３）とインダクタ４２５（Ｌ３１）を含むＬＣ直列回路に並列に接続されたインダクタ４２７（Ｌ３）を含む。ＬＣ共振器４３４は、インダクタ４４７（Ｌ６）を介してグランド４７０に接続される。上述のとおり、ＬＣ共振器４３４は、キャパシタ４４１（Ｃ５２）とインダクタ４４２（Ｌ５２）を含むＬＣ直列回路を介して、ＬＣ共振器４３３に接続される。また、ＬＣ共振器４３４は、出力ポート４６０に接続される。
最後に、ＬＣ共振器４３１は、キャパシタ４４３（Ｃ４）とインダクタ４４５（Ｌ４）を含むＬＣ直列回路を介してＬＣ共振器４３４に接続される。同様に、入力ポート４５０は、キャパシタ４４３（Ｃ４）とインダクタ４４５（Ｌ４）を含む前記ＬＣ直列回路を介して出力ポート４６０に接続される。
図４に示した回路構成要素は、２．４ＧＨｚアプリケーション用としては、それぞれおおよそ以下の値を有するのが好ましい。
Ｃ１＝１．８ｐＦ
Ｌ１１＝０．５ｎＨ
Ｌ１＝１．１ｎＨ
Ｃ２＝１．８ｐＦ
Ｌ２１＝０．５ｎＨ
Ｌ２＝１．１ｎＨ
Ｃ３＝１．８ｐＦ
Ｌ３１＝０．５ｎＨ
Ｌ３＝１．１ｎＨ
Ｃ４＝０．２ｐＦ
Ｌ４＝０．６ｎＨ
Ｃ５１＝０．６ｐＦ
Ｌ５１＝０．３ｎＨ
Ｃ５２＝０．６ｐＦ
Ｌ５２＝０．３ｎＨ
Ｌ６＝０．１５ｎＨ
Ｌ１１＝０．５ｎＨ
Ｌ１＝１．１ｎＨ
Ｃ２＝１．８ｐＦ
Ｌ２１＝０．５ｎＨ
Ｌ２＝１．１ｎＨ
Ｃ３＝１．８ｐＦ
Ｌ３１＝０．５ｎＨ
Ｌ３＝１．１ｎＨ
Ｃ４＝０．２ｐＦ
Ｌ４＝０．６ｎＨ
Ｃ５１＝０．６ｐＦ
Ｌ５１＝０．３ｎＨ
Ｃ５２＝０．６ｐＦ
Ｌ５２＝０．３ｎＨ
Ｌ６＝０．１５ｎＨ
これらの値は単に例示であることに留意されたい。フィルタにおける各構成要素の値は、任意の通過帯域範囲のアプリケーションに適合するよう、任意の値に変更してよい。
図５は、図１乃至３に示したレイアウトで、図４の構成要素の各値を有するバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。この構成において、周波数特性５００は、約２．３ＧＨｚから３．０ＧＨｚの間の通過帯域５１０を有する。周波数特性５００は、通過帯域５１０より低域側における２つの伝送ゼロ５２０と、通過帯域５１０より高域側における２つの伝送ゼロ５２０を含む。
図５に示した周波数特性は単に例示である。ＬＣ共振器と結合ネットワークの形状、大きさ、各構成要素の値を変更することにより、種々異なる通過帯域および周波数特性を実現することができる。必要なことは、フィルタが、２つ以上のＬＣ共振器と、前記２つ以上のＬＣ共振器を並列に接続するための１つ以上の結合ネットワークとを含み、前記２つ以上のＬＣ共振器は、１層以上の金属層の第１の領域内に収容され、前記１つ以上の結合ネットワークは、１層以上の金属層の第２の領域内に収容されるということだけである。
図６と図７は、それぞれ、上層と下層に配置されたインダクタを示すバンドパスフィルタ構造の断面図である。バンドパスフィルタ構造６００，７００は、基板６０１と、第１の金属層６０３と、第２の金属層６０５と、絶縁体層６０７と、キャパシタ誘電体層６０９と、側壁端子６１２と、パッシベーション層６１３を含む。
基板は、セラミックス、サファイア、石英、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、高抵抗率シリコンなどといった発散損失の少ない材料によって形成されるのが好ましいが、他の材料、例えばガラスや低抵抗率シリコン等によって形成されてもよい。第１および第２の金属層は銅によって形成されるのが好ましいが、金、アルミニウム、あるいはその他の好適な導電特性を有する材料によって形成されてもよい。絶縁体はポリイミドによって形成されるのが好ましいが、シリコン酸化物、フォトレジスト材料、あるいはその他の好適な絶縁特性を有する材料によって形成されてもよい。キャパシタ誘電体は窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）によって形成されるのが好ましいが、アルミナ、シリコン酸化物、酸化タンタル等、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタを形成するのに有用な誘電体であれば、どのような種類のものによって形成されてもよい。パッシベーション層は、窒化シリコンあるいは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）によって形成されるのが好ましいが、電子チップの上面を保護するのに適した材料であればどのような材料で形成されてもよい。側壁端子は、錫、ニッケル、銅、あるいはニッケル／銅／錫のサンドイッチ等、任意の好適な導体によって形成することができる。側壁端子は、回路基板上の半田パッドに直接接合できるよう、バンドパスフィルタパッケージの両サイドに取り付けられる。これにより、バンドパスフィルタが装置内において占めるスペースを減らすことができる。
これら金属層、絶縁体層、誘電体層は、任意の従来の薄膜プロセスを用いて基板に形成されるのが好ましい。そのようなプロセスとして、例えばめっき法、化学気相成長法、プラズマ強化化学気相成長法、熱蒸発法、電子線蒸着装置、スパッタリング、パルスレーザ堆積法、分子線エピタキシー、反応性スパッタリング、化学的エッチング、ドライエッチング等が挙げられる。しかし、薄膜を形成するための技術であればどのような技術を利用してもよい。
図８Ａ〜Ｃは、本発明の一実施形態に係る、インダクタを下層に配置したバンドパスフィルタの製造方法を示す図である。前述のとおり、本発明のバンドパスフィルタは薄膜プロセスを用いて製造するのが好ましい。サイズの極小化が求められない状況であれば、その他のプロセスを用いてもよい。
とりわけ薄膜プロセスは、フォトマスクや化学的エッチングを用いることで、微細な金属パターンの形成を可能にする。通常、パターン解像度がおよそ数十ミクロンの低温同時焼成セラミックプロセス（ＬＴＣＣ）に比べて、薄膜プロセスは、ミクロンレベルあるいはサブミクロンレベルの解像度までも実現しうる。
ここで、図８Ａ〜ＣをステップＳ８０１から説明すると、まず、第１の金属層６０３を基板６０１上に成膜する。基板の当初の厚さは、プロセス装置に応じて０．５ｍｍから５ｍｍまでのいずれかとすることができる。基板の最終的な厚さは、バックサイドプロセス後、１００〜５００μｍとなる。金属層の厚さは１〜２０μｍが好ましい。金属は任意の薄膜技術によって成膜してよいが、スパッタリングまたはめっき法によって成膜するのが好ましい。ステップＳ８０２では、第１の金属層にパターンを施し、第１の金属層をエッチングして所望のレイアウトを形成する。次に、ステップＳ８０３では、基板および第１の金属層上にキャパシタ誘電体６０９をスパッタする。誘電体の厚さは０．０６μｍから０．３μｍの間が好ましい。ステップＳ８０４では、誘電体にパターンを施してエッチングし、所望のレイアウトを得る。
次に、ステップＳ８０５では、基板と第１の金属層とキャパシタ誘電体の上に絶縁体６０７をスピンオン形成する。絶縁体の厚さは３μｍから１０μｍの間が好ましい。ステップＳ８０６では、絶縁体６０７にパターンを施し、この絶縁体をエッチングして所望のレイアウトを形成する。ステップＳ８０６は、絶縁体を硬化させるプロセスを含んでもよい。次に、ステップＳ８０７では、第１の金属層、キャパシタ誘電体および絶縁体の上に第２の金属層６０５を成膜する。第２の金属層の厚さは１〜２０μｍが好ましい。そして、ステップＳ８０８では、第２の金属層６０５にパターンを施し、第２の金属層をエッチングして所望のパターンを形成する。ステップＳ８０９では、フィルタにパッシベーション層６１３を追加する。パッシベーション層６１３は、第２の金属層６０５および絶縁体６０７を覆って２０μｍ〜５０μｍの好適な厚さに形成する。最後に、ステップＳ８１０で、フィルタパッケージに側壁端子を追加する。
上述した各厚さ範囲は絶対的な要件ではなく、単に、低ギガヘルツ帯で動作するフィルタを製造するのに好適な範囲を代表するにすぎない。その他のアプリケーションに用いる場合は、各厚さをより大きくあるいは小さくしてもよい。
図９Ａ〜Ｃは、ここに代表されるバンドパスフィルタが、インダクタを上層に配置するという異なったパターンレイアウトを有すること以外は、図８Ａ〜Ｃと同じである製造方法を示す。
図１乃至３に示したレイアウトは、本発明に係るバンドパスフィルタを形成するのに使用しうる金属領域の形状や大きさに関して何ら限定するものではない。以下に述べる図面は、いくつかの可能な選択肢を示すものである。
例えば、図１０は、結合ネットワーク内にコイル状インダクタを配置したバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す等角図である。結合ネットワーク１４０は、共振器が配置されている領域とは別の領域に配置されているので、本発明によれば、フィルタにおいて種々異なる周波数特性を実現するために各領域のレイアウトを変更する際の柔軟性が増す。特に、インダクタＬ５１，Ｌ５２は、図１乃至３に示したような直線状インダクタではなくコイル状インダクタとして実装されてもよい。インダクタＬ５１，Ｌ５２にコイルを用いることで、これら２つのインダクタのインダクタンスを大きくすることができる。周波数特性の通過帯域高域側（例えば、図５における５ＧＨｚ乃至８ＧＨｚ）における帯域外性能も向上させることができる。
図１は、ＬＣ共振器１３０のインダクタコイルが、角を丸めた矩形になっているバンドパスフィルタの実施形態を示す。しかし、ＬＣ共振器１３０のコイルインダクタには、これと異なる形状を用いてもよい。例えば、図１１は、矩形インダクタコイルを有するバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す等角図である。これらのコイルは、角が丸くなく直角になっている。他の例として、図１３は、図１と図１１に示したような概ね対称形のコイルではなく、ヘアピン形状のインダクタを有するバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す等角図である。インダクタには、その他の形状、例えば三角形、楕円形、円形、多角形等の形状を用いることも可能である。
また、本発明のバンドパスフィルタのパッケージレイアウトは、図１に示したものに限られない。入力端子、出力端子およびグランド端子は、どのように配置してもよい。一例として、図１２は、入出力端子を、図１に示したようにフィルタパッケージの短尺側ではなく、長尺側に配置したバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す等角図である。同様に、グランド端子は短尺側へと、向きが変えられている。
本明細書と、ここに開示された実施形態を考慮することにより、当業者には他の実施形態が明白となろう。このように、本明細書および実施例は例示的なものにすぎず、本発明の真の範囲と精神は、以下の特許請求の範囲とその法的均等の範囲に示されるものである。
Claims (19)
- 各々が第１の領域と第２の領域を有する１層以上の金属層と、
前記１層以上の金属層の第１の領域内に収容される第１、第２および第３のＬＣ共振器と、
前記１層以上の金属層の第２の領域内に収容される結合ネットワークと
を備え、
前記第２のＬＣ共振器は、前記第１のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器の間に配置され、
前記結合ネットワークは、
前記第１のＬＣ共振器と第２のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第１のＬＣ直列回路と、
前記第２のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第２のＬＣ直列回路と、
前記第１のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第３のＬＣ直列回路とを含むことを特徴とするバンドパスフィルタ。 - 前記１層以上の金属層として、２層の薄膜金属層を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各々はインダクタを含み、前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各インダクタは同じ巻き方向を有することを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器および前記結合ネットワークは、基板の一方の側に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１のＬＣ直列回路のインダクタと第２のＬＣ直列回路のインダクタは、それぞれ直線状インダクタであることを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１のＬＣ直列回路のインダクタと第２のＬＣ直列回路のインダクタは、それぞれコイル状インダクタであることを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各々はインダクタを含み、前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各インダクタは、丸みのある矩形コイルの形状をしていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各々はインダクタを含み、前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各インダクタは矩形コイルの形状をしていることを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１の領域と前記第２の領域は互いに重ならないことを特徴とする、請求項１に記載のバンドパスフィルタ。
- 各々が第１の領域と第２の領域を有する１層以上の金属層と、
前記１層以上の金属層の第１の領域内に収容される第１、第２および第３のＬＣ共振器と、
前記１層以上の金属層の第２の領域内に収容される結合ネットワークと、
バンドパスフィルタを収容するパッケージにおける互いに反対側に配置された入力端子および出力端子と、
バンドパスフィルタを収容するパッケージにおける互いに反対側に配置された第１および第２のグランド電極を含む２つ以上のグランド電極と
を備え、
前記第２のＬＣ共振器は、前記第１のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器の間に配置され、
前記結合ネットワークは、
前記第１のＬＣ共振器と第２のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第１のＬＣ直列回路と、
前記第２のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第２のＬＣ直列回路と、
前記第１のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第３のＬＣ直列回路とを含むことを特徴とするバンドパスフィルタ。 - 前記１層以上の金属層として、２層の薄膜金属層を備えたことを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各々はインダクタを含み、前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各インダクタは同じ巻き方向を有することを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器および前記結合ネットワークは、基板の一方の側に構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１のＬＣ直列回路のインダクタと第２のＬＣ直列回路のインダクタは、それぞれ直線状インダクタであることを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１のＬＣ直列回路のインダクタと第２のＬＣ直列回路のインダクタは、それぞれコイル状インダクタであることを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各々はインダクタを含み、前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各インダクタは、丸みのある矩形コイルの形状をしていることを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各々はインダクタを含み、前記第１、第２および第３のＬＣ共振器の各インダクタは矩形コイルの形状をしていることを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 前記第１の領域と前記第２の領域は互いに重ならないことを特徴とする、請求項１０に記載のバンドパスフィルタ。
- 各々が、互いに重ならない第１の領域と第２の領域を有する第１および第２の薄膜金属層と、
各々が、前記第１および第２の薄膜金属層の第１の領域内に収容されるとともに、各々が、同じ巻き方向を有するインダクタを含む第１、第２および第３のＬＣ共振器と、
前記第１および第２の薄膜金属層の第２の領域内に収容される結合ネットワークと、
前記第１のＬＣ共振器に接続された入力端子と、前記第３のＬＣ共振器に接続された出力端子であって、バンドパスフィルタを収容するパッケージにおける互いに反対側に配置された入力端子および出力端子と、
バンドパスフィルタを収容するパッケージにおける互いに反対側に配置された第１および第２のグランド電極と
を備え、
前記第２のＬＣ共振器は、前記第１のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器の間に配置され、
前記結合ネットワークは、
前記第１のＬＣ共振器と第２のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第１のＬＣ直列回路と、
前記第２のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第２のＬＣ直列回路と、
前記第１のＬＣ共振器と第３のＬＣ共振器を接続する、直列に接続されたキャパシタとインダクタを含む第３のＬＣ直列回路とを含むことを特徴とするバンドパスフィルタ。
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