JP5009934B2

JP5009934B2 - 小型薄膜バンドパスフィルタ

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Publication number: JP5009934B2
Application number: JP2008552499A
Authority: JP
Inventors: チェン，チアン，リチャード; 一桑島
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2012-08-29
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Description

本発明は、バンドパスフィルタに関し、より具体的には、小型薄膜バンドパスフィルタに関する。

近年、携帯電話や無線ＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）ルータなどの携帯通信端末は、それらに含まれる各種部品の小型化により、著しく小型化が進んできている。通信端末に含まれる部品の中で最も重要なもののひとつが、フィルタである。

特にバンドパスフィルタは、特定の通過帯域外の周波数の信号を阻止あるいは濾波するために、通信アプリケーションにおいて用いられることが多い。そのようなアプリケーションにおいて、バンドパスフィルタは、通過帯域の両エッジ（すなわち、フィルタによる大きな減衰は受けない、当該範囲の高域側と低域側の周波数）で挿入損失が低くロールオフ減衰が急峻であることが好ましい。帯域外除去・減衰特性は、バンドパスフィルタに関する重要なパラメータである。これは、フィルタにおける帯域内信号と帯域外信号とを区別する性能を測るものである。帯域外除去特性が高いほど、また、除去される帯域幅が広いほど、通常、フィルタはより優れたものとなる。また、通過帯域とその帯域外との間のロールオフ周波数のエッジが急峻になるほど、フィルタはより優れたものとなる。急速なロールオフを得るためには、一般的に、より多くの共振回路、すなわちより多くのフィルタセクションが要求される。これにより、帯域外においてより多くの伝送ゼロを生じさせることができ、帯域外減衰をより高次なものとすることができる。

しかし、より多くのセクションや共振回路を用いることでフィルタは大型化し、通過帯域におけるフィルタの挿入損失が増加する。これは、現代の無線通信システムにおける小型化の要請に対して有益なことではない。

例えば、従来、急峻なロールオフ減衰を得るために低損失・高Ｑのマイクロ波共振器回路が用いられてきた。マイクロ波共振器回路は、マイクロ波周波数において低損失を実現するため、一般的に４分の１波長あるいは２分の１波長伝送線路構造を用いている。低域ギガヘルツ帯の無線アプリケーションでは、これら伝送線路構造を収容できるようにするために、４分の１波長あるいは２分の１波長構造において部品の大型化が必要となる。そのような大型部品は、小型化された電子装置に用いるには不満足なものである。

上記に鑑み、本発明は、小型薄膜バンドパスフィルタを提供する。より具体的には、本発明の態様によれば、本発明は、うず巻形（コイル）インダクタと平行平板キャパシタを含む薄膜素子を用いた小型アプリケーション用のバンドパスフィルタを提供する。

本発明の一実施形態によれば、バンドパスフィルタは、薄膜技術を用いて低背化および高性能化のために最適化された、２つの共振タンクを有するバンドパスフィルタである。これら共振タンクは、それぞれコイル状インダクタを用いている。これにより、これらインダクタコイルの互いに対する向きに基づいて、フィルタの伝送ゼロを通過帯域の一方の側から他方の側へと移動させることができる。また、コイル状インダクタは、従来の伝送線路構造と比較して、低背化および部品の小型化を実現する。

本発明の一実施形態によれば、バンドパスフィルタは、少なくとも２層の薄膜層と、第１のインダクタを含む第１の共振回路と、第２のインダクタを含む第２の共振回路とを含む。第１のインダクタは、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの２層以上に配置された反時計回りの回転を有するコイルを備え、第２のインダクタは、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの２層以上に配置された時計回りの回転を有するコイルを備えている。バンドパスフィルタの通電時、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの少なくとも１層において、第１のインダクタは第２のインダクタに結合される。

この実施形態において、第１および第２のインダクタ間の結合度は比較的低くてもよい。これにより、このフィルタの周波数特性は、通過帯域の低域側に２つの伝送ゼロを有する。従って、通過帯域の低域側における周波数特性は、より急峻なロールオフとより大きな減衰を示す。

本発明の他の実施形態によれば、バンドパスフィルタは、少なくとも２層の薄膜層と、第１のインダクタを含む第１の共振回路と、第２のインダクタを含む第２の共振回路とを含む。第１のインダクタは、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの２層以上に配置された時計回りの回転を有するコイルを備え、第２のインダクタは、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの２層以上に配置された反時計回りの回転を有するコイルを備えている。バンドパスフィルタの通電時、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの少なくとも２層において、第１のインダクタは第２のインダクタに結合される。

この実施形態において、第１および第２のインダクタ間の結合度は比較的高くてもよい。これにより、このフィルタの周波数特性は、通過帯域の低域側と高域側に１つずつ伝送ゼロを有する。従って、周波数特性は、通過帯域の両側において同様のロールオフ減衰特性を示す。

ここに記載した本発明に関する記述は、単なる例示と説明にとどまり、特許請求の範囲に記載の本発明をなんら制限するものでないことを理解されたい。

以下、添付図面に例示される本発明の代表的な実施形態を詳細に参照する。

本発明は、２つ以上のコイル状インダクタを用いたバンドパスフィルタを提供する。これらインダクタの互いに対する向きを変えることによって、フィルタの伝送ゼロを通過帯域の一方の側から他方の側へと移動させることができる。

インダクタコイルでは、伝送線路と比較して、より多くの磁束がその中心コアを通過する。伝送線路の場合と比較して、インダクタコイルを用いた場合、コイルの回転方向を変更し、結合させるコイル側面を変えることによって、隣接する構造体に対する結合特性を制御できるという新たな局面が開かれる。ここに提案するフィルタは、インダクタの方向（direction）および／または向き（orientation）を逆転させるだけで、伝送ゼロを通過帯域の一方の側から他方の側へと移動させることができるという利点を有する。これにより、要求される仕様に適合するようにフィルタ性能を改変することが可能になる。このようなフィルタ構造は、わずか２つの共振ＬＣ（インダクタ−キャパシタ）タンクを用いて実現できるものであり、同様の性能を有する３つの分布定数共振器を用いた他の構造と比べて小型である。好ましくは、本発明のバンドパスフィルタは、Ｃ１とＬ１からなる２つのインダクタ−キャパシタ共振回路を含み、これら共振回路は、Ｌ１インダクタ同士の相互結合と、別のキャパシタ（Ｃ３）を介した容量的結合によって互いに結合されている。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより高いバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す図である。図１Ａに示されるように、バンドパスフィルタレイアウト１００は、薄膜層を２層含んでいる。上部薄膜層には、金属領域１０５、１１０、１１５、１２０、１２５、１３０、１４５、１５０、１５５、１９０、１９５が含まれている（図１Ｂ参照）。下部薄膜層には、金属領域１３５、１４０、１６０、１８０、１８５が含まれている（図１Ｃ参照）。ビア１６５、１７０、１７５が、上部層の金属領域と下部層の金属領域とを接続している。

金属領域１０５と１１０は、それぞれ、バンドパスフィルタの入力端子と出力端子である。金属領域１１５と１２０はグランド端子である。これら端子において、製造時にフィルタパッケージの外側に配置される部分を線１０１によって示す。

金属領域１４５は、金属領域１０５（入力）に接続されている。金属領域１４５は、下部層の金属領域１３５と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。また、金属領域１３５は、金属領域１２５と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。金属領域１２５は、金属領域１１５（グランド）に接続されている。

金属領域１３５（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域１８０にもつながっている。金属領域１８０は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの一部を形成する。金属領域１８０は、ビア１７０を介して上部層の金属領域１９０につながっている。金属領域１９０は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの残部を形成する。金属領域１９０は、金属領域１２０におけるグランドにつながっている。

レイアウトの右側に移動すると、金属領域１４５（Ｃ２）は、ビア１６５を介して下部層の金属領域１６０につながっている。金属領域１６０は、上部層の金属領域１５５と共に、キャパシタ（Ｃ３）を形成する。金属領域１５５は、金属領域１５０につながっている。金属領域１５０は、下部層の金属領域１４０と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。このキャパシタは、金属領域１４５と１３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。また、金属領域１４０は、上部層の金属領域１３０と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。このキャパシタは、金属領域１２５と１３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。金属領域１３０（Ｃ１）は、金属領域１１５におけるグランドにつながっている。金属領域１５０（Ｃ２）は、金属領域１１０における出力端子につながっている。

また、金属領域１４０（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域１８５につながっている。金属領域１８５は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの一部を形成する。金属領域１８５は、ビア１７５を介して上部層の金属領域１９５につながっている。金属領域１９５は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの残部を形成する。金属領域１８５と１９５によって形成されるコイルのインダクタンスは、金属領域１８０と１９０によって形成されるコイルのインダクタンスと実質的に同じである。金属領域１９５は、金属領域１２０におけるグランドにつながっている。

図１Ｂは、レイアウト１００の上部層１０２を示す。図示のように、金属領域１９０と１９５の各一部は、小さな間隙のみによって隔てられて互いに比較的近接している。例えば、薄膜製造プロセスを用いてパッケージサイズを長さ０．７２ｍｍ×幅０．５ｍｍにした２．４ＧＨｚフィルタ用のアプリケーションにおいては、この間隙を１０μｍとしてもよい。従って、使用時（すなわち、フィルタの通電時）には、上部層において、金属領域１９０と１９５によって形成されるインダクタ相互間により高い結合が生じる。

図１Ｃは、レイアウト１００の下部層１０３を示す。図示のように、金属領域１８０と１８５の各一部は、小さな間隙のみによって隔てられて互いに比較的近接している。繰り返すが、一例として、薄膜製造プロセスを用いてパッケージサイズを長さ０．７２ｍｍ×幅０．５ｍｍにした２．４ＧＨｚフィルタ用のアプリケーションにおいては、この間隙を１０μｍとしてもよい。従って、使用時（すなわち、フィルタの通電時）には、下部層において、金属領域１８０と１８５によって形成されるインダクタ相互間により高い結合が生じる。このように、バンドパスフィルタのレイアウト１００は、通電時に２つの層内で相互に結合される２つのインダクタを含んでいる。

この２層内での結合は、インダクタコイル同士を実質的に対称な形状にして鏡像関係の向きにすることで実現される。特に、金属領域１８０と１９０によって形成される左側のインダクタコイルＬ１は時計回りの回転を有し、金属領域１８５と１９５によって形成される右側のインダクタコイルＬ１は反時計回りの回転を有する。これらインダクタコイルの回転は、電気信号がグランドに向かってコイルを流れる方向によって規定される。

従って、左側のインダクタＬ１では、電気信号はまず最初に、金属領域１３５（Ｃ１／Ｃ２）から、下部層の金属領域１８０でコイルに入る。この電気信号は、金属領域１８０を時計回り方向に流れてビア１７０に向かう（図１Ｃ参照）。そして信号は、ビア１７０を通って金属領域１９０に移動し、引き続き時計回り方向に進んで金属領域１２０におけるグランドに到達する（図１Ｂ参照）。

右側のインダクタＬ１では、電気信号はまず最初に、金属領域１４０（Ｃ１／Ｃ２）から、下部層の金属領域１８５でコイルに入る。この電気信号は、金属領域１８５を反時計回り方向に流れてビア１７５に向かう（図１Ｃ参照）。そして信号は、ビア１７５を通って金属領域１９５に移動し、引き続き反時計回り方向に進んで金属領域１２０におけるグランドに到達する（図１Ｂ参照）。

図１Ａないし１Ｃに示されるように、各インダクタコイルの回転方向は、下部層から上部層に向かっている。しかし、グランド、入力端子、出力端子およびその他の構成要素のレイアウト次第で、コイルの方向を上部層から下部層に向かうものにしてもよい。また、本発明は、層を２層のみ有するバンドパスフィルタに限られない。層は２層より多くしてもかまわない。必要とされるのは、少なくとも２層の薄膜層と、それぞれインダクタを有する少なくとも２つの共振回路であって、上記薄膜層のうちの少なくとも１層においてインダクタ同士が結合されるということのみである。

図１Ａないし１Ｃは、矩形のコイルを用いたインダクタを示している。このような形状を用いることにより、金属領域のレイアウトが容易になる。しかし、いかなる形状のコイルを用いてもよい。コイルは、三角形、角を丸めた矩形、楕円形、円形、あるいは任意の多角形としてもよい。

薄膜製造プロセスを用いてパッケージサイズを長さ０．７２ｍｍ×幅０．５ｍｍにした２．４ＧＨｚフィルタ用のアプリケーションにおいて、各インダクタコイルは、外径（Ｄ１）が２６０μｍ、コア径（Ｄ２）が１６０μｍであるのが好ましく、金属トレースの幅は５０μｍであるのが好ましい。しかし、所望のインダクタンスとＱを有するコイルを得るため、径とトレース幅はいかなる値にしてもよい。コアの大きさ、インダクタコイルの幅、メタライゼーションの材料および厚さ、ならびにコイル形状を最適化することにより、最大のインダクタＱを実現しうる。上記の２．４ＧＨｚフィルタの例においては、コア径（Ｄ２）１６０μｍのインダクタコイル用に、厚さ（すなわち、金属層の高さ）８μｍの銅を用いている。

図２は、図１Ａに示したバンドパスフィルタレイアウトの、インダクタの向きを含む回路図である。バンドパスフィルタ回路図２００は、キャパシタ２４５，２５０（Ｃ２）と、キャパシタ２２５，２３０（Ｃ１）と、キャパシタ２５５（Ｃ３）と、インダクタ２８０，２８５（Ｌ１）とを含んでいる。キャパシタ２４５と２５５は、入力端子２０５に接続されている。キャパシタ２４５は、インダクタ２８０に並列に接続されたキャパシタ２２５を含む第１の共振回路に接続されている。

右側において、キャパシタ２５５と２５０は、出力端子２１０に接続されている。キャパシタ２５０は、インダクタ２８５に並列に接続されたキャパシタ２３０を含む第２の共振回路にも接続されている。図示のように、インダクタ２８０は時計回りの回転を有し、インダクタ２８５は反時計回りの回転を有する。このような向きにすることで、フィルタの通電時にこれらインダクタコイルにおける２つの部位を互いに結合させることが可能になる。

図３は、図１Ａに示したレイアウトの、各構成要素の値を含む回路図である。図３に示した各構成要素の値は、約２．４ＧＨｚに通過帯域を持つバンドパスフィルタのものである。しかし、これらの値は単に例示にすぎない。フィルタにおける各構成要素の値は、任意の通過帯域範囲のアプリケーションに適合するよう、任意の値に変更してよい。図示のように、図３において、キャパシタ２４５，２５０（Ｃ２）の値は１．５ｐｆであり、キャパシタ２２５，２３０（Ｃ１）の値は３．０ｐｆであり、キャパシタ２５５（Ｃ３）の値は０．３ｐｆであり、インダクタ２９０，２９５（Ｌ１）の値は１．３ｎＨである。図３に示されるように、インダクタ２９０，２９５（図１Ａないし１Ｃに示されるようにレイアウトした場合）は、バンドパスフィルタの通電時に０．２６ｎＨの相互結合インダクタンスを示す。

図４は、図１Ａないし１Ｃに示したレイアウトと図３に示した各構成要素の値を有するバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。この構成において、周波数特性４００は、約２．０ＧＨｚから３．０ＧＨｚの間の通過帯域４３０を有する。周波数特性４００は、通過帯域４３０の低域側に１つの伝送ゼロ４１０と、通過帯域４３０の高域側に１つの伝送ゼロ４２０を含んでいる。

インダクタにおけるこのようなコイル構造は、省スペース化という利点を有する上に、フィルタの周波数特性の制御を可能にする。２つのインダクタコイルの対称な形態を維持したままそれらの向きを逆にすることにより、フィルタの伝送ゼロを、帯域外における高域側から低域側へと移動させることができる。これによりフィルタは、図４に示される性能と比較して、通過帯域の低域側エッジで急峻な減衰特性を持つことができる。この特徴は、通過帯域の低域側に近い干渉信号を減衰するのに有益である。

図５Ａは、図１Ａに示したフィルタレイアウトに対してインダクタコイルの向きを逆転させたバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す図である。図５Ａに示されるように、バンドパスフィルタレイアウト５００は、薄膜層を２層含んでいる。上部薄膜層には、金属領域５０５、５１０、５１５、５２０、５２５、５３０、５４５、５５０、５５５、５９０、５９５が含まれている（図５Ｂ参照）。下部薄膜層には、金属領域５３５、５４０、５６０、５８０、５８５が含まれている（図５Ｃ参照）。ビア５６５、５７０、５７５が、上部層の金属領域と下部層の金属領域とを接続している。

金属領域５０５と５１０は、それぞれ、バンドパスフィルタの入力端子と出力端子である。金属領域５１５と５２０はグランド端子である。これら端子において、製造時にフィルタパッケージの外側に配置される部分を線５０１によって示す。

金属領域５４５は、金属領域５０５（入力）に接続されている。金属領域５４５は、下部層の金属領域５３５と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。また、金属領域５３５は、金属領域５２５と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。金属領域５２５は、金属領域５１５（グランド）に接続されている。

金属領域５３５（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域５８０にもつながっている。金属領域５８０は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの一部を形成する。金属領域５８０は、ビア５７０を介して上部層の金属領域５９０につながっている。金属領域５９０は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの残部を形成する。金属領域５９０は、金属領域５２０におけるグランドにつながっている。

レイアウトの右側に移動すると、金属領域５４５（Ｃ２）は、ビア５６５を介して下部層の金属領域５６０につながっている。金属領域５６０は、上部層の金属領域５５５と共に、キャパシタ（Ｃ３）を形成する。金属領域５５５は、金属領域５５０につながっている。金属領域５５０は、下部層の金属領域５４０と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。このキャパシタは、金属領域５４５と５３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。また、金属領域５４０は、上部層の金属領域５３０と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。このキャパシタは、金属領域５２５と５３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。金属領域５３０（Ｃ１）は、金属領域５１５におけるグランドにつながっている。金属領域５５０（Ｃ２）は、金属領域５１０における出力端子につながっている。

また、金属領域５４０（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域５８５につながっている。金属領域５８５は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの一部を形成する。金属領域５８５は、ビア１７５を介して上部層の金属領域５９５につながっている。金属領域５９５は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの残部を形成する。金属領域５８５と５９５によって形成されるコイルのインダクタンスは、金属領域５８０と５９０によって形成されるコイルのインダクタンスと実質的に同じである。金属領域５９５は、金属領域５２０におけるグランドにつながっている。

図５Ｂは、レイアウト５００の上部層５０２を示す。図示のように、金属領域５９０と５９５は、互いに比較的近接した部分を有していない。従って、図１Ａないし１Ｃに示したレイアウトとは対照的に、使用時（すなわち、フィルタの通電時）、上部層において、金属領域５９０と５９５によって形成されるインダクタ相互間には比較的低い結合しか生じないか、あるいは全く結合が生じない。

図５Ｃは、レイアウト５００の下部層５０３を示す。図示のように、金属領域５８０と５８５の各一部は、小さな間隙のみによって隔てられて互いに比較的近接している。例えば、薄膜製造プロセスを用いてパッケージサイズを長さ０．７２ｍｍ×幅０．５ｍｍにした２．４ＧＨｚフィルタ用のアプリケーションにおいては、この間隙を１５μｍとしてもよい。従って、使用時（すなわち、フィルタの通電時）、下部層においては、金属領域５８０と５８５によって形成されるインダクタ相互間により高い結合が生じる。このように、バンドパスフィルタのレイアウト５００は、通電時に１つの層内で相互間により高い結合が生じる２つのインダクタを含んでいる。

この１層内での結合は、インダクタコイル同士を実質的に対称な形状にして、図１Ａないし１Ｃに示した向きとは「逆転した（flipped）」向きにすることで実現される。特に、金属領域５８０と５９０によって形成される左側のインダクタコイルＬ１は反時計回りの回転を有し、金属領域５８５と５９５によって形成される右側のインダクタコイルＬ１は時計回りの回転を有する。繰り返すが、これらインダクタコイルの回転は、電気信号がグランドに向かってコイルを流れる方向によって規定される。

従って、左側のインダクタＬ１では、電気信号はまず最初に、金属領域５３５（Ｃ１／Ｃ２）から、下部層の金属領域５８０でコイルに入る。この電気信号は、金属領域５８０を反時計回り方向に流れてビア５７０に向かう（図１Ｃ参照）。そして信号は、ビア５７０を通って金属領域５９０に移動し、引き続き反時計回り方向に進んで金属領域５２０におけるグランドに到達する（図５Ｂ参照）。

右側のインダクタＬ１では、電気信号はまず最初に、金属領域５４０（Ｃ１／Ｃ２）から、下部層の金属領域５８５でコイルに入る。この電気信号は、金属領域５８５を時計回り方向に流れてビア５７５に向かう（図５Ｃ参照）。そして信号は、ビア５７５を通って金属領域５９５に移動し、引き続き時計回り方向に進んで金属領域５２０におけるグランドに到達する（図５Ｂ参照）。

図５Ａないし５Ｃに示されるように、各インダクタコイルの回転方向は、下部層から上部層に向かっている。しかし、繰り返すが、グランド、入力端子、出力端子およびその他の構成要素のレイアウト次第で、コイルの方向を上部層から下部層に向かうものにしてもよい。また、本発明は、層を２層のみ有するバンドパスフィルタに限られない。層は２層以上にしてかまわない。必要とされるのは、少なくとも２層の薄膜層と、それぞれインダクタを有する少なくとも２つの共振回路であって、上記薄膜層のうちの少なくとも１層においてインダクタ同士が結合されるということのみである。

繰り返しになるが、図５Ａないし５Ｃは、矩形のコイルを用いたインダクタを示している。このような形状を用いることにより、金属領域のレイアウトが容易になる。しかし、いかなる形状のコイルを用いてもよい。コイルは、三角形、角を丸めた矩形、楕円形、円形、あるいは任意の多角形としてもよい。

図６は、図５Ａに示したバンドパスフィルタレイアウトの、インダクタの向きを含む回路図である。バンドパスフィルタ回路図６００は、キャパシタ６４５，６５０（Ｃ２）と、キャパシタ６２５，６３０（Ｃ１）と、キャパシタ６５５（Ｃ３）と、インダクタ６８０，６８５（Ｌ１）とを含んでいる。キャパシタ６４５と６５５は、入力端子６０５に接続されている。キャパシタ６４５は、インダクタ６８０に並列に接続されたキャパシタ６２５を含む第１の共振回路に接続されている。

右側において、キャパシタ６５５と６５０は、出力端子６１０に接続されている。キャパシタ６５０は、インダクタ６８５に並列に接続されたキャパシタ６３０を含む第２の共振回路にも接続されている。図示のように、インダクタ６８０は反時計回りの回転を有し、インダクタ６８５は時計回りの回転を有する。このような向きにすることで、フィルタの通電時にこれらインダクタコイルにおける１つの部位同士を結合させることが可能になる。

図７は、図５Ａに示したレイアウトの、各構成要素の値を含む回路図である。図７に示した各構成要素の値は、約２．４ＧＨｚに通過帯域を持つバンドパスフィルタのものである。しかし、これらの値は単に例示にすぎない。フィルタにおける各構成要素の値は、任意の通過帯域範囲のアプリケーションに適合するよう、任意の値に変更してよい。図示のように、図７において、キャパシタ６４５，６５０（Ｃ２）の値は３．５ｐｆであり、キャパシタ６２５，６３０（Ｃ１）の値は３．０ｐｆであり、キャパシタ６５５（Ｃ３）の値は１．２ｐｆであり、インダクタ６８０，６８５（Ｌ１）の値は０．９ｎＨである。図７に示されるように、インダクタ６８０，６８５（図５Ａないし５Ｃに示されるようにレイアウトした場合）は、バンドパスフィルタの通電時に０．００１ｎＨという比較的低い相互結合インダクタンスを示す。

図８は、図５Ａないし５Ｃに示したレイアウトと図７に示した各構成要素の値を有するバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。この構成において、周波数特性８００は、約２．２ＧＨｚから２．７ＧＨｚの間の通過帯域４３０を有する。周波数特性８００は、通過帯域８３０の低域側に２つの伝送ゼロ８１０，８２０を含み、通過帯域の高域側には全く伝送ゼロを含まない。

図９は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより高いバンドパスフィルタとインダクタの結合度がより低いバンドパスフィルタにおける周波数特性の比較を示す図である。図９からわかるように、周波数８００（インダクタの結合度が低い方）は、周波数特性４００（インダクタの結合度が高い方）と比較すると、通過帯域９３０の低域側の方がかなりロールオフが急峻で減衰が大きくなっている。しかし、周波数特性は、通過帯域９３０の高域側において、より急峻なロールオフとより大きな減衰を示している。従って、インダクタの結合度が高くなる構成（図１Ａないし１Ｃ）は、通過帯域の両側で大きな減衰を示すことが利益になるアプリケーションにとって、より有利となりうる。一方、インダクタの結合度が低くなる構成（図５Ａないし５Ｃ）は、通過帯域の低域側でより一層急峻なロールオフとより大きな減衰を示すことが利益になり、通過帯域の高域側における帯域外性能の重要性がより低いアプリケーションにとって、より有利となりうる。

図１０は、相互結合の値を種々変動させた、本発明に係るバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。周波数特性１０１０は、インダクタコイル間の相互結合が０．００１ｎＨである時のバンドパスフィルタの特性を示す。この特性は、図８に示される特性に類似している。周波数特性１０３０は、インダクタコイル間の相互結合が０．３ｎＨである時のバンドパスフィルタの特性を示す。この特性は、図４に示される特性に類似している。周波数特性１０２０は、インダクタの値が、特性１０１０と１０３０との間の０．０５ｎＨである時の特性を示す。このグラフから、インダクタ間の相互結合が大きくなるにつれて、伝送ゼロが通過帯域の高域側から低域側へと移動し、この結果、通過帯域の低域側でより急峻なロールオフとより大きな減衰が得られることがわかる。

図１１は、キャパシタンス値を種々変動させた、インダクタコイルの結合度がより低いバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。キャパシタＣ２（図７の６４５，６５０）の値を変動させることにより、低域側の阻止帯域においてより大きな減衰を得ることができる。周波数特性１１１０は、Ｃ２のキャパシタンス値が２．５ｐＦである図５Ａないし図７に示したバンドパスフィルタの周波数特性を表している。周波数特性１１２０は、Ｃ２のキャパシタンス値が３．５ｐＦである図５Ａないし図７に示したバンドパスフィルタの周波数特性を表している。周波数特性１１３０は、Ｃ２のキャパシタンス値が４．５ｐＦである図５Ａないし図７に示したバンドパスフィルタの周波数特性を表している。

図１２Ａと図１２Ｂは、それぞれ、上部層と下部層に配置されたインダクタを示すバンドパスフィルタ構造の断面図である。バンドパスフィルタ構造１２００，１２０１は、基板１２０５と、第１の金属層１２１０と、第２の金属層１２１５と、絶縁体層１２２０と、キャパシタ誘電体１２３５とを含む。

基板は、セラミックス、サファイア、石英、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、高抵抗率シリコンなどといった発散損失の少ない材料によって形成されるのが好ましいが、他の材料、例えばガラスや低抵抗率シリコン等によって形成されてもよい。第１および第２の金属層は銅によって形成されるのが好ましいが、金、アルミニウム、あるいはその他の好適な導電特性を有する材料によって形成されてもよい。絶縁体はポリイミドによって形成されるのが好ましいが、シリコン酸化物、フォトレジスト材料、あるいはその他の好適な絶縁特性を有する材料によって形成されてもよい。キャパシタ誘電体は窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）によって形成されるのが好ましいが、アルミナ、シリコン酸化物等、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタを形成するのに有用な誘電体であれば、どのような種類のものによって形成されてもよい。

これら金属層、絶縁体層、誘電体層は、任意の従来の薄膜プロセスを用いて基板に形成されるのが好ましい。そのようなプロセスとして、例えばめっき法、化学気相成長法、プラズマ強化化学気相成長法、熱蒸発法、電子線蒸着装置、スパッタリング、パルスレーザ堆積法、分子線エピタキシー、反応性スパッタリング、化学的エッチング、ドライエッチング等が挙げられる。しかし、薄膜を形成するための技術であればどのような技術を利用してもよい。薄膜プロセスは、各層の厚さを数ナノメートルから数原子の範囲内に制御できるものであれば、いかなるプロセスであってもよい。

図１３は、図１２Ａに示されるようなバンドパスフィルタの製造方法の一例を示す。まず、ステップ１３１０で、第１の金属層１２１０を基板１２０５上に成膜する。基板は３００〜１０００μｍであるのが好ましい。金属層の厚さは２〜１０μｍが好ましい。金属は任意の薄膜技術によって成膜してよいが、スパッタリングまたはめっき法によって成膜するのが好ましい。ステップ１３２０では、第１の金属層にパターンを施し、第１の金属層をエッチングして所望のレイアウトを形成する。次に、ステップ１３３０では、基板および第１の金属層上にキャパシタ誘電体１２３５をスパッタする。誘電体の厚さは０．１μｍから０．１５μｍの間が好ましい。ステップ１３４０では、誘電体にパターンを施してエッチングし、所望のレイアウトを得る。次に、ステップ１３５０では、基板と第１の金属層とキャパシタ誘電体の上に絶縁体１２２０をスピンオン形成する。絶縁体の厚さは５μｍから８μｍの間が好ましい。ステップ１３６０では、絶縁体１２２０にパターンを施し、この絶縁体をエッチングして所望のレイアウトを形成する。ステップ１３６０は、絶縁体を硬化させるプロセスを含んでもよい。次に、ステップ１３７０では、第１の金属層、キャパシタ誘電体および絶縁体の上に第２の金属層１２１５を成膜する。第２の金属層の厚さは５〜１０μｍが好ましい。最後に、ステップ１３８０で、第２の金属層１２１５にパターンを施し、第２の金属層をエッチングして所望のパターンを形成する。

上述した各厚さ範囲は絶対的な要件ではなく、単に、低ギガヘルツ帯で動作するフィルタを製造するのに好適な範囲を代表するにすぎない。その他のアプリケーションに用いる場合は、各厚さをより大きくあるいは小さくしてもよい。

図１４は、ここに代表されるバンドパスフィルタのパターンレイアウトが異なること以外は図１３と同一である製造方法を示す。このパターンは、図１２Ｂに示されるものと類似している。

製造されたチップの上部金属層を保護するのに役立てるため、バンドパスフィルタの物理的構造にパッシベーション層を含めてもよい。図１５は、本発明の一実施形態に係る、パッシベーション層を有するバンドパスフィルタの断面図である。パッシベーション層は、第２の金属層１２１５および絶縁体１２２０を覆って２０μｍ〜５０μｍの好適な厚さに形成する。パッシベーション層は、窒化シリコンあるいは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）によって形成されるのが好ましいが、電子チップの上面を保護するのに適した材料であればどのような材料で形成されてもよい。

また、製造されたバンドパスフィルタは、入力、出力およびグランド接続用の側壁終端を含んでいてもよい。図１６は、本発明の一実施形態に係る、側壁終端を有するバンドパスフィルタの断面図である。側壁終端は、錫（ニッケル／銅／錫の積層体でもよい）によって形成され、回路基板上の半田パッドに直接接合されるようにバンドパスフィルタパッケージの両サイドに取り付けられる。これにより、バンドパスフィルタが装置内において占めるスペースを減らすことができる。

前述のとおり、本発明は、図１Ａないし１Ｃ，図５Ａないし５Ｃに示される特定のレイアウト例に限られない。図１７は、更に２つの追加インダクタを用いる選択肢例を示す。

図１７に示されるように、バンドパスフィルタレイアウト１７００は、薄膜層を２層含んでいる。上部薄膜層には、金属領域１７０５、１７１０、１７１５、１７２５、１７３０、１７４５、１７５０、１７５５、１７９０、１７９５が含まれている。下部薄膜層には、金属領域１７３５、１７４０、１７６０、１７８０、１７８５が含まれている。ビア１７６５、１７７０、１７７５が、上部層の金属領域と下部層の金属領域とを接続している。

金属領域１７０５と１７１０は、それぞれ、バンドパスフィルタの入力端子と出力端子である。金属領域１７１５はグランド端子である。これら端子において、製造時にフィルタパッケージの外側に配置される部分を線１７０１によって示す。

金属領域１７４５は、金属領域１７０５（入力）に接続されている。金属領域１７４５は、下部層の金属領域１７３５と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。また、金属領域１７３５は、金属領域１７２５と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。金属領域１７２５は、金属領域１７９０（Ｌ２）を介して金属領域１７１５（グランド）に接続されている。

また、金属領域１７３５（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域１７８０（Ｌ１）につながっている。金属領域１７８０は、ビア１７７０を介して金属領域１７１５（グランド）につながっている。

レイアウトの右側に移動すると、金属領域１７４５（Ｃ１）は、ビア１７６５を介して下部層の金属領域１７６０につながっている。金属領域１７６０は、上部層の金属領域１７５５と共に、キャパシタ（Ｃ３）を形成する。金属領域１７５５は、金属領域１７５０につながっている。金属領域１７５０は、下部層の金属領域１７４０と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。このキャパシタは、金属領域１７４５と１７３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。また、金属領域１７４０は、上部層の金属領域１７３０と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。このキャパシタは、金属領域１７２５と１７３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。金属領域１７３０（Ｃ１）は、金属領域１７９５（Ｌ２）を介して金属領域１７１５におけるグランドにつながっている。金属領域１７５０（Ｃ２）は、金属領域１７１０における出力端子につながっている。

また、金属領域１７４０（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域１７８５（Ｌ１）につながっている。金属領域１７８５は、ビア１７７５を介して金属領域１７１５（グランド）につながっている。金属領域１７８５によって形成されるコイルのインダクタンスは、金属領域１７８０によって形成されるコイルのインダクタンスと実質的に同じである。

図１８は、図１７に示したバンドパスフィルタレイアウトの、インダクタの向きを含む回路図である。バンドパスフィルタ回路図１８００は、キャパシタ１８４５，１８５０（Ｃ２）と、キャパシタ１８２５，１８３０（Ｃ１）と、キャパシタ１８５５（Ｃ３）と、インダクタ１８８０，１８８５（Ｌ１）と、インダクタ１８９０，１８９５（Ｌ２）とを含んでいる。キャパシタ１８４５と１８５５は、入力端子１８０５に接続されている。キャパシタ１８４５は、インダクタ１８８０に並列に接続されたキャパシタ１８２５およびインダクタ１８９０を含む第１の共振回路に接続されている。

右側において、キャパシタ１８５５と１８５０は、出力端子１８１０に接続されている。キャパシタ１８５０は、インダクタ１８８５に並列に接続されたキャパシタ１８３０およびインダクタ１８９５を含む第２の共振回路にも接続されている。図示のように、インダクタ１８８０は反時計回りの回転を有し、インダクタ１８８５は時計回りの回転を有する。このような向きにすることで、フィルタの通電時にこれらインダクタコイルにおける１つの部位同士を結合させることが可能になる。

図１９は、図１７に示したレイアウトのバンドパスフィルタにおける周波数特性を示す図である。この構成において、周波数特性１９００は、約２．２ＧＨｚから２．７ＧＨｚの間の通過帯域１９３０を有する。周波数特性１９００は、通過帯域１９３０の低域側に２つの伝送ゼロ１９１０，１９２０を含み、通過帯域１９００の高域側に１つの伝送ゼロ１９４０を含む。従って、コイルに並列に接続されたインダクタを図５Ａないし５Ｃに示したレイアウトに追加することにより、通過帯域の高域側にゼロを追加することができる。

図２０は、レイアウトの選択肢の他の一例を示す。図２０に示されるように、バンドパスフィルタレイアウト２０００は、薄膜層を２層含んでいる。上部薄膜層には、金属領域２００５、２０１０、２０１５、２０２０、２０２５、２０３０、２０４５、２０５０、２０５５、２０９０、２０９５、２０９７が含まれている。下部薄膜層には、金属領域２０３５、２０４０、２０６０、２０８０、２０８５が含まれている。ビア２０６５、２０７０、２０７５が、上部層の金属領域と下部層の金属領域とを接続している。

金属領域２００５と２０１０は、それぞれ、バンドパスフィルタの入力端子と出力端子である。金属領域２０１５と２０２０はグランド端子である。これら端子において、製造時にフィルタパッケージの外側に配置される部分を線２００１によって示す。

金属領域２０４５は、金属領域２００５（入力）に接続されている。金属領域２０４５は、下部層の金属領域２０３５と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。また、金属領域２０３５は、金属領域２０２５と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。金属領域２０２５は、金属領域２０９７（Ｌ２）を介して金属領域２０１５（グランド）に接続されている。

また、金属領域２０３５（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域２０８０につながっている。金属領域２０８０は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの一部を形成する。金属領域２０８０は、ビア２０７０を介して上部層の金属領域２０９０につながっている。金属領域２０９０は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの残部を形成する。金属領域２０９０は、金属領域２０２０におけるグランドにつながっている。

レイアウトの右側に移動すると、金属領域２０４５（Ｃ２）は、ビア２０６５を介して下部層の金属領域２０６０につながっている。金属領域２０６０は、上部層の金属領域２０５５と共に、キャパシタ（Ｃ３）を形成する。金属領域２０５５は、金属領域２０５０につながっている。金属領域２０５０は、下部層の金属領域２０４０と共に、キャパシタ（Ｃ２）を形成する。このキャパシタは、金属領域２０４５と１７３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。また、金属領域２０４０は、上部層の金属領域２０３０と共に、キャパシタ（Ｃ１）を形成するのに用いられる。このキャパシタは、金属領域２０２５と２０３５によって形成されるキャパシタと実質的に同じキャパシタンス値を有する。金属領域２０３０（Ｃ１）は、金属領域２０９７（Ｌ２）を介して金属領域２０１５におけるグランドにつながっている。金属領域２０５０（Ｃ２）は、金属領域２０１０における出力端子につながっている。

また、金属領域２０４０（Ｃ１／Ｃ２）は、下部層で金属領域２０８５につながっている。金属領域２０８５は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの一部を形成する。金属領域２０８５は、ビア２０７５を介して上部層の金属領域２０９５につながっている。金属領域２０９５は、インダクタ（Ｌ１）のコイルの残部を形成する。金属領域２０８５と２０９５によって形成されるコイルのインダクタンスは、金属領域２０８０と２０９０によって形成されるコイルのインダクタンスと実質的に同じである。金属領域２０９５は、金属領域２０２０におけるグランドにつながっている。

図２０のフィルタのレイアウトは、キャパシタＣ２をグランドに接続する新たなインダクタＬ２が追加されていることを除き、図５Ａないし５Ｃに示したレイアウトに類似している。

図２１は、図２０に示したレイアウトのバンドパスフィルタにおける周波数特性を示す図である。この構成において、周波数特性２１００は、約２．０ＧＨｚから３．５ＧＨｚの間の通過帯域２１３０を有する。周波数特性２１００は、通過帯域２１３０の低域側に２つの伝送ゼロ２１１０，２１２０を含む。また、通過帯域２１３０の高域側の周波数特性は、１つの伝送ゼロ２１４０を含むとともに、より大きな減衰とより急峻なロールオフを示す。従って、キャパシタＣ２とグランドとの間に配置されるインダクタを図５Ａないし５Ｃに示したレイアウトに追加することにより、通過帯域の高域側において、更に帯域外減衰とロールオフを向上させることができる。

本明細書と、ここに開示された実施形態を考慮することにより、当業者には他の実施形態が明白となろう。このように、本明細書および実施例は例示的なものにすぎず、本発明の真の範囲と精神は、以下の特許請求の範囲とその法的均等の範囲に示されるものである。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより高いバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す図である。図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る、図１Ａに示したバンドパスフィルタにおける上部層の物理的レイアウトを示す図である。図１Ｃは、本発明の一実施形態に係る、図１Ａに示したバンドパスフィルタにおける下部層の物理的レイアウトを示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより高いバンドパスフィルタの、インダクタの向きを含む回路図である。図３は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより高いバンドパスフィルタの回路図である。図４は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより高いバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。図５Ａは、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより低いバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す図である。図５Ｂは、本発明の一実施形態に係る、図５Ａに示したバンドパスフィルタにおける上部層の物理的レイアウトを示す図である。図５Ｃは、本発明の一実施形態に係る、図５Ａに示したバンドパスフィルタにおける下部層の物理的レイアウトを示す図である。図６は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより低いバンドパスフィルタの、インダクタの向きを含む回路図である。図７は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより低いバンドパスフィルタの回路図である。図８は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより低いバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。図９は、本発明の一実施形態に係る、インダクタの結合度がより高いバンドパスフィルタとインダクタの結合度がより低いバンドパスフィルタにおける周波数特性の比較を示す図である。図１０は、本発明の一実施形態に係る、結合インダクタンス値を種々変動させたバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。図１１は、本発明の一実施形態に係る、キャパシタンス値を種々変動させたバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。図１２Ａは、本発明の一実施形態に係る、インダクタを上部層に配置したバンドパスフィルタの断面図である。図１２Ｂは、本発明の一実施形態に係る、インダクタを下部層に配置したバンドパスフィルタの断面図である。図１３は、本発明の一実施形態に係る、インダクタを上部層に配置したバンドパスフィルタの製造方法を示す図である。図１４は、本発明の一実施形態に係る、インダクタを下部層に配置したバンドパスフィルタの製造方法を示す図である。図１５は、本発明の一実施形態に係る、パッシベーション層を有するバンドパスフィルタの断面図である。図１６は、本発明の一実施形態に係る、側壁終端を有するバンドパスフィルタの断面図である。図１７は、本発明の一実施形態に係る、インダクタ対を２対有するバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す図である。図１８は、本発明の一実施形態に係る、インダクタ対を２対有するバンドパスフィルタの、インダクタの向きを含む回路図である。図１９は、本発明の一実施形態に係る、インダクタ対を２対有するバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。図２０は、本発明の一実施形態に係る、インダクタを３つ有するバンドパスフィルタの物理的レイアウトを示す図である。図２１は、本発明の一実施形態に係る、インダクタを３つ有するバンドパスフィルタの周波数特性を示す図である。

Claims

少なくとも２層の薄膜層と、
第１の共振回路と、
第２の共振回路と
を備えた薄膜バンドパスフィルタであって、
前記第１の共振回路は、第１のインダクタ、第１のキャパシタおよび第３のインダクタを含み、
前記第２の共振回路は、第２のインダクタ、第２のキャパシタおよび第４のインダクタを含み、
前記第１のキャパシタおよび第３のインダクタは、互いに直列に接続され、且つ前記第１のインダクタに並列に接続され、
前記第２のキャパシタおよび第４のインダクタは、互いに直列に接続され、且つ前記第２のインダクタに並列に接続され、
前記第１のインダクタは、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの２層以上に配置された反時計回りの回転を有する第１のコイルを備え、
前記第２のインダクタは、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの２層以上に配置された時計回りの回転を有する第２のコイルを備え、
前記第３のインダクタと第４のインダクタは、同じ薄膜層に配置され、且つそれらの間に前記第１のコイルと第２のコイルを挟む位置に配置され、
バンドパスフィルタの通電時、前記第１のコイルと第２のコイルにおける、同じ薄膜層に配置された部位同士が結合することによって、前記少なくとも２層の薄膜層のうちの少なくとも１層において、前記第１のインダクタは前記第２のインダクタに結合されることを特徴とする薄膜バンドパスフィルタ。
通過帯域の低域側に２つの伝送ゼロを含み、通過帯域の高域側に１つの伝送ゼロを含む周波数特性に有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜バンドパスフィルタ。