KR20070009596A - Rf/무선 다중 대역 응용들을 위한 액정 폴리머 및 다층폴리머 기반 수동 신호 처리 부품들 - Google Patents

Rf/무선 다중 대역 응용들을 위한 액정 폴리머 및 다층폴리머 기반 수동 신호 처리 부품들 Download PDF

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매드하반 스와미나산
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Abstract

본 발명은 액정 폴리머(LCP) 및 다른 다층 폴리머 기반 기판들을 이용하여 제조되는 모든 유기의 풀-패키지된 소형 대역통과 필터들, 밸룬들, 다이플렉서들, 멀티플렉서들, 결합기들 및 이것들의 조합을 제공한다. 이러한 디바이스들 은 다중 대역 무선 디바이스들을 위해 필요한 밀도 및 성능을 제공하도록 LCP층들 상에 형성되는 집적된 수동 부품들을 구비한 하나 이상의 LCP층들을 이용하여 제조된다. 복수의 LCP층들을 포함하는 설계에 있어서, LCP층들은 프리프레그층들에 의해 분리된다. 본 발명의 일 양상에 따르면, 단일 평면 도파로, 혼성 스트립라인/단일 평면 도파로 및/또는 마이크로스트립 토폴로지들이 이용되어 집적된 수동 부품들을 형성하고, 상기 디바이스들은 10㎛ 보다 작은 라인 폭들을 갖고 최소한 18인치×12인치의 큰 영역 패널들 상에서 대량 생산될 수 있다.
액정 폴리머, 유기 라머네이트, 차폐층, LCP, 프리프레그

Description

RF/무선 다중 대역 응용들을 위한 액정 폴리머 및 다층 폴리머 기반 수동 신호 처리 부품들{LIQUID CRYSTALLINE POLYMER- AND MULTILAYER POLYMER-BASED PASSIVE SIGNAL PROCESSING COMPONENTS FOR RF/WIRELESS MULTI-BAND APPLICATIONS}
본 발명은 일반적으로 유기 라머네이트들(organic laminates)를 이용하여 제조된 집적 수동 디바이스들에 관한 것이다.
본 출원은 2004년 2월 23일 출원되고, 제목이 "Liquid Crystalline Polymer-Based R/F Wireless Components for Multi-band Applications"인, 미국 가(provisional) 특허 출원 번호 60/546,998의 이득을 주장한다. 또한 본 출원은 2003년 3월 28일 출원되고, 제목이 "Integrated Passive Devices Fabricated Utilizing Multilayer, Organic Laminates"인, 미국 특허 출원 번호 10/402,313의 일부계속출원(continuation-in-part)이며, 2003년 3월 28일 출원되고 제목이 "Methods for Fabricating Three-Dimensional All Organic Interconnect Structures"인 미국 특허 출원 번호 10/402,315 및 2003년 3월 28일 출원되고, 제목이 "Stand-Alone Organic-Based Passive Devices"인, 미국 특허 출원 번호 10/402,315인 출원과 관련된다. 앞서 말한 모든 출원들은 본원의 참조로서 인용된다.
최근에, 음성 통신은 단지 무선 주파수("RF") 데이터의 전송을 위한 무수한 목적들 중 하나가 되었다. 설계 및 제조 기법에서 대역 수의 증가, 사이즈 감소, 집적, 및 개량은 포켓용 컴퓨터, 게이밍(gaming) 시스템들, 방송 유닛들, 글로벌 위치 설정 유닛들, 위성 TV, 라스트 마일 액세스, 및 레이더 유닛들과 같은 컴퓨팅 디바이스들에 더 많은 기능성을 팩킹(packing)하는 것을 가능하게 한다. 시장에서 머지않아 (예를 들어, 쿼드대역(quadband) GSM, WCDMA, TCDMA에 대해 이용하는)전 세계적으로 긴 커버리지 영역에 걸쳐서 호(call)가 끊기지 않는 셀룰러 핸드셋들을 필요로 할 것이라는 것이 현실화되고 있다. 또한 이러한 핸드셋들은 방송 및 위성 유닛들로부터 실시간 오락물을 수신하고, 위치 확인 시스템들을 이용하여 항해하며, 그리고 프린터들 및 스캐너들 같은 국부적인 클라이언트들과 인터넷에 균일하게 접속하는 것을 가능하게 한다. 이러한 시나리오에서 랩탑 같은 단일 핸드헬드, PDA 또는 클라이언트는 통합된 하기 표준들(또는 이외에 유사한 표준들)을 갖게 되는 바, IEEE 802.11 a/b/g WLAN(wireless local area network), LMDS/MMDS (local multipoint distribution system), 위성/디지털 TV(digital broadcasting service), UWB(ultra wideband), GPS(global positioning system) 셀룰러 및 블루투스 등이 있다.
이러한 레벨들의 성능, 컴퓨팅 및 접속을 달성하기 위한 구상들 (initiatives) 중 하나는 인덕터들, 커패시터들 또는 레지스터들 같은 수동 디바이스들을 집적하는 것이다. 수동 디바이스들은 오늘날 이동전화에 이용되는 모든 부품들 중 75-85%를 차지한다. 비교해 보면, 단지 부품들의 15-25%가 능동 소자가 된 다. 인덕터들, 커패시터들 및 전송 라인들 같은 수동 디바이스들이 결합되어 필터들, 다이플렉서(diplexer), 멀티플렉서들(multiplexers), 듀플렉서들(duplexers), 밸룬들(baluns), 및 결합기들을 형성하며, 이것들은 멀티-대역 RF 시스템들에서 이용된다. 따라서, 이러한 디바이스들의 사이즈가 이러한 다중-기능 디바이스들의 실시 가능성에 있어서 매우 중요하다.
현재, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC), 다층 세라믹(MLC), 세라믹 모노블록 기법들, 표면 탄성파(SAW), 및 필드 벌크 탄성파 공진기(FBAR)는 프론트엔드 RF 수동 대역 통과 필터들, 듀플렉서들, 멀티플렉서들, 결합기들, 및 밸룬들 같은 표면 실장 부품들의 구현에 있어서 일반적인 기법들이다. LTCC는 폭 넓게 이용되는 세라믹 기법이며, 이것은 LTCC가 광대역 주파수들에서의 동작을 위해 최적화될 수 있는 인덕터들 및 커패시터들 같은 소형의 럼프(lump)된 부품들 이용하기 때문이다. 반면에, 모노블록, SAW, FBAR 및 MLC 부품들은 다른 주파수들에 대해 다른 물질들을 이용하고, 서로 다른 기능들에 대해 요구되는 다중 대역 응용들에 대해 디바이스들의 집적을 제한한다. 또한, 20층(layer) 이상을 집적하는 능력을 갖는, LTCC가 집적된 다중 대역 및 복수의 표준 응용들을 위해 수 개의 럼프된 요소 필터들, 밸룬들, 결합기들, 멀티플렉서들, 정합 회로들 및 다이플렉서들을 결합시키는 다중 대역 응용들을 위한 프론트 엔드 모듈들의 집적에 대해 바람직한 플랫폼이 된다.
LTCC 프론트 엔드 모듈들이 각 층을 접속시키는 마이크로비아들을 구비하는 10-15 금속층을 포함하는 것이 전형적이며, 또한 많은 경우에 있어서 대역통과 필터들에 대한 더욱 엄격한 요구들을 충족시키도록 복수 세라믹층들 상에 탑재되는 SAW 및 FBAR 필터들을 포함한다. 요구되는 밀도를 제공하기 위한 많은 층들의 필요는 보다 많은 설계 시간과 보다 높은 툴링 비용과 수축 및 성능 관점에서의 문제점들로 이어진다. 또한, 밀도의 증가는 느리며, 75 부품들/㎠ 이상의 밀도에 이르지 못한다. 현재 밀도에 대한 요구들을 충족시키기 위하여, 이산형 부품들로서 LTCC 모듈들의 상부 표면 상에 이산형 부품들이 탑재된다. 또한 요구되는 밀도를 달성하기 위해 이산형 부품에 대한 필요성 또는 박막 기반 디바이스들의 이용으로 인해, 이러한 모듈들은 인쇄 배선 회로용 기판(PCB) 상에 탑재되어야 한다. 나아가, LTCC 역시 일반적으로 보다 높은 비용이 문제되며, 이것은 LTCC는 일반적으로 6×6 제곱 인치 보다 큰 패널 사이즈에서는 제조될 수 없기 때문이다. 더욱이, LTCC는 일반적으로 공정 허용도 및 비교적 높은 유전체 손실들(예를 들어, 1GHz에서 tanδ=0.005-0.007)로 인하여 비교적 낮은 성능을 갖는다.
따라서, 다중 대역, 복수의 표준 응용들을 위해 비교적 작은 풋프린트를 갖는 고주파수, 저손실, 저렴한 필터들, 밸룬들, 및 다이플렉서들에 대한 충족하지 못한 요구가 산업에서 존재한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈은 액정 폴리머(LCP)층을 포함하며, 이 LCP층은 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편의 제2 표면, 상기 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층, 상기 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층, 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 간에 상호 작용하여 제1 공진기 및 제2 공진기를 형성하고, 상기 LCP층 반대편의 상기 제1 금속층 상에 놓인 제1 프리프레그층(prepreg layer) 및 상기 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층, 그리고 상기 제1 금속층 반대편의 상기 제1 프리프레그층 상에 놓인 제1 라머네이트층 및 상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제2 라머네이트층을 갖는다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 신호 처리 모듈의 상기 제1 공진기는 상기 제1 패턴된 금속층에서 형성된 제1 인덕터 및 상기 제2 패턴된 금속층에서 형성된 제2 인덕터를 포함하고, 여기서 상기 제1 인덕터는 제1 마이크로비아에 의해 상기 제2 인덕터에 연결된다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 제1 공진기는 상기 제2 공진기와 자기적으로 결합된다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 신호 처리 모듈은 또한 상기 제1 및 제2 금속층들에서 형성되는 제3 공진기를 포함하고, 상기 제1 공진기를 상기 제2 공진기에 전기적으로 접속시키며, 여기서 상기 제3 공진기는 저지대역에서 기본 감쇠 제로를 제공한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 제1 및 제2 공진기들은 전송 라인 공진기들을 포함한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 제1 및 제2 공진기들이 하나 이상의 단일 평면 도파로, 스트립라인, 및 마이크로스트립 토폴로지들을 포함한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 신호 처리 모듈은 또한 상기 제1 라머네이트층의 제1 표면 상에 놓이고 패턴되어 제1 커패시터 플레이트를 형성하는 제3 금속층, 및 상기 제1 표면 정반대편의 상기 제1 라머네이트층의 제2 표면 상에 놓이고 패턴되어 제2 커패시터 플레이트를 형성하는 제4 금속층을 포함하며, 여기서 상기 제1 커패시터 플레이트 및 제2 커패시터 플레이트가 평행 플레이트 커패시터를 형성한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 신호 처리 모듈은 또한 상기 제1 프리프레그층 반대편의 상기 제1 라머네이트층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제2 라머네이트층 상에 놓인 제2 차폐층을 포함한다. 본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 신호 처리 모듈의 상기 집적된 부품들이 커패시터들 및 인덕터들 중 최소한 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다중 대역 무선 응용을 위한 다이플렉서는 액정 폴리머(LCP)층을 포함하며, 이 LCP층은 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편의 제2 표면, 상기 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층, 상기 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층, 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며, 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 간에 상호 작용하여 공통 포트에 의해 접속되는 제1 필터 및 제2 필터를 형성하고, 상기 LCP층 반대편의 상기 제1 금속층 상에 놓인 제1 프리프레그층, 및 상기 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층, 그리고 상기 제1 금속층 반대편의 상기 제1 프리프레그층 상에 놓인 제1 라머네이트층, 및 상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제2 라머네이트층을 갖는다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 다이플렉서의 상기 제1 필터는 상기 제1 패턴된 금속층에서 형성되는 제1 인덕터 및 상기 제2 패턴된 금속층에서 형성되는 제2 인덕터를 포함하며, 여기서 상기 제1 인덕터가 제1 마이크로비아에 의해 상기 제2 인덕터에 접속된다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 다이플렉서의 상기 제1 및 제2 금속층들은 하나 이상의 단일 평면 도파로, 스트립라인, 및 마이크로스트립 토폴로지들을 포함한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 다이플렉서는 또한 상기 제1 라머네이트층의 제1 표면 상에 놓이고 패턴되어 제1 커패시터 플레이트를 형성하는 제3 금속층 및 상기 제1 표면 정반대편의 상기 제1 라머네이트층의 제2 표면 상에 놓이고 패턴되어 제2 커패시터 플레이트를 형성하는 제4 금속층을 포함하며, 여기서 상기 제1 커패시터 플레이트 및 제2 커패시터 플레이트가 평행 플레이트 커패시터를 형성한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 다이플렉서는 또한 상기 제1 프리프레그층 반대편의 상기 제1 라머네이트층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제2 라머네이트층 상에 놓인 제2 차폐층을 포함한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 다이플렉서의 상기 집적된 부품들은 커패시터들 및 인덕터들 중 최소한 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 무선 응용을 위한 밸룬은 고(high) K 유기층을 포함하며, 이 유기층은 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편의 제2 표면, 상기 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층, 상기 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층, 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 간에 상호 작용하여 제1 수동 디바이스 및 제2 수동 디바이스를 형성하고, 상기 LCP층 반대편의 상기 제1 금속층 상에 놓인 제1 프리프레그층, 및 상기 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층, 그리고 상기 제1 금속층 반대편의 상기 제1 프리프레그층 상에 놓인 제1 바깥 유기층 및 상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제2 바깥 유기층을 갖는다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 밸룬의 상기 제1 바깥 유기층은 라머네이트층이거나, LCP층이거나, 또는 고 K 유기층 중 하나를 포함한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 밸룬의 상기 제1 금속층은 패턴되어 제1 커패시터 플레이트를 형성하고 상기 제2 금속층은 패턴되어 제2 커패시터 플레이트를 형성하며, 또한 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓이고 패턴되어 제3 커패시터 플레이트를 형성하는 제3 금속층을 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 커패시터 플레이트가 커패시터를 형성한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 밸룬의 상기 집적된 부품들은 커패시터들 및 인덕터들 중 최소한 하나를 포함한다. 본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 상기 밸룬은 상기 제1 프리프레그층 반대편의 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제2 바깥 유기층 상에 놓인 제2 차폐층을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 다중 대역 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈은 제1 액정 폴리머(LCP)층과 제2 액정 폴리머층을 포함한다. 여기서 상기 제1 LCP층은 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편의 제2 표면, 상기 제1 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층, 상기 제1 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층을 가지며, 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 간에 상호 작용하여 공통 포트에 의해 접속되는 최소한 하나의 제1 필터 및 제2 필터를 형성한다. 여기서 상기 제2 LCP층은 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편의 제2 표면, 상기 제2 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제3 패턴된 금속층, 상기 제2 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제4 패턴된 금속층, 여기서 상기 제3 및 제4 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며 상기 제3 및 제4 금속층들이 서로 간에 상호 작용하여 공통 포트에 의해 접속되는 최소한 하나의 제1 필터 및 제2 필터를 형성하고, 상기 제1 LCP층과 제2 LCP층 사이에 배치되는 제1 프리프레그층, 상기 제1 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층, 및 상기 제2 LCP층 반대편의 상기 제3 금속층 상에 놓인 제3 프리프레그층, 그리고 상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제1 바깥 유기층, 및 상기 제3 금속층 반대편의 상기 제3 프리프레그층 상에 놓인 제2 바깥 유기층을 갖는다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 모듈은 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제3 프리프레그층 반대편의 상기 제2 바깥 유기층 상에 놓인 제2 차폐층을 더 포함한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 모듈의 상기 제1 바깥 유기층은 라머네이트층이거나, LCP층이거나 또는 고 K 유기층 중 하나를 포함한다. 본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 모듈은 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓인 제1 RCF층, 및 상기 제3 프리프레그층 반대편의 상기 제2 바깥 유기층 상에 놓인 제2 RCF층을 더 포함한다.
본 발명의 다른 시스템들, 방법들, 특징들, 및 장점들이 하기의 도면들 및 상세한 설명의 검토하에서 당업자에게 자명할 것이다. 이러한 모든 추가적인 시스템들, 방법들, 특징들, 그리고 장점들이 본 설명내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 포함되며, 그리고 첨부된 청구항들에 의해 보호된다.
지금까지 본 발명을 일반적인 용어로 설명하였고, 이제 첨부 도면을 참조하는바, 이러한 도면은 비례 규모적으로 그려질 필요는 없다.
도 1A는 도 2, 도 3 및 도 4에서 나타나는 유전체 필터들의 동작을 설명하기 위한 제1 등가 회로 다이어그램을 나타낸다.
도 1B는 전송 라인들 또는 인덕터 공진기 요소들을 이용하여 도 1A의 유전체 필터의 동작을 설명하기 위한 제2 등가 회로 다이어그램을 나타낸다.
도 2A 내지 도 2C는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 유기 유전체 필터의 다양한 뷰(view)를 나타낸다.
도 3A 내지 도 3C는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 유기 유전체 필터의 다양한 뷰를 나타낸다.
도 4A 내지 도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 유기 유전체 필터의 다양한 뷰를 나타낸다.
도 5는 도 2A 내지 도 2C의 상기 제1 유기 유전체 필터 같은, 본 발명에 따른 유기 유전체 필터에 대한 제조 방법을 도시한다.
도 6은 도 3A 내지 도 3C의 상기 유기 유전체 필터 같은, 본 발명에 따른 유기 유전체 필터에 대한 제조 방법을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기 대역통과 필터의 상부 평면도로부터의 X-레이를 나타낸다.
도 8은 도 7의 유기 대역통과 필터의 측면 사시도로부터의 X-레이를 나타낸다.
도 9는 도 7의 유기 대역통과 필터에 관한 하드웨어 상관관계에 대한 모델의 그래픽 표현을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 BGA 유형 유기 필터의 상부 평면도로부터의 사진이다.
도 11은 도 10의 BGA 유형 유기 필터에 대한 측정된 데이터 및 모델링된 데이터의 그래픽 표현을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 SMD 커패시터들을 포함하는 유기 유전체 필터의 상부 평면도로부터의 사진을 나타낸다.
도 13은 도 12의 유기 유전체 필터에 관한 하드웨어 상관관계에 대한 모델의 그래픽 표현을 나타낸다.
도 14A는 본 발명의 일 실시예에 따른 투 폴 제2차 대역통과 필터의 개략도를 나타낸다.
도 14B 내지 도 14D는 도 3A의 공진기 암들(arms)의 변형을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 2.4GHz 대역통과 필터의 3D 뷰를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 2.4GHz 대역통과 필터에 대한 측정된 데이터 및 modeled 데이터를 나타낸다.
도 17A 내지 도 17F는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 변형들을 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 개별적인 부품들에서 보다 적은 기생성을 갖는 타입 2 대역통과 필터의 3D 뷰를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이플렉서의 개략도를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 다이플렉서의 3D 뷰를 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이플렉서에 대해 측정된 데이터를 나타낸다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 다이플렉서의 3D 뷰를 도시한다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 콤팩트 다이플렉서의 개략도를 나타낸다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 콤팩트 다이플렉서에 대해 측정된 데이터를 나타낸다.
도 25A 내지 도 25C는 저역통과/대역통과 다이플렉서를 나타낸다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 격자 타입 밸룬의 개략도를 나타낸다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 밸룬의 개략도를 나타낸다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 802.11b/g 타입 밸룬에 대한 응답을 나타낸다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 802.11a 타입 밸룬에 대한 응답을 나타낸다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 802.11a 타입에 대한 3D 뷰를 나타낸다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 집적된 수동 디바이스들을 구비하는 집적된 디바이스를 도시한다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 집적된 수동 디바이스들을 구비하는 집적된 디바이스에 대한 3D 뷰를 나타낸다.
이제 본 발명들은 첨부된 도면들을 참조하여 하기에서 더욱 완전하게 기술될 것이며, 이 도면들에서는 본 발명의 일부 실시예들이 나타나지만, 본 발명의 모든 실시예들이 나타나지는 않는다. 실제로, 이러한 발명들은 많은 다양한 형태들로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명된 실시예들로만 국한되는 것으로 해석되어서는 안되며, 오히려, 본 개시 내용이 해당 법률 요건들을 만족시키도록 하기 위해 이러한 실시예들은 제공된다. 동일 번호들은 전체에 걸쳐 동일 부품들을 가리킨다.
본 발명에 따른 필터의 동작은 도 1A의 대역 통과 필터(10)를 참조하여 하기에서 설명된다. 그러나, 본 발명의 개시들이 다른 집적 수동 디바이스들에 용이하게 적용된다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위가 대역 통과 필터들에만 국한되는 것이 아니라, 다이플렉서, 듀플렉서, 멀티플렉서, 밸룬들, 전력 합성기, 대역-저지/대역 소거 필터(band-stop/band elimination filter) 그리고 전력 분배 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터 같은 다른 디바이스들을 포함하지만 오직 이것들로만 한정되지는 않는다.
도면들을 참조하면, 도 1A는 본 발명에 따른 유전체 대역 통과 필터(10)의 등가 회로 다이어그램이다. 도 1A에서, 인덕터들(12, 14)은 그들에 대응하는 커패 시터들(16, 18)과 각각 상호 작용하여 공진기들(20, 22)을 각각 형성한다. 인덕터들(12, 14)은 도 2 내지 도 4를 참조하여 하기에서 설명되는 스트립라인 또는 CPW/스트립라인 또는 CPW/마이크로스트립 인덕터들과 대응한다. 커패시터들(16 및 18)은 각각 인덕터들(12 및 14)과 같이 동일층 상에 형성되는 커패시터들 또는 이산형 커패시터들을 이용함으로써 형성되는 커패시터들과 대응한다. 커패시터(24)는 상호-공진기 결합(inter-resonator coupling)을 위해 형성되는 커패시터와 대응한다. 도 1A 에서, 커패시터(26 및 28)는 각각 입력 및 출력에서 요구되는 임피던스들과의 정합을 제공한다. 또한, M은 인덕터(12)와 인덕터(14) 사이의 자기 결합(magnetic coupling)이다. 인덕터들(12 와 14)의 인덕턴스 또한 상기 공진기들의 등가 인덕턴스 성분을 나타낼 수 있으며, 커패시터들(16 과 18)의 커패시턴스는 상기 공진기들의 커패시턴스 성분을 나타낼 수 있다. 비록 도 1A에서 나타나는 회로 토폴로지가 투 폴 필터(two pole filter)를 갖는 하나의 실시예를 도시하지만, 인덕터들(12, 14)과 커패시터들(24) 사이의 상호 인덕턴스에 의해 부가적인 폴 필터가 형성될 수 있다. 이에 부가하여, 마디 커패시터 결합(nodal capacitor coupled), 마디 인덕터 결합, 션트 입력 지오미트리(shunt-input geometry), 입력 지오미트리 또는 메시 커패시터 결합(mesh capacitor) 같은 토폴로지들을 이용하는 제1 차, 제2 차 내지 제n 차 버터워스(butterworth), 쉐바이쉐브(chebychev), 타원, 블링크오프(blinkoff), 대칭, 비대칭, 노치 부가 필터들 같은 응답들을 모방하는 전송 특성들을 달성하기 위해 다양한 구성에 보다 많은 인덕터 및 커패시터를 추가함으로써 함께 공진기들에 요구되는 결합 요소들이 부가될 수 있다.
필터의 저지대역(stopband) 특성들은 듀플렉서 설계에 있어서 전송경로와 수신경로 간 분리를 결정하는데 있어서 기본 인자(prime factor)가 된다. 저지대역 거절(rejection)은 앞서 언급한 바와 같이 공진기들의 수를 증가시키거나 전송 영점을 부가함으로써 강화될 수 있다.
도 1B는 전송 선로들 또는 인덕터 공진기 부품들을 이용하는 유전체 필터의 대안적인 등가 회로 다이어그램(10)이며, 여기서 상기 인덕터들(112)은 요구되는 중심 주파수에서 공진한다. 요구되는 주파수에서 인덕터(112)를 공진시키기 위해 권수, 도체의 길이, 외부 및 내부 지름 같은 회로(110)의 물리적 파라미터들이 변환될 수 있다. 이것은 공진기들에 관한 커패시터들의 필요를 제거함으로써 필터링 기능을 달성하는데 요구되는 부품들의 수를 감소시킨다. 하지만, 비록 증가된 인덕턴스가 회로에서의 손실을 증가시킬 수 있지만, 단점은 커패시턴스를 증가시키기 위해서는 금속화 길이가 증가된다는 것이다. 만약 인덕터 부품이 너무 크거나 또는 너무 손실이 많다면, 도 1A에서 도시된 바와 같은 대안적인 회로 설계를 이용하는 것이 바람직하다. 주목할 사항으로서, 도 1A 및 도 1B의 회로에 있어서, 부품들 간의 결합이 자기 결합, 전기 결합(electric coupling) 또는 이것들의 조합에 의해 달성될 수 있다.
도 1A의 등가 회로 다이어그램에 따른 유전체 필터들의 예시적인 물리적 레이아웃들이 도 2 내지 도 4에서 도시된다. 도 2 내지 도 4의 유전체 필터들은 도 1A에서 나타난 등가 회로 다이어그램에 따른 상호 인덕터 및 커패시터(24)에 의해 달성되는 투 폴 구조 및 부가적인 폴 구조를 갖는다.
도 2A 내지 도 2C를 전체적으로 참조하면, 본 발명에 따라 도 1A의 회로에 의해 도시되는 필터에 대한 표면 실장 부품(SMD) 실시예가 도시된다. 구체적으로, 유기 대역 통과 필터(200)는 인덕터들(212 및 214)을 포함하고, 이 인덕터들은 유기 유전체층(236)(이 층은 LCP 또는 PPE 같은 얇은 라머네이트일 수 있으나, 이것에만 국한되지는 않음) 상에서 서로 근접하게 형성되는 미앤더링(meandering) 인덕터들이다. 이 필터(200)는 바람직하게 도금된 관통 홀들(232) 및/또는 외부 차폐 전극들(234)에 접속되는 부가적인 접지들(248 및 250) 및 공면(coplanar) 상에 빌트 인된 차폐(230)가 존재하는 경우에 있어서 스트립라인 또는 단락된 혼성 CPW-스트립라인(여기서 미앤더링 인덕터들(212 및 214)을 형성하는 라인들은 공면 상의 접지(즉, 빌트 인된 차폐(230)에 접속됨))과 같이 구성된다.
이러한 인덕터들은 서로 매우 가깝기 때문에, 도 1A에서 M으로 표시되는 이러한 필터들 간의 자기 결합이 필터의 통과 대역폭을 증가시킬 수 있으며, 이에 의하여 필터의 성능을 저하시킨다. 하지만, (공면 상에 빌트 인된 차폐(230)를 구비하고 또는 구비하지 않고) 두개의 비접속된 금속플레이트들(패터닝하는 전도성층(238)을 이용하여 형성되는 한쪽 금속플레이트와 패터닝된 전도성층(240)을 이용하여 형성되는 다른쪽 금속플레이트)을 이용하여 형성되고, 커패시터 플레이트들(224a, 224b)로서 나타나는 상호-공진기 평행 플레이트 결합 커패시터(224)가 제공된다. 커패시터 플레이트들(224a, 224b)은 상기 상호-공진기 결합 커패시터 전극의 각 플레이트가 독립된 공진기들에 접속되는 방식으로 제1 유기 유전체층(236)을 샌드위치(sandwich)하며, 이러한 방식은 자기 결합 효과를 보상하고 매우 밀집한 필터들을 만드는 것을 가능하게 한다. 중앙 커패시턴스는 특정 대역폭들을 달성하기 위해 펨토패럿(femptoFarads)처럼 작을 수 있거나 피코패럿(picoFarads)처럼 클 수 있다. 보다 작은 커패시턴스는 대역폭을 감소시킨다. 부가적으로, 상호 인덕턴스 등가물과 병렬고 커패시터(224)는 보다 낮은 대역 또는 보다 높은 대역의 폴을 제공한다.
전도성층(240)에 의해 형성된 바닥 플레이트는 유기 유전체층(236)에서, 비아를 렌딩(landing) 및 캡처(capture)하기 위한 패드들(246)을 갖는 비아들(244) 같은, 하나 이상의 마이크로 비아를 이용하여 인덕터(212)에 접속된다. 유기 코어층들(252, 254) 상에 제1과 제2 실드 전극(248, 250)이 각각 형성되고, 여기서 코어층 (252)와 (254)는 유기 유전체층(236)을 샌드위치하도록 배치된다. 인덕터(212) 및 커패시터(216)에 의해 형성되는 제1 공진기(260)와 인덕터(214) 및 커패시터(218)에 의해 형성되는 제2 공진기(262)는 평행플레이트 커패시터(224)에 의해 서로 전기적으로 결합되어 있으며, 이에 의하여 상호-공진기 결합이 상기 자기 결합 및 전기 결합과 협력하여 이루어 진다.
본 발명에 따른 유전체 필터에서, 인덕터들은 요구되는 길이에서 필요로 하는 커패시턴스를 제공하지 못하며, 샌드위치된 유전체로써 동일 제1 유기 유전체층(236)을 이용하여 커패시터(224)와 같은 유사한 방식으로 인덕터들(212, 214)이 각각의 커패시터들(216과 218)의 분리되어 접지된/션트된 각각의 평행플레이트들(216a과 218a)에 접속될 수 있으며, 이후 전체로서 한쌍의 공진기(260, 262)를 형성한다.
미앤더 인덕터들(212, 214) 중 하나에서 얻는 등가 인덕턴스 L 및 커패시터들(216, 218) 중 하나로 인한 등가 커패시턴스 C는, 하기의 방정식(1)에 의해 정의되는 바와 같이, 대략 주파수 Fo(즉, 필터의 중앙 주파수)에서 공진한다.
[수학식]
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커패시터 플레이트들(216a 및 218a)은 유기 유전체층(236)의 대향하는 표면 상에 대응하는 접지 플레이트(217)을 구비한다. 공통 플레이트를 갖게 되면, 커패시터들 간의 결합을 야기하는 바, 이것은 각각의 커패시터(216, 218)의 기생(parasitic) 인덕턴스 사이의 상호 인덕턴스와 같이 이 회로 설계에 포함시켜야 한다. 이 결합은 다른 폴들을 달성하는데 이용될 수 있지만, 만일 상기 결합이 합성 단계 동안 통과대역에서 문제들을 야기시키다면, 상기 결합은 플레이트(217)를 독립된 플레이트들로 분할함으로써 또는 플레이트(217)를 인덕터들(212 및 214)의 한 측 상에 있는 빌트 인된 차폐(230)에 접속시키는 몇 개의 비아들을 패드들(274) 상에 부가함으로써 감소될 수 있으며, 이에 의하여 과잉 전류들이 감소되며, 부품들 간의 결합을 감소시킨다.
또한, 평행 플레이트/인터디지털(interdigital) 커패시터들(226 및 228)이 임피던스 정합 목적들을 위한 디바이스의 입력 및 출력 단자들에서 첫번째 및 마지막 공진기 부품들(260, 262)의 양 측 상에서 이용될 수 있다. 대안적으로, 인덕터들 또는 전송 라인들 또는 커패시터(들), 인덕터(들) 그리고 전송 라인(들)의 조합 이 요구되는 바와 같이 이용될 수 있다. 만일 커패시터들(226, 228)이 정합 목적들을 위하여 이용된다면, 요구되는 공칭(nominal) 커패시턴스의 측면에서 보면 중앙 커패시턴스는 커패시터(224)의 커패시턴스이다, 즉, 커패시터(226) 및 커패시터(228)로부터의 커패시턴스는 커패시터(224)에 비례한다.
도 2A 내지 도 2C에서 도시되는 본 발명의 실시예에 따른 유전체 필터는 최소한 유기 유전체층들(252, 236, 254)을 포함하는 라머네이트된 구조의 서로 다른 측면 상에 각각 형성되는 최소한 두 개의 외부 차폐 전극들(234)을 포함할 수 있으며, 이 전극들은 차폐 전극들(248 및 250)에 접속된다. 이러한 것이 CPW 토폴로지에서 차폐 목적을 위해 요구될 수도 있고 요구되지 않을 수도 있다. 여기에서는 네 코너에서 도금된 관통 홀들(232)을 이용하는 것으로도 충분하다. 도금된 관통 홀들(232)을 이용하는 것은 외부 차폐 전극들(234)을 위해 요구되는 부가적인 공간을 절약할 수 있고, 또한 관련된 공정 비용을 절약할 수 있다. 하지만, 스트립라인 및 마이크로스트립 필터 토폴로지들에서, 도금된 관통 홀들(232) 및 외부 차폐 전극들(234)이 함께 단락된 인덕터들/공진기들 및 커패시터들에 대한 접속을 각 측면을 따라 임의의 위치에서 제공한다. 대안적으로, 제1 유전체층의 동일 평면 상에 있어서 공면 상에 빌트 인된 차폐(230)를 갖는 CPW 토폴로지가 내부적으로 차폐를 제공하고, 공진기들/인덕터들 및 커패시터들에 접지 접속성을 제공한다. 그러나, 일반적으로, 보다 잡음이 많은 환경에서는 외부 접지 전극들을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
유전체 필터(200)는 또한 일측 표면 상의 상기 외부 입력 단자와 출력 단자 전극(264, 266) 사이에서 형성되는 (차폐 전극들(248, 250), 관통 홀들(232) 또는 측면 차폐 전극들(234) 같은)외부 접지 전극 및 최소한 유전체층들(252, 236, 254)을 구비하는 라머네이트된 본체의 일측 표면 상에 형성되는 외부 입력 단자 전극(264) 및 외부 출력 단자 전극(266)을 포함한다.
유전체 코어층들(252, 254) 상에 각각 형성되는 차폐 전극들(248 및 250)은 입력 단자 및 출력 단자 전극들(264, 266)의 랜딩 단자들을 위한 빈 공간(room)을 남기도록 모양이 정해지고 패텅닝되는 것이 바람직하다. 본 발명을 설명하기 위해, 차폐 전극들(248, 250)은 도 2A에는 나타나지 않고 도 2B 및 2C에서 나타난다.
제1 유기 유전체층(236)은 PPE, N6000, 에폭시 기반 N4000-13, 또는 임의의 다른 적당히 낮은 손실의 유전체 같은 단측 구리 LCP 라머네이트 등을 포함할 수 있다.
산화와 같은 환경적인 영향들로부터 구조를 방호하고 또한 솔더가 도금된 관통 홀들에 의해 형성되는 접지 패드들 및 입출력 단자들(264 및 266)을 향해 진행하도록 패턴을 생성시키기 위해 방호(protective)층들(270, 272)은 유전체 코어층들(252, 254) 각각에 대항하는 차폐 전극들(248, 250) 상에 형성된다. 방호층들(270, 272)은 솔더 마스크를 포함할 수 있으며, 또는 높은 허용도를 갖는 보다 요구사항이 많은 응용들에서는, 프리프레그 또는 LCP 같은 다른 물질들이 요구될 수 있다. 본 발명을 도시하기 위해, 방호층들(270, 272)이 도 2C를 제외하고, 도 2A 및 도 2B에서 나타난다.
본 발명에 따른 유전체 필터에서, 도 2A 내지 도 2C에서 도시되는 바와 같 이, 비아들(244)을 이용하여 디바이스들 사이를 접속시키는 첫번째 단계가 LCP 층(또는 임의의 다른 적당한 유기 유전체) 및 구리층에 관통 홀(이용되는 유전체의 두께만큼 작은 지름)을 천공(drill)함으로써 수행된다. 이후 LCP 구리 라머네이트의 양 측은 무전해(electroless) 또는 진공 증착 구리 같은 방식에 의해 금속화된다. 이후 라머네이트의 양측 상에 구리가 전기 도금되어 유기 유전체층(236) 상에 금속화된 패턴들(238, 240)을 형성한다. 상기 구리는 이후 프린트되고 식각되어 키필터(keyfilter) 부품들을 정의한다.
도 2A 내지 도 2C에서 도시되는 실시예에 따른 유전체 필터에서, 유전체 코어층들(252, 254)은 일반적으로 제1 기판 보다 두꺼운 두께를 갖는 라머네이트 LCP 또는 적당한 유전체일 수 있으며, 또한 부품들을 캡슐화할 수 있는 소정의 두께를 갖고 필터의 양측에 놓이는 알루미늄, 구리, (고전력 응용들을 위한) 몰리베늄 금속일 수 있다. 바람직하게 모든 금속들이 디바이스의 상부 및 바닥 상에 전기도금 가능하며, 식각 및 패턴되어 신호 입력 및 출력을 위한 공간을 남기게 된다.
도 2A 내지 도 2C에서 도시되는 실시예에 따른 유전체 필터에서, 만일 필요하다면, 측벽 접지 차폐 전극들(232, 234)이 단일 또는 다중 접속되게 천공 및 도금된 관통 홀들 또는 쏘 커팅(saw cutting) 디바이스에 의해 제조될 수 있으며, 이후 관통 홀 내에서 무전해 또는 스퍼터 씨드(seeded) 구리에 의해 결합된다. 상기 구리는 관통 홀 내 및 상기 표면 상에 전기 도금될 수 있다. 이후 상기 구리는 프린트 및 식각되어 SMD 결합을 형성할 수 있다. SMD 디바이스의 패키지에 더하여 두 층에 대한 공정의 흐름이 도 5와 관련하여 매우 상세하게 설명된다.
도 3A 내지 도 3C와 참조하면, 본 발명에 따른 유기 대역통과 필터(300)의 BGA/CSP 실시예가 도시된다. 본질적으로, 도 2A 내지 도 2C 및 도 3A 내지 도 3C에서 도시되는 필터에 있어서 모든 내부 구조는 패키징 및 이에 의해 패키지하는 수단이 유사하다. 예를 들면, 도 3A 내지 도 3C에서 얇은 라머네이트(예를 들어, 유기 유전체층(336))는 두 개의 두꺼운 코어들 사이에서 패키지되지 않지만, 기판(336)의 한 측 상에 놓인 하나의 코어층(354)과 기판(336)의 반대편(opposite) 상에 놓인 제1 방호층(370)으로 패키지된다. 보다 두꺼운 코어(354)의 반대측이 금속화되어 차폐 전극(350)이 형성되고, 제2 방호층(372)이 차폐 전극(350) 위에 배치된다. 상기 방호층들이 솔더 마스크를 포함할 수 있으며, 또는 높은 허용도를 갖는 보다 요구사항이 많은 응용들에서는, 프리프레그 또는 LCP 같은 다른 물질들이 요구될 수 있다.
필터(300)에 대한 이러한 패키징은 단지 차폐 전극(350)만을 갖는 마이크로스트립 또는 CPW/마이크로스트립 필터 디바이스가 되게 한다. 상기 디바이스 입력/출력과 접지 단자들을 결합시키기 위해 관통 홀들을 이용하는 대신에, 솔더 볼들(380)이 이용된다. 측벽 접지 차폐 전극들(334)은, 필요한 경우에, 빌트 인 차폐 전극들(330) 및 차폐 전극(350)을 솔더 볼들(380)에 접속시키는데 이용된다.
대안적으로, 이러한 접속은, 만일 제공되는 경우, 도금된 관통 홀들에 의해 행해질 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 전형적으로 도금된 관통 홀들(332) 및 측벽 차폐 전극들(334) 모두를 구비하는 것은 필수적이 아니며, 일반적으로 상기 관통 홀들과 전극들은 서로 간에 대안적으로 이용될 수 있다. 본 발명을 도시하 기 위해, 측벽 접지 차폐 전극들(334)이 도 3A 내지 도 3C에서 나타난다. 솔더 볼들(382)은 입력과 출력 단자들을 대역 통과 필터에 접속시킨다. 솔더 볼들 및 패키지는 도 6과 관련하여 하기에서 제공되는 방법을 이용하여 구성된다. 방호층(370)(패시베이션층 마스크, 솔더 마스크, 본드플라이(bandply)층 또는 저온 열경화성 수지, 내부 라머네이트에 대한 열폴리머(thermopolymer) 물질 화합물이라고도 알려짐)은, 당해 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 솔더 볼들을 위한 개구부들을 제공하는데 이용될 수 있다.
도 4A 내지 도 4B를 참조하면, 본 발명에 따른 필터 디바이스(400)의 실시예가 도시되며, 이 디바이스는 독립된 커패시터들(402) 및 금속 케이스 또는 캡(cap)(404)으로 형성된 외부 차폐를 이용한다. 본질적으로, 도 2A 내지 도 2C 및 도 3A 내지 도 3C에서 모든 내부 구조는 도 4A 및 도 4B의 실시예와 패키지 하기 위한 수단 및 서로 다른 것을 제외하고 유사하다. 예를 들어, 도 4A 내지 도 4B에서, 유기 유전체층(436)(예를 들어, 얇은 라머네이트 기판)은 두꺼운 코어 사이에서 패키지되지 않고, 한쪽 면 상에 단지 하나의 코어층(454)이 놓이며, 여기서 차폐 전극(450)이 코어층(454)의 상반되는 면상에서 금속화된다. 유기 유전체층(436)의 다른쪽 면 상에 적당한 높이를 갖는 금속 캡(404)이 놓이며, 이 캡은 제2 접지 기준을 제공하는데 이용된다. 도 2 및 도 3의 실시예들에 관하여 설명된 바와 같이, 유기 유전체층(436)은 패턴된 전도성층들(438 및 440)에 의하여 대향하는 면들 상에서 금속화되며, 이 전도성층들은 적어도 층(436) 내의 마이크로비아들에 의하여 전기적으로 접속된다. 기판(436)의 양쪽면 상에 두꺼운 코어를 이용하는 대신 에, 이 실시예는 기판의 한쪽면 상에서는 코어층을 이용하고 다른쪽 면상에서는 유전체로서 공기를 이용한다. 이는 그 자체를 스트립라인 또는 CPW/스트립라인이 되게 한다. 관통 홀들은 단지 코어 금속을 내부 금속 구조에 접속시키는데 이용되는 반면에, 금속 캡(404)은 솔더 접속들을 이용하여 대응하는 단자들에 접속된다. 입력 및 출력 단자들을 위해 필요로 하는 경우에 금속 캡(404)은 개구부들을 가질 수 있다. 주목할 사항으로서, 상기 실시에는 이산형 커패시터들을 이용하는 것에만 국한되지는 않는다. 또한 도 4A 및 도 4B에서 나타난 커패시터들은, 필요하다면, 전술된 바와 같이 기판 내에 임베드(embed)될 수 있다.
하기 내용은 본 발명의 여러 가지 실시예들이며, 여기서 각각의 도시적인 실시예들은 본 발명의 다양한 양상들을 개시한다.
Ⅱ. 자립형 필터들을 제조하기 위한 방법들의 도시
이제 본 발명의 실시예에 따른 표면 실장 부품(SMD)으로서 구성되고, 도 2A 내지 도 2C에서 도시되는 필터 같은, LCP 기반 IPD 제조 공정의 도시가 일반적으로 도 5를 참조로 하여 개시된다. 처음에, 개시 물질이 선택되며, 개시 물질은, 단계(1)에서 도시되는 바와 같이, 바람직하게 LCP의 양쪽면 또는 한쪽면이 클래드될 수 없거나 또는 동박(copper foil)으로 클래드될 수 있는 강화(reinforce)된 또는 비강화된 LCP 라머네이트이다. 대안적인 물질들은 PPE, PTFE 합성물들, 탄화 수소 세라믹 합성물들, BT 수지 합성물들(예를 들어, 스피드보드(Speedboard) C), 및 열경화성 플라스틱(예를 들어, 히다치 MCL-LX-67F) 같은 다른 저 손실 유기 라머네이트들을 포함한다. 다음으로, 단계(2)에서 도시되는 바와 같이, 관통 비아들이 LCP 또는 다른 라머네이트 및 구리층들을 통해 천공된다. 이 마이크로비아들은 당업자에게 알려진 기계적 천공, 레이저 천공 또는 다른 적당한 방법들로 천공될 수 있다.
단계(3) 및 단계(4)는 관통 비아들 및 라머네이트의 금속화를 포함한다. 부가(additive), 반부가(semi-additive), 또는 감법(subtractive) 공정들에서, 클래드되지 않은 또는 구리로 클래드된 LCP 또는 다른 라머네이트들로부터 출발하여 다른 라머네이트 및 비아들 또는 LCP의 양쪽면이 무전해 도금, 진공 증착 구리 또는 다른 증착 방법들을 이용하여 시드(seed)되며, 연속적인 구리 필름을 형성한다. 상기 디바이스에 대하여 목표로 하는 금속 두께를 얻기 위하여, 전기 분해 도금이 단일 단계에서 상기 라머네이트의 양쪽면 상 및 상기 비아들 내에 구리를 형성하는데 이용된다. 상기 필터의 부품에 대한 회로 정의는 구리의 패널 또는 패턴 전기도금과 함께 감법, 반부가 또는 완전 부가(fully additive) 공정들을 이용하여 행해질 수 있으며, 단계(5)에서 도시되는 바와 같이, 이후 필터 회로를 정의하도록 프린트 및 식각 단계가 뒤따른다.
이후 상기 제조된 디바이스 회로들은 단계(1)와 관련하여 상기에서 상술된 대안적인 라머네이트 물질들 또는 LCP의 진공 또는 비진공 라머네이션 및/또는 (고 전력 응용들을 위한)Al, Cu, Mo 금속을 이용하여 패키지되어, 단계(6)에서 도시되는 바와 같이, 상기 필터의 양쪽면 상에 충분한 두께를 제공하여 부품들을 캡슐화한다. 필요한 경우에는, 내부 및 외부 금속층들이 기계적으로 또는 레이저, 포토, 또는 플라즈마 공정들로 천공될 수 있는 도금된 관통 홀들을 이용하여 접속되며, 단계(7)에서 도시되는 바와 같이, 신호 및 접지 접속들 그리고 SMD 단자들을 제공한다. 또한 관통 홀이 없는 디바이스의 두 가장자리(edge)에 기계적 천공/라우트(rout)/밀(mill), 레이저 절단, 또는 소잉(sawing) 공정들을 이용하여 홀을 낼 수 있으며, 이후 금속화 동안에 상기 디바이스의 부가적인 차폐에 대비한다. 천공된 관통 홀들 및 차폐 슬랏들(slots)이 무전해 도금 또는 sputter/진공 증착 구리로 시드되며, 단계(8)에서 도시되는 바와 같이, 단계(3)와 관련하여 상기에서 기술된 방식과 실질적으로 동일하게 버스층을 제공한다.
단계(9, 10, 및 11)를 참조하면, 외부 층들에 대한 최종적인 금속 두께는 관통 홀들, 차폐 슬랏들, 및 상부 및 바닥 표면 상의 전기도금된 구리에 의해 형성된다. 단계들(4 및 5)과 관련하여 상기에서 기술된 바와 같이, 감법, 반부가, 또는 부가 공정들이 구리의 프린트 및 식각 공정을 이용하여, 접속을 위한 SMD 단자들 및 바깥층 접지 회로들을 정의하는데 이용될 수 있다. 이후 상기 디바이스는 SMD 조립 및 솔더링 공정들을 위한 적당한 단자 금속들의 부가로 완성된다. 상기 디바이스 단자들에 관한 이러한 완료 금속들은 무전해 Ni-Au, 액침 주석, 액침 은, 전기도금된 Ni-Au, 솔더(HASL), 또는 유기 마감재(organic finishes(OSPs))와 같은 공통의 도금된 금속들 또는 합금들이며, 의도되는 응용에 따라 선택한다.
이후 완전하게 제조된 웨이퍼는 개별적인 필터 부품들로 싱귤레이트(singulate)된다. 싱귤레이션은 고 스피드 다이싱 쏘들(dicing saws) 또는 펀칭(punching) 또는 로우팅(routing)/밀링(milling) 같은 대안적인 방법들을 이용하여 행해질 수 있다. 이 제조 공정의 장점은 싱귤레이션 전 또는 후에 부품들을 완 전하게 전기 테스트를 할 수 있다는 것이다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따라 볼 그리드 배열(BGA) 또는 칩 스케일 패키지(CSP)와 같이 구성되고, 도 3A 내지 도 3C에서 도시되는 필터와 같은, LCP 기반 IPD 제조에 대한 도시적인 공정이 도 6과 관련하여 개시된다. 처음에, 개시 물질이 선택되며, 개시 물질은, 단계(1)에서 도시되는 바와 같이, 바람직하게 LCP의 양쪽면 또는 한쪽면이 클래드될 수 없거나 또는 동박으로 클래드될 수 있는 강화된 또는 비강화된 LCP 라머네이트이다. 대안적인 물질들은 PPE, PTFE 합성물들, 탄화 수소 세라믹 합성물들, BT 수지 합성물들(예를 들어, 스피드보드 C), 및 열경화성 플라스틱(예를 들어, 히타치 MCL-LX-67F) 같은 다른 저 손실 유기 라머네이트들을 포함한다. 다음으로, 단계(2)에서 도시되는 바와 같이, 관통 비아들이 LCP 또는 다른 라머네이트 및 구리층들을 통해 천공된다. 이 마이크로비아들은 당업자에게 알려진 기계적 천공, 레이저 천공, 다른 적당한 방법들로 천공될 수 있다.
단계(3 및 4)는 관통 비아들 및 라머네이트의 금속화를 포함한다. 부가, 반부가, 또는 감법 공정들에서, 클래드되지 않은 또는 구리로 클래드된 LCP 또는 다른 라머네이트들로부터 출발하여 다른 라머네이트 및 비아들 또는 LCP의 양쪽면이 무전해 도금, 진공 증착 구리 또는 다른 증착 방법들을 이용하여 시드되며, 연속적인 구리막을 형성한다. 상기 디바이스에 대하여 목표로 하는 금속 두께를 얻기 위하여, 전기 분해 도금이 단일 단계에서 상기 라머네이트의 양쪽면 상에 그리고 상기 비아들 내에 구리를 형성하는데 이용된다. 상기 필터의 부품에 대한 회로 정의는 구리의 패널 또는 패턴 전기도금과 함께 감법, 반부가 또는 완전 부가 공정들을 이용하여 행해질 수 있으며, 단계(5)에서 도시되는 바와 같이, 이후 필터 회로를 정의하도록 프린트 및 식각 단계가 뒤따른다.
이후 상기 제조된 디바이스 회로들은 단계(1)와 관련하여 상기에서 상술된 대안적인 라머네이트 물질들 또는 LCP의 진공 또는 비진공 라머네이션 및/또는 (고 전력 응용들을 위한)Al, Cu, Mo 금속을 이용하여 패키지되어, 단계(6)에서 도시되는 바와 같이, 상기 필터의 양쪽면 상에 소정의 두께를 제공하여 부품들을 캡슐화한다.
필터 부품의 다른쪽면 상에, 커버 코팅 물질들, 액체 포토 이미저블(LPI), 또는 드라이 필름 솔더 마스크가, 단계들(7, 8 및 9)에서 도시되는 바와 같이, 스핀 코팅, 커튼 또는 롤러 코팅, 드라이 필름 라머네이션(dry film lamination), 스프레이 코팅 및 다른 방식들 같은 표준 공정들을 이용하여 증착된다. 이 층은 이후 리플로우 및 부품 어셈블리 동안 단자들 사이에서의 솔더 플로우에 대한 장벽 역할을 한다. 상기 부품 단자들은 보드 레벨 상호 접속을 위한 BGA 패드들을 개방시키는 커버 코트/솔더마스크 물질 내에 개방 창들에 의하여 정의된다. 이것은 광식각법(photolithography) 또는 레이저 제거법(laser ablation) 같은 공정들로 행해진다. 이후 상기 디바이스는 BGA 어셈블리 또는 솔더 공정들을 위해 적당한 단자 금속들을 부가함으로써 완성된다. 상기 디바이스 단자들에 관한 완료(finishing) 금속들은 무전해 Ni-Au, 액침 주석, 액침 은, 전기도금된 Ni-Au, 솔더(HASL), 또는 유기 마감재(OSPs)와 같은 공통의 도금된 금속들 또는 합금들이며, 의도되는 응용 및 디바이스 모듈/PWB 배선에 이용되는 솔더 또는 다른 합금과의 호환성에 따라 선 택한다.
단계들(10, 11, 12)을 전체적으로 참조하면, 상호 접속들이 Pb/Sn 솔더, 또는 다른 납이 없는 솔더들 및 금속 합금들을 이용하여 단계(8)에서 정의된 방식으로 상기 윈도우들에서 형성된다. 솔더 페이스트 및 리플로우의 스크린 또는 스텐실 프린팅 같은 공정들, 또는 도금 공정들이 상호접속을 위한 범퍼들을 형성하는데 이용될 수 있다. 필터 부품들의 BGA/CSP 포맷은 싱귤레이션 전에 큰 영역 보드에 관한 부품들을 테스트하는 것을 가능하게 한다. 상기 테스트는, 예를 들어, 탐침 기법들로 또는 테스트 소킷들(sockets) 또는 픽스처들을 이용하여 행해질 수 있다.
이후 완전하게 제조된 웨이퍼는 개별적인 필터 부품들로 싱귤레이트된다. 싱귤레이션은 고 스피드 다이싱 쏘들(dicing saws) 또는 펀칭 또는 로우팅/밀링 같은 대안적인 방법들을 이용하여 행해질 수 있다. 이 제조 공정의 장점은 싱귤레이션 전 또는 후에 부품들을 완전하게 전기 테스트를 할 수 있다는 것이다.
Ⅲ. 실제적인 디바이스들
실시예 Ⅰ
본 발명의 일 실시예에 따른 유기 대역 통과 필터(500)의 X-선 사진이 도 7 및 도 8에서 제공된다. 필터(500)는 제1 유기 유전체층 상에서 서로 근접하게 형성되는 단락된 혼성 CPW-스트립라인 미앤더 전송 라인 인덕터들(512, 514)을 포함하고, 상기 유전체층은 두께가 50㎛인 LCP층이며, 여기서 인덕터들(512, 514)은 서로 간에 자기적으로 직접 결합된다. 각각의 인덕터들은 동일한 유전체 시트를 샌드위치함으로써 독립된 평행 플레이트 커패시터들(516, 518)과 접속된다. 상호-공진기 평행 플레이트 결합 커패시터(524)는 상기 상호-공진기 결합 커패시터 전극의 각 플레이트가 독립된 인덕터와 접속되는 방식으로 동일 유기 유전체 시트를 샌드위치하고 있는 두개의 독립된 금속판을 이용하여 형성된다. 또한, 제2 유기 유전체층과 제3 유기 유전체층은 제1 유기 유전체층을 샌드위치하며, 30-40 mils의 두께를 갖는 고주파수 탄화수소(hydrocarbon) 물질을 포함한다. 이 물질은 그들 사이에 상기 제1 유전체 시트들이 샌드위치되도록 배치된다.
대역 통과 필터(500)는 또한 부가적인 유전체층(본 경우에는 솔더 마스크)을 포함하는 바, 이는 가장 바깥 쪽 실드 전극들을 보호하기 위해 실드 전극들 중 가장 바깥쪽 전극 상에 제공된다. 인덕터들(512, 514)은 요구되는 길이에서 필요한 커패시턴스를 제공하지 않으므로, 각각의 인덕터는 샌드위치된 유전체로서 동일 제1 유기층을 이용하여 독립된 접지된/션트된 평행 플레이트에 접속되며, 이후 도시되는 바와 같이 함께 한쌍의 공진기(560, 562)를 형성한다. 도시되는 디바이스에서, 평행 플레이트 커패시터들(526, 528)은 임피던스 정합 목적들을 위해 디바이스의 입력 및 출력 단자에서 첫번째 및 마지막 공진기 부품들의 양 측상에서 이용된다. 만일 보다 큰 밀도가 요구된다면 상기 제1 유전체층 같은 복수의 얇은 층들이 복수(>2)의 플레이트 커패시터들을 형성하는데 이용될 수 있다.
대역 통과 필터(500)는 또한 라머네이트된 본체의 서로 다른쪽 표면 상에 각각 형성되는 두개의 외부 접지 차폐 전극들(534)을 포함한다. 상기 본체는 상기 제1 내지 제3 또는 더 많은 유전체층들을 포함하며, 상기 차폐 전극들에 접속된다. 부가적으로 상기 전극들(534)은 단락된 인덕터들/공진기들 및 커패시터들을 위한 접속을 제공한다. 더욱이, 이러한 외부 전극들의 존재는 동일한 제1 유전층 상에 기준이 있는 CPW/스트립라인 토폴로지가 내부적으로 차폐를 제공하게 하고, 또한 공진기들/인덕터들 및 커패시터들에 대한 접지 접속을 제공한다.
대역 통과 필터는 또한 외부 입력 단자 전극(564) 및 외부 출력 단자 전극(566)을 포함하며, 이 전극들은 상기 제1 내지 제3 또는 더 많은 유전체 시트들을 포함하는 라머네이트된 본체의 한쪽 표면 상에 형성된다. 외부 측벽 차폐 전극들(534)(도 7)은 상기 외부 입력과 출력 단자 전극들 사이에서 라머네이트된 본체의 측면 상에 제공되고, 외부 접지 차폐 전극들(548)은 라머네이트된 본체의 대향하는 상부 및 바닥 표면 상에 제공된다.
상부와 바닥 표면 상의 외부 접지 차폐 전극들(548)의 패턴은 도 7 및 도 8에서 나타난 바와 같이 신호 입력 출력을 위한 공간을 남겨 두는 것이 요구된다.
유기 대역 통과 필터(500)에서, 디바이스들 사이에 접속 형성에 대한 제1 단계는 LCP 및 구리에 대하여 비아 크기에 세 배 정도 큰 패드들을 구비하는 2mils 정도의 작은 관통 홀들을 천공함으로써 수행된다. 이후 LCP 구리 라머네이트의 양쪽면이 무전해 도금에 의하여 금속화된다. 이후 라머네이트의 양쪽면 상의 구리는 전기도금되며, 구리층은 프린트되고 식각되어 필터 부품들을 정의한다.
제2 및 제3 유기 유전체 층들은 일반적으로 제1 유기 유전체층 보다 큰 두께(대략 35mils)를 가지며, 필터의 양쪽면 상에서 부품들을 캡슐화하는 소정의 두께를 가지는 (고전력 응용들을 위한)구리 금속을 구비한 Rogers 사의 Rogers 4350이 된다. 모든 금속들이 디바이스의 상부 및 바닥 상에 전기도금 가능하며, 식각 및 패턴되어 신호 입력 및 출력을 위한 공간을 남기게 된다.
측벽에 접지된 전극들(534)은 단일 또는 복수의 접속되는 천공된 도금 관통 홀들에 의해 얻을 수 있으며, 이후 관통 홀 내의 무전해 또는 스퍼터 씨드 구리에 의해 접속된다. 관통 홀 내 및 표면 상에 구리를 전기 도금한다. 구리를 프린트 및 식각하여 SMD 접속을 형성한다. 상기 구리 전극들은 과도한 산화를 방지하기 위해 무전해 NiAu 플레이트일 수 있다.
도 9는 도 7 및 도 8의 유기 대역 통과 필터(500)에 대한 하드웨어 상관관계에 관한 모델을 나타낸다. 상기 필터는 SOLT 캘러브레이션(calibration)을 수행한 후에 HP 8720ES 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 측정될 수 있다. 제조된 필터 및 시뮬레이트 데이터에 대해 측정된 데이터가 나타난다. 도 9로부터 자명한 바와 같이, 측정된 데이터와 시뮬레이터 데이터 사이에 양호한 상관관계가 있다. 유기 대역 통과 필터(500)는 제1 유기 유전체층을 위한 LCP를 이용하여 제조되며, 단지 3 GHz에서 1.88dB 및 200 MHz의 1dB 대역 폭의 삽입 손실을 나타낸다. 이러한 필터는 고정된 무선 타입 수신기들에서의 IF 주파수 사용에 적당할 것이며, 여기서 수신 신호의 반송파 주파수는 대략 14GHz이고 다수의 낮은 주파수 신호들로 변환된다.
유기 대역 통과 필터(500)는 유기 기판 내에 임베드된 모든 수동 소자와 단지 두개의 금속화 레벨을 갖는 CPW/스트립라인 토폴로지를 이용하며, 이것은, 도 9에서 나타나는 바와 같이, 비 표준화된 다층(>5) 세라믹 공정들 보다 좋은 성능을 가져온다.
주목할 사항으로서, LCP를 이용하여 필터(500)에 대하여 커패시터들의 Q값이 3GHz에서 200 정도로 높게 측정되고, 인덕터에 대한 Q값은 3GHz에서 요구되는 대략 100 정도의 레벨을 유지한다. 이것은 인덕터들에 대하여 설계를 최적화함이 없이 LCP 같은 물질 이용의 장점들을 이해하기 위하여 수행되었다. 그러나, 유기 기판 상의 인덕터들에 대해서도 200을 초과하는 Q값들을 또한 얻을 수 있다. 인덕터들에 대하여 200의 Q값을 가진 개시된 필터 회로의 재시뮬레이션은 시뮬레이트된 경우에 1.15dB의 삽입 손실을 나타낸다. 상기 주파수 및 대역폭에서 1.15dB의 손실을 갖는 필터는 벌키어 및 코스틀리어 세라믹 공동(bulkier and costlier ceramic cavity) 및 모노블록 필터들을 이용하여 대안적으로 달성될 수 있다.
실시예 Ⅱ
본 발명의 실시예에 따른 다른 유기 대역 통과 필터(600)가 도 10의 사진에서 나타난다. 상기 필터(600)는 단락된 혼성 CPW-마이크로스트립, 제1 유기 유전체층(LCP 층) 상에서 서로 근접하게 형성되고 서로 간에 자기적으로 직접 결합된 미앤더 인덕터들(612, 614)을 포함한다. 용어 "단락된"은 큰 금속 영역에 접속되는 각 인덕터의 일단을 의미하며, 이 경우 상기 큰 금속영역은 빌트 인된 차폐(630)(또한 공면 접지 링이라 칭함) 역할을 한다. 또한, 상기 필터(600)는 상호-공진기 평행 플레이트 결합 커패시터 전극(624)의 각 플레이트가 독립된 공진기들에 접속되고 있는 상기 상호-공진기 결합 커패시터 전극을 포함하며, 이 상호-공진기 결합 커패시터 전극은 빌트 인된 차폐(630)를 구비하고, 상기 제1 유기 유전체층(236)을 샌드위치하고 있는 두개의 비접속된 금속플레이트들을 이용하여 형성된다. 또한, 상기 필터(600)는 제2 유기 유전체층 상에 개별적으로 형성되는 제1 차 폐 전극을 포함하며, 이는 상기 필터를 샌드위치하고 실질적으로 완전하게 상기 필터의 한쪽 면을 차폐하기 위함이다. 이 경우에 제2 유기 유전체층은 Rogers 사의 Rogers 4350 이며, 전술된 회로 위에 배치된다.
상기 필터는 또한 제3 유기 유전체 시트를 포함할 수 있으며, 만일 필요하다면, 상기 시트는 가장 바깥쪽의 차폐 전극을 방호하도록 차폐 전극의 외면 상에 제공된다. 이 필터에서, 인덕터들(612, 614)은 요구되는 길이에서 필요로 하는 커패시턴스를 제공하지 못하므로, 샌드위치된 유전체로써 동일 제1 유기층을 이용하여 상기 인덕터들 각각이 독립된 접지된/션트된 평행 플레이트(두 개의 플레이트)에 접속되며, 이후 전체로서 한쌍의 공진기(260, 262)를 형성한다. 또한, 평행 플레이트/인터디지털(interdigital) 커패시터들(626, 628)은 임피던스 정합 목적들을 위해 디바이스의 입력 및 출력 단자에서 첫번째 및 마지막 공진기 부품들의 양 측상에서 이용된다. 만일 보다 큰 밀도가 요구된다면, 상기 제1 유전체층 같은 복수의 얇은 층들이 복수(>2)의 플레이트 커패시터들을 형성하는데 이용될 수 있다. 또한, 상기 제1 유전체로서 이용되고 보다 높은 온도에서 융해되는 LCP와 비교하여 보다 낮은 온도에서 융해되는 LCP 같은 다른 유전체층이 제1 기판의 (제2 기판과 동일면이 아닌)다른쪽면 상에 라머네이트되며, 이후 솔더 범프 개구부들이 형성되고 여기서 접지 및 입력 출력 접속들이 보드 상의 대응하는 단자들에 디바이스를 접속시키기 위해 요구된다.
CPW 토폴로지(여기서 기준은 동일한 제1 유전체층 상에 존재함)는 내부적으로 차폐를 제공하고, 또한 공진기들/인덕터들 및 커패시터들에 대해 접지 접속 가 능성을 제공한다. 그러나 보다 잡음이 많은 환경들에서는, 실시예 Ⅰ에서의 외부 전극들과 같은, 외부 전극들이 부가된 차폐를 위해 추가될 수 있다.
제2 대역 통과 필터에서, 제3 기판의 개구부들이 접지 접속이 CPW 접지에 접속되고 다른 두개의 개구부들이 서로 접속되지 않게 하거나 또는 접지가 입력 및 출력 단자들을 위한 역할을 하게 한다.
디바이스들 간에 접속 형성에 대한 제1 단계는 구리 및 LCP의 제1 유기 유전체층에 관통 홀들을 천공함으로써 수행된다. 이후 LCP 구리 라머네이트의 양쪽면이 무전해 구리에 의해 금속화된다. 이후 구리는 라머네이트 양쪽면 상에서 전기도금된다. 이후 구리는 프린트 및 식각되어 필터 부품을 정의한다.
제2 유기 유전체층은 라머네이트 LCP 또는 부품들을 캡슐화하는 대략 20-30㎛의 소정의 두께로 필터의 상부 상에 도금되는 (고전력 응용들을 위한)구리 금속을 구비하는 제1 유기 유전체층 보다 일반적으로 큰 두께를 갖는 다른 적당한 유전체일 수 있다. 제3 유기 유전체층은 라머네이트 LCP 또는 솔더 랜딩 패드들을 제공하는 소정의 두께로 개구부들 내에 도금된 구리를 구비하는 제1 유기 유전체 보다 일반적으로 큰 또는 작은 두께를 갖는 다른 적당한 유전체일 수 있다. 제3 기판 내의 개구부들은 스크린 솔더 페이스트로 채워지고 리플로우되어 범프들을 형성한다.
도 11은 도 10의 유기 대역 통과 필터(600)에 대한 하드웨어 상관관계에 관한 모델을 나타낸다. 개요에서, 필터는 유기 기판 내에 임베드된 모든 수동 부품들 및 단지 두개의 금속화 레벨을 갖는 CPW 토폴로지를 이용하며, 이것은 비 표준화된 다층(>5) 세라믹 공정들 보다 좋은 성능을 가져온다. LCP 같은, 보다 낮은 손실의 물질들의 채택이 보다 일반적이 되었으며, 이러한 설계는 콤팩트한 보드들 및 패키지들에서의 블루투스/WLAN 같은 응용들을 위한 매우 낮은 손실의 필터들을 집적시키는 것이 가능함을 보여준다.
필터(600)에 대해 측정된 데이터와 시뮬레이트된 데이터가 도 11에서 나타난다. 나타난 바와 같이 측정된 데이타와 시뮬레이트된 데이터 사이에 양호한 상관관계가 있다. 필터(600)는 단지 2.22dB의 삽입 손실을 갖는다.
주목할 사항으로서, 비록 커패시터들의 Q값이 LCP를 이용하여 300 정도의 높은 값이지만, 인덕터에 대한 Q값은 대략 130 정도의 요구되는 레벨에서 유지된다. 삽입 손실은 유사한 풋프린트(footprint)를 갖는 MLC 필터들 보다 낮은 0.6dB 이다. 인덕터에 대한 Q값이 200인 경우에, 시뮬레이트된 때에 필터 회로에 대한 재시뮬레이션은 1.65 dB의 삽입 손실을 나타낸다. 블루투스/WLAN 필터에 대하여 요구되는 주파수와 대역폭에서 1.65dB의 손실을 갖는 필터는 벌키어 및 코스틀리어 세라믹 공동 및 모노블록 필터들을 이용하여 대안적으로 달성될 수 있다.
실시예 Ⅲ
본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 유기 대역 통과 필터(700)가 도 12의 사진에서 나타난다. 유기 대역통과 필터(700)는 단락된 혼성 CPW-마이크로스트립 미앤더 인덕터들을 포함한다. 이 인덕터들은, 뒤퐁사(E.I. du pont de Nemours and Company)의 에폭시 기반 vialux 같은, 제1 유기 유전체 기판 상에서 서로 근접하게 형성되며, 서로 간에 자기적으로 직접 결합된다. 또한, 제3 대역통과 필터는 접지 링과 함께 상호-공진기 평행 플레이트 결합 커패시터 전극(724)을 포함하며, 상기 상호-공진기 결합 커패시터 전극의 각 플레이트가 독립된 공진기들에 접속되는 그러한 방식으로 동일 유기 유전체 시트를 샌드위치하는 두개의 비접속된 금속 플레이트들을 이용하여 형성된다.
전송라인 인덕터들(712, 714)은 요구되는 길이에서 필요한 커패시턴스를 제공하지 않는다. 유전체는 커패시터에 적용함에 있어 손실이 많기 때문에, 각각의 인덕터는, 일 공진기에 접속되는 일 커패시터의 일 단자 및 빌트 인된 차폐 전극(730)에 단락되는 나머지 단자를 구비하는 세라믹 커패시터 또는 칩 커패시터 같은, 독립된 커패시터(702)로 대체될 수 있다. 동일 사항이 다른 커패시터(724)에 대하여 수행될 수 있는 바, 여기서 일 단자는 접지되고(즉, CPW 접지 전극(730)에 접속됨), 나머지 단자는 공진기 섹션에 접속된다. 또한, 평행 플레이트/인터디지털 커패시터들(726, 728)은 임피던스 정합 목적들을 위해 디바이스의 입력 및 출력 단자들에서 첫번째 및 마지막 공진기 부품들(260, 262)의 양 측 상에서 이용될 수 있다. 만일 보다 큰 밀도가 요구된다면 상기 제1 유전체층 같은 복수의 얇은 층들이 복수(>2)의 플레이트 커패시터들을 형성하는데 이용될 수 있다.
또한 유기 대역통과 필터(700)는 제1 유기 유전체층의 일측면 상(독립된 커패시터들 측면에 상반됨)에 라머네이트된 다른 모노클래드 제2 유기 유전체층을 포함할 수 있다. 또한, 필터(700)는 빌트 인된 차폐 전극(730)에 접속되는 제1 및 제2 유기 유전체층을 통과하는 복수의 도금된 관통 홀들 및 모노클래드 유전체의 금속 시트를 더 포함할 수 있다. 비록 이러한 비아들을 부가하는 것은 상기 필터를 진정한 CPW/마이크로스트립 혼성 디바이스로 만들지만, 이러한 부가는 비용 절감 목적들을 위해 요구될 수도 있고 요구되지 않을 수도 있다. CPW 토폴로지(여기서 기준은 동일한 제1 유기 유전체층 상에 존재함)는 내부적으로 차폐를 제공하고, 또한 공진기들/인덕터들 및 커패시터들에 대해 접지 접속 가능성을 제공한다. 그러나 보다 잡음이 많은 환경에서는 외부 관통 홀들이 부가된 차폐를 위해 추가될 수 있다.
회로들을 방호하고 습기 흡수 및 부식으로부터 디바이스를 밀폐시키기 위해 유기 대역통과 필터(700)는 또한 독립된 커패시터들(702)과 동일면 상에 놓이는 제3 유기 유전체층을 포함할 수 있다. 이 물질은 솔더 마스크 물질들과 동일한 물질일 수 있으며, 이 물질들은 보드 상에서 다른 회로들을 방호하기 위해 보드 제조업자들에 의해 이용될 수 있다. 또한, 대역통과 필터(700)는 상부 표면 상의 디바이스를 에워싸서 EMI 장해 및 방사 효과들이 필터의 성능에 영향을 미치는 것을 방지하는 금속 리드 또는 캡/전자기적 차폐를 포함한다.
도 13은 도 12의 유기 대역통과 필터(700)에 대한 하드웨어 상관관계에 관한 모델을 나타낸다. 특히, 도 13은 두개의 독립된 커패시터들을 제외하고, 모든 임베드된 부품들을 구비하는 필터에 대한 하드웨어 상관관계에 관한 모델을 나타낸다. 나타나는 바와 같이, 측정된 결과들과 예측된 결과들 사이에 매우 양호한 일치가 존재한다. 측정된 필터는 중심 주파수 = 1.9 GHz, 60 MHz의 1 dB 통과 대역, 및 120 MHz의 3dB 대역폭을 갖는다. 요구되는 바와 같이, 1.5 GHz에서 감쇠는 ~40 dB 이다. 삽입 손실은 대략 1.9 GHz에서 3.8 dB이며, 이값은 이러한 응용을 위한 3 dB의 사양 보다 더 크다. 이것은 3 dB의 더욱 작은 손실을 달성하는데 필요한 60의 Q 값 보다 40의 Q값(in Vialux)을 갖는 중앙 및 정합 커패시터들을 이용하기 때문이다. 이 삽입 손실은 유기 유전체층을 위한 Rogers사의 유전체 물질들로부터 A-PPE 또는 LCP을 이용함으로써 적어질 수 있다. 이러한 필터는 인터미디어트 RF 필터로서 휴대 전화기 또는 프론트-엔드 RF 필터로서 무선 전화기에 적용할 수 있다.
도 13에서 나타나는 바와 같이, S21에 대하여 2.5 GHz 이상에서 측정된 결과들과 예측된 결과들에서 불일치가 존재한다. 이 불일치는 두개의 독립된 커패시터들 사이의 결합때문이다. 시뮬레이션들은 개별적인 부품들에 대하여 그리고 인덕터들 사이의 간격을 최적화하기 위해 수행된다. 이산형 커패시터들은 그들 사이에 어떠한 결합 없이 개별적인 부품들로서 측정되었다. 커패시터들 간의 촘촘한 간격은 2.5 GHz 보다 높은 주파수들에서 나타나는 원하지 않는 결합 효과들을 가져올 수 있다. 두개의 이산형 커패시터들 간의 상호 결합 항(term)을 포함한 후, 결과들은 측정값들과 더욱 일치함을 나타낸다.
따라서, 유기 대역통과 필터(700)는 단지 두개의 금속화 레벨과 독립된 커패시터들과 함께 에폭시 기반 기판을 갖는 CPW 토폴로지를 이용하며, 이 CPW 토폴로지는 비표준화된 다층(>5) 세라믹 공정들의 성능을 달성한다. 부가적으로, MCL 필터들은 여러 가지 이유로 인해 세라믹 패키지의 동일한 층들에서 다른 부품들과 함께 집적될 수 없으며, 여러 가지 이유 중 몇 가지는 첫째로, 다른 유전체들과 상반되는 필터-특정 유전체의 이용, 두번째로, 세라믹 공정들에서 이용되는 표준 5㎛ 라인들로 인하여 감쇠를 낮추기 위해 요구되는 100㎛ 두께 알루미늄 전도체 같은 특정 부속물의 특이성을 포함한다. 이 섹션에서 설명되는 설계는 다층 라머네이트 보드들과 관련된 표준 설계 규칙들을 이용하여 제조되며, 독립된 표면 실장 부품에 대한 필요 없이 보드 상에 직접 실시될 수 있다. 나아가, 하드웨어 상관관계에 관한 모델은 이용된 설계 기법의 유효성을 보여준다.
Ⅳ. RF/무선 신호 수동 처리 부품들
유기 기판들 또는 PCB에서 필터들, 다이플렉서들, 결합기들, 밸룬들, 멀티플렉서들, 및 다른 RF 신호 처리 수동 기능들 같은 고성능 수동소자의 집적은 LTCC에 대한 의존을 제거할 수 있으며, 모듈 표면 영역을 감소시키고, 비용을 절약 하고, 신뢰도를 증가시키는데 도움을 준다. 본 발명은 LCP와 새로운 다층 중합체 기반 기판들의 조합을 이용하여 완전하게 패키지된 소형 대역통과 필터들, 밸룬들, 다이플렉서들, 멀티플렉서들, 결합기들 및 상기의 결합을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 부품들은 하나 이상의 하기의 구별적인 특징들(features)을 제공하는 바, 1) 이러한 부품들은 혼성 단일 평면 도파로(CPW)/스트립라인 토폴로지를 이용하여 실시되기 때문에, 부품들은 입력/출력 단자들로서 이용되는 장소를 제외하고 모든 면이 완전하게 차폐될 수 있으며, 따라서 방사 손실들 및 전자기적 장애의 최소화, 2) 다층 기판들에서 럼프된 부품들 및 분산된 부품들과 부품들 간의 결합의 조합을 이용하는 것은 약 λ/40 정도의 사이즈 감소의 제공, 3) 같은 크기에 대한 세라믹 모노블록 필터들과 비교하여 낮은 삽입 손실, 대역 폭 및 감쇠 사양들, 4) 광범위한 수명 테스트에 의해 명백한 높은 신뢰도, 5) 최소의 온도 의존 성능 변화, 6) LTCC와 같은 동일한 밀도를 달성하는데 보다 적은 금속층들, 7) 필터들, 다이플렉서들 및 밸룬들 같은 다양한 기능들을 실시하는데 복수의 주파수(1GHz- 100GHz)에서 이용될 수 있는 단일 기판, 8) 큰 영역(12×18 평방 인치) 공정에 도움, 9) 더 적은 수의 층들로 인해 거래에 있어서 더 빠른 시간, 10) 세라믹과 비교하여 외부 영향을 받지 않는 특성들(예를 들어. 0.04% 습기 흡수), 그리고 11) PCB 위의 PCB위의 LTCC위의 집적회로 및 이산물, 또는 PCB위의 PCB위의 TFOS 및 IC, 또는 PCB 및 다른 변형물 위의 LTCC, 궁극적으로 단일 PCB 또는 다층 폴리머 기판 위의 복수의 IC들과 같은 복수 레벨의 패키징을 제거한다.
대역통과 필터 설계
무선 주파수(RF) 필터들은 일반적으로 대역외 에너지를 제거 및 이미지-대역 신호들의 거절을 수행하는데 이용된다. 중심주파수가 대부분의 RF 표준들에 대해 스케일링되기 때문에, 대부분의 아키텍처들에서 RF 필터들의 설계가 문제가 된다. 반송파 주파수가 더 높게 되므로, 필터들에 대한 부하(loaded) Q(반송파 주파수/3 dB 대역폭)가 더 높게 되며, 이것은 필터 디바이스를 구성하는 인덕터들, 커패시터들 및 공진기들 같은 부품들에 대한 무부하(unloaded) 양호도에 관하여 보다 높은 요구를 하게 된다. 이러한 필터들 및 신호 처리 유닛들은 더 작거나 유사한 풋프린트에서 동등하거나 더 좋은 성능을 갖는 공동 필터들(cavity filters), MLC 및 LTCC 필터들과 신호 처리 디바이스들의 사양들을 충족시킬 수 있다. 특히, 본 발명은 고 K 유전체 상수 입자들로 채워지거나 또는 채워지지 않은 액정 고분자 필름들 같은 얇은 유전체층들을 이용하는 다층 유기 기판을 포함한다. 이 필름들은 블라인드 및 매립 비아 구조들이 복수의 RF 부품들의 집적을 지원하는 것을 가능하게 하는 구성에서 상호 접속된다. 복수의 RF 부품들은 802.11a/b/g, 지역 다지점 분배 서비스(LMDS)/다채널 다지점 분배 서비스(MMDS), 위성/디지털 TV, UWB, 셀룰러 및 블루투스 타입 응용들 같은 다양한 통신 표준들을 위해 기판 내의 필터들, 밸룬들, 다이플렉서들, 및 이것들의 조합들이다.
다양한 필터들이 도 14A에서 나타나는 회로 구성을 이용하여 실시된다. 도 14A는 본 발명의 일 실시예에 따른 투 폴, 2차 필터(800)의 회로 다이어그램을 나타낸다. 2차 필터(800)는 피드백 커패시터(CInter-Resonator 806)와 더불어 (커패시터(Cmutual 802)에 의한 용량성 결합 및 인덕터(Lmutual 804)에 의한 유도성 결합을 구비한) 2차 결합 공진기 대역통과 필터를 포함한다. 본 발명에 일 실시예에 따르면, 포터블 전화, 휴대 전화, 무선 인프러스트럭처(infrastructure), WLAN 등을 위해 이용되는 작고, 얇은 평판 타입 협 주파수 대역 통과 필터는 복수의 단부 단락된 혼성 CPW/스트립라인/마이크로스트립 미앤더/스트레이트 인덕터들 또는 전송 라인 공진기들(즉, LRES1 816, LRES2 818)을 포함한다. 이들은 제1 유기 유전체 기판 상에서 또는 비아 접속들에 의해 상호 접속되는 복수의 유전체 기판들 상에서 서로 근접하게 형성되며, 서로 자기적으로 직접 결합되도록 서로 근접하게 형성된다. 보다 낮은 또는 보다 높은 저지대역에서 1차 감쇠 제로(zero)는 부품들 (Lmutual 804)와 (Cmutual 802)의 조합에 의해 형성되는 평행 공진기에 의해 달성된다. 피드백 커패시터 (Cinter-Resonator 806)의 목적은 1차 제로의 위치를 증가된 경사도/롤-오프에 대한 통과대역에 가깝게 가져옴으로써 1차 제로의 위치를 바꾸어 다른 전송 제로를 유도하는 것이다. 또한 이것은 전송 제로들을 제공하도록 그들 각각의 기생 인덕턴스들에 따라 공진하는 럼프된 커패시터들(CRES1 812 및 CRES2 814)의 공진 특성을 이용함으로써 달성된다. 만약 공진기들(LRES1 816 및 LRES2 818)의 고유한 기생 커패시턴스가 대역통과 타입 응답에 충분하지 않다면 럼프된 커패시터들(CRES1 812 및 CRES2 814)이 이용된다. 이러한 변형들의 일부가 상기에서 더욱 자세하게 설명된다. 이러한 설계 개략도의 변형들이 도면들(14B, 14C 및 14D)에서 나타난다. 특히, 간결함을 위해, 단지 도 16A에서 공진기 암들(CRES, LRES)에 대한 변형들만이 도면들(14B, 14C 및 14D)에서 나타난다. 도 14B는 타원형의 공진기 섹션들을 나타낸다. 도 14C는 보다 높은 전송 제로들을 제공하는 공진기 섹션들을 나타낸다. 도 14D는 보다 낮은 전송 제로들을 제공하는 공진기 섹션들을 나타낸다. 이러한 공진기 암들은 공진기들 간의 용량성 결합 또는 유도성 결합을 이용하여 접속될 수 있다. 공진기(Cinter-resonator 806)는 커패시턴스, 인덕턴스, 및 인접한 공진기들 사이 또는 인접하지 않은 공진기들 사이의 상호 인덕턴스의 형태에서 존재하는 리액턴스를 개념적으로 표시한다. 이 리액턴스는 전송 제로들의 부가, 대역폭의 제어, 및 중심 주파수의 제어에 대한 제어 이론을 기초로 하여 더 많은 자유도를 달성하는데 도움을 준다.
또한, 도 14A와 관련하여, 저역 필터 부품들이, 인덕터들(Llowpass 808)과 커패시터들(Clowpass 810) 같은, 입력과 출력에서 제공되어 중심 주파수의 제2 고조파 및 제3 고조파에서 높은 감쇠를 달성한다. 또한, 커패시터들(Cmatch1 820)이 제공되어 섹션들 사이의 임피던스를 정합시킨다. 간결함을 위해, 그러나, 어떠한 기생 부품들도 도 14A에서 나타나지 않는다.
일 실시예와 같이, 얇은 라머네이트 기판의 두개의 면 상에 놓인 두개의 금 속층들을 이용하여 본 발명에 따라 구성되고 양 면이 차폐된 투 폴 필터는 3×3㎜의 풋프린트, 1.5㎜의 높이를 가지며, 1.8㎜의 높이를 갖는 4×5㎜ 모노블록 필터의 성능과 필적한다. 본 발명에 따른 처리 기법들을 이용하여 12"×12" 기판 상에서, 필터 투 필터(filter-to-filter) 간격을 포함하면서 대략 6500 부품들을 제조하는 것이 가능하며, 이것은 비용 효율성를 설명한다. 세라믹 필터들 또는 주형된 공동(molded cavity) 필터들에서의 다층과 비교하여 CPW-타입 토폴로지 때문에 본 발명에 따른 필터는 단지 두개의 금속층 패터닝을 요구한다. 이것은 또한 세라믹 필터들 또는 주형된 공동 필터들과 비교해서 설계 시간 및 처리 시간을 감소시킨다. 이러한 설계은 2004년 1월 1일 발행되고, 제목이 "Stad-Alone Organic-Based Passive Devices"인 미국 공개번호 20040000701A1에서 설명되고, 본 출원의 소유자들에게 양도되었다.
일 실시예에서, 도 15에서 대역통과 타입 필터(900)는 WLAN(802.11 b/g) 타입 응용들을 위해 설계되고, 또한 블루투스 및 다른 ISM 대역 타입 응용들을 위해 이용될 수 있다. 2.4 GHz WLAN 프론트-엔드 RF 필터 타입 응용들을 위해 계획된 대역통과 타입 필터(900)는 도 14A에서 도시되는 하기의 럼프된 부품들을 이용하여 설계되는 바, LRES1 816=LRES2 818=5.1nH, CRES1 812=CRES2 814=0.9pH, Lmutual 804=26nH, Cmutual 802=0.88pF, Cmatch1 820=0.3pF, Clowpass 810=0.52, Llowpass 88=0.35nH, 및 Cinter-resonator 806=0.05pF가 된다. 이 경우에 CRES1 812, CRES2 814가 인덕터들(LRES1 816, LRES2 818) 및 커패시터들(Cmatch1 820 및 Cmatch2 822)의 분류 용량(shunt capacitance)의 기생으로서 존재한다. 도 16에서 도시되는 바와 같이, 필터는 2.4-2.5 GHz에서 1.3dB 보다 적은 삽입 손실을 갖는 100MHz에 대해 1dB 통과대역 및 2.8GHz와 1.6GHz에서 전송 제로들을 도시한다. 도 15를 참조하면, 이 필터는 2mils 두께를 갖는 하나의 LCP층 및 양쪽면 상에 놓인 금속층들(M1(904) 및 M2(906))을 이용하여 구성된다. 또한, 내부 금속층들(M1, M2, 및 M3 그리고 상부 및 바닥 차폐층들(902, 910))은 비아들을 포함하며, 이 비아들은 응용 전체에 걸쳐서 원형으로 배열된 작은 삼각형들로 표시된다. 필터는 양쪽 면상에 4mil 프리프레그(예를 들어, Rogers 4450B)(상기 및 변형들을 위해 상기에서 참조되는 미국 공개번호 20040000701A1를 참조)에 뒤따르는 8mil 탄화 수소들(예를 들어, Rogers 4003, 4350 타입)로 패키지된다. 이러한 스택 업(stack up)은 도 17A에서 나타나고 본 명세서에서 설명된 하나와 일치한다.
구체적으로, 도 17A는 6 개의 금속층들(어두운 선들로 표시되는 금속)을 나타낸다. 상부 및 바닥 금속층은 접지 차폐들로서 기능할 수 있다. LCP 각 표면상의 금속층들은 인덕터들 및 평행 플레이트 커패시터들을 포함할 수 있다. 프리프레그층들에 인접한 라머네이트층들 상에서 금속층들은 선택적(optional)이며, 부가되는 밀도에 대해서와 같이, 필요에 따라 만일 필요하다면 부가적인 부품들을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인덕터들은 바람직하게 LCP층들 상에 형성되고, 커패시터들은 LCP층 또는 라머네이트층들 상에 형성된다. 도 17B는 도 17A의 확장이며, 여기서 부가적인 LCP층이 추가되며, 이 LCP층의 상반되는 면들 상에 금속층들이 놓인다. 평행 플레이트 커패시터들 및 인덕터들을 포함하여 더 많은 부품들이 이 부가적인 LCP층 상에 배치될 수 있다. 비록 상기 층들이 마이크로비아들에 의해 전기적으로 접속될 수 있지만, 이 LCP층은 다른 LCP층으로부터 부가적인 프리프레그층에 의해 분리되어 있다.
고 K층들이 라머네이트층들로 대체되는 것을 제외하고, 도 17C는 도 17B에서 나타나는 층들을 도시한다. 라머네이트층들과 비교하면, 고 K층들은 분리를 증가시키고, 고 K층들 상에 배치될 수 있는 거패시터 부품들에 대한 커패시턴스를 증가시킨다. 일반적으로, 중요하지 않은, 낮은 성능의 부품들이 고 k층들 상에 배치될 수 있다. 도 17D는 두개의 프리프레그층에 의해 분리되는 세개의 LCP층을 도시한다. 도 17A 내지 도 17C에서의 앞선 스택업들과 비교하여 도 17D에서 나타나는 스택업의 일 양상은 도 17D의 스택업은 0.3㎜ 정도 두께의 기판 상에 놓일 수 있는 매우 얇은 스택업이라는 것이다. 네개의 금속층이 도 17D에서 나타나며, 이 금속층은 커패시터들 또는 인덕터들 같은 부품들을 포함할 수 있으며, 양호한 밀도를 제공한다. 도 17D는 고성능 기판으로서 알려져 있다. 도 17D의 스택업이 3 LCP층에만 국한되지 않고, 프리프레그층에 의해 다른 LCP층으로부터 분리되는 또 하나의 LCP층을 포함하여 부가적인 층들을 구비할 수 있다는 것은 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 17E는 두개의 라머네이트, LCP, 또는 고 K층들 사이에 배치되는 내부 고 K층을 도시한다. 특히, 상기 고 K층은 상기 고 K층의 상반되는 면들 상에 놓인 프리프레그층에 의해 각 라머네이트, LCP, 또는 고 K층으로부터 분리된다. 상기 고 K층 및 각각의 라머네이트, LCP, 또는 고 K층들은 각 표면 상에 금속층들을 포함할 수 있어 인덕터 및 커패시터들 같은 집적된 부품들을 제공한다. 도 17E에서 나타나 는 스택업은 더욱 완화된 성능 사양을 가질 수 있는 밸룬들에 적합할 수 있다. 이러한 경우에, 상기 고 K 중간층은 그러한 엄격한 조건(예를 들어, 두께)들에 따라 제조될 필요는 없으며, 내부층으로서 이용함에 적당하다. 도 17F는 부가적인 외부 RCF(resin coated foil)를 구비하고, 도 17A에서 나타나는 스택업과 유사한 스택업을 개시한다. RCF는 고 K 및 LCP와 비교하여 더 낮은 비용에서 라인들 및 간격 및 마이크로비아들에 대해 동일한 밀도들을 가능하게 한다. 또한, 도 17F에서, 라머네이트층들 역시 고 K 또는 LCP층들로 대체될 수 있다.
혼성 CPW-스트립라인 토폴로지를 활용하는 경우에, 보다 높은 성능의 부품들이 전형적으로 접지로부터 더 멀리 떨어져 있는 것이 필요할 것이며, 한편 보다 낮은 성능의 부품들이 접지에 더 가깝게 근접할 수 있다. 예를 들어, 도 17B에서, 인덕터들은 내부 LCP층들 내에 배치될 수 있으며, 한편 평행 플레이트 커패시터들은 라머네이트층들 상에 배치될 수 있다. 하지만, 평행 플레이트 커패시터들 또한 내부 LCP층들 상에 배치될 수 있다.
다시 도 15를 참조하면, 이 토폴로지는 인덕터들의 코일들 사이의 거리를 이용하여 Cmutual 802 및 Lmutual 804제어하여 중심 주파수 보다 낮은 측 또는 보다 높은 측에 관한 기본적인 전송 제로 및 대역폭을 제어한다. Cinter-resonator 806은 인터-디지털 또는 평행 플레이트 커패시터로서 부가될 수 있다. 다른 자유도는 LCP 또는 내부 폴리머 두께이다. 예를 들어, 1 mil LCP 상의 동일 인덕터는 LRES1 816=LRES2 816=10nH을 제공하고, 평행 CRES1 812=CRES 814=0.12pF이다. 양 측에 놓인 Cmatch1 820/Cmatch2 822는 필터에 대해 요구되는 임피던스를 제어한다. 이러한 토폴로지는 도 14A에서 나타나는 토폴로지 또는 도 14B 내지 14D에서 나타나는 변형들과 함께 원(one) 폴 또는 복수의 폴 필터로서 이용될 수 있다. 이러한 설계에 대한 다른 가능한 변형은 두개의 LCP층을 갖는 도 17B의 스택업을 이용하는 것이다. 도 15에서 내부층들(M2 906 및 M3 908)로부터 나타나는 바와 같이, 인덕터들을 연속하여 레잉(laying)하는 방식들에 제한들이 있다. 이것은 서로 다른 종류의 필터들에 대한 제한이 된다. 이러한 시나리오에서, 인덕터들은 도 17B에서 나타나는 LCP층들에 인접한 네개의 금속층들 사이로 분할될 수 있다.
인덕터들은 X, Y, 및 Z 차원에 있어서 서로에 대해 수직으로 윗쪽에 있거나 서로로부터 오프셋되며, 이에 의해 BW 및 전송 제로와 같은 설계 파라미터들에 대해 설계자에게 보다 많은 자유를 제공한다. 마지막으로, 최적의 사이즈 감소를 위한 다른 메커니즘은 본질적으로 모두 LCP층들 위에 있는 커패시터들(CMatch1 820, CMatch2 822 및 CRES1 812, CRES2 814)을 바람직하게는 인덕터들만을 포함하는 중신 LCP층들로부터 멀리 배치하는 것이며, 이제 도 17C 및 도 17D는 이러한 설계를 위하여 이용될 수 있다. 바깥 LCP 코어들(즉, 라머네이트층들) 또는 고 K층들은 고(high) 전류 운반 인덕터들을 포함하는 가장 안쪽 층으로부터 한층 멀리 떨어져 있어야 한다. 이러한 경우에 있어서, 보다 두꺼운 프리프레그층들이 접지들로부터 인덕터들에 대해 요구되는 거리(분리를 위함)를 유지하도록 이용될 수 있다.
이러한 설계와 비교해 볼 때, 앞서 참조된, 미국 공개번호 20040000701A1에서 나타나는 설계 예들은 부품들의 상당한 기생성을 이용하지 않는 가능한 일반적 설계를 나타낸다. 이러한 설계들은 보다 높은 주파수들에서 유용하며, 여기서 부품 의 값들은 보다 작게 되고, 기생성은 제어하기 어렵게 된다. 또한 이러한 설계들은 기지국들, LMDS, MMDS 및 액세스 포인트들과 같은 응용들에 있어 보다 낮은 주파수에서 유용하며, 여기서는 공간이 아니라 성능 및 집적이 중요하다.
낮은 삽입 손실과 통과대역의 제2 및 제3 고조파(9.8-11.8 GHz, 14.7-18 GHz)에 대한 낮은 감쇠를 가지면서 4.9-5.9 GHz를 통과시키고, 또한 2.2 GHz 이하에서 셀룰러 주파수들 및 802.11b/g 주파수들을 감쇠시키는 대역통과 필터와 같은 응용을 위해 이용 가능한 보다 넓은 대역폭 필터의 도시적인 실시예가 도 18에서 나타낸다. 이 스택업은 도 17A에서 나타난 스택업을 따른다. 하지만, 1mil LCP가 4mil인 Rogers 4350 및 Rogers 4450 프리프레그와 함께 양측에서 이용된다. 도 15의 회로에 대해 개시된 유사한 설계 원리들 또한 도 18에서 나타난 특정한 회로에 대해 이용가능하다. 앞에서 언급된 회로들의 사이즈는 대략 2㎜×2㎜이고, 2400 MHz에서 9개의 부품들 및 5500 MHz에서 7개의 부품들을 집적하며, 이것은 150-200 부품들/㎠ 이상의 부품 밀도와 동일하다. 그 밖에 제안된 설계들은 500-1000 부품들/㎠ 이상 부품 밀도 값을 증가시킬 수 있다.
이제 고 K층들의 이용이 더욱 상세하게 설명될 것이다. LCP층 또는 다른 라머네이트층은 고 K 유전체 입자들로 채워질 수 있거나 또는 고 K 증착된 박막을 합체할 수 있다. 입자 클러스터링(clustering)을 최소화하도록 바륨 티티네이트(titinate), 납 마그네슘 질산염(lead magnesium nitrate), 티타티움 이산화물(titatium dioxide) 같은 고 K 입자들에 계면활성제를 도입함으로써 고 K 입자들의 합체가 달성될 수 있다. 이후에는 완료된 시트들 내로 클래드된 유기층을 가져 와서 프레싱(pressing)하기 전에 유기성 용융 내에서 건조와 후속적인 도입이 뒤따른다. 구리 시트들 또는 플레인들 사이에 샌드위치된 종결(resultant) 고 K층들은 잡음 억제 및 다른 이득을 위해 다층 스택으로 처리될 수 있는 임베드된 decoupling 층들로서 역할을 한다. 유기층에 합체된 상당한 양의 고 K 입자는 결과로서 생기는 유전체 상수 값들 및 기계적 완전성을 결정할 것이다. 전형적인 체적의 10%에서 50%까지 변할 것이다. 부가적으로, 증착되거나 또는 채워지는 고 K 유기층들이 6GHz 이상에서 응용들을 지원할 수 있는 수동 부품들 및 어레이들을 작동시킨다. 이것은, 최소한 부분적으로, 석판술로 상부 및 바닥 전도체층들을 정의함으로써 달성되어 평행 플레이트 구조를 형성한다. 채워지지 않은 유기층 뿐만 아니라 채워진 유기층도 석판술로 정의된 상부와 바닥 전도체층들 사이에 샌드위치된다.
고 K층들은 커패시터들을 정합시키는데 이용될 수 있으며, 이는 고 K층들이 대역통과 회로들의 삽입손실에 아주 강한 영향을 주지 않기 때문이다. 하지만, 공진기 탱그들(tanks)에서, 커패시터들 즉, CRES1 812 및 CRES2 814는 주의 깊게 검토될 필요가 있다. 물질의 손실 탄젠트(tan ∂)는 커패시터들의 양호도(Q)를 결정한다. 양호도는 손실 탄젠트에 반비례하며, 전도성 손실들을 제외하고 최대 가능 양호도는 1/(tan ∂)이다. 대역통과 회로에 대하여, 각각의 탱크들에서 LRES와 CRES의 양호도가 부품의 전체 양호도를 결정하며, 이어서 전체 양호도가 회로에서의 손실을 제어한다. LCP의 경우에 있어서, 최대 양호도는 1/0.002=500이다. 이 경우에 있어서, 인덕터의 Q는 각 공진기의 양호도와 거의 동일하며, 필터의 성능을 지배한다.
비록 이제까지 나타난 결과들이 투 폴 공진기 설계들을 위한 것이지만, 추가적인 제로들 및 다른 통과대역 특성들이 요구되는 경우에 상기 설계들이 용이하게 추가적인 폴들을 갖는 필터들로 확장될 수 있다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 본 발명의 일 양상에 따른 상기 실시예들이 필터들 및 공진기 부품들의 환경에서 개시되지만, 본 발명의 개시내용이 다이플렉서들, 듀플렉서, 멀티플렉서, 밸룬들, 파워 콤바이너들, 대역-저지/대역 소거 필터들 및 전력 분배기들, 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터 같은 다른 집적 수동 디바이스들(IPDs)에 용이하게 적용될 수 있다. 이러한 상이한 부품들 모두가 단지 본 명세서에서 개시된 대역통과 필터들와는 단지 약간 다른 토폴로지들에서 인덕터들, 커패시터들 및/또는 전송 라인들을 포함하고 있다.
다이플렉서 및 멀티플렉서 설계
다이플렉서는 다중 대역 시스템들에서 일반적인 부품들이며, 많은 기능들을 수행한다. 일부 경우들에 있어서 다이플렉서들은 전송 채널과 수신 채널을 분리시키는데 기여하며, 다른 경우들에 있어서는 서로 다른 반송파 주파수들에서 서로 다른 수신기 채널들을 위해 대역들을 분리시키는 것을 가능케 한다.
상기 대역통과 필터들의 논의를 더 진행시키면, 고대역 필터의 한 포트를 저대역 필터와 연결하게 되면, 3포트 디바이스인 다이플렉서가 형성된다. 이 필터들은 연속하여 스택될 수 있다. 필터들을 수직으로 스택시키는 하나의 예시적인 방법은 그들 사이의 표면 깊이(skin depth) 보다 충분하게 두꺼운 접지 플레인(plane) 을 갖는 것이다. 도 17A에 나타낸 단면을, 하나를 다른 하나의 위에, 2개의 개별적인 디바이스로서 또는 단일 디바이스에 스택업하거나, 도는 단일 디바이스에 LCP의 3개층 이상을 이용함으로써, 증가된 금속층의 수 및 요구되는 절연을 달성한다.
더욱 복잡한 예에서, 다이플렉서는 위성 TV 시스템들의 IF(중간 주파수) 스테이지들에서 이용될 수 있어 서로 다른 채널들을 분리하는 것을 가능케 한다. 이러한 응용에서 다이플렉서에 대해 요구되는 성능은 다음과 같은 바; 3dB 보다 적은 삽입손실 및 1650~2100MHz로부터 40dB 보다 큰 저지대역 거절(rejection)을 갖는 900~1450MHz의 채널1 통과대역; 3dB 보다 적은 삽입손실 및 900~1450MHz로부터 40dB 보다 큰 저지대역 거절을 갖는 1650~2100MHz의 채널2 통과대역. 도 19는 이러한 다이플렉서의 회로 다이어그램을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 19에서 도시되는 등가 회로는 앞서 설명된 대역통과 필터들의 설계를 위해 이용되는 유사한 층들 및 단면을 이용하여 설계된다. 특히, 전체 회로는 네개의 금속층을 이용하여 설계되며, 네개의 금속층은 앞서 설명된 대역통과 필터들의 설계를 위해 이용되는 상부와 바닥 차폐를 위한 두개의 금속층 및 인덕터들과 커패시터들 단면을 위한 두개의 내부 금속층을 포함한다. 도 20은 요구되는 사양들을 달성하는 종결 구조를 위한 하나의 가능한 레이아웃을 나타낸다. 도 20에서 나타난 실선들은 내부 층들 중 하나의 층 상에서 금속패턴 나타내며, 점선들은 위 또는 아래에서 대응하는 층 상에서 금속 패터닝을 나타낸다. 도 20에서 커패시터들(1012-1052)과 인덕터들(1002-1050)은 도 19에서 유사하게 표시된 커패시터들과 인덕터들에 대응한다. 상부 및 바닥 스트립 라인 접지들은 각각 내부 층들로부터 대략 1㎜ 정도 떨어져 있다. 임베드된 평행 플레이트 커패시터들 또는 인터-디지털 커패시터들을 위해 낮은 손실(εr =2.9, 10GHz 이하에서 tanδ=0.002, 및 100GHz 이하에서 tanδ=0.003) 2 mil 두께 LCP를 이용하는 것이 2pF/㎟ 정도의 커패시턴스 밀도들을 갖는 2GHz 보다 큰 주파수들에 대하여 0.1-5pF 범위에서 커패시턴스들을 위한 무부하 Q > 200을 달성하는 것을 가능케 한다. 완성된 부품에 대한 종결 사이즈는 대략 20㎜×5㎜×2㎜가 된다. 이 사이즈는 앞서 말한 응용들을 위해 이용되는 일반적인 세라믹 모노블록 다이플렉서들이 35㎜×12㎜×5㎜ 정도인 것과 비교될 수 있다. 이러한 다이플렉서들에 대한 측정된 데이터가 도 21에서 나타난다. 통과대역 내에서 삽입손실은 3dB 보다 작게 되며, 각각의 대역들에 대한 감쇠가 앞서 기재된 사양들을 충족시킨다.
도 22는 도 19에서의 고성능 다이플렉서 레이아웃의 다른 도시적인 구현을 나타낸다. 도 22에서의 레이아웃은 35 부품들의 기능을 임베드하며, 위성 TV 링크에서 다운 컨버트된 주파수의 IF 대역들의 분리를 위해 이용된다. 이 디바이스의 성능이 위성 TV가 제공하는 TV 유닛들에 관한 채널들의 명료도 및 해상도를 제어한다. 내부 층들은 도 22에서 1202 및 1204로서 나타난다. 개시된 바와 같은 고성능을 요구하지 않는 디바이스들에 대한 부품들의 갯수는 현저하게 감소될 수 있다.
앞서 기술된 특정 실시예들은 위성 TV의 IF 스테이지를 위한 반면에, 다른 실시예들은 소형 프론트-엔드 다이플렉서 모듈들(FEM)을 포함할 수 있으며, 이 모듈들은 협 통과대역들을 가지며, 제2 및 제3 고조파에 대한 적당한 감쇠 뿐만 아니라 대역외에서 예리한 거절(sharp rejection)을 갖는다. 또한, 프론트-엔드 다이플 렉서 모듈들이 전력 증폭기 모듈들 상에 놓이게 될 필요가 있는 경우에 이 모듈들은 종종 작은 높이 및 작은 사이즈를 갖는 동안에는 낮은 삽입손실을 갖는다. 이 경우에 있어서 인덕터들에 대하여 다층 구조를 이용하는 것이 불가능하며, 이는 일련의 코일들을 이용하여 서로 다른층 상에 스택된 인덕터들이 프로세스 변형들을 나타낼 수 있기 때문이다. 하지만, 이 경우에 있어서 도 17B에서의 스택 업은 사이즈 감소를 위해 이상적인 것이며, 여기서 모든 커패시터들, 특히 인덕터들과 직렬로 있는 커패시터들은 LCP의 하나의 층 상에서 구현될 수 있고, 한편 모든 인덕터들은 LCP의 나머지 층 상에서 구현될 수 있다. 또한 듀플렉서들 및 멀티플렉서들에서 이용되고 자립형 부품들로서 이용되는 고성능 대역통과 및 대역정지 필터들은 유사한 설계 구성을 이용하여 구현될 수 있다. 이것은 프로세스 파라미터들의 조종을 가능하게 하여 인덕터 층들에 관한 라인 폭들(lw) 및 간격(ls)에 대한 조절을 엄격하게 할 수 있으며, 커패시턴스를 제어하는 나머지 LCP층 상의 유전체 두께를 제어할 수 있다.
덜 복잡한 다이플렉서들 또는 멀티플렉서들이 셀룰러, GPS, 및 WLAN 같은 협대역 응용들을 위해 이용된다. 디바이스들의 갯수는 도 6에서 나타나는 것과 비교하여 현저하게 감소되어, 또한 전술한 대역통과 필터들을 위해 언급된 것들과 비교하여 보다 작은 디멘션들 및 동일한 종류의 토폴로지들 및 스택업의 이용을 가능하게 한다.
802.11a/b/g 응용들을 위한 콤팩트 다이플렉서의 일 예는 저역통과/고역통과 다이플렉서로 구성되며, 이 다이플렉서는 20dB 보다 크게 각각의 저지대역들을 감 쇠시키고 12dB 보다 작은 공통 포트 반사 손실을 나타낸다. 이 디바이스 또한 전술한 다이플렉서와 같은 동일한 갯수의 층들 및 치수들(measures) 2.2㎜×1.5㎜×0.75㎜을 이용하여 레이아웃된다. 이 기능을 구현하기 위해 이용되는 회로 부품들은 도 23에서 나타난다. 도 23에서 나타나는 다이플렉서의 레이아웃에 대한 풀웨이브 응답이 도 24에서 도시된다. 2400-2500MHz를 통과시키는 저역통과필터는 두개의 공진기 회로를 이용하여 제2 고조파(4800-5000)MHz를 30dB정도 감쇠시키고 5150-5900MHz 대역을 20dB정도 감쇠시킨다. 단지 공진기 회로를 이용하는 고역통과필터는 2400-2500MHz 대역을 20dB보다 크게 감쇠시킨다. 양쪽 대역들에서 삽입손실은 1dB 보다 작게 된다.
또한 동일한 802,11a/b/g 응용을 위한 보다 어그레시브(more aggressive)한 다이플렉서는 더 많은 부품들로 구현되어 저역통과/대역통과 다이플렉서 디바이스를 구현한다. 이 경우에서 다이플렉서는 3.5㎜×2.2㎜×0.75㎜의 디바이스 사이즈내 에서 13개의 임베드된 부품를 이용한다. 이러한 다이플렉서의 레이아웃에 대한 응답이 도 25A-도 25C에서 나타난다. 도 25A는 보다 높은 대역(4900-5900GHz)의 대역통과 응답 및 공통 포트 반사손실을 나타낸다. 5150-5900MHz를 통과시키는 대역통과 섹션은 2400-2500MHz를 30dB 그리고 이것의 제2 및 제3 고조파를 대략 30dB정도 감쇠시킨다. 도 25B는 보다 낮은 대역(2400-2500GHz)의 저역통과 응답을 나타낸다. 2400-2500MHz를 통과시키는 저역통과 섹션은 이것의 제2와 제3 고조파를 각각 40dB와 30dB 정도 감쇠시키며, 5150-5900 MHz 대역을 30dB 정도 감쇠시킨다. 도 25C는 두개의 관심 대역(2400-2500GHz와 4900-5900GHz) 간의 분리를 나타낸다. 양 대역에서 삽입손실은 -25℃에서 85℃까지 1.5dB 보다 작게 된다.
고 K층들의 이용은 콤팩트 다이플렉서들에 더욱 적당하다. 이 경우에 있어서 고 K층들은 전형적으로 커패시터들 및 인덕터들 및 전송 라인 공진기들에 대해 이용될 수 있으며, 이는 고 K층들이 다이플렉서 회로들에 대해 과도하게 영향을 미치지 않기 때문이다. 다이플렉서들은 사양 측면에서도 더욱 더 완화된다.
멀티플렉서는 하나의 대역 이상을 다루기 위해 연속적인 공통 포트에 접속되는 저역통과, 고역통과, 및 여러가지 대역통과 필터들을 포함한다. 멀티플렉서 이용에 대한 일 예는 800MHz(여기서 셀룰러가 시작됨)부터 6GHz(여기서 WLAN이 종료됨)까지 신호들을 포착할 수 있는 안테나와 함께 트리플렉서(triplexer)를 이용하여 모든 셀룰러 대역들, WLAN, GPS 및 블루투스 대역들을 동시에 이용할 수 있는 true global radio을 위한 것이다. 이러한 트리플렉서는 모든 응용에 대한 정보를 포함하는 하나의 신호를 각각의 수신기들을 위해 서로 간에 간섭없이 분할시킨다. 쿼드플렉서(quadplexer) 및 헵타플렉서(heptaplexer)은 WiMAX 같은 추가적인 표준들에 대한 필요에 실용적이며, UWB는 유비쿼터스 무선 컴퓨팅에 대해 중요하게 된다. 대역들 간의 요구되는 분리를 달성하기 위하여 대역통과 필터들에서 가능한 공진기 타입들 및 결합 부품들에 관하여 전술된 설명들은 또한 이러한 다이플렉서들 및 멀티플렉서들에 적용가능하다.
밸룬들 설계
무선 주파수(RF) 밸룬들은 일반적으로 안테나로부터 전송라인들을 분리하는데 이용된다. 평형(balanced)과 비평형(unbalanced) 단어의 축약인 밸룬들은 간단 한 변압기이며, 이들의 기능은 비평형 피드들(feeds)을 평형 회로들에 접속시키는 것이다. 편리하게, 밸룬 또는 위상 정합 회로는 또한 요구되는 위상 정보를 갖는 두개의 회로 간의 다양한 임피던스들을 정합시킬 수 있다. 결합된 포트들의 각각으로부터 양호한 분리를 유지하는 동안에 결합기들은 요구되는 그러나 동일하지 않은 에너지를 복수의 포트들에 제공한다.
밸룬들은 특히 제일 첫번째 능동 부품으로서 집적된 차등의 저잡음 증폭기(low-noise amplifier)(LAN)를 포함하는 RF 수신기들의 프론트-엔드에서 중요한 부품일 수 있다. 다이플렉서 및 안테나에 뒤따르는 대역 통과 필터로부터의 단일 종단 신호를 LAN에 대한 입력을 위한 평형 차분 신호로 변환시키는데 밸룬이 이용된다. 온-칩 밸룬들 및 트랜스포머들이 상당한 실제 영역들을 차지하고, 불량한 Q들로 인한 성능의 관점으로만 국한되기 때문에, 낮은 손실과 양호한 위상 및 크기 평형을 구비하는 오프-칩 소형 밸룬이 매우 중요하게 된다.
도 26에서 나타나는 것과 같은 격자형 밸룬들이 802.11b/g, 블루투스, 셀룰러 및 GPS 같은 협대역 응용들에 대해 이상적이며, 여기서 동작 주파수는 2.45GHz±50MHz가 된다. 802.11a와 초광대역(UWB) 같은 보다 큰 대역폭 응용들에 대해(여기서 동작 주파수는 5.4GHz±500MHz 또는 UWB에서는 더 넓음) 도 27에서 나타난 개략도가 이용된다. 더 많은 부품들이 임피던스 및 전송 제로들과 전력 분배를 제어하기 위해 각 암에 부가될 수 있다. 도 26과 도 27은 저역통과와 고역통과 타입 밸룬들이 전형적으로 대역의 중심 주파수로서 설계되는 3dB 주파수들이라는 것을 나타낸다. 하지만, 회로들은 상기 회로들은 대역 선택뿐만 아니라 위상 불균형을 제 공할 수 있는 대역통과 및 대역저지 타입 회로들로 변환된다.
도 26 및 도 27의 회로들에서 럼프된 부품들은 다섯개의 금속층을 이용하여 설계되며, 이 금속층들은 상부 및 바닥 접지 플레인들을 포함한다. 완성된 부품에 대한 종료된 사이즈는 대략 2㎜×1㎜×1.5㎜가 된다. 이것은 동일한 사이즈 및 성능을 달성하기 위하여 열개를 초과하여 층들을 이용하는 LTCC 타입 밸룬들에 못지 않다.
도 28과 도 29는 2.4GHz 밸룬과 5.4GHz 밸룬에 대한 데이터를 각각 나타낸다. 도 29의 응답은 도 26의 밸룬의 예가 되는 반면에, 도 29의 응답은 도 27의 밸룬의 예가 된다. 협대역 밸룬(도 26)에 대한 데이터는 2.45GHz±50MHz에서 ±0.75dB의 보다 나쁜 경우의 진폭 불균형 및 ±2도의 대응하는 위상 불균형을 나타낸다. 광대역 밸룬(도 27)에 대한 데이터는 5.4GHz±500MHz에서 ±0.75dB의 최악의 경우에 있어서 진폭 불균형 및 ±2도의 대응하는 위상 불균형을 나타낸다.
도 30은 도 27의 개략도를 구현한 802.11a 타입 밸룬에 대한 3D 뷰 및 층들을 나타낸다. 상기 밸룬들은 스택에 관해 여섯개의 층들을 이용하며, 도 17A에서 나타난 스택을 따른다. 특히, 1mil LCP는 1mil LCP 양쪽 면상에 놓인 4mil의 Rogers 4450과 Rogers 4350 라머네이트와 함께 이용된다.
고 K층들의 이용은 콤팩트 밸룬들에 대해 더욱 적당하다. 이 경우에 있어서 고 K층들은 전형적으로 커패시터들 및 인덕터들 및 전송 라인 공진기들에 대해 이용될 수 있으며, 이는 고 K층들이 다이플렉서 회로들에 대해 과도하게 영향을 미치지 않기 때문이다. 손실과 별개로 상기 설계들은 프로세스 변형들을 tolerate 할 필요가 있다. 밸룬들 및 콤팩트 협대역 다이플렉서들은 사양 측면에서 더욱 더 완화된다. 디바이스 중심에서 LCP에 대한 필요성이 완전히 제거된 경우에 도 17E에서 나타난 스택업은 적절하게 된다. 고 K는 모든 수동 부품들의 집적에 있어서 독점적으로 이용될 수 있다. 라머네이트 또는 LCP는 바깥층들 상에서 이용될 수 있다.
부품들에 대한 Q 값들의 추정(estimating)
도 14A 내지 도 14D, 도 19, 도 23, 도 26, 및 도 27의 이상적인 부품들을 구비한 회로 시제품들(prototypes)은 개별적인 부품들에 대해 요구되는 Q값을 추정하기 위해 회로 시뮬레이션 툴로써 시뮬레이트될 수 있다. 일단 Q 값들이 추정되면, 앞서 기술된 것들과 유사한 토폴로지들이 자립형 부품들의 설계에 대한 지침으로서 이용될 수 있다. 1nH-10nH 범위 내의 인덕터들은 이용되는 토폴로지 및 구성에 기초한 30-200 범위 내의 Q값들을 갖는 스트립라인, CPW, 마이크로스트립 또는 상기의 조합에 임베드될 수 있다. 임베드된 평행 플레이트 커패시터들 또는 인터-디지털 커패시터들을 위해 낮은 손실(εr = 2.9, 10GHz 이하에서 tan δ= 0.002, 및 100GHz 이하에서 tan δ= 0.003) 1mil/2mil 두께 LCP를 이용하는 것이 2pF/㎟ 정도의 커패시턴스 밀도들을 갖는 2GHz 보다 큰 주파수들에 대하여 0.1pF-5pF 범위에서 커패시턴스들에 대한 무부하 Q > 200을 달성하는 것을 가능케 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 커패시턴스를 이루는 유전체 물질(들)은 거의, 액정 고분자(LCP) 또는 폴리페닐에테르(PPE) 같은, 라머네이트 또는 박막 상태의 임의의 저비용, 고성능 유기물이 된다. 유전체 상수, 유기 라머네이트의 손실 및 두께가 그러한 응용들을 위해 요구되는 밀도 및 커패시턴스들의 범위를 달성하는데 중요한 요소이다. 예를 들면, 유전체 상수는 대략 2 내지 100 사이가 될 것이고, 손실은 대략 1.10 보다 적을 것이고, 두께는 대략 10microns 내지 1000microns 사이가 될 것이다. 본 발명은 얇은 유기 유전체들(예를 들어, 대략 10-100um 보다 얇음)을 샌드위치함으로써 형성되는 커패시턴스들의 범위(들)을 포함한다. 이용가능한 커패시턴스의 범위는 100 picofarads에서 1 femptofarads가 된다.
또한 본 발명의 일 양상은 단일 평면 도파로(CPW) 타입, 마이크로스트립 및 스트립라인 토폴로지들의 혼성물 이용을 포함하며, 이 혼성물은 접지된/션트된 요소들, 고 Q 요소들, 및 완전하게 차폐된 부품들을 부가하는 것을 편리하게 한다. CPW 토폴로지들의 이용은 과잉 전류들에 대한 추가적인 경로들이 전류 집중 영역들로부터 싱크하는 것을 가능하게 하며, 이에 의하여 디바이스들의 자기적 및 전기적 결합을 감소시킨다. 추가적으로, CPW 토폴로지들은 신호 운반 요소들 근처에서 전압의 레퍼런싱을 가능하게 하여, 앞서 기술된 필터 및 다른 수동 회로들에서 요구되는 것 보다 더 많은 부품들을 필요로 하는 다이플렉서들, 듀플렉서들 같은 보다 큰 부품들을 작동시킨다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 본 발명에 따른 수동 신호 분배 및 조정 부품들 같은 임베드된 또는 집적된 회로를 구비한 모든 유기 기판이 다층 보드 내에 집적될 수 있으며, 이것은 두 가지 모두 유기 기법을 사용하기 때문에 가능하다. 보드는 보통 이러한 디바이스들의 운반기로서 이용되며, 이러한 디바이스들은 전형적으로 SMD 또는 BGA/CSP 구성으로 상기 보드 상에 탑재된다. 하지만, 만일 원한다면. 유기 물질들을 이용하는 본 발명에 따른 부품들이 자립형 SMD 또는 BGA/CSP 형 태로 구성될 수 있어 자립형 SMD 또는 BGA/CSP가 다층 보드 상에 탑재 가능하다.
부품들의 설계는 자립형 형태로써 또는 집적 디바이스로서 행하는 디바이스에 대한 최종 패키징은 하나 이상의 표면 상에 하나 이상의 보다 두꺼운 유기 코어들을 금속으로 샌드위치하여 간섭들 및 방사로 부터 차폐를 제공하는 방식으로 완성된다.
본 발명에 따르면, 임의의 적당히 낮은 비용, 고성능 유기물(예를 들어, LCP 및 PPE)을 이용하는 다층 부품들은 단지 집적 뿐만 아니라 여러 부품들의 소형화를 위해서도 이용될 수 있다. 예를 들어, 씽크(think) 라머네이트 기판의 두개의 표면 상에 놓인 두개의 금속층을 이용하여 본 발명에 따라 구성되고, 이후 양쪽 표면이 차폐된 투 폴 필터는 작은 풋프린트들을 갖는다. 이 풋프린트들은 λ/40와 유사하며, 여기서 λ는 특정 주파수(f)에서 전자기파의 파장이다. 사이즈에서 이러한 감소는 모든 수동 신호 분배 디바이스들에 대하여 이용가능하며, 여기서 f는 전형적으로 밸룬, 결합기, 필터 또는 저역 통과 필터의 3dB 전송 포인트들, 고역 통과 필터들, 다이플렉서들, 및 멀티플렉서들의 중심 주파수가 된다. 9"×12", 12"×12", 18"×12", 20"×24", 40"×48" 및 유사하게 큰 면적을 가진 기판 상에서 공지된 처리 기법을 이용하면, 부품들간(component-to-component) 간격을 포함하면서 대략 수천개의 부품들을 제조하는 것이 가능하며, 이것은 its 비용 효율성 및 비용 감소를 나타낸다. 기판들, 부품들 및 부품들 사이에 대해 이용되는 간격 및 설계 규칙들은 다이싱(dicing), 캡슐화, 와이어본딩가능성(wirebondability), 플립 칩 같은 직접 칩 부착을 포함하며, 또한 RF 시험가능성을 위한 패드들 및 개구부들을 포함 한다. 본 발명에 따른 부품 또는 부품들의 조합은 세라믹, 주형된 공동, LTCC 부품들에서의 다층과 각각 유사한 CPW, 마이크로스트립, 스트립라인 타입 토폴로지들 때문에 최소 두개의 패터닝 금속, 세개 또는 네개의 패터닝 금속층들을 필요로 한다. 따라서, 성능 및 사이즈 관점으로부터 패키징에 관한 복수 레벨들의 필요성을 제거하여, 마침내 통신 디바이스들에 대해 요구되는 궁극적인 또는 유일한 PCB로서 이 특별한 해법을 갖는 것이 가능하게 된다. 또한 이것은 세라믹 필터들 또는 주형된 공동 필터들과 비교하여 설계 시간 및 처리 시간을 감소시킨다.
멀티플 부품들 설계
필터들, 다이플렉서들, 멀티플렉서들, 및 밸룬들 각각이 위에서 독립적으로 기술되었으며, 당업자는 본 발명에 따른 다른 실시예들이 하나 이상의 필터들, 다이플렉서들, 멀티플렉서들, 및 밸룬들을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따라 제조된 디바이스는 최소한 하나의 필터, 최소한 하나의 다이플렉서, 및 최소한 하나의 밸룬을 포함할 수 있다. 디바이스의 사이즈를 작게 유지하면서 동일한 디바이스에서 필터들, 다이플렉서들, 멀티플렉서들, 및 밸룬들 또는 다른 부품들을 포함하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 고성능 및 저성능 부품들을 특정한 층들 상에 배치할 수 있으며, 고 K 유전체 입자들이 상기 디바이스의 특정한 층들 내에 합체될 수 있다.
도 32는 도 31에서 나타난 기능적 설명을 달성하는 다양한 부품들의 집적을 도시한다. 이것은 이중 대역 WLAN 응용을 위해 요구되는 모든 부품들을 집적한다. 도 31은 두개의 공통 포트, RX 안테나와 TX안테나를 나타내며, 도 31은 수신 안테 나와 송신 안테나에 각각 접속되는 단자들을 나타낸다. 2.5GHz RX, 2.5GHz TX, 5GHz RX, 5GHz TX로서 식별되는 포트들은 2.5GHz 저잡음 증폭기, 2.5GHz 전력 증폭기, 5GHz 저잡음 증폭기, 및 5GHz 전력 증폭기에 각각 접속되는 포트들을 나타낸다. 도 32는 이러한 기능을 구현하는데 이용되는 설계를 3차원으로나타내며, 2400MHz 대역통과, 두개의 2400MHz 저역통과 필터들, 및 두가지 타입의 5500MHz 대역통과 필터들을 집적하는 것을 나타낸다.
도 32에서 설계는 7×3㎜ 사이즈에서 모든 기능들을 집적한다. 상기 사이즈는 포트에서 포트로 그리고 안테나에서 안테나로 요구되는 이격의 정도 및 요구되는 성능의 정도에 의해 결정된다. 보여지는 스택업은 1mil LCP의 양 표면 상에 4mil 프리프레그 및 라머네이트를 갖는 도 17A에서 나타난 스택업을 이용한다. 만약 비(non)-안테나 포트들에서 회로들이 모두 평형이라면 밸룬들은 더 추가될 수 있다.
사이즈를 더욱 감소시키기 위하여 고 K 및 LCP의 조합을 이용하는 스택업들이 가장 적합하며, 이는 이러한 집적 디바이스들이 다이플렉서들, 밸룬들 및 대역통과 필터들을 합체시키기 때문이다.
위에서 및 본 출원의 소유자들에게 양도되고, 2004년 1월 1일 발행된, 제목이 "Methods for Fabrkcating Three-Dimensional All Organic Interconnect Structures,"인, 미국 공개 번호 20040000425A1에서 설명되는 바와 같이, 도 17A 내지 도 17E에서 나타나는 스택업들은 부품들의 집적을 가능하게 하며, 플립 칩, 직접 칩 부착 또는 와이어 본딩 기법을 이용하여 IC들의 탑재를 가능하게 한다. 도 17F에서 나타난 스택업은 IC들, IPD들, 및 다른 SMT(surface mount) 디바이스들이 설명된 기법들을 이용하여 제조된 기판들 또는 보드들의 상부 표면 상에 탑재되는 또 다른 방법을 나타낸다. 도 17E에서 나타난 RCF(resin coated foil)는 고 K 및 LCP와 비교하여 더 낮은 비용에서 라인들 및 간격들 및 마이크로비아들에 대해 동일한 밀도를 가능하게 한다.
본 명세서에서 개시된 본 발명들에 대한 많은 변형들 및 다른 실시예들은 상기 설명 및 관련 도면들에 제시된 교시의 이득을 갖는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 그러므로, 이해될 사항으로서 발명들이 개시된 특정 실시예들에만 제한되지 않고, 변형들 및 다른 실시예들이 첨부된 청구항들의 범위내에 포함된다. 비록 특정 용어들이 본 명세서에서 사용되지만, 이것들은 단지 포괄적이고 설명적인 의미에서 사용되지 제한의 목적으로 사용되지 않는다.

Claims (24)

  1. 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편에 제2 표면을 구비하는 액정 폴리머(LCP)층과;
    상기 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층과;
    상기 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층과 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며, 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 상호 작용하여 제1 공진기 및 제2 공진기를 형성하고;
    상기 LCP층 반대편의 상기 제1 금속층 상에 놓인 제1 프리프레그층 및 상기 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층과; 그리고
    상기 제1 금속층 반대편의 상기 제1 프리프레그층 상에 놓인 제1 라머네이트층 및 상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제2 라머네이트층을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는 상기 제1 패턴된 금속층에서 형성된 제1 인덕터 및 상기 제2 패턴된 금속층에서 형성된 제2 인덕터를 포함하고, 여기서 상기 제1 인덕터는 제1 마이크로비아에 의해 상기 제2 인덕터에 접속되는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 공진기는 상기 제2 공진기와 자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속층들에서 형성되어, 상기 제1 공진기를 상기 제2 공진기에 전기적으로 접속시키고, 저지대역에서 기본 감쇠 제로를 제공하는 제3 공진기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공진기들이 전송 라인 공진기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공진기들은 단일 평면 도파로, 스트립라인, 및 마이크로스트립 토폴로지들 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 라머네이트층의 제1 표면 상에 놓이고 패턴되어 제1 커패시터 플레 이트를 형성하는 제3 금속층, 및 상기 제1 라머네이트층의 제2 표면 상에 놓이고 패턴되어 제2 커패시터 플레이트를 형성하는 제4 금속층을 더 포함하며, 여기서 상기 제1 커패시터 플레이트 및 제2 커패시터 플레이트는 평행 플레이트 커패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 프리프레그층 반대편의 상기 제1 라머네이트층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제2 라머네이트층 상에 놓인 제2 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 집적된 부품들은 커패시터들과 인덕터들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  10. 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편에 제2 표면을 구비하는 액정 폴리머(LCP)층과;
    상기 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층과;
    상기 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층과 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며, 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 간에 상호 작용하여 공통 포트에 의해 접속되는 제1 필터 및 제2 필터를 형성하고;
    상기 LCP층 반대편의 상기 제1 금속층 상에 놓인 제1 프리프레그층 및 상기 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층과; 그리고
    상기 제1 금속층 반대편의 상기 제1 프리프레그층 상에 놓인 제1 라머네이트층 및 상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제2 라머네이트층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 무선 응용을 위한 다이플렉서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 필터는 상기 제1 패턴된 금속층에서 형성되는 제1 인덕터 및 상기 제2 패턴된 금속층에서 형성되는 제2 인덕터를 포함하며, 여기서 상기 제1 인덕터가 제1 마이크로비아에 의해 상기 제2 인덕터에 접속되는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용을 위한 다이플렉서.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 금속층들은 단일 평면 도파로, 스트립라인, 및 마이크로스트립 토폴로지들 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용을 위한 다이플렉서.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 라머네이트층의 제1 표면 상에 놓이고 패턴되어 제1 커패시터 플레 이트를 형성하는 제3 금속층, 및 상기 제1 라머네이트층의 제2 표면 상에 놓이고 패턴되어 제2 커패시터 플레이트를 형성하는 제4 금속층을 더 포함하며, 여기서 상기 제1 커패시터 플레이트 및 제2 커패시터 플레이트는 평행 플레이트 커패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용을 위한 다이플렉서.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 프리프레그층 반대편의 상기 제1 라머네이트층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제2 라머네이트층 상에 놓인 제2 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용을 위한 다이플렉서.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 집적된 부품들은 커패시터들과 인덕터들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용을 위한 다이플렉서.
  16. 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편에 제2 표면을 구비하는 고 K 유기층과;
    상기 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층과;
    상기 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층과, 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며, 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 간에 상호 작용하여 제1 수동 디바이스 및 제2 수동 디바이스를 형성 하고;
    상기 LCP층 반대편의 상기 제1 금속층 상에 놓인 제1 프리프레그층, 및 상기 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층과; 그리고
    상기 제1 금속층 반대편의 상기 제1 프리프레그층 상에 놓인 제1 바깥 유기층 및 상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제2 바깥 유기층을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용을 위한 밸룬.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 바깥 유기층은 라머네이트층, LCP층 또는 고 K 유기층 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용을 위한 밸룬.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 금속층은 패턴되어 제1 커패시터 플레이트를 형성하고 상기 제2 금속층은 패턴되어 제2 커패시터 플레이트를 형성하며, 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓이고 패턴되어 제3 커패시터 플레이트를 형성하는 제3 금속층을 더 포함하며, 상기 제1, 제2 및 제3 커패시터 플레이트가 커패시터를 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 응용을 위한 밸룬.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 집적된 부품들은 커패시터들과 인덕터들 중 적어도 하나를 포함하는 것 을 특징으로 하는 무선 응용을 위한 밸룬.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 프리프레그층 반대편의 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제2 바깥 유기층 상에 놓인 제2 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 응용을 위한 밸룬.
  21. 제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편에 제2 표면을 구비하는 제1 액정 폴리머(LCP)층과;
    상기 제1 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제1 패턴된 금속층과;
    상기 제1 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제2 패턴된 금속층과 여기서 상기 제1 및 제2 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며, 상기 제1 및 제2 금속층들이 서로 상호 작용하여 공통 포트에 의해 접속되는 제1 필터 및 제2 필터를 적어도 형성하고;
    제1 표면 및 상기 제1 표면의 정반대편에 제2 표면을 구비하는 제2 액정 폴리머(LCP)층과;
    상기 제2 LCP층의 상기 제1 표면 상에 놓인 제3 패턴된 금속층과;
    상기 제2 LCP층의 상기 제2 표면 상에 놓인 제4 패턴된 금속층과, 여기서 상기 제3 및 제4 금속층들은 패턴되어 집적된 부품들을 형성하며, 상기 제3 및 제4 금속층들이 서로 상호 작용하여 공통 포트에 의해 접속되는 제1 필터 및 제2 필터 를 적어도 형성하고;
    상기 제1 LCP층과 제2 LCP층 사이에 배치되는 제1 프리프레그층과;
    상기 제1 LCP층 반대편의 상기 제2 금속층 상에 놓인 제2 프리프레그층, 및 상기 제2 LCP층 반대편의 상기 제 금속층 상에 놓인 제3 프리프레그층과; 그리고
    상기 제2 금속층 반대편의 상기 제2 프리프레그층 상에 놓인 제1 바깥 유기층, 및 상기 제3 금속층 반대편의 상기 제3 프리프레그층 상에 놓인 제2 바깥 유기층을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓인 제1 차폐층 및 상기 제3 프리프레그층 반대편의 상기 제2 바깥 유기층 상에 놓인 제2 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 바깥 유기층이 라머네이트층, LCP층 또는 고 K 유기층 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 제2 프리프레그층 반대편의 상기 제1 바깥 유기층 상에 놓인 제1 RCF 층, 및 상기 제3 프리프레그층 반대편의 상기 제2 바깥 유기층 상에 놓인 제2 RCF층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 대역 무선 응용들을 위한 신호 처리 모듈.
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