(57)【要約】包装を介する信号品質の増強において、メタ物質を用いることができる。メタ物質は、信号の形状が、まるで、誘電率及び透過性を、用いる絶縁体の実際の誘電率及び透過性とは異なるかのように挙動させるようなやり方で信号を作用させるように設計される。例の具体化において、基材(基板)(10)はメタ物質として構成される。メタ物質は、雑音保護を、メタ物質上に配置される予め定められる長さを持つ信号線(15)のために提供する。基材は、頂部側表面及び下側表面を持つ誘電性物質(2、4、6)を備える。伝導性(導電性)物質(30)は、集合的な長さを持つ予め定められる形状(35)中に配列される。誘電性物質は伝導性物質を包み、及び伝導性物質は上側面からの第1の予め定められる距離(55)で、及び裏側面からの第2の予め定められる距離で配置させる。伝導性物質(30)の集合的な長さは信号線(15)の予め定められる長さに匹敵する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタ物質として構成される基材であって、メタ物質は、雑音保護を、メタ物質上に配置される予め定められる長さを持つ信号線のために提供し、基材は次のもの、即ち
上側面及び裏側面を持つ誘電体物質、及び
集合的な長さを持つ予め定められる形状中に配列される導電性物質であり、導電性物質は誘電体物質によって包まれ、導電性物質は、上側面からの第1の予め定められる距離で、及び裏側面からの第2の予め定められる距離で配置されるもの
を備え、
導電性物質の集合的な長さは信号線の予め定められる長さに匹敵する、基材。
【請求項２】
予め定められる形状は、長さ及び幅を持つ第1の面の各々の形状上の同心の形状の模様からなる配列を含み、同心の形状の模様は長さ及び幅を第2の面上に持つ細条線にわたって配置される、請求項1記載の基材。
【請求項３】
同心の形状は中心の点について除去される1方の側の区画を有する正多角形である、請求項2記載の基材。
【請求項４】
同心の形状は矩形様の形状である、請求項3記載の基材。
【請求項５】
上側面及び裏側面を持つ基材であって、基材はメタ物質として構成され、メタ物質は、雑音保護を、上側面上に画成される予め定められる寸法の信号線のために提供し、基材は次のもの、即ち
基材の裏側面を画成する導電性の電圧基準面、
予め定められる形状中に構成される導電性の線の層であり、導電性の線の層は、第1の予め定められる距離での導電性の電圧基準面より上に配置され、及び導電性の線の層は、基材の上側面上に画成される信号線よりも下で第2の予め定められる距離で配置されるもの、
導電性の線の層を包む誘電体物質であり、誘電体物質は基材の上側面及び裏側面の間で拘束されるもの
を備え、
導電性の線の集合的な寸法は信号線の予め定められる寸法に匹敵する、基材。
【請求項６】
導電性の電圧基準面は接地面である、請求項5記載の基材。
【請求項７】
導電性の線の層は、1種の面の1連の中心の多角形上、及び第2の面の細条、互いからの第3の予め定められる距離での同心の多角形及び細条上に含まれる、請求項6記載の基材。
【請求項８】
同心の多角形は多数の矩形様の形状であり、各矩形様の形状は、そこにおいて画成される刻み目を持ち、及び第1の矩形様の形状における刻み目は、その後の矩形様の形状における刻み目の反対にある、請求項7記載の基材。
【請求項９】
刻み目のある矩形様の形状の数は少なくとも2である、請求項8記載の基材。
【請求項１０】
刻み目のある矩形様の形状の数は2から9までに及ぶ、請求項9記載の基材。
【請求項１１】
刻み目のある矩形様の形状は方形である、請求項9又は10記載の基材。
【請求項１２】
上側面及び裏側面を持つ基材であって、基材はメタ物質として構成され、メタ物質は、雑音保護を、上側面上に画成される予め定められる寸法の信号線のために提供し、基材は次のもの、即ち
基材の裏側面を画成する導電性の接地面、
複数の予め定められる形状中に構成される導電性物質の層であり、若干の導電性物質の層は不存在であり、及び導電性物質の層は第1の予め定められる距離での導電性の接地面より上に配置され、及び導電性物質の層は基材の上側面上に画成される信号線より下の第2の予め定められる距離で配置されるもの、
導電性物質の層を包む誘電体物質であり、誘電体物質は基材の上側面及び裏側面の間で拘束させるもの
を備え、及び
複数の予め定められる形状の集合的な寸法は信号線の予め定められる寸法に匹敵する、基材。
【請求項１３】
複数の予め定められる形状は多数の同心の矩形様の形状を包含する、請求項12記載の基材。
【請求項１４】
同心の矩形様の形状の数は少なくとも2である、請求項13記載の基材。
【請求項１５】
同心の矩形様の形状の数は2から9までに及ぶ、請求項14記載の基材。
【請求項１６】
同心の矩形様の形状は方形であり、各方形はそこにおいて画成される刻み目を持ち、及び第1の方形における刻み目はその後の方形における刻み目の反対にある、請求項14又は15記載の基材。
【請求項１７】
上側面及び裏側面を持つ基材であって、基材はメタ物質として構成され、メタ物質は、雑音保護を、上側面上で画成される予め定められる寸法の信号線のために提供し、基材は次のもの、即ち
基材の裏側面を画成する導電性の接地面、
2種の同心の矩形中に構成される導電性物質の層であり、各矩形は中間点について側面上に画成される刻み目を持ち、及び第1の矩形における刻み目は第2の矩形における刻み目の反対にあり、第1の矩形は第2の矩形よりも短い周囲長さを持ち、及び導電性物質の層は、導電性の接地面より上に第1の予め定められる距離で配置され、及び導電性物質の層は第2の予め定められる距離で基材の上側面上に画成される信号線の下で配置されるもの、
導電性物質の層を包む誘電体物質であり、誘電体物質は基材の上側面及び裏側面の間で拘束されるもの
を備え、及び
2種の同心の矩形の集合的な寸法は信号線の予め定められる寸法に匹敵する、基材。
【請求項１８】
導電性物質の層は、第1の矩形よりも短い周囲長さを持つ付加的な内側の矩形、及び第2の矩形の周囲長さよりも徐々に増える周囲長さを各々持つ付加的な4つの外側の矩形を含む、請求項17記載の基材。
【請求項１９】
同心の矩形は方形である、請求項17又は18記載の基材。
【請求項２０】
導電性物質の層は金属化シートからなり、金属化シートは若干の導電性物質が不存在である複数の矩形中に構成される、請求項17記載の基材。
【請求項２１】
導電性物質の層は金属化シートからなり、金属化シートは導電材料が不存在である矩形中に構成される、請求項19記載の基材。
【請求項２２】
細条線は付加的な4番目の外側矩形の長さに匹敵する長さを持ち、導電性の層及び導電性の接地面の間に位置され、細条線は導電性の層に近づき、細条線は各々の矩形の刻み目の下に通り、細条線は各矩形の刻み目の幅に匹敵する幅を持つ、請求項18記載の基材。
【請求項２３】
2次元の電磁メタ物質(EM)模型からの抵抗-インダクタンス-電気容量(RLC)データを用いるメタ物質を設計する方法であって、次のもの、即ち
構造のための望ましい適用媒介変数を規定する工程、
タンク回路を構築する工程、
タンク回路においてRLC値を、望ましい信号反応を得るために選ぶ工程、及び対応する幾何構造の構成を定める工程、
構造の2次元の横断面を、望ましいRLCタンク回路値を見出すように擬態する工程、
等価なRLC値を、構造の長さ及び2次元の横断面の1種のために算出する工程
を備える、方法。
【請求項２４】
タンク回路におけるRLC値を選ぶ工程には、適用のための製造可能な構造の幾何構造に対応するタンク回路のRLC値の表を造る工程が包含される、請求項23記載の方法。
【請求項２５】
2次元の横断面を擬態する工程には、製造される設計の規則から導き出される既知の製造可能な構造の幾何構造からのRLC値の表を造る工程が更に包含される、請求項23又は24記載の方法。
【請求項２６】
さらに、タンク回路においてRLC値を用いる工程、
対応する幾何構造の構成と比べる信号反応を確かめる工程、及び
製造可能性を確かめる工程
を備える、請求項23記載の方法。
【請求項２７】
信号反応を確かめる工程には、3次元の高周波擬態装置(HFSS)を用いる工程が包含される、請求項26記載の方法。
【請求項２８】
メタ物質のための、導電性物質の層と、2次元のEM模型、導電性物質の層、第1の面上の信号伝送線、第2の面における3種の矩形の導電性の区分の層、及び第3の面上の接地層との間の距離を算出する方法であって、次のもの、即ち
導電性物質の層の幅(W)、長さ、厚さの寸法を規定する工程であり、寸法を規定する工程には、
信号伝送線から3種の矩形の導電性の区分の層までの第1の距離(T)を規定する工程、
接地層からの3種の矩形の導電性の区分の層からの第2の距離(B)を規定する工程、
3種の矩形の導電性の区分の各々の間の第3の距離(S)を規定する工程
が包含されるもの、
第1、第2及び第3の距離の変動でLC媒介変数(AA、BB、CC、DD、EE、FF、GG、HH、JJ)を擬態する工程、
メタ物質の単位電気容量及びインダクタンスのLC描写を、信号線及び3種の矩形の導電性の区分の間、及び3種の矩形の導電性の区分、及び3種の矩形の導電性の区分及び接地層の各々の間の距離の変動で生じさせる工程
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路(IC)の包装に関する。特に詳しくは、この発明は、信号線上に存在し得る雑音を減らすための包装基材(基板)におけるメタ物質の使用に関する。
【０００２】
電子産業は、より一層高い機能の装置を、より一層小型の区域(面積)において実現するために、半導体技術における進歩に頼り続ける。多くの用途のためには、より一層高い機能性の装置の実現は、多くの数の電子装置を単一のシリコンウェファ中に統合することを要する。シリコンウェファの所定の区域当りの電子装置の数が増加するほど、製造する処理(プロセス)はより一層難しくなる。
【０００３】
多くの種類の半導体装置は、膨大な専門分野(discipline)における種々の適用を伴って製造された。かかるシリコンに基づく半導体装置は金属-酸化物-半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)で、p-チャネルMOS(PMOS)、n-チャネルMOS(NMOS)及び相補型MOS(CMOS)トランジスタ、バイポーラトランジスタ、BiCMOSトランジスタのようなものを含むことが多い。そのようなMOSFET装置には、導電性(伝導性)のゲート及びシリコン様の基材の間の絶縁性物質が含まれ、従ってこれらの装置は、一般にIGFETs(絶縁された-ゲートTET)と称される。
【０００４】
これらの半導体装置の各々は、一般に半導体の基材を含み、その上に多数の活性な装置(素子)が形成される。所定の活性な装置の特定の構造は、装置の種類間で変動することがある。例えば、MOSトランジスタにおいて、活性な装置には、一般にソース及びドレインの領域、及びソース及びドレインの領域間で電流を調整する(modulates)するゲート電極が含まれる。
【０００５】
さらにまた、そのような装置は、デジタル又はアナログの装置であり得、多数のウェファ製造処理において生産され、例えば、CMOS、BiCMOS、バイポーラ、等である。基材は、シリコン、ヒ化ガリウム(GaAs)又はその上に微小電子(マイクロエレクトロニクス)の回路を築くのに適する他の基材でよい。
【０００６】
製造の処理を経た後、シリコンウェファは予め定められる数の装置を持つ。これらの装置は試験される。良好な装置は収集され、及び包装される。
【０００７】
より一層高い性能及び機能がIC装置中に築かれるほど、ICへの、及びICsの周辺の上の他の構成要素への内側への信号の送信は難しくなる(becomes a challenge)。1種のチップから別のものにまで信号を送るとき、信号は通常、多様な相互接続(interconnect)で、包装、プリント回路板及びソケットのようなものを介して伝わら(travel)なければならない。概して、これらの実体を介する信号線のインピーダンスは互いに異なる。インピーダンスの不整合(mismatch)は、インピーダンスの境界でのエネルギの反射のせいで、線上に雑音を引き起こす。相互の接続の際、このエネルギは、共振応答(resonant response)を惹起する。この共振は典型的に信号のものとは異なる周波数(頻度)及び時間にあって、及び回路における雑音として解釈される。
【０００８】
A. F. Starr et al.(スター等)は、彼等の論文において、“Fabrication and Characterization of a Negative-Refractive-Index Composite Meta-material(負の屈折率の複合体メタ物質の製造及び特徴付け)”と題し、the American Physical Society(米国物理学会)のPhysical Review(フィジカル・レビュ) B 70、113102 (2004年)で、“提案される経路が、それらの効果的な屈折の率が負である物質の設計に向けて多くは存在しない一方、厳格な取組みは、誘電率(電気的な誘電率)(ε)及び透磁率(磁気透過性)(μ)が同時に負であり、・・・の物質を設計することである。一方、同時に負のε及びμを見せる既知の自然に発生する物質が存在せず、人工的に、構造の物質を設計することができ、その有効なε及びμは、有効な中位の議論(effective medium argument)から導き出されるように、双方とも有限周波数帯(finite frequency band)にわたり負である”ことを書く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そのようなメタ物質は、そこで包装基材の誘電率及び透過性が負の方向において影響を与えられ、潜在的役割を、高性能IC装置において見出す。結果的に、そこには、IC装置のインピーダンス境界での雑音を、費用-効果的なやり方において最小にするための必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、信号の品質を、基材の絶縁体のためのメタ物質を用いることによって包装を介して高めることにおいて有用であることが見出された。メタ物質は、信号の形状が、まるで、誘電率及び透過性を、用いる絶縁体の実際の誘電率及び透過性とは異なるかのように挙動させるようなやり方で信号を作用させるように設計される物質である。相対的な誘電率及び透過性が、現実上及び想像上の構成要素の双方を含むことに注目すべきであり、即ち、εR=εR+jεR及びμR=μR+jμRである。誘電率及び透過性が負の値を持つ場合のように、信号対応(respond)を持つように、メタ物質を設計することが可能である。この発明において、絶縁体物質は、信号線の共振様式(モード)からの存在する雑音を減らすように設計される。メタ物質は、信号上の線の共振応答を減らす絶縁体における導体(コンダクタ)の整列(アレンジメント)である。
【００１１】
例の具体化において、基材をメタ物質として構成する。メタ物質は、雑音保護を、メタ物質上に配置される予め定める長さを持つ信号線のために提供する。基材は、上側面(topside surface、頂部分側の表面)及び裏側面(underside surface、下部分側の表面)を持つ誘電体物質を備える。導電性物質は、集合的な長さを持つ予め定める形状中に配列される(arranged into)。誘電体物質は導電性物質を包み、及び導電性物質は、上側面から第1の予め定める距離で、及び裏側面からの第2の予め定める距離で配置される。導電性物質の集合的な長さは信号線の予め定める長さに匹敵する。
【００１２】
別の例の具体化において、上側面及び裏側面を持つ基材が示され、基材はメタ物質として構成され、メタ物質は、雑音保護を上側面上で画成される予め定める寸法の信号線のために提供する。基材は、基材の裏側面を画成する導電性の電圧基準面(voltage reference plan)を備える。導電性の線の層は、予め定める形状中に構成される。導電性の線の層は第1の予め定める距離で金属の接地面(ground plane)より上に配置され、及び導電性の線の層は、第2の予め定める距離で基材の上側面上で画成される信号線の下に配置される。誘電体物質は導電性の線の層を包み、誘電体物質は、基材の上側面及び裏側面の間に拘束される。導電性の線の集合的な寸法は信号線の予め定める寸法に匹敵する。
【００１３】
さらに別の例の具体化において、上側面及び裏側面を持つ基材を示し、基材をメタ物質として構成する。メタ物質は、雑音保護を上側面上で画成される予め定める寸法の信号線のために提供する。基材は、基材の裏側面を画成する導電性の接地面を備える。若干の導電性物質が不在である複数の予め定める形状中に構成される導電性物質の層がある。導電性物質の層は第1の予め定める距離で導電性の接地面より上に配置され、及び導電性物質の層は第2の予め定める距離で基材の上側面上に画成される信号線の下に配置される。誘電体物質は導電性物質の層を包み、及び誘電体物質は基材の上側面及び裏側面の間に拘束される。複数の予め定める形状の集合的な寸法は信号線の予め定める寸法に匹敵する。
【００１４】
別の例の具体化において、上側面及び裏側面を持つ基材を示し、基材はメタ物質として構成され、メタ物質は、雑音保護を上側面上で画成される予め定める寸法の信号線のために提供する。基材は、基材の裏側面を画成する導電性の接地面を備える。導電性物質の層は、2種の同心の矩形中に構成され、各矩形は中間点について側面上に画成される刻み目(ノッチ)を持ち、及び第1の矩形における刻み目は第2の矩形における刻み目の反対にあり、第1の矩形は第2の矩形よりも短い周囲長さ(perimeter)を持つ。導電性物質の層は、導電性の接地面より上に第1の予め定める距離で配置され、及び導電性物質の層は第2の予め定める距離で基材の上側面上に画成される信号線の下に配置される。誘電体物質は、導電性物質の層を包み、誘電体物質は、基材の上側面及び裏側面の間で拘束される。2種の同心の矩形の集合的な寸法は、信号線の予め定める寸法に匹敵する。この具体例の特質には、導電性物質の層が含まれ、それは、第1の矩形より小さい周囲長さを持つ付加的な内側の矩形、及び第2の矩形の周囲長さよりも徐々に増える周囲長さを各々持つ付加的な4種の外側の矩形を持つ。
【００１５】
別の例の具体化において、2次元の(two-dimensional)電磁メタ物質(EM)模型(モデル)から、抵抗-インダクタンス-電気容量(キャパシタンス)(RLC)データを用いるメタ物質を設計する方法が示されてあり、メタ物質は、矩形様の(rectangular-like)形状を持つ構造である。方法は、構造のための望ましい適用媒介変数(パラメータ)を規定する工程、及びタンク回路を構築する工程を備える。タンク回路におけるRLC値は、望ましい信号反応を得るように選ばれ、及び対応する幾何構造(ジオメトリーズ(geometries))の構成を定める。望ましいRLCタンク回路値を見出すため、構造の2次元の横断面を擬態(シミュレーション)する。構造の長さ、及び2次元の横断面の1種のための等価のRLC値を算出する。
【００１６】
別の例の具体化において、メタ物質のため、2次元のEM模型を有する導電性物質の層、導電性物質の層、第1の面上の信号伝送線、第2の面における3種の矩形の導電性の区分(セグメント)の層、及び第3の面上の接地層の間の距離を算出する方法を示す。この方法は、導電性物質の層の幅、長さ、厚さの寸法を画成する工程を備え、そこでは、寸法を規定する工程に、信号伝送線から3種の矩形の導電性の区分の層までの第1の距離を規定する工程、接地層からの3種の矩形の導電性の区分の層から第2の距離を規定する工程、及び3種の矩形の導電性の区分の各々の間の第3の距離を規定する工程が含まれる。第1、第2及び第3の距離を変動することで、LC媒介変数を擬態する。メタ物質の単位電気容量及びインダクタンスの、信号線及び3種の矩形の導電性の区分の間、及び3種の矩形の導電性の区分、及び3種の矩形の導電性の区分及び接地層の各々の間の距離の変動でのLCの描写(プロット)は発生させられる。
【００１７】
本発明の上記の概要は、本発明の、各々を開示する具体例、又はあらゆる局面を表すことを意図していない。他の局面及び例の具体化は、後に続く図面及び詳細な説明において提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
添付の図面に関連し、本発明は、本発明の種々の具体例の以下の詳細な説明を考慮して、より一層完全に理解され得る。図面の説明は図面の簡単な説明の項に移す。
【００１９】
本発明は種々の修飾及び代わりの形態、その詳細に対して従順であるが、それを図面に例として示し、及び詳細において記載する。しかしながら、意図するのは、本発明を特定の記載される具体例に制限することではないことを理解すべきである。それどころか、意図するのは、添付の請求の範囲によって規定されように、本発明の精神及び範囲内に入るすべての修飾、等価物、及び代替物を守ることである。
【００２０】
本発明は、インピーダンス境界で信号反射と関連付けられる雑音を減らすのに有用であることが見出された。メタ物質の使用を通して、そのような雑音を最小にすることができる。本発明に従うメタ物質は、線の共振反応を、信号がそれを通して広がるときに減らすような絶縁体における導体(コンダクタ)の整列である。
【００２１】
例の具体化において、導電性物質の開放した(open)平面矩形様の形状の整列及び導体の線状の長さが、伝送線の長さに適合するように存在する。図1及び図2は、メタ物質の構築を例示する。図1を参照する。基材10は、メタ物質として構成された。導電性物質35(即ち、柄(モティーフ))の模様(パターン)は、同心の“方形の囲み(square-circles)25”(以下、矩形様の形状として記載し、そのような形状には、制限はないが矩形、方形、等が含まれ)及び金属30の線状区分として配列される。信号線15は14mmの伝送線であり、及びメタ物質は信号の雑音を減らすため信号線のインピーダンスを増強するように設計される。矩形様の形状25の長さの合計は、信号線15の長さに匹敵する(及び、適合し得ることが多い)。金属30の線状区分は矩形様の形状25の幅に適合する。この具体例における開放した矩形様の形状25は、事実(in nature)、2.5mmの直径を有し、0.1mmの導体幅及び25μmの導体高さの方形である。矩形様の形状における隙間(ギャップ)45、50は0.2mmである。信号線15の長さは14mmであり、幅は0.lmmであり、及び高さは25μmである。このメタ物質における絶縁体は、ビスマレイミドトリアジン(bismaleiimide triazine)(BT)樹脂である。
【００２２】
図2を参照する。基材10は多重の層55として構築され得る。層1は25μmの厚さの接地面20である。接地面20上で、層2は100μmの厚さの絶縁性物質である。層3は、金属30の線状区分が画成され、及び25μmの厚さである。層4は、100μmの厚さの絶縁性物質の別の層である。層5は同心の矩形様の形状25の整列を含み、それも25μmの厚さである。層5上で、100μmの厚さの絶縁性物質の層6が存在する。信号線15は層7上に画成され、信号線15は25μmの厚さを持つ。このようにして、所定の包装基材で、BGA包装において用いられるようなもののために、本発明は、4種の金属層において実践され得る。
【００２３】
図3を参照する。14mmの信号伝送線(Zo=83オーム(ohm))について、BT樹脂絶縁体上に、図1のためのものと同じやり方で、しかしながら、金属の矩形様の形状及び細条を伴わずに並べた(laid-out)。S-媒介変数対周波数の描写300を示す。方形波入力信号は、信号線を介して導き出される。曲線(カーブ)305は出力電圧の入力電圧に対する比率を示し(例は、信号の完全性(integrity))、周波数が1GHzから約30GHzまで増加するにつれ下降する(declining)。入力周波数が増加するのに伴い、波形の振幅は減少し、出力における減少及び信号伝送線を介する伝送の減少を指し示す。EM模型のかみ合い(meshing)演算手順(アルゴリズム)に対する解法は、本発明のためのデータを得る際に用いるANSOFT(アンソフト)の所有のソフトウェア(ANSOFT Corporation(アンソフト社)、Pittsburgh(ピッツバーグ)、PA(ペンシルベニア州、米国)によって著作される)について、20GHzで画成される(それは、7.5mmの端部長さである)。
【００２４】
図4を参照する。図1及び図2において描く構造は、その擬態されたS媒介変数を持つ。S媒介変数対周波数の描写400は、それぞれ、10GHz及び21GHzで2種の最小値410、420を持つ曲線405を示す。これらの2種の周波数は、メタ物質上の信号線の共振周波数とみなされ得る。それぞれ、10GHz及び21GHzは第1及び第2の調和的な周波数である。これらの2種の周波数を除き、図3のVO/VINの比率の下落傾向(downward trend)は他の周波数で存在しない。メタ物質構造は、4GHzから25GHzまでの周波数範囲中至るところで、0.60を超えるS媒介変数を維持する(例は、それが信号の完全性に関連する)。
【００２５】
基材の性能を評価し(gage)、それが基材上で画成される金属線を介して広がる信号に関してメタ物質として構成されるように、試験回路を用いる。メタ物質を用いる目標(ゴール)は、入力から出力までへの伝送線を横切るインピーダンスに適合するようにされ、そして最大の力が出力に対して移され、及び線内の信号反射は(包装の相互接続で)最小にされる。図4の描写から得られるS媒介変数から、試験回路において、多数の周波数で信号品質における改善を示すことが可能である。
【００２６】
図5を参照する。試験回路500は、方形波入力を伝送線に対し提供する信号供給源(ソース)505を持つ。約25オームの負荷インピーダンス510は、信号供給源505に結合する。50オーム(Zo=50オーム、υ=150M m/s、長さ=0.046m)の特徴的なインピーダンスを持つ信号線を有するPCB物質は、負荷インピーダンス510に結合する。メタ物質の包装520上に並べられる信号線は、PCB物質515における信号線と結合する。通常の伝送線の場合(メタ物質を伴わない)のためのこの信号線は、83オーム(Z0=83オーム、υ=150M m/s、長さ=0.011m)の特徴的なインピーダンスを持ち、メタ物質の線のインピーダンス及び長さは、図3及び4において擬態され、及び描かれるS媒介変数から導き出される。50オームの末端(termination)525は、メタ物質の包装520の出力に結合される。メタ物質の包装520の特徴は、信号505がそれを介して広がるように、PCB 515のものに適合され、PCB 515及びメタ物質の包装520の間の雑音及び反射が最小にされる。
【００２７】
図5において描かれるような回路を用いて、メタ物質の包装520は試験を受ける。図6を参照する。描写600はVout対時間である。400MHzの入力周波数で、出力電圧525は時間に関して通常のBT樹脂物質及びメタ物質の双方のために測定される。入力電圧は方形波である。曲線605は通常の物質を示し、及び曲線610はメタ物質を示す。100mVの改善は、Voutにおいて、通常の物質についてのものに比べて存在する。
【００２８】
図7を参照する。描写700はVout対時間である。800MHzの入力周波数で、出力電圧525は、時間に関して、通常のBT樹脂物質及びメタ物質の双方のために測定される。入力電圧は方形波である。曲線705は通常の物質を示し、及び曲線710はメタ物質を示す。再度、100mVの改善は、Voutにおいて、通常の物質についてのものに比べて存在する。
【００２９】
図8を参照する。描写800は、Vout対時間である。2.5GHzの入力周波数で、出力電圧525は、時間に関して、通常のBT樹脂物質及びメタ物質の双方のために測定される。入力電圧は方形波である。曲線805は通常の物質を示し、及び曲線810はメタ物質を示す。約200mVの改善はVoutにおいて存在する。
【００３０】
別の例の具体化において、メタ物質は、図1及び図2のものと似た模様において構築される。しかし、追加の同心の方形が存在する。図9を参照する。基材900は、絶縁された基材935の上に信号の細条910を持つ。信号の細条910の下には(underneath)、7種の導電性の同心の方形920がある。各々の方形は、所定の側の中心について開口(opening)925を持つ。方形は、開口が隣接する方形上で存在しないように配列される。7種の同心の方形920の下には、金属940の線状の線細条が、開口925によって画成される区域の下に走る(runs below)予め定められる距離で絶縁された基材によって分けられ、及び信号の細条910を横断する方向において配向(oriented)される。メタ物質は接地面930より上に配置され(disposed)る。高周波数構造の擬態(HFSS)において、図9の割付けは、図5の試験回路において分析される。図10を参照する。出力電圧対時間の描写1000は、2種の具体例及び通常の物質のためのものである。曲線1005は2つの方形の基板である。曲線1010は通常の基板である。曲線1015は7つの方形の物質である。
【００３１】
別の例の具体化において、メタ物質は、同心の方形の模様が画成される浮遊性金属(floating metal)を用いて築かれる。同心の方形の基礎をなす(underlying)細条は存在しない。図11を参照する。メタ物質基板1100は絶縁性物質上に信号線1110を持つ。信号線の下の予め定められる距離で、同心の方形を持つ浮遊性金属1120が画成される。対照的に、先の具体例を用いて、方形は金属の不存在を伴う領域である。浮遊性金属1120からの別の予め定める距離で、接地面1130がある。図2に関して議論するように、そのような金属基材は複数の層において構築され得る。
【００３２】
S媒介変数は、図11の構造のために描写され得る。図12を参照する。S媒介変数対周波数の描写1200が描かれる。曲線1205のものは多数の最小値を持つ。最小値は、7.5GHz、19GHz、21GHz、25GHz、及び28GHzで存在し、それぞれ1210、1220、1225、1230、及び1235によって表される。これらの最小値は、共振周波数及びそれらの高調波(harmonics)を表示する。S媒介変数を決定することで、メタ物質の基材は図5の設定(セットアップ)において試験される。
【００３３】
Vout対時間の波形を、上記に議論する5種の構造について図13において描く。Vout伝送における改善は領域1310において描かれる。曲線Rは、図11において描くようなBT物質内の方形模様を有する金属面として画成されるメタ金属についての結果を描く。曲線Gは7つの金属方形及び図9の細条を描く。曲線Pは2つの金属方形及び図1の細条を描く。曲線Bは通常の厚いBT誘電体上で伝送線を描く。曲線Yは通常の薄いBT誘電体上で伝送線を描く。
【００３４】
特定のメタ物質構造は所定の適用において定められる。例えば、多数の媒介変数は、例として考慮される。これらの媒介変数は、以下のものが包含され、制限されるものではなく、1)信号線の長さ、幅、厚さ、2)同心の矩形様の形状の数、それらの寸法、3)線状の細条線の長さ、幅、厚さ、4)操作の周波数範囲、5)信号線からの同心の矩形様の距離、6)同心の矩形様の形状からの線状細条線の距離、等である。
【００３５】
所定の適用にとって、操作の周波数及び線の長さで、多数の方法が、本発明に従う矩形様の形状の望ましい構成を定めるのに用いられ得る。
【００３６】
極めて正確な結果を提供することは、メタ物質の構造の全体の3次元の構成(例は、図1、図9又は図11の構造)及び信号伝送線に及ぼす効果を擬態することである。1種の方法は、伝送線の操作の振動数及び物理的な大きさを考慮する。その情報から、設計者は、適用のために最適なS媒介変数の反応に到達するための多数の3次元EM模型を擬態する。1種は、矩形様の形状の幾何構造、それらの相対的な設置(placement)、及び伝送線からのそれらの距離及び参照電圧面を変動させる。しかし、そのような課題を完了するために必要な資源及び時間は、達成される正確さと比較して費用効果がよくないことが分かり得る。
【００３７】
メタ物質の幾何構造の最適化における援助に対する1種の方法は、物理的な状況(situation)を多数のタンク回路に接合する伝送線と考えることである。(図14A及び図15Aを参照する)。図1を振り返る(Referring back)。構造10は、接合タンク回路1435の一連1400として模型化され得る。各々のタンク回路は、導電性の線15がメタ物質の6種の柄35の1種上に交差することを表示する(represents)。図14Aにおいて伝送線のS媒介変数は図14Bにおいて描かれる。同様に、タンク回路1435の一連1400の図15AにおけるS媒介変数が図15Bにおいて描写される。タンク回路の電気的特性を調整すること(adjusting)によって、あるものは信号伝送線の望ましい反応を達成することができる。
【００３８】
方法において、十分な情報が、それが3次元の構成の精度を欠くかもしれないけれども、得られ得る。矩形様の幾何学の2次元の(two-dimensional)横断面は、矩形様の形状及び信号伝送線に対するそれらの接合の電気的特徴を評価するのに用いられ得る(may be used estimate)。図16を参照する。60μmの金属線の幅広な金属信号線について、信号線及び電圧基準面(普通、接地として0vで規定される)からの矩形様の区分及びそれらの距離の間隔開け(spacing)を変動させる下での2次元の擬態の結果は、図17から図21を通してそこに描かれる。
【００３９】
図16構造及び図17-21の得られる描写を擬態するのに用いる系(システム)及びソフトウェアは、ANSOFT 2D Extractor(抽出機)(2次元のEM擬態装置(シミュレータ))である。
【００４０】
図16において、2次元の構造を擬態される。3種の導電性の細条(1431、1432、1433)を持つ金属化(Metallization)1430は、電圧基準面1410からの縦方向の距離Bで隔たれる(separated)。3種の導電性の細条1431、1432、及び1432は、互いからの水平方向の距離sで隔たれる。信号線1420及び3種の導電性の細条1431、1432、及び1433は、固定された幅Wでのものである。例の具体化において、寸法B、S及びTは、約60μmから約100μmまでの範囲に及ぶ。信号線の幅w及び3種の導電性の細条(1431、1432、1433)は約60μmで固定される。図15Aのタンク回路1435は、図16の2次元構造の回路模型を描く。
【００４１】
このように、所定の信号伝送線のために、接合したタンク回路において、ある種のものは信号線のインダクタンス(Ls)、金属化に対する信号線の電気容量(Csm)、接地に対する信号線の電気容量(Cgm)、金属化に対する信号線の相互インダクタンス(Lkm)及び金属化のインダクタンス(Lm)の描写に言及することができる。したがって、接合したタンクLC値は、伝送線を介する信号を最適化するのに調整される。図17は、単位電気容量(F/m)Csg対金属化の間隔開け(s)の様々な縦方向距離b及びtでの描写である。図18は、単位電気容量(F/m)Csm対金属化の間隔開けの描写である。図19は、単位インダクタンス(H/m)Ls対金属化の間隔開けの描写である。図20は、単位インダクタンス(H/m)Lksm対金属化の描写である。図21は、単位インダクタンス(F/m)Lm対金属化の間隔開けの描写である。これらの構成要素Cs、Csg、Ls、Lksm及びLmは図15Aのタンク回路1435において注目される。
【００４２】
図16の構造に振り返ると、適切な単位電気容量、及び信号伝送線の所定の割付け及び本発明の具体例に従って配列されるメタ物質のための単位インダクタンス値を導き出す際に、5種の描写を利用することができる。例の設計において、使用者(ユーザ)はメタ基材上での信号伝送線を構成する。金属化の間隔開けsのための水平方向の距離Sは約80μmで画成され、金属化に対する信号伝送線の縦方向の距離Tは80μmで画成され、及び電圧基準面1410に対する金属化の縦方向の距離Ｂは80μmで画成され、及び信号伝送線1420の幅Wは約60μmである。これらの予め定められる媒介変数の範囲内で、単位インダクタンス及び単位電気容量値は、描写から読まれ得る。これらの値は、より一層正確な解法にまで反復されるように出発点を提供する一次近似(first order approximation)を与える。表1は、得られる値の一覧(リスト)を描く。電気容量及びインダクタンスのこれらの値は、信号線を介する信号移行(transfer)を最適化するものであり、図16の2次元の様式(モード)の寸法S、B、T、及びWを与える。
【００４３】
【表１】
2009519603.tif 000002
【００４４】
同様に、設計者が特定の電気容量及びインダクタンスの値を(タンク回路1435において示されるように)希望する場合を定めることができ、描写を用いて、S、B、T及びWの寸法を見出し得る。表1の例の値は、図17-21上で重字AA、BB、CC、等を用い、S=100μmについて指し示される。記載する技術は、コンピュータ中に計画(プログラム)され、寸法の範囲及び電気容量/インダクタンスの値を算出し得る。集められる十分な数のデータ点を用い、ある種のものは望ましい特徴を模型化するために、一連の式を開発し得る。図17-21のための描写は、1GHzの入力周波数で発生する。
【００４５】
2次元の電磁気的なメタ物質(EM)模型からのRLCデータを用いるメタ物質の設計の方法2200を用い、本発明に従うメタ物質の構造を構築し得る。矩形様の形状(図2を参照する)の幾何学的な大きさ及び寸法を定めることを用い、金属物質を構築することは、図22の流れ図において概説される手順に従い得る。
【００４６】
設計者は、2210で、適用の信号周波数帯域(バンド)、信号線寸法、及び電圧基準面(通常、接地面)からの信号線の距離を定める。次に、タンク回路は、図15において記載するように2220を構築する。設計者は、タンク回路RLC値を最適な信号反応のために最適化し2230、及び次いでどんな矩形様の幾何構造がタンク回路RLC値を達成するのに必要かを決めるかどうかを定め得る。
【００４７】
代わりに、使用者は適用のために生産可能な矩形様の幾何構造に対応するタンク回路RLC値の表を造り得る。望ましい信号反応は図15Aにおける回路を用いて容易に観察可能でないかもしれない。型(ダイ)からの信号伝達(シグナリング)回路を組込む別の回路及び信号負荷(signal load)は、望ましい反応を定めるために必要であり得る。その回路は、特許出願の図5における回路を似ているか、又はより一層多くの適用の特定の詳細を組込み得る。
【００４８】
設計者は、望ましいRLCタンク回路の値を見出すか、又はRLCの値(例は、表1)の表2245を、製造される設計の規則(manufacturing design rules)から導き出される既知の生産可能な矩形様の形状から造るために、2242の2次元(2D)横断面を擬態する。
【００４９】
設計者は、次いで等価な矩形様の形状のRLC値を、所定の矩形の長さ及び2D横断面について算出する2250。He(彼)はそれから、タンク回路における望ましい矩形様の形状のRLC値を用い2260、及び信号反応及び製造可能性を確かめる。
【００５０】
より一層高い正確性を得るため、3次元の高い周波数擬態装置(例は、HFSS)を用いて信号反応を確かめ2270、2D横断面から造られる矩形様の形状の幾何構造が、実際に望ましい信号反応をメタ物質のために達成することを確かめることが勧められる。εR及びμRを算出することでのより一層の詳細は、Richard W. Ziolkowski(リチャードW. ジオルコフスキ)、“Design, Fabrication, and Testing of Double Negative Metamaterials(二重陰性メタ物質の設計、製造、及び試験)”、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION(アイイーイーイー・トランスアクション・オン・アンテナズ・アンド・プロパゲーション)、第51巻、第7号、2003年、7月の論文において見出され得、その全体を参考として組込む。
【００５１】
メタ物質を設計することの結果として、ある者は入力周波数の範囲において、εR及びμRの描写を観察することができる。入力周波数の制限される範囲について、透過性μRの実際の構成要素は、負(陰性)(μR<0)になると観察され得る。共振周波数で、描写はピークを見せる。
【００５２】
図23を参照する。BTの基材上の信号線の調節(コントロール)物質のために、誘電率及び透過性を周波数上に描写する。誘電率及び透過性は、実際の構成要素及び想像上の構成要素を持つ。εR及びμRの実際の構成要素は負にならない。共振周波数で、曲線のピークが観察される。
【００５３】
図24を参照する。メタ物質上の信号線の透過性の実際の構成要素は、約2.50GHzから約3.50GHzの周波数の範囲において負になる(2410で)。共振周波数で、ピークはεR及びμRの構成要素の部分の曲線において注目される。結果、メタ物質の影響は、使用可能な周波数範囲上の増強された信号移行及びより一層一定のインピーダンスの持続(メンテナンス)を提供する。IC装置の性能は従って、増強される。
【００５４】
本発明をいくつかの特定の例の具体化に関して記載したが、この技術において熟練する者(当業者)は、多くの変化が本発明の、次の請求の範囲において述べるものの精神及び範囲から外れることなしに、それについて行われ得ることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の具体例に従うメタ物質基材の割付け(レイアウト)の等角図である。
【図２】図1の横断面図である。
【図３】S-媒介変数の大きさ対絶縁性基材上の信号線のための周波数の描写である。
【図４】S-媒介変数の大きさ対図1Aのメタ物質基材上の信号線のための周波数の描写である。
【図５】メタ物質包装の性能を測定するための試験回路の模式図である。
【図６】出力電圧対メタ物質上の信号線の時間及び400MHzの信号周波数での標準的な物質の描写である。
【図７】出力電圧対メタ物質上の信号線の時間及び800MHzの信号周波数での標準的な物質の描写である。
【図８】出力電圧対メタ物質上の信号線の時間及び2.5GHzの信号周波数での標準的な物質の描写である。
【図９】メタ物質基材割付けの等角図であり、割付けは本発明の別の具体例に従う7種の同心の方形及び細条線を持つものである。
【図１０】出力電圧対図9において配列されるようなメタ物質上の信号線の時間の描写である。
【図１１】本発明の別の具体例に従う金属が不存在の及び細条線のない同心の矩形様の区域を有する金属層を持つメタ物質の割付けの等角図である。
【図１２】S-媒介変数対図11のメタ物質の割付け上の信号線の周波数の描写である。
【図１３】出力電圧対5種の異なる具体例のための図11の金属物質の割付け上の信号線の時間である。
【図１４Ａ】絶縁体基材上の信号線の模式図表示(伝送線)である。
【図１４Ｂ】S-媒介変数対図14Aの伝送線の周波数の描写である。
【図１５Ａ】1連のタンク回路として表示されるメタ物質幾何構造の模型である。
【図１５Ｂ】S-媒介変数対図15Aのタンク回路の配列(アレイ)の周波数の描写である。
【図１６】矩形様の形状の電気的特徴及びその伝送線への接合を評価するのに用いる2次元の横断面構造である。
【図１７】接地に対する信号線の電気容量(Csg)対接地面及び金属化からの信号線の距離に関する種々の金属化の高さ(b)での金属化の間隔(Spacing)(S)である。
【図１８】金属化に対する信号線の電気容量(Csm)対間隔(S)の描写である。
【図１９】接地に対する信号線のインダクタンス対間隔(S)の描写である。
【図２０】金属化に対する信号線の相互インダクタンス(Lksm)対間隔(S)の描写である。
【図２１】金属化のインダクタンス(Lm)対間隔(S)の描写である。
【図２２】図16に従うメタ物質の2次元模型の寸法を得るための例の処理の流れ図(フローチャート)である。
【図２３】相対的な透過性(μR)及び相対的な誘電率(εR)対BT基材上の14mmの線のための周波数の描写である。
【図２４】相対的な透過性(μR)及び相対的な誘電率(εR)対メタ物質上の14mmの線のための周波数の描写である。
【国際調査報告】
2009519603.tif 000003
2009519603.tif 000004
2009519603.tif 000005
2009519603.tif 000006
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