(57)【要約】電源ラインからの高周波信号を切り離すためのデカップリングモジュールであって、第１および第２の金属層（２０，２２）間に配置された誘電体から成る層（３０）を備え、第１の金属層（２０）がデカップリングモジュールのグラウンド電極として接続されているデカップリングモジュールにおいて、第２の金属層（２２）は、入力接続点と出力接続点との間で連続的に且つ電気的に接続されたサイズが異なる少なくとも２つの表面（２２０，２２２）を備え、これらの連続する２つの各表面は、１つの導電部（２２４）のみによって互いに接続されている。
2005527165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源ラインからの高周波信号を切り離すためのデカップリングモジュールであって、第１金属層と第２の金属層との間に配置された誘電体から成る層を備え、前記第１の金属層がデカップリングモジュールのグラウンド電極として接続されているデカップリングモジュールにおいて、前記第２の金属層は、入力接続点と出力接続点との間で連続的に且つ電気的に接続されたサイズが異なる少なくとも２つの表面を備え、これらの連続する２つの各表面は、１つの導電部のみによって互いに接続されている、デカップリングモジュール。
【請求項２】
前記表面が長方形の表面である、請求項１に記載のデカップリングモジュール。
【請求項３】
高周波信号の伝搬方向と垂直な前記表面の寸法は、高周波信号の伝播方向における前記表面の寸法の最大で２倍である、請求項１または２に記載のデカップリングモジュール。
【請求項４】
前記表面が正方形の表面であり、２つの前記表面のそれぞれにおいて、第１の表面のエッジの長さは、第２の表面のエッジの長さの無理数の倍数である、請求項１または２に記載のデカップリングモジュール。
【請求項５】
誘電体から成る前記層の所定の実装面を用いて、前記第２の金属層のサイズが最大となるように前記表面の配列が成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のデカップリングモジュール。
【請求項６】
前記表面同士を接続する前記導電部のインダクタンスは、前記導電部の共振周波数が高周波信号の搬送周波数を下回るように選択される、請求項１から５のいずれか一項に記載のデカップリングモジュール。
【請求項７】
誘電体から成る前記層が薄膜プロセスで製造される、請求項１から６のいずれか一項に記載のデカップリングモジュール。
【請求項８】
誘電体から成る前記層が約５μｍ〜約２０μｍの厚さを有している、請求項１から７のいずれか一項に記載のデカップリングモジュール。
【請求項９】
前記第２の金属層上には更に別の誘電体層および第３の金属層が設けられ、前記第３の金属層は、デカップリングモジュールの別のグラウンド電極として接続されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のデカップリングモジュール。
【請求項１０】
複数のセラミック層を備え、そのうちの少なくとも１つのセラミック層が誘電体から成る層であり、この誘電体から成る層の一方側には、この層の全体または一部を覆う第１の金属層がグラウンド電極として設けられている多層スタックにおいて、誘電体から成る前記層の他方側には、サイズが異なる少なくとも２つの表面を有する第２の金属層が設けられ、前記表面は、入力接続点と出力接続点との間で連続的に且つ電気的に接続され、これらの連続する２つの各表面は、１つの導電部のみによって互いに接続されている、多層スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源ラインからの高周波信号を切り離すためのデカップリングモジュールであって、第１金属層と第２の金属層との間に配置された誘電体から成る層を備え、前記第１の金属層がデカップリングモジュールのグラウンド電極として接続されているデカップリングモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル通信で使用されているような高周波回路の設計は、最近、非常に複雑になっており、また、時間のかかるプロセスとなっている。高周波の態様以外に、動作部品（アクティブコンポーネント）のＤＣ電圧供給も最適化しなければならない。電気部品と電気ラインとの間には、多くの場合、望ましくないカップリング（結合）があるが、この望ましくないカップリングは、設計プロセス中において考慮に入れることができず、また、高周波モジュールの開発の最後まで認識されない。
【０００３】
高周波信号を増幅することができるように、動作部品は、中央バッテリ電圧に接続することができ、このバッテリ電圧から必要なエネルギを引き出す。設計プロセスの最後における周知の問題は、バッテリ電圧供給ライン上における高周波信号のクロストーク（混信）である。このカップリング効果により、動作部品間にフィードバックループが生じる。その後、この効果によって、動作部品の作動がかなり乱され、最終的に、高周波回路全体が望ましくない共振を生じることになる場合がある。
【０００４】
電源ラインにおける高周波信号の送出は、多くの場合、避けることができない。それにもかかわらず、１つの動作部品から他の動作部品への信号のクロストークを回避するため、これらのラインからの高周波信号は、デカップリングモジュールを介してグラウンドに漏出される。このデカップリングモジュールは、全ての高周波信号をグラウンドに流すことができなければならないが、ＤＣ電圧に影響を与えてはならない。実際に、これは、キャパシタによって行なわれる。なぜなら、ＤＣ電流はキャパシタを通じて流れることができ、それにより、バッテリのＤＣ電圧に影響を与えないで済むからである。高周波信号において、キャパシタは、周波数と共に減少する以下のようなインピーダンスＺを与える。
【数１】
2005527165.tif 000003
ここで、
ω＝２πｆであり、ｆは高周波信号の周波数であり；
Ｃはキャパシタのキャパシタンスであり；
ｊ＝√−１である。信号の周波数が高くなればなるほど、キャパシタを介して信号をグラウンドに流さなければならない。
【０００５】
多くの高周波回路においては、望ましくない高周波信号をＤＣ電圧ラインから切り離すために、多数の別個のセラミック多層キャパシタが使用される。このキャパシタは、高周波モジュール上に半田付けされる。キャパシタの一方の接点は、電圧供給ラインに接続されるとともに、キャパシタの他方の接点は、グラウンドラインに接続される。これらのキャパシタの欠点は、その内部構造によって引き起こされる自己インダクタンスＬである。キャパシタンスＣとインダクタンスＬとが組み合わせられると、有効なデカップリングキャパシタンスは、周波数と共に減少し、以下の周波数で０になる。
【数２】
2005527165.tif 000004
【０００６】
ｆＣ＝０を超える周波数では、これらのキャパシタがコイルとして機能し、その後は、もはや、デカップリングを行なうことができない。これらのキャパシタが使用される場合には、多くの場合、最初の設計段階で、満足なデカップリングに達することはなく、さらにモジュールが作動するまで時間−消費設計が必要である。
【０００７】
自己インダクタンスを減らすため、単層キャパシタが開発されてきた。十分に高いキャパシタンスを得るため、層厚が非常に小さく維持され（約２０ｎｍに至るまで）、あるいは、誘電率が高い材料が選択される。非常に小さい自己インダクタンスにより、周波数ｆＣ＝０はかなり高く、電圧供給ラインからの高周波信号のデカップリングは、高い周波数に至るまで機能する。欠点は、多くの用途において、単層キャパシタを別個の部品として実装しなければならないという点である。また、非常に特別な高価なプロセスにおいてのみ、薄膜の製造および接触が行なわれる。使用される材料は、比較的高い破壊電界強度を有しており、一般的な薄膜セラミックスの場合、破壊電界強度は約２００Ｖ／μｍであり、シリコンナイトライドの場合、破壊電界強度は約１０００Ｖ／μｍである。シリコンナイトライドにおいて約２０ｎｍという非常に薄い層を用いることは、約２０Ｖで破壊電界強度に達することを意味する。薄膜セラミックキャパシタの０．５μｍの範囲の一般的な層厚を用いると、約１００Ｖが絶縁破壊電圧となる。したがって、高い電圧範囲では、これらのキャパシタを使用することができない。
【０００８】
キャパシタは、共振を生じないようにするため、殆どの高周波回路において広く使用されている。
【０００９】
米国特許第６，０３８，１２２号は、一方の接続点から他方の接続点に向かってキャパシタンスが大きくなるデカップリングキャパシタを提案している。これにより、１つのデカップリングキャパシタを使用して、広範囲の高周波部品のデカップリングを行なうことができる。しかしながら、この特許に記載されるキャパシタ電極の三角領域においては、シミュレーションによって検査されているように、共振が存在する。また、非常に薄い層を用いて前述したキャパシタを製造する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、共振を殆ど生じさせることなく高周波信号のデカップリングが行なわれ且つ必ずしも薄膜プロセスを用いて製造する必要がないデカップリングモジュールを利用可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、冒頭に規定されたタイプのデカップリングであって、第２の金属層が異なるサイズを有する少なくとも２つの表面を備え、これらの表面が入力接続点と出力接続点との間で連続的に且つ電気的に接続され、これらの連続する２つの各表面が１つの導電部のみによって互いに接続されているデカップリングモジュールによって達成される。本発明においては、キャパシタの全表面が、複数の平行に配置された小さなキャパシタに分割され、これにより、デカップリング機能がかなり高められる一方で、個々のキャパシタンス（静電容量）の合計と同じ全キャパシタンスを有する１つのキャパシタに対する厄介な共振がキャンセルされる。
【００１２】
好適な実施形態においては、前記表面が長方形の表面であり、したがって、キャパシタには、長方形または正方形の電極が形成される。本発明の一実施形態において、高周波信号の伝搬方向と垂直な前記表面の寸法は、伝送特性が著しく変化しない高周波信号の伝播方向における前記表面の寸法の最大で２倍となり得ることが分かった。
【００１３】
前記表面が正方形または長方形である場合、２つの前記表面のそれぞれにおいて、第１の表面のエッジの長さは、第２の表面のエッジの長さの無理数の倍数であると、有益である。
【数３】
2005527165.tif 000005
ここで、
ａは、第１の表面のエッジ長さであり；
ｂは、第２の表面のエッジ長さであり；
ｍおよびｎは、自然数である。
【００１４】
これにより、２つのキャパシタから成る対が同じ周波数で共振することはなくなる。また、電極表面のエッジ長さは、幾何学的構成によって決まる共振ができる限り切り離されるように選択されなければならない。
【００１５】
通常、複数の前記表面は、誘電体層の利用可能な実装面上に配置される。この場合、前記表面の配置は、第２の金属層のサイズが最大となり、それにより、可能な最大のキャパシタ表面、したがって、可能な最大のキャパシタンスが利用可能となるように行なわれることが有益である。このことは、特に、入力接続点と出力接続点との間の最短経路がキャパシタ電極を形成する前記表面によって覆われることを意味するだけでなく、前記表面の配置が例えば蛇行していても良いことを意味している。利用可能な覆っている表面をこのように最大限に使い果たすため、キャパシタ電極においては、矩形状の表面が好ましいが、基本的に、本発明は、円形、楕円形、多角形等の形状を用いても機能する。
【００１６】
また、キャパシタ間の接続ラインおよびキャパシタ自体から生じる低周波共振（ＬＣ共振）は、その用途で切り離される必要がない周波数範囲で接続ラインの長さ及び幅を適切に選択することによりシフトすることができる。導電部のインダクタンスが高ければ高いほど、共振周波数は低くなる。
【００１７】
多くの用途においては、薄膜プロセスで前記層を誘電体によって形成できるということが、有利に使用され得る。薄膜プロセスにおいて、層厚は、少なくとも約５μｍである。それにもかかわらず、キャパシタンスが大きなキャパシタを実現するため、誘電体は、高い誘電率を有していなければならず、また、キャパシタ表面は、できる限り大きく選択されなければならない。誘電率が高いと、誘電体中に小さな波長が生じ、その結果、必要な大きなキャパシタ寸法により、比較的低い周波数で既に共振が生じる。本発明を用いると、薄膜プロセスにおいてもデカップリングキャパシタを製造することができ、そのため、デカップリングキャパシタを簡単に製造でき且つ多層スタックの一体性を高められるという利点を使用することができる。１０００以上の誘電率では、層厚は、約５μｍ〜約２０μｍの範囲内にあることが有益である。
【００１８】
本発明の更なる有利な実施形態においては、誘電体から成る更に別の層と、デカップリングモジュールの別のグラウンド電極として配置される第３の金属層とが、第２の金属層上に配置される。これにより、必要な同じ表面を用いても、２倍のキャパシタンスを利用することができる。
【００１９】
本発明は、ＬＴＣＣ技術（低温同時焼成セラミックス）にしたがって製造されても良い複数のセラミック層を備えた多層スタックに適用される。前記セラミック層のうちの少なくとも１つが誘電体から成る層であり、この誘電体層の一方側には、この誘電体層の全体または一部を覆う第１の金属層がグラウンド電極として堆積され、誘電体層の他方側には、サイズが異なる少なくとも２つの表面を有する第２の金属層が堆積され、前記表面は、入力接続点と出力接続点との間で互いに上下に重ねて電気的に配列され、一方、これらの連続する２つの各表面は、１つの導電部のみによって互いに接続されている。
【００２０】
本発明のこれらの態様および他の態様は、後述する実施形態から明らかであり、これらの実施形態を参照して前記態様を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１の部分図（ａ）は、薄膜プロセスで製造された１つのキャパシタを用いて形成されるデカップリングモジュールの平面図を示している。キャパシタの表面は４ｍｍ２であり、誘電体の層厚は１７μｍであり、誘電率εは１０００である。出力伝送を示す部分図（ｂ）から分かるように、発生する共振のうち、最初の共振が部分図（ｃ）の出力分布に対応しており、２番目の共振が部分図（ｄ）に示される出力分布に対応している。既に低いＧＨｚ範囲にある共振周波数においては、正方形のキャパシタ電極のエッジの長さは、高周波信号の半波長の倍数の範囲に及ぶ。このことは、以下のことを意味する。
【数４】
2005527165.tif 000006
ここで、
λは、多層スタック中での波長；
λ０は、空気中での波長；
εｅｆｆは、多層スタック中での平均／有効誘電率；
ｃ０は、空気中での光の速度；
ｆは、高周波信号の周波数；
ｍは、共振配列（１，２，３．．．）である。
【００２２】
これらの共振は、薄膜デカップリングモジュールにおいては重大である。なぜなら、キャパシタンスが同じ場合、薄膜デカップリングモジュールを用いた場合よりも大きくなるようにキャパシタ表面を選択して、プロセスで決まる大きな層厚を補償しなければならないからである。また、大きな層厚にもかかわらず十分なキャパシタンスを実現するために、高い誘電率を選択しなければならない。既に述べたように、この誘電率は、誘電体中に小さい波長を含んでおり、そのため、望ましくない共振を引き起こしてしまう。
【００２３】
図２および図３は、本発明にしたがってキャパシタの表面を細かく分割した例を示している。このように分割すると、デカップリング機能をかなり高めることができる。図２において、長方形のキャパシタ、例えば２２０，２２２は、連続的に且つ電気的に接続されており、一方、高周波信号の伝搬方向と垂直なキャパシタの長さは、伝送特性が著しく変化しない伝播方向における長さの２倍となるように選択することができる。その結果、最大で２倍大きいキャパシタンス値を得ることができる。接続ライン、例えば２２４を最も短く維持することができる。図３は、キャパシタ電極、例えば３２０，３２２の正方形の表面を有する電極構造を示している。一方、接続ライン、例えば３２４は、それらにとって望ましい共振周波数に適合するインダクタンスを有している。キャパシタ表面を入力接続点から出力接続点へと小さくする必要はかならずしもない。むしろ、表面の配列およびサイズを最適化して、利用可能な実装面を最大限に使用することができる。
【００２４】
図２および図３の構造は、連続する複数のキャパシタの平行な配列を規定している。その等価回路が図４に示されている。
【００２５】
図５の部分図（ａ）（ｂ）はそれぞれ、図３に示されるデカップリングモジュールにおける２．４ＧＨｚおよび４．８ＧＨｚの共振周波数での出力分布を示している。最初のキャパシタの共振に伴って、次のキャパシタは、未だ共振しておらず、デカップリングキャパシタとして機能し得ることが分かる。
【００２６】
図６は、１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの周波数範囲で厄介な共振がもはや生じない出力伝送のグラフ図である。
【００２７】
図７は、本発明に係るデカップリングモジュールの更なる実施形態を示している。層構造中、第１の金属層２０は、グラウンド電極として基板１０上に設けられている。この金属層上には、誘電体から成る第１の層３０と、誘電体から成る第２の層３２とが設けられている。層３０と層３２との間には、キャパシタ電極の表面配列を有する第２の金属層２２が存在する。これにより、キャパシタは、誘電体から成る第１の層３０および第１の金属層２０に対してだけでなく、誘電体から成る第２の層３２およびそれを覆うグラウンド電極として接続された第３の金属層２４に対しても接続される。図示の実施形態において、層構造は、更なる基板１２で終端する。
【００２８】
図８は、複数のセラミック層１４，１６，１８を備える多層スタックを図式的に示している。また、層１４と層１６との間には、誘電率が高い誘電体から成る層３０が配置されている。第１の金属層２０は、グラウンド電極として、誘電体から成る層３０の下面全体を覆っている。第２の金属層２２は、層３０を部分的にしか覆っておらず、そのため、デカップリングは、この第２の金属層２２によって規定される。誘電体層３０の残りの部分は、更なる機能構造のために利用できる。
【００２９】
本発明に係るデカップリング構造は、一体化して多層スタックにできるため、回路上に構成部品を個別に実装する必要がもはやない。そのため、組立コストおよびエラーの虞の両方を低減することができる。
【００３０】
本発明は、薄膜プロセスでデカップリングモジュールを製造できる可能性を示している。この場合、層厚を更に大きくすると、この種のデカップリングモジュールを更に高い電圧で利用することができる。数百ボルトになってようやく誘電場強度に達する。例えば、約１５μｍの層厚では、約３０Ｖ／μｍの誘電場強度が４５０ボルトの絶縁破壊電圧を引き起こす。
【００３１】
基本的に、本発明は、デカップリング機能のための複雑な薄膜プロセスを行なわずに済ませることができるようにする。しかしながら、薄膜デカップリングキャパシタの場合、高周波または高いキャパシタンス値においては、デカップリングキャパシタンス全体を複数の個々のキャパシタンスに分割する選択肢があっても良い。この場合、大きな寸法で幾何学的構成により決まる共振を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】部分図（ａ）は、１つのキャパシタとして配置されたデカップリングモジュールを示しており、部分図（ｂ）は、幾何学的構成により決まる共振を伴う出力伝送の表示を示しており、部分図（ｃ）は、１．８ＧＨｚの共振周波数における出力分布を示しており、部分図（ｄ）は、３．６ＧＨｚの共振周波数における出力分布を示している。
【図２】本発明に係るキャパシタ電極を形成する表面の第１の実施形態を示している。
【図３】本発明に係るキャパシタ電極を形成する表面の第２の実施形態を示している。
【図４】図２および図３に示される実施形態における等価回路を示している。
【図５】部分図（ａ）は、図３に示されるデカップリングモジュールの実施形態における２．４ＧＨｚの共振周波数での出力分布を示しており、部分図（ｂ）は、４．８ＧＨｚの共振周波数での出力分布を示している。
【図６】図３に示される実施形態に係るデカップリングモジュールを用いた出力伝送の表示を示している。
【図７】本発明に係る更に別のデカップリングモジュールの配置の概略的な表示を示している。
【図８】多層スタックにおける本発明に係るデカップリングモジュールの配置の概略的な表示を示している。
【符号の説明】
【００３３】
２２０，２２２  キャパシタ
２２４，３２４  接続ライン
３２０，３２２  キャパシタ電極
１０，１２  基板
１４，１６，１８  セラミック層
２０  第１の金属層
２２  第２の金属層
２４  第３の金属層
３０  第１の層
３２  第２の層
2005527165.tif 000007
【図１ｂ】
2005527165.tif 000008
【図１ｃ】
2005527165.tif 000009
【図１ｄ】
2005527165.tif 000010
【図２】
2005527165.tif 000011
【図３】
2005527165.tif 000012
【図４】
2005527165.tif 000013
【図５ａ】
2005527165.tif 000014
【図５ｂ】
2005527165.tif 000015
【図６】
2005527165.tif 000016
【図７】
2005527165.tif 000017
【図８】
2005527165.tif 000018
【国際調査報告】
2005527165.tif 000019
2005527165.tif 000020