專利名稱：用于從電源線去耦高頻信號(hào)的去耦模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)來自電源線的高頻信號(hào)進(jìn)行去耦的去耦模塊，該模塊包括位于第一和第二金屬層之間的絕緣材料層，將第一金屬層連接為去耦模塊的接地電極。
現(xiàn)在，設(shè)計(jì)在移動(dòng)通信中使用的高頻電路是一個(gè)非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的過程。除了高頻性能以外，還要對(duì)有源元件的直流電壓源進(jìn)行最優(yōu)化。在電氣元件與線路之間經(jīng)常出現(xiàn)不希望的耦合，這種不希望的耦合在設(shè)計(jì)過程中沒能被重視，在高頻模塊的開發(fā)結(jié)束之前沒有被認(rèn)識(shí)到。
為了能夠放大高頻信號(hào)，有源元件還與中央電池組電壓連接，從中吸收需要的能量。在設(shè)計(jì)過程結(jié)束時(shí)的已知問題是在電池電壓源的線路上的高頻信號(hào)的串話。這種耦合作用在有源元件之間產(chǎn)生了反饋環(huán)。這種作用對(duì)他們的性能影響很大，在產(chǎn)生不希望的諧振時(shí)，整個(gè)高頻電路可能癱瘓。
在電壓源線路中發(fā)射高頻信號(hào)通常是難以避免的。不過為了避免從一個(gè)有源元件向另一個(gè)有源元件的信號(hào)串話，通過去耦模塊將來自這些線路的高頻信號(hào)泄漏到地線。這種去耦模塊允許所有高頻信號(hào)通過到地線，但不影響直流電壓。在原理上，用電容器來完成這個(gè)任務(wù)，這是由于直流電流不能通過電容器，因而不影響電池的直流電壓。對(duì)于高頻信號(hào)，電容器產(chǎn)生隨頻率減小的阻抗ZZ=1jωC,---(1)]]>其中ω＝2πf，f為高頻信號(hào)的頻率；C為電容器的電容量；并且j=-1.]]>信號(hào)的頻率越高，通過電容器將該信號(hào)引入地線越簡單。
在許多高頻電路中，大量使用分立的陶瓷多層電容器對(duì)來自直流電壓線路的不希望的高頻信號(hào)進(jìn)行去耦，這些電容器被焊接到高頻模塊上。電容器的一個(gè)接點(diǎn)與電源線連接，另一個(gè)接點(diǎn)與地線連接。這些電容器的缺點(diǎn)在于由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)感應(yīng)的自感L。電容量C與電感量L結(jié)合導(dǎo)致這樣的事實(shí)，即有效去耦電容量隨頻率減小，在下面的頻率時(shí)有效去耦電容量為零fC=0=12πL·C---(2)]]>頻率超過fc＝0時(shí)，這些電容器起線圈的作用并且此時(shí)不再保證去耦作用。如果使用這些電容器，則在第一設(shè)計(jì)中通常達(dá)不到滿意的去耦，需要另外進(jìn)行長時(shí)間的設(shè)計(jì)，直到該模塊起作用為止。
為了減小自感，已經(jīng)開發(fā)了單層電容器。為了達(dá)到足夠高的電容量，或者使層的厚度保持非常小(減小到約20nm)，或者選擇高介電常數(shù)的材料。由于自感非常小，使頻率fc＝0提高很多，對(duì)來自電源線的高頻信號(hào)的去耦達(dá)到很高頻率。缺點(diǎn)在于在許多應(yīng)用中，將單層電容器按照分立元件安裝。此外，只有在非常特殊并且成本很高的處理中才能對(duì)薄膜進(jìn)行制造和焊接。所用的材料具有比較高的擊穿場強(qiáng)，典型的薄膜陶瓷約為200V/μm，而氮化硅則達(dá)到1000V/μm。這意味著對(duì)于非常薄的約20nm的氮化硅層來說，在約20V時(shí)達(dá)到擊穿場強(qiáng)。對(duì)于典型的層的厚度約為0.5μm的薄膜陶瓷電容器來說，在約100V時(shí)發(fā)現(xiàn)擊穿電壓。因此，在高壓范圍中不能使用這些電容器。
在多數(shù)高頻電路中，主要使用電容器來保證不出現(xiàn)諧振。
序列號(hào)為6038122的美國專利提出了一種電容量從一個(gè)連接點(diǎn)到另一個(gè)連接點(diǎn)累加的去耦電容器。它實(shí)現(xiàn)了能夠用單個(gè)去耦電容器對(duì)很大范圍的高頻分量進(jìn)行去耦。但是，當(dāng)利用仿真進(jìn)行測試時(shí)，在其中描述的電容器電極的三角形區(qū)域中，仍然存在諧振。此外，需要用非常薄的層來制造所描述的電容器。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種去耦模塊，利用該模塊能夠在沒有明顯諧振的情況下對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行去耦，并且該模塊不需要用薄膜工藝制造。
這個(gè)目的是利用在開始段落中定義的那種類型的去耦模塊實(shí)現(xiàn)的，其中，第二金屬層包括至少兩個(gè)不同尺寸的表面，在電氣上，這些表面一個(gè)接一個(gè)地連接在輸入連接點(diǎn)與輸出連接點(diǎn)之間，而僅用一個(gè)導(dǎo)電部分將挨著的兩個(gè)相應(yīng)的表面相互連接。在本發(fā)明中，將總的電容器表面分為多個(gè)平行布置的小電容器，這樣就導(dǎo)致了對(duì)去耦功能的顯著改進(jìn)，同時(shí)對(duì)比總電容量與各個(gè)電容量之和相同的單個(gè)電容器，消除了干擾諧振。
按照優(yōu)選實(shí)施例，表面為矩形表面，因此用矩形或正方形電極來構(gòu)成電容器。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例已經(jīng)顯示出，在不明顯改變傳輸特性的情況下，與高頻信號(hào)的傳播方向相垂直的表面尺寸可以達(dá)到沿著高頻信號(hào)的傳播方向的表面尺寸的兩倍。
如果表面是正方形或矩形的，則如果對(duì)于兩個(gè)表面中的每一個(gè)，第一表面的邊長為第二表面的邊長的無理數(shù)倍是有利的，即ab≠mn---(3)]]>式中a為第一表面的邊長；b為第二表面的邊長；并且m和n為自然數(shù)。這樣就保證了不會(huì)有兩個(gè)電容器在同一個(gè)頻率下同時(shí)諧振。此外，對(duì)電極表面的邊長進(jìn)行選擇，使幾何定義的諧振的間隔盡可能大。
通常，在絕緣層的可安裝表面上布置多個(gè)表面，按照有利的方式對(duì)這些表面進(jìn)行布置，使得第二金屬表面的尺寸最大，從而可以利用最大可能的電容器表面和最大可能的電容量。具體地說，例如，這意味著被形成電容器電極的表面覆蓋的輸入連接點(diǎn)和輸出連接點(diǎn)之間的距離最短，而且可以對(duì)表面進(jìn)行曲折布置。由于這樣最大可能地利用可用的覆蓋表面，因此對(duì)于電容器電極來說，優(yōu)先選用矩形表面，盡管一般來說，本發(fā)明也可以選用圓形、橢圓形或多邊形等。
此外，對(duì)于應(yīng)用來說，在不需要去耦的頻率范圍中，通過適當(dāng)?shù)剡x擇連接線的長度和寬度，可以消除從電容器與電容器本身之間的連接線產(chǎn)生的低頻諧振(LC諧振)。導(dǎo)電部分的電感越高，諧振頻率越低。
對(duì)于許多應(yīng)用，可以利用可以在厚膜工藝中由絕緣材料制造的層的優(yōu)點(diǎn)。在厚膜工藝中，層的厚度至少約為5μm。然而為了實(shí)現(xiàn)大電容量的電容器，絕緣材料應(yīng)該具有很高的介電常數(shù)，此外，盡可能大地選擇電容器表面。由于需要的較大尺寸的電容器已經(jīng)在較低頻率時(shí)產(chǎn)生諧振，因此高介電常數(shù)導(dǎo)致了材料中的波長較小。按照本發(fā)明，也可以在厚膜工藝中制造去耦電容器，因此可以利用便于制造去耦電容器的優(yōu)點(diǎn)和在多層結(jié)構(gòu)中可集成化的優(yōu)點(diǎn)。在介電常數(shù)為1000及以上時(shí)，使層的厚度有利地位于約5μm到約20μm的范圍中。
按照本發(fā)明的其他有利實(shí)施例，在第二金屬層上布置另一個(gè)絕緣材料層和用作去耦模塊的另一個(gè)接地電極的第三金屬層。這樣就在需要的表面相同的情況下提供了雙倍的可用電容量。
本發(fā)明應(yīng)用于包括多個(gè)可以按照LTCC技術(shù)(Low TemperatureCofire Ceramics，低溫共燒陶瓷)制造的陶瓷層的多層結(jié)構(gòu)中，其中的至少一層為絕緣材料層，在該絕緣材料層的一側(cè)上沉積用作接地電極的全部或部分覆蓋該絕緣層的第一金屬層，在該絕緣材料層的另一側(cè)上沉積第二金屬層，第二金屬層包括至少兩個(gè)尺寸不同的表面，在電氣上，這些表面一個(gè)接一個(gè)地連接在輸入連接點(diǎn)與輸出連接點(diǎn)之間，而僅用一個(gè)導(dǎo)電部分使挨著的兩個(gè)相應(yīng)的表面相互連接。
參照以下描述的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的這些和其他方面進(jìn)行闡述，并且本發(fā)明的這些和其他方面將變得更加清楚。
在附圖中

圖1的分圖(a)示出了按照單個(gè)電容器設(shè)計(jì)的去耦模塊，分圖(b)表示按照幾何定義的諧振的功率傳輸，分圖(c)示出了在諧振頻率為1.8GHz時(shí)的功率分布，分圖(d)示出了在諧振頻率為3.6GHz時(shí)的功率分布；圖2示出了按照本發(fā)明的，構(gòu)成電容器電極的表面的第一實(shí)施例；圖3示出了按照本發(fā)明的，構(gòu)成電容器電極的表面的第二實(shí)施例；圖4示出了用于在圖2和3中示出的實(shí)施例的等效電路圖；圖5的分圖(a)示出了用于在圖3中示出的去耦模塊的實(shí)施例的，在諧振頻率為2.4GHz時(shí)的功率分布，而分圖(b)示出了在諧振頻率為4.8GHz時(shí)的功率分布；圖6表示在按照?qǐng)D3所示的實(shí)施例的去耦模塊的情況下的功率傳輸；圖7給出了按照本發(fā)明的另一種去耦模塊的布置的圖形表示；并且圖8給出了在多層結(jié)構(gòu)中，按照本發(fā)明的去耦模塊的布置的圖形表示。
圖1在分圖(a)中示出了用按照厚膜工藝制造的單個(gè)電容器生產(chǎn)的去耦模塊的平面圖。電容器表面為4mm2，絕緣材料層的厚度為17μm，介電常數(shù)ε為1000。如在示出了功率傳輸?shù)姆謭D(b)中所見，在出現(xiàn)的諧振中，第一諧振對(duì)應(yīng)于分圖(c)中的功率分布，第二諧振對(duì)應(yīng)于在分圖(d)中示出的功率分布。對(duì)于已經(jīng)在低于GHz范圍中的諧振頻率，多個(gè)高頻信號(hào)的半波長覆蓋了正方形電容器電極的邊長。這意味著a=λ2m=λ02mϵeff=c02mf·1ϵeff---(4)]]>式中λ為在多層結(jié)構(gòu)中的波長；λ0為在空氣中的波長；εeff為在多層結(jié)構(gòu)中的平均/有效介電常數(shù)c0為空氣中的光速；f為高頻信號(hào)的頻率；m為諧振分布(1，2，3...)在厚膜去耦模塊中，這些諧振是非常重要的，這是由于對(duì)于相同的電容量，要選擇比薄膜去耦模塊更大的電容器表面以補(bǔ)償由工藝限定的較大的層厚度。此外，盡管層的厚度較大，還要選擇較高的介電常數(shù)來實(shí)現(xiàn)足夠的電容量。如已經(jīng)見到的，這個(gè)介電常數(shù)使材料中的波長較小，這導(dǎo)致了不希望的諧振。
圖2和3示出了按照本發(fā)明的電容器表面的細(xì)分的例子，它使去耦功能明顯改進(jìn)。按照?qǐng)D2，在不明顯改變傳輸特性的情況下，在可以將電容器的與高頻信號(hào)的傳播方向垂直的長度選擇為沿著傳播方向的長度的兩倍時(shí)，在電氣上將矩形電容器，例如220、222，連續(xù)連接。因此，可以達(dá)到大電容值的兩倍。盡可能保持連接線，例如224，最短。圖3示出了在連接線，例如324，具有適合于它們希望的諧振頻率的電感時(shí)，具有正方形的電容器電極表面，例如320、322，的電極結(jié)構(gòu)。不強(qiáng)求電容器表面從輸入連接點(diǎn)到輸出連接點(diǎn)逐漸變小，相反，可以對(duì)表面的布置和尺寸進(jìn)行最優(yōu)化，從而最大程度地利用可用安裝表面。
圖2和3的結(jié)構(gòu)規(guī)定了平行地對(duì)多個(gè)電容器進(jìn)行連續(xù)布置。在圖4中示出了等效電路圖。
對(duì)于在圖3中示出的去耦模塊，圖5在分圖(a)和(b)中分別示出了在諧振頻率為2.4GHz和4.8GHz時(shí)的功率分布。很明顯，在第一電容器諧振時(shí)，下一個(gè)電容器還沒有諧振，并且可以繼續(xù)起去耦電容器的作用。
圖6示出了在1GHz到10GHz的頻率范圍內(nèi)，不再出現(xiàn)分布諧振的功率傳輸?shù)膱D形表示。
圖7示出了按照本發(fā)明的去耦模塊的另一個(gè)實(shí)施例。在層結(jié)構(gòu)中，第一金屬層20用作襯底10上的接地電極，在該金屬層的上面是第一絕緣材料層30和第二絕緣材料層32。在層30與32之間的是按照電容器電極進(jìn)行表面布置的第二金屬層22，因此，電容器不僅與第一絕緣材料層30和第一金屬層20連接，而且與第二絕緣材料層32和按照接地電極連接的外殼第三金屬層24連接。在示出的實(shí)施例中，層結(jié)構(gòu)終止于另一個(gè)襯底12。
圖8示出了多層結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)陶瓷層14、16、18，而將具有高介電常數(shù)的絕緣材料層30布置在層14和層16之間。作為接地電極的第一金屬層20覆蓋絕緣材料層30的全部下表面。第二金屬層22僅覆蓋層30的一部分，因此，由這個(gè)第二金屬層22限定了去耦模塊?？梢詫⒔^緣層30的剩余部分用于其他功能結(jié)構(gòu)。
由于可以將按照本發(fā)明的去耦模塊集成在多層結(jié)構(gòu)中，因此，電路上不再需要安裝分立元件。這樣既減少了裝配成本，又降低了失誤的風(fēng)險(xiǎn)。
本發(fā)明提供了按照厚膜工藝制造去耦模塊的可能性。層的厚度越大，則可以在越高的電壓下利用這種類型的去耦模塊。在幾百伏時(shí)才達(dá)到介質(zhì)場強(qiáng)。例如，在層厚度約為15μm，介質(zhì)場強(qiáng)約為30V/μm的情況下，擊穿電壓為450伏。
基本上，本發(fā)明假設(shè)復(fù)雜的薄膜工藝不能實(shí)現(xiàn)去耦功能。然而，將全部去耦電容量細(xì)分為多個(gè)單獨(dú)的電容量也可以是用于高頻或高電容值的薄膜去耦電容器的一種選擇。此外，還可以在更大的尺寸下補(bǔ)償幾何限定的諧振。
權(quán)利要求
1.一種去耦模塊，用于從電源線上去耦高頻信號(hào)，該模塊包括一個(gè)絕緣材料層(30)，布置在第一和第二金屬層(20，22)之間，所述第一金屬層(20)連接為所述去耦模塊的接地電極，特征在于，所述第二金屬層(22)包括至少兩個(gè)不同尺寸的表面(220，222；320，322)，在電氣上，這些表面一個(gè)接一個(gè)地連接在輸入連接點(diǎn)與輸出連接點(diǎn)之間，而僅用一個(gè)導(dǎo)電部分(224；234)使挨著的兩個(gè)相應(yīng)的表面相互連接。
2.如權(quán)利要求1所述的去耦模塊，特征在于所述表面為矩形表面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的去耦模塊，特征在于表面(220)的與高頻信號(hào)的傳播方向垂直的尺寸達(dá)到該表面的沿著高頻信號(hào)的傳播方向的尺寸兩倍。
4.如權(quán)利要求1或2所述的去耦模塊，特征在于所述表面為正方形表面(320，322)，而對(duì)于每兩個(gè)表面，第一表面的邊長為第二表面的邊長的無理數(shù)倍。
5.如權(quán)利要求1到4中的任何一個(gè)所述的去耦模塊，特征在于在預(yù)先限定絕緣材料層(30)的安裝表面的情況下對(duì)所述表面進(jìn)行布置，使得所述第二金屬(22)的尺寸最大。
6.如權(quán)利要求1到5中的任何一個(gè)所述的去耦模塊，特征在于對(duì)連接所述表面(220，222；320，322)的所述導(dǎo)電部分(224；324)的電感進(jìn)行選擇，使它們的諧振頻率低于高頻信號(hào)的載波頻率。
7.如權(quán)利要求1到6中的任何一個(gè)所述的去耦模塊，特征在于按照厚膜工藝制造絕緣層(30)。
8.如權(quán)利要求1到7中的任何一個(gè)所述的去耦模塊，特征在于絕緣材料層(30)的厚度為約5μm到約20μm。
9.如權(quán)利要求1到8中的任何一個(gè)所述的去耦模塊，特征在于在所述第二金屬層(22)上提供另一個(gè)絕緣層(32)和連接為所述去耦模塊的另一個(gè)接地電極的第三金屬層(24)。
10.一種多層結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)陶瓷層(14，16，18，30)，其中的至少一層為絕緣材料層(30)，在所述絕緣材料層(30)的一側(cè)上，加上作為按地電極的全部或部分覆蓋所述絕緣材料層(30)的第一金屬層(20)，特征在于，在所述層(30)的另一側(cè)上提供具有至少兩個(gè)不同尺寸的表面的第二金屬層(22)，在電氣上，這些表面一個(gè)接一個(gè)地連接在輸入連接點(diǎn)與輸出連接點(diǎn)之間，而僅用一個(gè)導(dǎo)電部分(224；234)使挨著的兩個(gè)相應(yīng)的表面(220，222；320，322)相互連接。
全文摘要
一種用于對(duì)來自電源線的高頻信號(hào)進(jìn)行去耦的去耦模塊，該模塊包括布置在第一和第二金屬層(20，22)之間的絕緣材料層(30)，其中，將第一金屬層(20)連接為去耦模塊的接地電極，該模塊的特征在于，第二金屬層(22)包括至少兩個(gè)不同尺寸的表面(220，222)，在電氣上，這些表面一個(gè)接一個(gè)地連接在輸入連接點(diǎn)與輸出連接點(diǎn)之間，而僅用一個(gè)導(dǎo)電部分(224)使挨著的兩個(gè)相應(yīng)的表面相互連接。
文檔編號(hào)H01G4/12GK1656581SQ03811746
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月24日
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