專利名稱：高密度應用中的分布電容器的制作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及高密度應用，更具體地說涉及一個便于在各種電路、諸如發送器及其它射頻電路中的阻抗匹配的分布電容器。
背景技術：
有各種執行阻抗匹配的方法，而且這些方法具有不同的性能特征、物理空間要求和相關費用或者經濟方面的考慮。例如，可以使用諸如電容器和電感器的集總部件，但是它們趨向于產生在非常有限帶寬或者頻率范圍上的適當阻抗匹配、要求組裝和物理空間、而且在費用敏感的應用，諸如蜂窩電話中可能是一個問題。使用帶狀線和微帶狀線的分布式網絡可以用來解決帶寬問題。如果這些分布式網絡在傳統的襯底、諸如FR-4印刷電路板上構造，會減少或者消除正常的裝配成本，但是在空間敏感的應用、諸如類似于蜂窩手機等等的便攜式設備中，它們要求比相對于在所關心頻率處可得到的區域更大的物理區域。能夠使用單獨分布的單元但是費用和空間可能仍然是個問題。顯而易見存在有對高效空間和成本并且證明有適當性能特征的分布式電容器的要求。
其中類似參考數字涉及遍及各個視圖的相同或者功能上相似的單元，而且連同在下面詳細說明的附圖被并入而且成為說明書的一部分，用來依據本發明進一步說明各種實施例以及說明所有各種原理和優點。
圖1描述了一個發送器的示例框圖，該發送器具有一個使用分布網絡的阻抗匹配布置；圖2描述了一個使用分布電容器用于連接一個源極到一個負載的通用阻抗匹配電路；圖3描述了顯示它的結構的一個分布電容器的側視圖；圖4和圖5說明了用于圖3中的分布電容器的各個實施例的模擬結果；以及圖6到圖9顯示了用于圖3中的分布電容器的各個實施例的俯視圖。
最佳實施例的詳細說明概述來說，當前公開涉及高密度應用，而且尤其涉及一個分布電容器以及它的應用，該應用適合于用于在其中保險費用在靈活性、性能、成本和空間的一個或者所有之上的地方使用的高密度匹配網絡。這樣的應用在諸如當前和下一代蜂窩電話或者用戶設備的便攜式設備中找到，這些蜂窩電話或者設備在840兆赫以及上面處進行操作而且特別著重于1.6千兆赫及上面。
如在下面進一步討論的那樣，各個發明原理和它們的組合被有利地使用來構造和提供一個適合于在印刷電路襯底上布置的分布電容器，這些印刷電路襯底包含印刷電路板或者基于半導體襯底，諸如硅、砷化鎵、氮化鎵、其他混合半導體、或者諸如二氧化硅或者藍寶石之類的在其上生長或者連接半導體的材料等。如果使用了這些原理或它們的等效物，分布電容器具有與眾不同的和令人驚奇的靈活性、尺寸和成本優點、以及用于帶寬、回波損耗等的適當性能指標。
提供了直接的公開來以一種允許方式進一步說明依據本發明構造和使用各個實施例的最佳方式。這個公開進一步提供了對發明原理和它的優點的理解和評價，而不是以在任何方式限制本發明。本發明僅僅由包括在這個申請代決期間提出的任何修正在內的附加權利要求和發布的那些權利要求的所有等效所定義。
要進一步理解諸如第一和第二、頂端和底部等等的關系項的使用，即使有的話，也僅僅被使用來區分一個實體或者動作和另一個實體或者動作，而不用必須要求或者暗示在這樣的實體或者動作之間任何實際的這樣關系或者次序。
本發明的大部分功能和許多發明原理最好用或者或多或少在傳統的印刷電路板處理技術或者半導體加工工藝中實現。可以期望一個普通的技術人員，盡管由(例如)有效時間、當前技術、以及經濟方面的考慮啟發的可能有效努力和許多設計選擇，當由在此公開的概念和原理引導時，將能夠容易地用最少的實驗生成和使用這樣的印刷電路板處理過程技術或者半導體或者硅處理過程。因此，為了簡化和最小化模糊依據本發明的原理和概念的任何風險，這樣的處理或者處理過程的進一步討論，如果有的話，將限于相對于由最佳實施例使用的原理和概念的實質。
參見圖1，將討論和描述一個發送器的示例框圖，該發送器具有一個使用分布式網絡的阻抗匹配布置。圖1顯示了一個用于放大可在終端109得到的信號并且驅動一個具有預定阻抗ZA的天線網絡107的射頻功率放大器101。特別感興趣的功率放大器是適合于在蜂窩設備或者手機中使用的那些，但是討論和描述的概念和原理對于其他數量級為一到十瓦、具有低到中等功率輸出級別的應用是有用的。所關心的頻率范圍是840MHz及其之上，并把特定的考慮給于1.6GHz到2.4GHz，而且在此的大部分具體討論集中于1.8GHz或者GSM(全球數字移動電話系統)GSM波段。
功率放大器包含一個具有復數(幅值和角度)輸出阻抗ZO的功率放大級103或者模塊，其在終端211處提供一個放大信號。功率放大器可以適當的形式從諸如Motorola或者RF Micro Devices的各個生產商得到。此外功率放大器包含在印刷電路襯底上配置的阻抗匹配電路105，該襯底包含，例如印刷電路板或者基于硅或者半導體的襯底。阻抗匹配電路105在211處與放大的信號相連并且提供了一個是用于放大的信號的功率放大級的復數輸出阻抗ZO的復共軛(Z*表示Z的復共軛)的輸入阻抗。雖然天線阻抗實質上在許多應用中可以不同，但是實際上輸入阻抗可以具有一個數量級為1歐姆的幅值而且輸出阻抗具有數量級為50歐姆天線的輸出阻抗。
阻抗匹配電路，如將在下面參考圖3更詳細討論的那樣，進一步包含一個充當傳輸線路而布置和構造的分布電容器，該傳輸線路包括配置在印刷電路襯底上的第一導電層、配置在第一導電層上并且具有一個厚度的絕緣材料層，其中該絕緣材料具有比印刷電路襯底的介電常數大過五倍的介電常數；以及在絕緣材料層上配置的第二導電層。第二導電層具有被選擇超過用于放大信號的波長的百分之十的第二長度，以及被選擇以便阻抗匹配電路作為在所關心頻率處的傳輸線路進行操作的第二寬度。第二導電層包括一個與放大信號相連的第一末端以及由第一末端分隔的第二末端的第二長度，其中第二末端在輸出終端113處與天線網絡107相連，并且提供了一個是天線網絡的預定阻抗ZA的復共軛的輸出阻抗。
要注意到大多數功率放大級的輸出應當通過沒有特別顯示的諧波濾波器。諧波濾波器可以是阻抗匹配電路的一部分，或者天線網絡107的一部分。還要注意到通常構造從天線經由一個射頻開關或者雙工器(diplexor)到接收器的連接，而且這樣的連接可以是天線網絡的一部分。此外還要注意到具有將要被放大的輸入信號、在終端109處到功率放大級的輸入通常還來自另一個沒有顯示的放大級，而且這些級通常將要求一個阻抗匹配電路。這可以是另一個類似于電路105的阻抗匹配電路，當然具有不同的輸入和輸出阻抗。這個通常情況如圖2所示。
參見圖2，將討論和描述一個使用分布電容器205用于連接源209到負載211的通用阻抗匹配電路201。圖2顯示了一個適合于高密度集成應用以及可操作用于把源阻抗和負載阻抗匹配的阻抗匹配電路201。該匹配電路包含一個提供輸入阻抗217的輸入端203，該輸入阻抗217是預定源阻抗ZS215的復共軛，而源阻抗ZS用于一個具有預定頻率f的信號213。進一步包括的是在印刷電路襯底上配置分布電容器205，該印刷電路襯底包含印刷電路板或者基于半導體的襯底。
圖2迄今為止已經用來描述一個單端匹配電路。圖2還可以描述通過半條線路表示技術的差動匹配電路。在差動半條線路(thedifferential half-circuit)的情況中，在203和207處的信號表示不同的模擬信號，其由兩個具有相等振幅和相反相位的共模信號物理體現。在差動半條線路的情況中，接地連接206表示一個虛地，沒有物理上的體現。
如在下面進一步討論的那樣，分布電容器進一步包含配置在印刷電路襯底上的第一導電層、配置在第一導電層上并且具有一個厚度的絕緣材料層，該絕緣材料具有超過印刷電路襯底的介電常數五倍的介電常數；以及一個在絕緣材料層上配置的第二導電層，該第二導電層具有一個被選擇超過用于具有預定頻率的信號的波長百分之十的第二長度，以及一個被選擇以便該分布電容器作為傳輸線路進行操作的第二寬度。第二導電層包括與輸入端203相連的第一末端以及由第二長度分隔的第二末端；以及和第二末端相連的輸出終端207，其為具有預定頻率的信號提供了是預定負載阻抗ZL221的復共軛的一個輸出阻抗。這個通用阻抗匹配電路將在許多射頻應用中具有寬闊的應用，這些應用包含例如接收器前端或者放大器以及到混合器的匹配等等。
參見圖3，將討論和描述顯示來自圖2的分布電容器205的結構的它的側面圖。圖3描述了適用于高密度集成應用分布電容器205，其中許多集總部件可以嵌入到襯底表層的下面。這具有許多優點，諸如幾乎沒有使用表面面積，不要求組合時間，以及低的材料成本。分布電容器205包含一個印刷電路襯底303，諸如印刷電路板，或者具有描述的印刷電路板的基于半導體的襯底。印刷電路板包含一個基于多層FR-4玻璃鋼板的結構，其具有多個銅箔玻璃鋼板夾層，這是本領域普通技術人員知名而且廣泛使用的。
分布電容器205進一步包含配置在印刷電路襯底上的第一導電層305。這個導電層305依據標準印刷電路板技術層壓和刻圖(pattren)，并且將被包含在襯底的兩側。有可能使用例如用于電阻等的聚合物厚膜材料在導電層305中或者在它們上制造附加的無源部件。進一步包含的是配置在導電層305上的絕緣材料307層并且具有長度、寬度(在這個框圖中沒有顯示)、以及厚度308。典型的厚度大約為2/1000英寸或者2mil。絕緣材料被選擇為具有超過印刷電路襯底的介電常數五倍的介電常數。例如，對于FR4印刷電路板襯底，相對介電常數大約為4.3，可用的絕緣材料具有相對介電常數20到100或更多。
該分布電容還可以利用這樣的高介質層的使用而構造，其中該高介質層被插入到多層襯底中或者配置在第一導電層上的，即長度和寬度是這樣以便他實質上覆蓋全部印刷電路襯底。多層襯底的示例為FR4印刷電路板和低溫共燒陶器(LTCC)多層陶器。
分布電容器205進一步包含第二導電層309，其最好包含厚度為1/1000英寸數量級的銅或者基于銅的材料或者其他導電材料，其配置在絕緣材料層307上并且具有被選擇以便分布電容器作為傳輸線路操作的第二長度311和第二寬度(沒有顯示)。更可取地是，第二長度被選擇為超過和第二導電層相連的信號的波長百分之十，以便因此確保作為一條傳輸線路進行操作。分布電容器進一步包含用于往返于第二導電層連接信號的終端，該終端終端進一步包含靠近第二導電層309的第一末端314配置的第一終端313以及靠近第二導電層的第二末端316配置的第二終端315，第一末端和第二末端通過第二長度311分隔。要注意到有可能分布電容器具有第一導電層和第二導電層在第二導電層的第二末端316處短接在一起，其中該分布電容器表現出短路傳輸線的特性。
分布電容器更可取地是進一步包含另一層的第二絕緣材料317，其配置在給出的第二導電層上，如果沒有第二導電層的話，則配置在第一導電層上。這個介質層317配置在印刷電路板襯底的兩側上，而且在印刷電路板制造領域是已知的。用于諸如被稱為J-HDI-1的非可照片成像環氧材料的典型材料的相對介電常數大約為3.3，這些材料經由絲網印刷應用或者作為覆蓋諸如銅箔之類的導電箔的樹脂應用，非光致可成像環氧材料可以從諸如Allied Signal、Polyclad、和Mitsui的生產商獲得。分布電容器更可取地是進一步包含一般使用激光器形成的通道或者微通道(micro ria)319，其通過另一層絕緣材料并且用諸如銅等等的導電材料填充，而且被配置為在靠近第二導電層309的第一末端314連接它并且適用于往返于第二導電層連接信號。
分布電容器進一步包含一個配置在另一絕緣材料層上的構圖導電層321，其中該構圖導電材料包含一個連接填充通道319的導電軌道，以提供一個用于往返于第二導電層連接信號的終端322。要注意到，該成型導電層321可以產生作為被用來提供第二絕緣材料317的另一層的、上述樹脂覆蓋箔的箔部分。
該分布電容器可以進一步包含第二通道323，其如描述的那樣，其通過另一絕緣材料層317，用導電材料填充，而且被配置為在靠近它的第二末端316處連接第二導電層，而且其中該構圖導電材料包含第二導電軌道，其連接第二通道以提供第二終端324用于往返于第二導電層連接信號。分布電容器被制造，第二導電層的第二311長度311和第二寬度(參見圖6-9)以及絕緣材料的厚度308被選擇為為一個具有大于800MHz的頻率并且如我們將參考圖4和5討論的那樣具有1.8GHz中心頻率的信號提供預定的阻抗輸入或者輸出。
利用第一導電層305大致象第二導電層309那些構圖的規定(stipulation)，差動模式匹配電路還可以依據圖3進行描述。連接第一導電層305到成型外層321所需要的特征沒有在圖3中顯示，但是能夠以類似于顯示的、用于連接第二導電層309到成型外層321的方式提供。
給定這個結構，該分布電容器可以被布置為其中第二導電層在一個具有矩形和曲線形狀中的一個的布局中配置，或者其中第二寬度是統一寬度、階躍寬度、和遞減寬度中的一個。最佳絕緣材料為諸如來自Ciba的Probelec 7081之類的陶瓷填充的照片絕緣材料、BaTiO3陶瓷合成物填充的絕緣體，它們取決于使用的陶瓷合成物的比率，具有20到40的表現相對介電常數。這些填充的照片絕緣材料可以使用屏幕涂層或者網屏處理應用于襯底。其它已經被使用的材料為PLZT陶瓷合成物(Pb0.85La0.15(Zr0.52Ti0.48)0.96O3)，其在鍍鎳導電或者銅箔上化學沉積然后層壓到一個FR4印刷電路板襯底上。這已經表現出超過100的相對介電常數，其中該介電常數可以基于PLZT陶瓷合成物的百分比進行實驗調整。第二絕緣材料可以進一步包含如上所述的非光致可成像環氧樹脂(non photo imageable epoxy material)，或者樹脂覆蓋銅箔非光致可成像環氧樹脂材料。
參見圖4和圖5，將討論和描述用于圖3分布電容器的各個實施例的模擬結果的說明。圖4描述了用于分布電容器的模擬結果，該分布電容器使用一個具有相對介電常數50和2/1000英寸厚度的絕緣材料。這些模擬使用可以從Agilent Technologies獲得的Advanced DesignSystems工具開發。1.5-j1.5的任意源阻抗被假定為用戶發送器設備或者級的典型源阻抗，而且這和50歐姆的天線阻抗匹配。
在實驗上確定9.2mil寬度和240mil長度是適當的。要注意到這與用于相對介電常數4(大約為用于FR4印刷電路板襯底的恒值)的40.6mil寬以及753mil長相比具有優勢。如能夠看到的那樣，ml401在史密斯圓圖403上定義了在1.8GHZ處的一個點(標準化為1.5+j1.5的期望阻抗)或者非常接近源阻抗1.5-j1.5的復共軛。這個圖表從1.3GHz405變化到2.3GHz407。頻率響應圖形409顯示了以1.8GHz為中心、以dB為單位的回波損耗411和頻率響應413。回波損耗或者反射功率的測量指示在點m2 415和m3 417處大約15dB的回波損耗。
圖5顯示了用于如上所述相同阻抗匹配任務的模擬結果，該阻抗匹配任務用于具有100相對介電常數的絕緣材料。在這一情況下，最好的寬度被確定為5.5mil以及長度被確定為178mil，在圖4模擬上的一個有效改進以及在上述具有相對介電常數4的情況上的顯著改進。如能夠看到的那樣，ml501在史密斯圓圖503上定義了在1.8GHZ處的一個點(標準化為1.5+j1.5的期望阻抗)或者非常接近源阻抗1.5-j1.5的復共軛。這個圖表從1.3GHz505變化到2.3GHz507。頻率響應圖形509顯示了以1.8GHz為中心、以dB為單位的回波損耗511和頻率響應513。回波損耗或者反射功率的測量指示在點m2 515和m3517處大約15dB的回波損耗。
參見圖6到圖9，將討論和描述用于圖3分布電容器205中的第二導電層309的各個實施例的頂端平面圖。圖6指示一個具有第一終端322和第二終端324，具有長度601和寬度603的矩形形狀。這是在圖4和圖5的模擬結果中使用的通常形狀。圖7顯示了可以用于進一步限制使用的物理區域的曲線形狀或者蛇形形狀。這里顯示了通常為沿著用于第二導電層的中心路徑的長度的長度701，以及寬度703和終端322和324。圖8顯示了另一個實施例，其具有長度801以及一個遞減的寬度，其包含一個具有寬度803的寬點以及一個具有寬度805的較窄點。如已知的那樣，這個遞減可以被稱作指數遞減。再次描述了終端322和324。圖9顯示了用于分布電容器以及特別用于第二導電層309的還有另一個可能實施例。在這個圖中，該長度被顯示為901而且該寬度被顯示為以一個階躍布局布置，其具有明顯地大于另一個寬度905的寬度903，其中終端322與具有寬度903的部分相連而且終端324與具有寬度905的部分相連。
上面討論和描述的分布電容器以及它的應用以及它的發明原理以及概念用來以及將減輕由現有技術阻抗匹配方法所引起的成本和尺寸問題。使用這些在高密度襯底上恰當地配置相對高的絕緣材料，諸如陶瓷填充的光敏絕緣材料的原理，有利地提供了在分布式網絡尺寸方面的顯著縮減，以及它們在非常低成本處的相對性能益處。這個可以在遍及用戶設備，諸如蜂窩手機、個人數字助理、等等的各個射頻電路和系統中使用，并且將允許它的用戶享受用于用戶設備的諸如較低成本和較小尺寸，因此便于用戶滿足的益處。可以期望本領域的一個普通技術人員被給定上述原理、概念和示例，將能夠實現其他替換的分布網絡，這些網絡將也提供或者便于類似的性能益處。可以期望在下面的權利要求覆蓋大多數這樣的替換。
這個公開用來說明如何制作和使用依據本發明的各個實施例而不是限制它的真正的、預定的、和公平的范圍和精神。上述描述不打算窮舉或者限制本發明到該公開的精確形式。根據上述示教，修改或者變化是可能的。選擇和描述了實施例(多個)以提供對本發明的原理和它的實際應用的最佳說明，并且允許本領域普通技術人員使用在各個實施例中的發明并且利用適于所考慮的特定使用的各個修改。當依據權利要求被公平、合法、以及公正地授予的范圍進行解釋時，所有這樣的修改和變化都在由附加權利要求和它們的所有等效體確定的本發明范圍之內，其中這些權利要求可以在這個申請專利的待決期間進行修改。
權利要求
1.一種適用于高密度集成應用的分布電容器，該分布電容器包含包含印刷電路板和基于半導體的襯底中的一個的印刷電路襯底；在該印刷電路襯底上配置的第一導電層；在第一導電層上配置并且具有一厚度的絕緣材料層，該絕緣材料具有比印刷電路襯底的介電常數大過五倍的一介電常數；以及在絕緣材料層上配置并且具有第二長度和第二寬度的第二導電層，所述第二長度和第二寬度被這樣選擇以便分布電容器作為傳輸線路進行操作。
2.如權利要求1所述的分布電容器，其中，第二長度被選擇來超過與第二導電層相連的信號波長的百分之十。
3.如權利要求1所述的分布電容器，進一步包含用于往返于第二導電層連接信號的終端，該終端進一步包含靠近第二導電層的第一末端配置的第一終端以及靠近第二導電層的第二末端配置的第二終端，第一末端和第二末端由第二長度分隔。
4.如權利要求1所述的分布電容器，進一步包含配置在第二導電層上的另一第二絕緣材料層。
5.如權利要求4所述的分布電容器，進一步包含通過所述另一絕緣材料層的一通道，其用導電材料填充并且被配置以在靠近第二導電層的第一末端處連接第二導電層，并且適用于往返于第二導電層連接信號。
6.如權利要求4所述的分布電容器，進一步包含配置在另一絕緣材料層上的構圖導電層，該構圖導電材料包含連接該通道的一導電軌道，以提供用于往返于第二導電層連接信號的一終端。
7.如權利要求6所述的分布電容器，其中，第一導電層和第二導電層在第二導電層的第二末端處短接在一起，其中該分布電容器表現出短路傳輸線的特征。
8.如權利要求6所述的分布電容器，進一步包含通過另一絕緣材料層的第二通道，其用導電材料填充，而且被配置為在靠近第二導電層的第二末端處連接第二導電層，而且其中該構圖導電材料包含第二導電軌道，其連接第二通道以提供第二終端用于往返于第二導電層連接信號。
9.如權利要求1所述的分布電容器，其中，第二導電層的第二長度和第二寬度以及絕緣材料的厚度被選擇以提供用于具有大于800MHz頻率的信號的預定阻抗。
10.如權利要求1所述的分布電容器，其中，第二導電層以具有矩形和曲線形狀中之一的結構進行配置。
11.如權利要求9所述的分布電容器，其中，第二寬度是統一寬度、階躍寬度、和遞減寬度中的一個。
12.如權利要求1所述的分布電容器，其中，絕緣材料是一種陶瓷填充的光敏絕緣材料，其進一步包含Probelec 7081和在導電箔上沉積然后層壓到印刷電路襯底的陶瓷合成物中的一個。
13.如權利要求1所述的分布電容器，其中，第二絕緣材料進一步包含非光致可成像環氧樹脂材料和樹脂覆蓋導電箔非光致可成像環氧樹脂材料中的一種。
全文摘要
分布電容器205和使用該電容器并且適于高密度集成應用的阻抗匹配網絡201以及發送器101包含一印刷電路襯底303，該襯底303包含印刷電路板和基于硅的襯底中的一個、在印刷電路襯底上配置的第一導電層305、在第一導電層上配置并且具有一厚度的絕緣材料層307，該絕緣材料具有超過印刷電路襯底的介電常數五倍的一介電常數；以及配置在絕緣材料層上的第二導電層309，其具有被選擇以便分布電容器作為傳輸線路進行操作的第二長度311和第二寬度603。
文檔編號H05K1/16GK1534698SQ20031012402
公開日2004年10月6日 申請日期2003年12月30日 優先權日2002年12月30日
發明者托馬斯·D·納戈德, 格雷戈里·雷德蒙·布萊克, 托馬斯 D 納戈德, 里 雷德蒙 布萊克 申請人:摩托羅拉公司