JP5354231B2 - 多層基板中に縦方向に構成された共振素子およびこれらを用いたフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、共振素子、共振器、そして多層基板技術を用いたフィルタに係る。

現代および次世代のネットワークおよびコンピュータシステムが発展する方向として、小型化および費用対効果が鍵となる。チップや、パッケージや、プリント基板などのコンポーネントとして構築された電子機器における主な相互接続技術として、多層基板が役立っている。その他に、相互接続は、受動素子を形成する基でもある。様々な形状および寸法を有する、開放状態または短絡状態にある平面伝送線路セグメントは、スタブや、共振器や、その他の受動的構成素子として機能する。伝送線路がこのような目的で使用されてきた一つの理由としては、その構造が電磁波の導波に適しており、伝搬定数および特性インピーダンスを有する基本モード（例：ＴＥモード、準ＴＥモード、など）を広い周波数帯域で提供できる構造だからである。

信号ヴィアと、グランドヴィアとで構成されるヴィア構造は、多層基板における異なる導体層に配置された平面伝送線路を結ぶ縦方向の相互接続部のみならず、受動素子の構成ブロックにもなり得る。

特願２００８−５０７８５８号公報（米国特許２００８／００９３１１２Ａ１号）には、開放状態および短絡状態の両方のスタブと、その結果、多層基板を用いた小型フィルタ素子との設計で使用可能な、複合ビア構造が開示されている。
しかし、次世代のコンピュータおよびネットワークのシステムでは、フィルタ構造を含む受動素子の、適用時の費用対効果が高い方法によるさらなる小型化が必要である。
また、フィルタの帯域制御に利用可能な方法を取得することも重要である。

特願２００８−５０７８５８号公報

本発明の目的は、ヴィア構造を用いた多層基板内の小型共振素子を提供することである。本発明のこの目的において、このような共振素子は、多層基板に特定の同軸伝送線路を形成することで提供される。この特定の同軸伝送線路において、内側および外側の導体境界は、以下のように構築されている。内側の導体境界は、信号ヴィアと、信号ヴィアに接続された導体プレートとを含んでおり、この導体プレートの縁部は波型である。同軸伝送線路の外側の導体境界は、グランドヴィアと、グランドヴィアに接続されたグランド導体プレートとを含んでいる。信号ヴィアと、グランドヴィアとの間の領域に配置されたグランド導体プレートの縁部は、波型である。その結果、同じ導体層に配置された信号プレートおよびグランドプレートは、二重に波型の平面を形成する。ここで、信号部分と、グランド部分とは、絶縁スリットによって分離されている。

信号ヴィアおよびグランドヴィアの間の領域の導体層におけるこのような二重波型形状によって、ボード絶縁材料の比誘電率よりも高い値を有する実効比誘電率が成立する。そして、結果的に、より短いヴィア構造セグメントで共振条件が満たされる。

本発明の他の目的は、本発明の共振素子を用いて、開放状態または短絡状態にある共振スタブ、共振器およびフィルタ素子を提供し、その結果、これらの横方向の寸法を短縮することである。

図１Ａは、本発明の実施形態による共振素子を示す縦方向の断面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示した共振素子の、断線１Ｂによる横方向の断面図である。 図１Ｃは、図１Ａに示した共振素子の、断線１Ｃによる横方向の断面図である。 図１Ｄは、図１Ａに示した共振素子の、上面図および下面図である。 図２Ａは、関連技術による構造を示す縦方向の断面図である。 図２Ｂは、図２Ａに示した構造の、断線２Ｂによる横方向の断面図である。 図２Ｃは、図２Ａに示した構造子の、断線２Ｃによる横方向の断面図である。 図３Ａは、他の関連技術による構造を示す縦方向の断面図である。 図３Ｂは、図３Ａに示した構造の、断線３Ｂによる横方向の断面図である。 図３Ｃは、図３Ａに示した構造子の、断線３Ｃによる横方向の断面図である。 図４Ａは、本発明の他の実施形態による共振素子を示す縦方向の断面図である。 図４Ｂは、図４Ａに示した共振素子の、断線４Ｂによる横方向の断面図である。 図４Ｃは、図４Ａに示した共振素子の、上面図および下面図である。 図５は、共振素子の電気的性能に係る二重波型プレートの効果を、反射損失のシミュレーション結果として示すグラフである。 図６は、共振素子の電気的性能に係る二重波型プレートの効果を、挿入損失のシミュレーション結果として示すグラフである。 図７Ａは、本発明の実施形態による共振スタブ素子を用いたフィルタを示す縦方向の断面図である。 図７Ｂは、図７Ａに示したフィルタの、断線７Ｂによる横方向の断面図である。 図７Ｃは、図７Ａに示したフィルタの、断線７Ｃによる横方向の断面図である。 図７Ｄは、図７Ａに示したフィルタの、上面図および下面図である。 図８Ａは、本発明の実施形態による共振スタブ素子を用いたフィルタを示す縦方向の断面図である。 図８Ｂは、図８Ａに示したフィルタの、断線８Ｂによる横方向の断面図である。 図８Ｃは、図８Ａに示したフィルタの、断線８Ｃによる横方向の断面図である。 図８Ｄは、図８Ａに示したフィルタの、上面図および下面図である。 図９は、フィルタの電気的性能に係る二重波型プレートの効果を、反射損失のシミュレーション結果として示すグラフである。 図１０は、フィルタの電気的性能に係る二重波型プレートの効果を、挿入損失のシミュレーション結果として示すグラフである。

本発明による複数種類の、共振素子と、短絡状態および開放状態のスタブと、多層基板に配置されたこれらの共振素子に基づいたフィルタとについて、添付図面を参照して詳細に説明する。ただし、この説明が、請求の範囲を狭めるように解釈されてはならないことをよく理解されたい。

図１Ａ〜図１Ｄは、１２枚の導体層を有する基板に内蔵された共振素子に係る一つの実施形態を示す。

この、１２枚の導体層を有する基板は、多層基板における一例に過ぎず、導体層の枚数や、充填された材料や、その他の基板パラメータは、必要に応じて異なっても構わないことをよく理解されたい。

本実施形態において、共振素子は、１２枚の導体層を有する基板の最上層のパッド１０４から、同じ基板の最下層のパッド１０４にかけて、縦方向に配置されている。導体層１Ｌ１、１Ｌ２、１Ｌ３、１Ｌ４、１Ｌ５、１Ｌ６、１Ｌ７、１Ｌ８、１Ｌ９、１Ｌ１０、１Ｌ１１および１Ｌ１２は、誘電体１０９によって絶縁されている。共振素子は、グランドヴィア１０２に囲まれた信号ヴィア１０１と、間隙領域１０３によって他の導体から絶縁されたパッド１０４と、二重波型領域１１０とを含む。この二重波型領域１１０は、信号ヴィア１０１と、グランドヴィア１０２との間の領域に形成されており、信号ヴィア１０１に接続された波型信号プレート１０５と、グランドヴィア１０２に接続された波型グランドプレート１０７とを含んでいる。信号プレート１０５は、二重波型領域１１０の絶縁スリット１０６によって、グランドプレート１０７から絶縁されている。

固定された多層基板において、共振周波数は、信号ヴィアおよびグランドヴィアの間の領域における波型信号導体プレートおよび波型グランド導体プレートの両方の寸法と、二重波型領域１１０が形成された導体層の枚数とに依存する。

本発明の共振素子が基づいている物理的なメカニズムについて考える。もし、信号ヴィアおよびグランドヴィアの間の領域に導体プレートが無かったら、このような構造は、多層基板内に縦方向に配置された同軸伝送線路として機能する。この同軸伝送線路では、内側の導体境界は信号ヴィアである一方で、グランドプレーンに接続されたグランドヴィアが外側の導体境界として機能する。

この伝送線路における内側の導体境界と、外側の導体境界との間の領域に充填された材料の比誘電率ε_ｒは、次のように定義される。
ε_ｒ＝Ｃ／（２・π・Ｆ（ａ，ｂ）） …（１）
ここで、Ｃは単位長さあたりの容量であり、Ｆ（ａ，ｂ）は、内側の導体境界における横方向の寸法と、内側の導体境界から外側の導体境界までの距離との関数である。

この共振素子を形成するために、同軸伝送線路セグメントの長さｌ（図１Ａを参照）は次の条件を満たす必要がある。
ｌ＝（ｎ・π・λ_０）／（２√ε_ｒ） …（２）
ここで、ｎは整数であり、λ_０は自由空間における波長である。

式（２）から結論付けられるように、充填材料の比誘電率が上昇すれば、共振素子の長さの短縮が達成され得る。

本発明において、これは、同軸伝送線路における内側の導体境界および外側の導体境界の間の領域に人工媒体を作成したことによって得られる。この人工媒体は、多層基板の導体層における二重波型領域によって得られる。この二重波型領域によって、内側の導体境界と、外側の導体境界との間の実効容量Ｃ_ｅｆｆが上昇し、その結果、これらの導体境界の間の人工媒体の実効誘電率ε_ｅｆｆが上昇する。

得られた効果は、次の式のように表すことが出来る。
ε_ｅｆｆ＝Ｃ_ｅｆｆ／（２・π・Ｆ（ａ，ｂ）） …（３）
その結果、二重波型領域の場合における共振素子の長さは、次のように定義される。
ｌ＝（ｎ・π・λ_０）／２√ε_ｅｆｆ） …（４）

したがって、式（４）から分かるように、同軸伝送線路を充填する媒体の実効誘電率は、共振素子の長さをより短くし、すなわち、その寸法をより小型にする。

本発明による共振素子の利点を示すために、複数の典型的な構成における全波シミュレーションを有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法で行った。

これらの構成は、２種類の関連技術による構成と、本発明による共振素子の構成とを含む。

これらのケースについて詳細に説明する。

図２Ａ〜図２Ｃは、１２枚の導体層を有する基板における長さｌの同軸伝送線路を示している。この伝送線路は、信号ヴィア導体２０１と、グランドプレート２０７に接続されたグランドヴィア２０２と、信号ヴィア導体２０１に接続されたパッド２０４と、信号導体をグランド導体から絶縁する間隙領域２０３とを含む。基板中の導体層は、誘電体２０９によって絶縁されている。

図３Ａ〜図３Ｃは、他の関連技術による構造体を示す。この構造体は、１２枚の導体層を有する基板における長さｌの同軸伝送線路を表している。上記関連技術の場合と同様に、この同軸伝送線路は、信号ヴィア導体３０１と、グランドプレート３０７に接続されたグランドヴィア３０２と、信号ヴィア導体３０１に接続されたパッド３０４と、信号導体をグランド導体から絶縁する間隙領域３０３とを含んでいる。ただし、このケースでは、導体層において、追加の導体プレート３０５が信号ヴィア導体３０１に接続されている。これらのプレート３０５は、絶縁スリット３０６によってグランド導体から絶縁されている。

図４Ａ〜図４Ｃは、本発明による共振素子を示している。この共振素子は、信号ヴィア導体４０１と、グランドプレート４０７に接続されたグランドヴィア４０２と、信号ヴィア導体４０１に接続されたパッド４０４と、信号導体をグランド導体から絶縁する間隙領域４０３とを含む同軸伝送線路として形成されている。この共振素子において、二重波型領域は、信号ヴィア導体およびグランドヴィアの間の領域に、絶縁スリット４０６によって分離されている信号波型プレート４０５およびグランド波型プレート４０７によって形成されている。

以上３種類の構造体の寸法は、次のとおりである。１２枚の導体層を有する基板の厚さは、２．９４４ｍｍである。銅の導体層の厚さは、０．０３５ｍｍである。信号ヴィア導体の直径は、０．６５ｍｍである。パッドの直径は、００．９５ｍｍである。これらの構造体におけるグランドヴィアは、一辺３．３２ｍｍの正方形として配置されている。信号ヴィアに接続された導体プレートの形状は、一辺２．８ｍｍの正方形である。これらのプレートをグランド導体から分離する絶縁スリットの幅は、０．１ｍｍである。グランドプレートの波型の形状は、深さが０．８ｍｍで幅が０．３ｍｍの長方形である。信号プレートの波型の形状は、深さが０．８ｍｍで幅が０．３ｍｍの長方形である。

図５および図６は、以上３種類のケースにおける１０ＧＨｚまでの周波数領域のシミュレーションデータを、それぞれ反射損失および挿入損失として示している。

このように、もし同軸伝送線路だけがあるなら（図２Ａ〜図２Ｃに示したケース）、その場合に信号は上面のパッドおよび下面のパッドの間を少ない損失で伝搬する。すなわち、この同軸伝送線路セグメントに共振効果は無い（図５および図６に示した「プレート無し」の曲線に対応）。

信号ヴィア導体に接続されたプレートを応用すると、同軸伝送線路セグメントの他の動作につながる。この効果は、図５および図６で「平滑プレート」として示される曲線に表れている。図３Ａ〜図３Ｃに示された構造体において、約４．７ＧＨｚの周波数で、共振効果が現れていることが分かる。

本発明による、図４Ａ〜図４Ｃに示された共振素子の電気的性能は、図５および図６において、「二重波型」と記された曲線に示されている。この素子において、第１の共振周波数は、約３．７ＧＨｚである。

シミュレーションの結果から、二重波型領域を応用することで、共振周波数の位置が、より低い周波数にずれることが分かる。これは、平滑導体プレートと同じ共振条件を満足するためには、二重波型領域の場合により短い長さの同軸伝送線路が必要であることを意味する。

このように、信号ヴィアおよびグランドヴィアの間の領域に二重波型領域を応用することで、より小型の共振素子が得られる。

ここで、本発明の共振素子を含むフィルタの実施形態を、図７Ａ〜図７Ｄに示す。

このフィルタでは、共振スタブを得るために、本発明の共振素子が用いられている。

図７Ａ〜図７Ｄにおいて、このフィルタは、同軸伝送線路と、平面伝送線路７１１と、共振素子７１２とを含んでおり、この共振素子７１２は、１４枚の導体層を有する基板の中で同軸伝送線路の一部としてのスタブを形成している。
図７Ａ〜図７Ｄにおいて、このフィルタは、同軸伝送線路と、平面伝送線路７１１と、１４枚の導体層を有する基板の中で同軸伝送線路の一部としてのスタブを形成する共振素子７１２とを含んでいる。

この同軸伝送線路は、信号ヴィア導体７０１と、信号ヴィア導体７０１に接続されたパッド７０４と、グランドプレート７０７に接続されたグランドヴィア７０２と、信号導体をグランド導体から絶縁する間隙領域７０３とを含む。

平面伝送線路７１１は、信号の経路が導体層７Ｌ３と同じグランドプレートによってシールドされているコプレーナ導波路として形成されている。平面伝送線路において、一方の端部はパッド７０４を介して同軸伝送線路に接続されており、他方の端部はフィルタの一つのターミナルである。なお、最上導体層７Ｌ１に形成されたパッド７０４がフィルタのもう一つのターミナルである。

スタブは、平面伝送線路から最下導体層７Ｌ１４のパッド７０４にかけて縦方向に配置された同軸伝送線路の一部分から得られる共振素子７１２で形成されている。この共振素子は、信号ヴィア導体７０１と、グランドプレート７０７に接続されたグランドヴィア７０２と、最下導体層７Ｌ１４に配置されたパッド７０４と、信号ヴィア７０１およびグランドヴィア７０２の間の領域に配置された二重波型領域７０１とを含んでいる。この二重波型領域は、絶縁スリット７０６によって分離されているグランドプレート７０７および信号プレート７０５を含んでいる。

なお、二重波型領域における波型の形状は、必要に応じて変更可能である。図７Ａ〜図７Ｄでは、長方形および台形の両方の特徴を有する波型が用いられている。

図８Ａ〜図８Ｄは、本発明の共振素子を用いたフィルタの他の実施形態を示す。このフィルタの構造は、図７Ａ〜図７Ｄに示されたものと同様だが、ただし、共振素子は、導体層８Ｌ４、８Ｌ５、８Ｌ６、８Ｌ７、８Ｌ８、８Ｌ９、８Ｌ１０、８Ｌ１１、８Ｌ１２および８Ｌ１３に配置された同じ二重波型領域８１０を含んでいる。グランドプレート８０７は、長方形の形をした波型を有しており、また、信号プレート８０５も、長方形の形をした波型を有している。これらのプレートは、絶縁スリット８０６によって分離されている。

図９および図１０は、図８Ａ〜図８Ｄに示したフィルタの電気的性能を、反射損失および挿入損失としてそれぞれ示している。このフィルタの特性は、「二重波型の層が１０枚」として記されている。

周波数応答に係る二重波型領域の数の影響を示すために、別のフィルタのパラメータを演算し、図９および図１０に「二重波形の層が５枚」として記している。このフィルタの構造および寸法は、前述のケースと同様であるが、ただし、共振素子で使った１０枚の導体層の代わりに、５枚の導体層だけを有している。

また、図９および図１０では、信号ヴィアに接続された導体プレートの無い構造体を「プレート無しのスタブ」として記されている。この構造体におけるスタブは、図２Ａ〜図２Ｃに示した構造と同様である。

スタブを形成する共振素子の中に二重波型領域を用いることは、共振効果を得るために、そしてその結果としてフィルタを得るために、重要な因子である。もし、二重波型領域が無ければ、この構造体はフィルタとしての特性を失う。

また、二重波型領域の数は、周波数領域における共振位置を制御するための、明確な表現によるパラメータである。

なお、このような共振素子を形成するにあたって、異なる種類の多層基板（例えばプリント基板や、半導体パッケージや、インターポーザなど）を用いても良いことは、よく理解されたい。さらに、これらの共振素子は、必要なフィルタ素子を得るために、開放状態のスタブおよび短絡状態のスタブの両方に適用可能である。

本願発明について、幾つかの実施形態に関連付けた説明を行ったが、これらの実施形態の目的は例として説明するためであって、限定を行うためではないことを理解されたい。同様の要素や技術で様々な変更や置き換えを簡単に行えることはこの明細書を読まれる当業者にとっては自明であり、このような変更や置き換えが本願発明の請求の範囲に定義された真の範囲および精神によって行われることも自明である。

Claims (7)

1. 誘電体によって絶縁された複数の導体層を含む多層基板と、
   前記多層基板を貫通する信号ヴィア導体と、
   前記多層基板を貫通し、前記信号ヴィア導体の周囲に配置された複数のグランドヴィアと
   を具備し、
   前記多層基板は、
   第１の導体層と、
   第２の導体層と、
   前記第１および前記第２の導体層の間に配置された波型導体層と
   を具備し、
   前記波型導体層は、
   前記信号ヴィア導体に接続された波型信号プレートと、
   前記複数のグランドヴィアに接続されて、前記誘電体によって前記波型信号プレートから絶縁された波型グランドプレートと
   を具備する
   共振素子。
2. 請求項１に記載の共振素子において、
   前記第１の導体層は、
   前記信号ヴィア導体に接続された第１のパッドと、
   前記第１の導体層に配置された他の導体から前記第１のパッドを分離する第１の間隙領域と
   を具備し、
   前記第２の導体層は、
   前記信号ヴィア導体に接続された第２のパッドと、
   前記最後の導体層に配置された他の導体から前記第２のパッドを分離する第２の間隙領域と
   を具備する
   共振素子。
3. 請求項１または２に記載の共振素子において、
   前記波型信号プレートは、
   長方形の形をした波型
   を具備する
   共振素子。
4. 請求項１または２に記載の共振素子において、
   前記波型信号プレートは、
   台形の形をした波型
   を具備する
   共振素子。
5. 請求項２に記載の共振素子と、
   前記第１の導体層の上に配置されて、前記誘電体によって前記第１の導体層から絶縁された第３の導体層と
   を具備し、
   前記第１の導体層は、
   前記信号ヴィア導体に接続された平面伝送線路と、
   前記複数のグランドヴィアに接続されて、前記誘電体によって前記平面伝送線路から絶縁された第２のグランドプレートと
   をさらに具備し、
   前記第３の導体層は、
   前記信号ヴィア導体に接続された第３のパッドと、
   前記複数のグランドヴィアに接続された第３のグランドプレートと、
   前記第３の導体層に配置された他の導体から前記第３のパッドを分離する第３の間隙領域と
   を具備し、
   前記共振素子は、前記平面伝送線路および前記第３のバッドの間に接続された共振スタブとして機能する
   フィルタ。
6. 請求項５に記載のフィルタにおいて、
   前記波型信号プレートは、
   長方形の形をした波型
   を具備する
   フィルタ。
7. 請求項５に記載のフィルタにおいて、
   前記波型信号プレートは、
   台形の形をした波型
   を具備する
   フィルタ。

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