(57)【要約】【課題】バランを実装したデバイスのサイズ増大を抑制しながら、バランの低周波数側の特性を改善することが可能なバラン実装デバイスを提供する。【解決手段】基板１０上に、２つの平衡信号伝送路２１，２２及び不平衡信号伝送路２３を有するバラン２０を備えたデバイス３０からなるバラン実装デバイスであって、デバイス３０の上面には、基板１０の面に垂直な方向から見て、少なくとも前記バラン２０の全体を含む範囲が磁性体層１４で覆われている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、２つの平衡信号伝送路及び不平衡信号伝送路を有するバランを備えたデバイスからなるバラン実装デバイスであって、
前記デバイスの上面には、前記基板の面に垂直な方向から見て、少なくとも前記バランの全体を含む範囲が磁性体層で覆われていることを特徴とするバラン実装デバイス。
【請求項２】
前記磁性体層を構成する磁性体は、５００ＭＨｚ以上の信号周波数に対する比透磁率が３以上であることを特徴とする請求項１に記載のバラン実装デバイス。
【請求項３】
前記デバイスは、第１の基板と、前記第１の基板の一方の面上に形成された第１絶縁樹脂層と、前記第１絶縁樹脂層上に設けられた第１配線層と、前記第１配線層および第１絶縁樹脂層上に形成された第２絶縁樹脂層と、前記第２絶縁樹脂層上に設けられた第２配線層とを少なくとも備え、前記第１配線層または前記第２配線層の一方は、電気的に独立して設けられた前記２つの平衡信号伝送路を含み、前記第１配線層または前記第２配線層の他方は、前記不平衡信号伝送路を含み、前記２つの平衡信号伝送路および前記不平衡信号伝送路が、前記第２絶縁樹脂層を介して対向することで前記バランを構成しており、
前記磁性体層が前記第２配線層および第２絶縁樹脂層の上に直接積層され、または、前記磁性体層が前記第２配線層および第２絶縁樹脂層の上に形成された第３絶縁樹脂層の上に積層されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバラン実装デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線回路等に用いられるバラン（バランストランス・不平衡−平衡変換器）が基板上に実装されてなる、バラン実装デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
バランは、２つの平衡信号伝送路と１つの不平衡信号伝送路とを備え、不平衡信号伝送路は、一端が不平衡信号入出力端、他端が開放端となり、２つの平衡信号伝送路は、一端が平衡信号出入力端、他端が接地端となった構造を備える。この種のバランは、２つの平衡信号出入力端から平衡信号（差動信号）が入力されたときには、平衡信号伝送路から不平衡信号伝送路への電磁結合により、平衡信号を不平衡信号（単一信号）に変換して不平衡信号入出力端から不平衡信号を出力し、逆に不平衡信号入出力端から不平衡信号を入力したときには、不平衡信号伝送路から平衡信号伝送路への電磁結合により、不平衡信号を平衡信号に変換して２つの平衡信号出入力端から平衡信号を出力する。
【０００３】
バランの２つの平衡信号伝送路の配線長は、動作周波数ｆにおいて、波長をλとして、約λ／４である。ｆとλとの関係は、信号の伝送速度をｖとして、ｖ＝ｆλで表されることより、周波数が高いほど配線長が短くなり、周波数が低いほど配線長が長くなることが分かる。すなわち、所望の動作周波数が低い周波数である場合、配線長が長くなることになる。しかしながら配線長が長くなると、それに伴って導体損失が増加し、またサイズが大きくなるという問題がある。
【０００４】
特許文献１には、低周波側の特性を改善して超広帯域化を実現することを目的として、バラン部におけるストリップラインの長さを基本設定値であるλ／４よりも短くして中心周波数を高域側にシフトさせ、かつ、ハイパスフィルタで構成した整合回路により低域側の帯域を広げることで全体として低い挿入損失である帯域を広くする発明が開示されている。
【０００５】
従来、磁性材料は、１００ＭＨｚを超える周波数領域になると、比透磁率（単に透磁率ともいう。）が真空中と同じ１に低下していた（非特許文献１〜２参照）と言われるように、ＧＨｚ帯では磁性体の透磁率が著しく低下するという問題があった。しかしながら、近年、ＧＨｚ帯でも高い透磁率を有する磁性体の開発が盛んであり（非特許文献３〜６参照）、比透磁率２０を達成する磁性材料も市販されてきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０４２８６０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】前川慎光、“５０年前のアイデアが今結実、磁性ナノ粒子でアンテナを小型化”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２１年６月１６日、ＥＥＴＩＭＥＳ  Ｊａｐａｎ、［平成２１年１０月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：  ｈｔｔｐ：／／ｅｅｔｉｍｅｓ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／２３０８２＞
【非特許文献２】“住友大阪セメントと東北大学は磁性誘電体材料の共同開発に成功”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２１年２月１２日、住友大阪セメント株式会社、［平成２１年１０月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｏｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｎｅｗｓ／ｐｄｆ／０９０２１２ｎｅｗｓ．ｐｄｆ＞
【非特許文献３】“超高周波・マイクロ波デバイスの開発”、［ｏｎｌｉｎｅ］、東京工業大学  阿部・中川（貴）研究室、［平成２１年１０月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｅ．ｔｉｔｅｃｈ．ａｃ．ｊｐ／ＡｂｅＬａｂ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｍｇ＿ｄｅｖｉｃｅ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献４】“高周波ナノ粒子材料”、［ｏｎｌｉｎｅ］、東北大学  高橋研究室、［平成２１年１０月２７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：  ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔａｋａｈａｓｈｉ．ｅｃｅｉ．ｔｏｈｏｋｕ．ａｃ．ｊｐ／ｄｏｃｓ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｈｉｇｈｆｒｅｑ．ｈｔｍｌ＞
【非特許文献５】Ｙｕｔａｋａ  Ｓｈｉｍａｄａら、“Ｇｒａｎｕｌａｒ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍｓ  Ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  ＲＦ  Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ”、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、平成１５年９月、第３９巻、第５号、ｐ．３０５２−３０５６
【非特許文献６】Ｙａｓｕｓｈｉ  Ｓｈｉｒａｋａｔａら、“Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  Ｌｏｗ  Ｌｏｓｓ  Ｎｉ―Ｆｅ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  Ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、平成２０年９月、第４４巻、第９号、ｐ．２１００−２１０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された発明には、次のような問題がある。
（１）バランにハイパスフィルタを装着するので、デバイス全体のサイズが大きくなる。
（２）バランにハイパスフィルタを装着するので、導体損失が増加する。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バランを実装したデバイスのサイズ増大を抑制しながら、バランの低周波数側の特性を改善することが可能なバラン実装デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は、基板上に、２つの平衡信号伝送路及び不平衡信号伝送路を有するバランを備えたデバイスからなるバラン実装デバイスであって、前記デバイスの上面には、前記基板の面に垂直な方向から見て、少なくとも前記バランの全体を含む範囲が磁性体層で覆われていることを特徴とするバラン実装デバイスを提供する。
【００１１】
前記磁性体層を構成する磁性体は、５００ＭＨｚ以上の信号周波数に対する比透磁率が３以上であることが好ましい。
前記デバイスは、第１の基板と、前記第１の基板の一方の面上に形成された第１絶縁樹脂層と、前記第１絶縁樹脂層上に設けられた第１配線層と、前記第１配線層および第１絶縁樹脂層上に形成された第２絶縁樹脂層と、前記第２絶縁樹脂層上に設けられた第２配線層とを少なくとも備え、前記第１配線層または前記第２配線層の一方は、電気的に独立して設けられた前記２つの平衡信号伝送路を含み、前記第１配線層または前記第２配線層の他方は、前記不平衡信号伝送路を含み、前記２つの平衡信号伝送路および前記不平衡信号伝送路が、前記第２絶縁樹脂層を介して対向することで前記バランを構成しており、前記磁性体層が前記第２配線層および第２絶縁樹脂層の上に直接積層されている、または、前記磁性体層が前記第２配線層および第２絶縁樹脂層の上に形成された第３絶縁樹脂層の上に積層されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、デバイスに設けられた磁性体層が前記バランに対して近接ないしは密着することにより、低周波数側（例えば平衡信号伝送路の長さをλ／４としたときの波長λに対応する周波数ｆを基準として）の帯域における特性を改善する（例えば通過特性においてＳ２１が増加し、反射特性においてＳ１１が最小を示す周波数が前記基準周波数ｆより低周波数側にシフトする）ことにより、バランを実装したデバイスのサイズ増大を抑制しながら、バランの低周波数側の特性を改善することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のバラン実装デバイスの第１例の概略を示す模式的断面図である。
【図２】本発明のバラン実装デバイスの第２例の概略を示す模式的断面図である。
【図３】バランの構成を示す部分的回路図である。
【図４】磁性材料を設けた場合と設けない場合とを比較したＳ２１の特性を示すグラフである。
【図５】磁性材料を設けた場合と設けない場合とを比較したＳ１１の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１〜３は、本形態例に係るバラン実装デバイスの説明図である。なお、これらの図面は模式的なものであって、大きさや縦横比率は、実際とは異なる場合がある。
【００１５】
本形態例のバラン実装デバイス３０，３１は、２つの平衡信号伝送路２１，２２及び不平衡信号伝送路２３を有するバラン２０を備えたデバイスであって、その上面には、基板１０の面に垂直な方向（図１及び図２の上下方向）から見て、少なくとも、バラン２０の全体を含む範囲が、磁性体層１４で覆われたものである。
なお、本形態例ではデバイス３０，３１が一組のバラン２０を備えた例を示すが、本発明において、１つのデバイスが２以上のバランを備えることも可能である。
【００１６】
本形態例において、磁性体層１４は、バラン２０の伝送路を伝送される信号の電磁界が及ぶ範囲に含まれるように、バラン２０に対して近接ないしは密着するように配される。これにより、バランを実装したデバイスのサイズ増大を抑制しながら、バランの低周波数側の特性を改善することが可能になる。
この磁性体層１４による効果は、バラン２０における信号が伝わる媒質の比透磁率μ（真空中の透磁率との比で、単に透磁率ともいう。）がμ＞１の範囲内で、磁性体層１４の透磁率が寄与することにより増大し、該媒質中の波長λｇが短縮するためと考えられる。
なお、真空中の波長λ０に対し、誘電率ε、透磁率μの媒質中の波長λｇは、λｇ＝λ０／（√ε×√μ）で表される。
【００１７】
磁性体層１４は、バラン２０の配線により近く配置するほど、より大きな効果を発揮する。バラン２０においては、少なくとも平衡信号伝送路２１，２２と不平衡信号伝送路２３との間では伝送信号の電磁界が相互に結合し得ることを考慮すれば、例えば、磁性体層１４までの距離が、平衡信号伝送路２１，２２と不平衡信号伝送路２３との距離を基準として、それと同程度またはそれ以下となるようにすることが好ましい。
【００１８】
なお、本形態例では、平衡信号伝送路２１，２２が基板１０側、不平衡信号伝送路２３が磁性体層１４側となるように積層されているが、その反対に、不平衡信号伝送路２３が基板１０側、平衡信号伝送路２１，２２が磁性体層１４側となるように積層することも可能である。また、平衡信号伝送路２１，２２及び不平衡信号伝送路２３がともに基板１０の面に平行な同一面内に配され、平衡信号伝送路２１，２２から磁性体層１４までの距離と、不平衡信号伝送路２３から磁性体層１４までの距離とが、互いに等しくされていても良い。
【００１９】
図３に示すように、バラン２０の第１平衡信号伝送路２１は、一端を第１平衡信号出入力端２１ａとし、他端を第１接地端２１ｂとする。同様に、第２平衡信号伝送路２２は、一端を第２平衡信号出入力端２２ａとし、他端を第２接地端２２ｂとする。不平衡信号伝送路２３は、一端を不平衡信号入出力端２３ａとし、他端を開放端２３ｂとする。平衡信号伝送路２１，２２の平衡信号出入力端２１ａ，２２ａは、それぞれ対をなして設けられた平衡信号用端子２４，２４に接続されている。また、不平衡信号伝送路２３の不平衡信号入出力端２３ａは、不平衡信号用端子２５に接続されている。
【００２０】
図１に示すデバイス３０は、デバイス３０の基板である基板１０と、基板１０の一方の面（図１では上面）上に形成された第１絶縁層１１と、第１絶縁層１１上に設けられた２つの平衡信号伝送路２１，２２を含む第１配線層（符号略）と、第１配線層および第１絶縁層１１の上に形成された第２絶縁層１２と、第２絶縁層１２上において２つの平衡信号伝送路２１，２２に対向して設けられた不平衡信号伝送路２３を含む第２配線層（符号略）と、第２配線層および第２絶縁層１２の上に形成された磁性体層１４を備える。
この場合、磁性体層１４は、バラン２０の一方の伝送路２３に密着し、その上面及び両側面を覆うことになる。
磁性体層１４の覆う範囲は、バラン２０全体を十分に覆う程度であれば良く、必ずしも第２配線層および第２絶縁層１２の上の全面を覆う必要はないが、磁性体層１４が密着する一方の伝送路２３とともに、第２絶縁層１２を介して他方の伝送路２１，２２を十分に覆うため、少なくとも、第２絶縁層１２上で一方の伝送路２３の周囲からある程度まで磁性体層１４を広げて設けることが好ましい。
【００２１】
また、図２に示すデバイス３１は、デバイス３１の基板である基板１０と、基板１０の一方の面（図２では上面）上に形成された第１絶縁層１１と、第１絶縁層１１上に設けられた２つの平衡信号伝送路２１，２２を含む第１配線層（符号略）と、第１配線層および第１絶縁層１１の上に形成された第２絶縁層１２と、第２絶縁層１２上において２つの平衡信号伝送路２１，２２に対向して設けられた不平衡信号伝送路２３を含む第２配線層（符号略）と、第２配線層および第２絶縁層１２の上に形成された第３絶縁層１３と、第３絶縁層１３の上に形成された磁性体層１４を備える。
この場合、磁性体層１４は、第３絶縁層１３の厚さに相当する距離を介して、バラン２０の一方の伝送路２３に近接することになる。
【００２２】
基板１０としては、例えばシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板や、ガラス基板などの絶縁性基板が挙げられる。半導体基板の場合、集積回路（ＩＣ）等の回路を作り込んで、種々の機能を実現することが可能である。
【００２３】
絶縁層１１，１２，１３を構成する絶縁体は例えば絶縁性樹脂であり、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、感光性樹脂（光硬化性樹脂）等の中から適宜選択して用いることが可能である。該絶縁性樹脂としては、ポリイミド樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂（ポリ四フッ化エチレン等）、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂などが挙げられる。また、絶縁層１１，１２，１３のうちの１層または２層以上（一部または全部）を、後述する磁性体層１４の磁性体・樹脂複合材料で構成することもできる。
第３絶縁層１３が磁性体でない場合、第３絶縁層１３の厚さは、磁性体層１４とバラン２０の伝送路との距離に相当するので、なるべく薄く（例えば５０μｍ以下、さらには１０μｍ以下）することが好ましい。
【００２４】
デバイス３０，３１を製造する方法は、ウエハーレベルパッケージ（ＷＬＰ）技術により基板側から順に絶縁層と配線層とを交互に形成する方法のほか、複数の絶縁層を別々に形成して、バランを構成する配線層とともに積層する方法などが挙げられる。ＷＬＰ技術による場合、配線層などのパターニングには、フォトリソグラフィー技術を利用することも可能である。
【００２５】
デバイス３０，３１において、２つの平衡信号伝送路２１，２２および不平衡信号伝送路２３は、第２絶縁層１２を介して対向することでバラン２０を構成している。これらの伝送路２１，２２，２３は、例えば銅めっき等のめっき金属などから構成することができる。
平衡信号伝送路２１，２２は、第１平衡信号伝送路２１および第２平衡信号伝送路２２からなり、これら２つの平衡信号伝送路２１，２２が電気的に互いに独立して設けられている。
バラン２０の各伝送路の平面形状は特に限定されるものではなく、平面スパイラル、ミアンダ状、直線状等が挙げられる。伝送路長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の長さと基板１０上における占有面積との関係などに応じ、所望の形状を採用することが可能である。
【００２６】
デバイス３０，３１は、実装基板（図示せず）の上に実装して用いることもできる。実装基板の構成は、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）やリジッドプリント基板等が挙げられる。実装基板用の絶縁性基板としては、ガラスエポキシ基板、ガラスコンポジット基板、紙エポキシ基板、ポリ四フッ化エチレン、アルミナ基板等、種々の絶縁性基板を用いることができる。
【００２７】
前記実装基板は、はんだバンプやワイヤ等を介してデバイス３０，３１側の配線と接続することが可能な配線部を備えても良い。デバイス３０，３１内の配線をデバイス３０，３１外に引き出す（電気的導通を取る）方法としては、例えば基板１０や絶縁層１１，１２，１３の適宜の位置に開口部を設けて、貫通電極やビアなどを設ける方法が挙げられる。
また、バラン２０は、デバイス３０，３１の内部に、外部（例えば上述の実装基板側において接地された配線部）と導通されることによってＧＮＤ電位に維持され、基板１０の面に平行なＧＮＤ(int)層を備え、バラン２０の接地端２１ｂ、２２ｂがＧＮＤ(int)層と接続された形態としても良い。このＧＮＤ(int)層（内部接地層）をデバイス３０，３１の外部と導通する方法としては、例えば上述の貫通電極やビアなどを設ける方法等が挙げられる。ＧＮＤ(int)層は、例えば基板１０とバラン２０との間に設けても良い。
【００２８】
磁性体層１４を構成する磁性体は、少なくともμ＞１である（常磁性体、フェリ磁性体、強磁性体など磁化率が正の値である）ことが必要である。なお、従来用いられる誘電体は、シリカ、アルミナ、ポリイミド、エポキシ等の非磁性体（つまり、μ≦１）である。
さらには、使用する周波数帯域において必要な透磁率が得られる磁性体を用いることが望ましい。このような磁性体としては、非特許文献３〜６に記載されているように、ナノ粒子化した磁性材料を樹脂などの誘電体に分散して、磁気損失を低減した複合材料が利用でき、例えば５００ＭＨｚ以上の信号周波数に対する比透磁率が３以上であるものが挙げられる。
前記ナノ粒子化した磁性材料には、Ｎｉ―Ｆｅ合金、フェライト、Ｆｅ―Ａｌ―Ｏ複酸化物等、種々の磁性材料を用いることができる。
【００２９】
このような磁性体層１４をバラン２０に対して近接ないしは密着させることにより、低周波数側（例えば平衡信号伝送路の長さをλ／４としたときの波長λに対応する周波数ｆを基準として）の帯域における特性を改善することができる。例えば下記の実施例に例示されるように、通過特性においてＳ２１が増加し、反射特性においてＳ１１が最小を示す周波数が周波数ｆより低周波数側にシフトする。これにより、基準周波数ｆ付近のみならず、それより低周波数側までのより広い周波数範囲においてバランを動作させたときの特性が改善され、バランを実装したデバイスのサイズ増大を抑制しながら、バランの低周波数側の特性を改善することが可能になる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
図４及び図５は、バランの上部（片側）に一面の磁性材料からなる磁性体層を配した本発明のシミュレーションによる実施例（シミュレーション例）と、磁性材料を配していない従来例を対比するため、挿入損失をシミュレートした結果を示すグラフである。図４が透過損失特性、図５が反射損失特性を示す。
本発明の実施例では、磁性材料の比透磁率の値として２０を用いた。
【００３１】
上記実施例と従来例とは、磁性材料の有無を除いては、同一の構造を有する。つまり、バランの平衡信号伝送路の長さをλ／４としたときの波長λに対応する基準となる周波数ｆは、図５に示す従来例のＳ１１が最小を示す周波数（約２．３４ＧＨｚ）に相当し、磁性材料を配した本発明の実施例の場合も、バランの伝送路長は約２．３４ＧＨｚのλ／４となる長さに設定されている。
【００３２】
図４に示すように、上記基準周波数より低周波側でのＳ２１の値を例示すると、例えば１．９１９ＧＨｚにおいては、従来例では−１．４８２ｄＢであるのに対し、本発明の実施例では−１．１２４ｄＢとなり、挿入損失に約０．３６ｄＢの改善が見られる。また、１．５５８ＧＨｚにおいては、従来例では−２．３２５ｄＢであるのに対し、本発明の実施例では−１．５８８ｄＢとなり、約０．７４ｄＢの改善が見られる。
【００３３】
図５に示すように、本発明の実施例においてＳ１１が最小となる周波数は、約１．９６ＧＨｚとなった。つまり、該周波数は、上記基準周波数に比べて、低周波数側に約０．３８ＧＨｚシフト（移動）したことになる。
【００３４】
以上の結果から、上記本発明の実施例においては、バランの上部に磁性体層を近接させることにより、信号波長短縮の効果を生じさせているものと考えられる。したがって、低周波側の特性（損失）を改善し、挿入損失のグラフの低周波側の端における立ち上がり（Ｓ２１が正方向に大きくなる位置のグラフ形状）を急峻にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、種々の高周波回路に用いることができる。例えば、携帯電話、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＷｉＭＡＸ（登録商標）、準ミリ波、ミリ波通信等の無線通信機器を構成する回路に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
Ｌ１，Ｌ２…平衡信号伝送路の配線長（伝送路長）、Ｌ３…不平衡信号伝送路の配線長（伝送路長）、１０…基板（デバイスの基板）、１１…第１絶縁層（第１絶縁樹脂層）、１２…第２絶縁層（第２絶縁樹脂層）、１３…第３絶縁層（第３絶縁樹脂層）、２０…バラン、２１，２２…２つの平衡信号伝送路、２３…不平衡信号伝送路、３０，３１…デバイス（バラン実装デバイス）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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