專利名稱：傳輸線電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本主題總體上涉及一種耦合電容器，其用于在印刷電路板(PCB)環(huán)境中與元件結(jié)合和信號(hào)連接。依據(jù)本主題，形成傳輸線電容器時(shí)，在單一獨(dú)石器件中至少提供兩個(gè)電容器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳輸線通常定義為用于將源連接到負(fù)載的兩個(gè)或多個(gè)平行導(dǎo)體。這樣的術(shù)語經(jīng)常使人想到電力產(chǎn)生和分配系統(tǒng)，它利用大規(guī)模傳輸線在電力網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)源和負(fù)載間傳輸電能。然而，傳輸線不僅僅用在大規(guī)模環(huán)境中，實(shí)際上，甚至最小的電氣應(yīng)用也經(jīng)常使用傳輸線結(jié)構(gòu)用于能量分配。這種應(yīng)用的具體例子(通常是本主題的關(guān)注點(diǎn))對(duì)應(yīng)于在印刷電路板(PCB)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的傳輸線，即連接各種元件或連接點(diǎn)的平行信號(hào)軌跡。
PCB“傳輸線”被證明對(duì)很多傳統(tǒng)電路應(yīng)用相當(dāng)有用，尤其對(duì)那些利用較高頻率信號(hào)的電路。然而，高頻信號(hào)以這種方式傳播容易引起各種不期望的信號(hào)改變的現(xiàn)象，包括能改變信號(hào)數(shù)據(jù)和引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的噪聲尖峰以及能引起信號(hào)反射的在信號(hào)通路中的阻抗變化。
電容器經(jīng)常被用于幫助調(diào)節(jié)傳輸信號(hào)和確保不期望的信號(hào)改變現(xiàn)象的最小化。在很多應(yīng)用中，電容器是合乎需要的，其具有阻擋傳輸信號(hào)的DC分量的偏置能力，并且具有使AC電壓分量(經(jīng)常是信號(hào)的“數(shù)據(jù)”部分)通過的耦合能力。這樣的電容器將在下文中作為耦合電容器被提及，并且應(yīng)該與通常阻擋AC信號(hào)傳播的去耦電容器區(qū)分開。當(dāng)這種傳輸信號(hào)的特征在于具有較高頻率時(shí)，傳輸信號(hào)的耦合和去耦常常變得越來越重要。在美國(guó)專利No.6,272,003B1(Schaper)和No.6,023,408(Schaper)中公開了應(yīng)用于高頻信號(hào)的電容器技術(shù)的例子。
在傳輸線環(huán)境中的耦合電容器可能需要獨(dú)特的設(shè)計(jì)考慮。傳輸線的典型特征是具有一定的阻抗，沿著形成各個(gè)分別信號(hào)傳輸通路的信號(hào)軌跡，該阻抗優(yōu)選盡可能地保持恒定。維持相對(duì)恒定的傳輸線阻抗有助于確保信號(hào)的完整性。
特定電容器性能特征的決定和保留通常致力于該器件所用材料的選擇。在公知的技術(shù)中，多層電容器通常包括用來形成至少兩個(gè)主要物理結(jié)構(gòu)的材料，即導(dǎo)電極板和鄰近的電介質(zhì)部分。特殊地，由于可以獲得具有不同介電常數(shù)(K)的寬范圍的電介質(zhì)，因此電容器器件所用的電介質(zhì)材料的選擇能極大地影響元件設(shè)計(jì)和功能。
采用具有較高介電常數(shù)的材料的電子器件作為被選組成部件的例子包括美國(guó)專利No.6,275,370 B2(Gnade等人)、No.5,883,781(Yamamichi等人)、No.4,853,827(Hemandez)、No.4,464,701(Roberts等人)、No.3,883,784(Peek等人)和日本專利No.JP6290984(Kuroiwa等人)。
許多電子器件，尤其是電容結(jié)構(gòu)，在單個(gè)結(jié)構(gòu)中采用具有不同介電常數(shù)的材料的組合。這種電介質(zhì)材料的組合可能常常生產(chǎn)出功能或給定性能特征的范圍較寬的器件。美國(guó)專利No.5,779,379(Galvagni等人)、No.5,517,385(Galvagni等人)、No.6,108,191(Bruchhaus等人)、No.6,072,690(Farooq等人)和日本專利No.JP 1189997A(Takaaki等人)公開了合并不同電介質(zhì)材料的示范性電子器件。類似地，美國(guó)專利No.3,210,607(Flanagan)提供了一種設(shè)置有不同鐵磁性材料的裝置的例子。
形成采用不同電介質(zhì)材料的電容結(jié)構(gòu)的另一參考公開方案是美國(guó)專利No.5,583,738(Kohno等人)。該參考方案提供了一種具有獨(dú)特電容單元的電容器陣列，該電容單元通過介電常數(shù)低于電容單元自身所用材料的介電常數(shù)的層而相互隔開。這種公開的電容結(jié)構(gòu)可能適用于印刷電路板的環(huán)境。
提出電容器設(shè)計(jì)和/或關(guān)于選擇電介質(zhì)材料的另外背景參考資料包括美國(guó)專利No.6,300,267 B1(Chen等人)、No.6,208,501B1(Ingalls等人)、No.6,111,744(Doan)、No.6,094,335(Early)、No.5,561,586(Tornohiro等人)和No.3,699,620(Asher等人)。
盡管在芯片型電容器和其電介質(zhì)部分的領(lǐng)域內(nèi)公開了各種方案和替代部件，但是沒有出現(xiàn)一種總體解決了這里討論的所有問題的設(shè)計(jì)方案。因此，將所有上述美國(guó)專利的公開內(nèi)容整體合并到本發(fā)明中作為參考用于所有的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主題認(rèn)識(shí)到上述的各種問題以及關(guān)于耦合電容器和印刷電路板(PCB)應(yīng)用的特定方面的其它問題并加以解決。因此，一般地說，本公開技術(shù)的主要目的是提供一種用于印刷電路板(PCB)環(huán)境中的改進(jìn)耦合器件。更具體地，提供一種傳輸線電容器，它包括在單個(gè)獨(dú)石結(jié)構(gòu)中的至少兩個(gè)性質(zhì)不同的電容器件。
本主題的一個(gè)主要目的是提供一種用于在PCB或其它基板上的信號(hào)傳輸通路中串聯(lián)連接的電容器結(jié)構(gòu)，此時(shí)，該結(jié)構(gòu)提供電容功能同時(shí)也保持傳輸通路之間的期望阻抗值。
本主題的另一主要目的是提供一種傳輸線電容器，它提供用于阻擋所需DC電壓的偏置功能以及用于使AC電壓信號(hào)通過以維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的AC耦合功能。
公開技術(shù)的又一目的是提供用于保持信號(hào)通路阻抗和提供期望功能的各種可能傳輸線電容器實(shí)施例。所述不同的實(shí)施例可以包括例如設(shè)置在特定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的具有不同介電常數(shù)的材料。更具體地講，在設(shè)計(jì)出的具有特定尺寸例如有源高度和電容器極板間的間距的電容器結(jié)構(gòu)中，可以設(shè)置較高K(K＞50)和/或低K(K＜20)的電介質(zhì)材料。
本主題的另外目的和優(yōu)點(diǎn)在下文的詳細(xì)描述中列舉出來，或者對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言是顯然的。同時(shí)，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解到，在各種實(shí)施例的實(shí)踐中，可以對(duì)其具體圖示、參考和討論的部件作出修改和變化，因?yàn)閰⒖剂烁鞣N實(shí)施例，在使用本公開技術(shù)時(shí)不會(huì)偏離本主題的精神和范圍。這種變化可以包括等同替換那些顯示、參考或討論的裝置和部件或材料以及各個(gè)部分、部件的功能、操作或位置顛倒等等，但是所作的變化不局限于此。
更進(jìn)一步地可以理解，公開技術(shù)的不同實(shí)施例以及提出的不同優(yōu)選實(shí)施例可以包括本公開的部件或元素或它們的等同物(包括沒有顯示在附圖中或在具體實(shí)施方案中未提及的其部件或結(jié)構(gòu)的組合)的各種組合或結(jié)構(gòu)。
本主題的第一示范性實(shí)施例涉及一種傳輸線電容器，其包括以肩并肩的結(jié)構(gòu)設(shè)置在獨(dú)石型器件中的至少兩個(gè)多層電容器，其中每個(gè)電容器通過電介質(zhì)材料的附加部分與相鄰的電容器分隔開。形成各個(gè)多層電容器和分隔部分所用的電介質(zhì)材料優(yōu)選是較低K(例如，K～8)的電介質(zhì)材料。在該傳輸線電容器實(shí)施例中，可以具體設(shè)計(jì)出每個(gè)電容器的高度和間距以獲得每個(gè)電容器的給定容值，同時(shí)保持該器件內(nèi)的信號(hào)通路間的給定線對(duì)線阻抗。
公開技術(shù)的另一示范性實(shí)施例涉及一種傳輸線電容器，其具有形成于電介質(zhì)材料的體內(nèi)、并且設(shè)置在所述電介質(zhì)材料的分隔部分之間的至少兩個(gè)多層電容器。根據(jù)本實(shí)施例的電介質(zhì)材料可以具有較高的介電常數(shù)。優(yōu)選地，在每一相鄰多層電容器對(duì)之間的分隔部分內(nèi)切出空氣隙，使得電容器被電介質(zhì)材料的分隔部分局部隔開，而且被空氣隙局部隔開。根據(jù)該示范性實(shí)施例，傳輸線電容器可以獲得較高的容值。
本公開技術(shù)的又一示范性實(shí)施例相應(yīng)于一種傳輸線電容器，其具有形成于第一電介質(zhì)材料的體內(nèi)的、和被由第二不同電介質(zhì)材料組成的分隔部分至少局部隔開的至少兩個(gè)多層電容器。在一些實(shí)施例中，第一電介質(zhì)材料可能具有較高的介電常數(shù)，并且第二電介質(zhì)材料可能具有較低的介電常數(shù)。在一些實(shí)施例中，相鄰電容器之間的寬度間隔可以被第二電介質(zhì)材料徹底分隔。
本主題的又一實(shí)施例涉及一種傳輸線電容器，它利用沖壓技術(shù)形成，沖加工(punch)第一電介質(zhì)材料的層并且選擇性地交替插入有源電極層以形成第一多層電容器部分。然后通過在第一多層電容器部分的頂部沖加工第二電介質(zhì)材料來形成分隔部分。在設(shè)置第二電介質(zhì)材料之后，設(shè)置除了更多交替插入的有源電極層之外的第一電介質(zhì)材料的附加層，以形成完整的對(duì)稱性電容器堆疊結(jié)構(gòu)。這種薄膜沖加工技術(shù)也可以應(yīng)用于公開技術(shù)的其它實(shí)施例。
本主題的另外實(shí)施例不必在概括部分中論述，可以包括和合并在上述概括性目的中參考的部件或元件的方案的組合、和/或本說明書中另外討論的部件或元件。
在閱讀說明書的剩余部分后，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員將更好地理解所述實(shí)施例和其它實(shí)施例的特征和方案。


針對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員，在說明書中參考附圖對(duì)本發(fā)明主題進(jìn)行充分地和可實(shí)施地闡述，包括其最佳實(shí)施方式，在附圖中圖1A提供了與本主題的示范性傳輸線電容器實(shí)施例相結(jié)合的示范性電路板環(huán)境的透視圖；圖1B提供了本主題傳輸線電容器的設(shè)計(jì)中所用的平面板傳輸線的透視圖和代表圖；圖2A提供了根據(jù)本主題的第一示范性傳輸線電容器實(shí)施例的側(cè)視圖；圖2B提供了圖2A所示的第一示范性傳輸線電容器實(shí)施例的外貌的透視圖；圖3A提供了對(duì)于圖2A和2B所示的第一示范性傳輸線電容器實(shí)施例，高度-間距比與介電常數(shù)的關(guān)系曲線圖；圖3B提供了對(duì)于圖2A和2B所示的第一示范性傳輸線電容器實(shí)施例，容值與外形尺寸的關(guān)系曲線圖；圖4A提供了根據(jù)本主題的第二示范性傳輸線電容器實(shí)施例的側(cè)視圖；圖4B提供了對(duì)于圖4A所示的第二示范性傳輸線電容器實(shí)施例，等效介電常數(shù)與切口寬度之間的關(guān)系曲線圖；圖5A提供了根據(jù)本主題的第三示范性傳輸線電容器實(shí)施例的側(cè)視圖；圖5B提供了對(duì)于圖5A所示的第三示范性傳輸線電容器實(shí)施例，容值與外形尺寸之間的關(guān)系曲線圖；圖6A提供了根據(jù)本主題的第四示范性傳輸線電容器實(shí)施例的透視圖；圖6B提供了圖6A所示的第四示范性傳輸線電容器沿著A-A線切開并旋轉(zhuǎn)90度角的整體側(cè)面剖視圖。
在本說明書和附圖中貫穿重復(fù)使用參考標(biāo)記，用于表示本技術(shù)中相同或相似的部件或元件。
具體實(shí)施例方式
如同在發(fā)明內(nèi)容中所提到的，本主題涉及一種改進(jìn)型耦合器件，用于在印刷電路板(PCB)環(huán)境中與元件結(jié)合和信號(hào)連接。這種器件優(yōu)選地提供用于各個(gè)平行信號(hào)傳輸通路的電容功能，同時(shí)還保持傳輸通路之間的重要阻抗值，下面參考圖1A和1B進(jìn)行圖示和討論。
下面介紹在本文中提出的用于保持期望性能特征的幾種具體示范性傳輸線電容器實(shí)施例。第一示范性實(shí)施例可以用具有較低介電常數(shù)的電介質(zhì)材料形成，使得電容器的“高度”高，和在性質(zhì)不同的電容結(jié)構(gòu)之間具有固定的間距。該第一示范性實(shí)施例的方案分別參考圖2A-3B加以介紹。第二示范性傳輸線電容器實(shí)施例將參考圖4A和4B加以介紹，它可以由具有較高K的電介質(zhì)形成，然后在電容結(jié)構(gòu)之間開槽以形成一空氣隙。第三示范性實(shí)施例將參考圖5A和5B加以闡述，它可以由具有較高K的電介質(zhì)材料形成，并在電容結(jié)構(gòu)之間設(shè)置較低K的材料。第四示范性實(shí)施例將參考圖6A和6B加以闡述，涉及一種將高K和低K電介質(zhì)材料沖壓入獨(dú)石型薄膜器件中而形成的傳輸線電容器設(shè)計(jì)方案。
現(xiàn)在更具體地參考附圖，圖1描述了位于基板12上的示范性傳輸線電容器10?；?2可以對(duì)應(yīng)于印刷電路板或其它環(huán)境，其中提供了用來傳輸信號(hào)的信號(hào)通路14。經(jīng)由信號(hào)通路14傳輸?shù)男盘?hào)可以是如AC“數(shù)據(jù)”信號(hào)，在一定應(yīng)用中DC偏壓優(yōu)選被阻擋?？梢蕴峁詈想娙?，使得傳輸信號(hào)的被選AC部分通過并阻擋被選DC信號(hào)。同時(shí)，期望保持信號(hào)通路之間的給定線/線(即線對(duì)線)阻抗。
假定圖1A的兩條信號(hào)通路14設(shè)置為具有固定間距的大致平行結(jié)構(gòu)，線/線阻抗Z0約為100Ω。設(shè)置在信號(hào)通路14上的傳輸線電容器可以包括在單個(gè)獨(dú)石體10中的兩個(gè)平行電容器16，在電容器16之間形成固定間距，每個(gè)電容器16的頂部和底部有源層之間形成固定的高度。傳輸線電容器10的這種結(jié)構(gòu)在每條信號(hào)通路中提供了一個(gè)容值(例如，約為100pF)，同時(shí)保持線/線阻抗Z0′近似等于Z0。于是，如果Z0約為100Ω，Z0′優(yōu)選地也約為100Ω。傳輸線電容器10設(shè)置有端子18，以允許沿通路14傳播的信號(hào)輸入傳輸線電容器和從傳輸線電容器輸出，因此在不會(huì)受到傳輸通路之間阻抗變化的顯著影響的同時(shí)獲得了AC耦合功能的優(yōu)勢(shì)。
如上所述，圖1A所示的傳輸線電容器10包括兩個(gè)平行電容器16。可以理解到，根據(jù)本公開技術(shù)可以形成超過兩個(gè)的電容器16，這仍然在本主題的精神和范圍內(nèi)。例如，可以將具有四個(gè)電容器16的單個(gè)器件設(shè)計(jì)為鄰近電路板12上的四條平行信號(hào)路徑設(shè)置。為了便于理解，下面將介紹具有兩個(gè)電容器16的傳輸線電容器的設(shè)計(jì)方案。
圖1B提供了兩個(gè)平行電容器16的透視圖，它們可以包括在本技術(shù)的傳輸線電容器10中。下面關(guān)于圖1B的討論提供對(duì)于傳輸線理論的基本原理的理解，論述了如何設(shè)計(jì)所述電容器16的性能以提供特定電容功能并且保持特定的阻抗性能。
為了便于分析，需要設(shè)定一定變量來表示傳輸線電容器10和各個(gè)電容結(jié)構(gòu)16的特定尺寸。距離20表示各平行電容器16的高度，它對(duì)應(yīng)于電容器16的頂部和底部有源金屬板之間的距離，其中每個(gè)所述電容器可能具有超過兩個(gè)的金屬板，在一些實(shí)施例中實(shí)際包括多個(gè)有源金屬板。距離22表示每個(gè)電容器16的長(zhǎng)度，而距離24表示每個(gè)電容器16的寬度。兩個(gè)電容器隔開了間隔距離26，使得距離28表示兩個(gè)電容器16的各自寬度24與間隔距離26的總和。
圖1B的兩個(gè)電容器16的有效模型是平行平面金屬板傳輸線，其中特性阻抗Z0由下式給出Z0=η0ϵr(A+B)-1]]>如果ab≥1]]>Z0=η0πϵr[ln(4ba)+18(ab)2-C]]]>否則 (1)其中a＝1/2(距離20)，b＝1/2(距離26)，η0≈120πΩ(自由空間的固有阻抗)，e≈2.71828(自然對(duì)數(shù)的底)，ϵ0=10-936πF/m]]>(自由空間的電容率)，εr＝隔開電容器16的材料的介電常數(shù)，并且A、B和C由下式給出A=ab+1πln(4)+(ϵr-1)2πϵr2ln(eπ216)]]>B=ϵr+12πϵrln(πe(ab+0.94)2)------(2)]]>C=ϵr-12(ϵr+1)(ln(π2)+ln(4π)ϵr)]]>于是Z0＝Z0(εr，a，b)，于是圖1A和1B中所示的傳輸線電容器10的特性阻抗可以確定為分隔電容器16的材料的介電常數(shù)、平行電容器16之間的間隔距離(距離26)和電容器16的高度(距離20)的函數(shù)。如果所需特性阻抗Z0為100Ω，可以選擇εr、間隔距離26和高度20的相應(yīng)值，以適用于任何給定的應(yīng)用情況。
根據(jù)本主題可以形成一種傳輸線電容器，在它的結(jié)構(gòu)中采用了低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic，LTCC)材料。這種LTCC材料優(yōu)選的特征是具有較低的介電常數(shù)，例如從約5.0到約10.0的范圍，其中特定介電常數(shù)8.1可以用來獲得關(guān)于傳輸線電容器的間距和高度的數(shù)值。考慮第一示范性傳輸線電容器30，圖2A中示出了整體側(cè)視圖。兩個(gè)平行電容器32定位在實(shí)施例30內(nèi)部使得電容器32被隔開距離38，電容器32均具有各自的高度34和寬度36。電容器32還以如下方式定位在實(shí)施例30內(nèi)部具有通常相等的寬度邊緣40和41，以及頂部高度邊緣42和底部高度邊緣44。包括電容器32和包圍電容器32的電介質(zhì)材料的實(shí)施例30的特征在于用距離46表示總器件高度，和用距離48表示總器件寬度。
假定所需的特性阻抗約為100Ω，和圖2A的實(shí)施例30中位于電容器32之間的電介質(zhì)材料的特征在于介電常數(shù)約為8.1。利用等式(1)中給出的特性阻抗公式，于是得出對(duì)于上述的示范性性能特征，所需的高度與間距的比值(距離34/距離38)約為0.313。圖3A提供了對(duì)于圖2A所示的傳輸線電容器，在設(shè)定的特性阻抗為100Ω的情況下，高度與間距的比值和介電常數(shù)之間的關(guān)系曲線圖。下面的表1列出了這種關(guān)系的一些具體例子。
介電常數(shù)(εr) 高度與間距的比值(距離34/距離38)1.0 2.4762.7 1.3388.1 0.31315.0 0.130表1用于設(shè)計(jì)第一傳輸線電容器實(shí)施例的示范性數(shù)值當(dāng)設(shè)計(jì)諸如第一示范性實(shí)施例30的傳輸線電容器實(shí)施例時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到高度和間距是這種器件的尤其重要的設(shè)計(jì)方面。因此，考慮到下列事實(shí)也是很重要的，即各個(gè)電容器32的高度34不僅包括電介質(zhì)材料的厚度，也包括電容器內(nèi)的各個(gè)有源導(dǎo)電金屬板的厚度。上文中曾提到電容器32的特征可以在于平行連接在一起的多個(gè)有源金屬板，以產(chǎn)生各個(gè)多層電容器。這由圖2B中位于傳輸線電容器30中的電容元件32的示范性實(shí)施例的透視圖表示。多層電容器32優(yōu)選形成為具有被電介質(zhì)材料層52隔開的多個(gè)有源電極層50。在圖2B為了示范僅圖示出三個(gè)介電層52。應(yīng)當(dāng)理解到，根據(jù)本主題的傳輸線電容器實(shí)施例可能設(shè)置更多的層。
為了進(jìn)行示范性的計(jì)算，假定電容器32之間的間距38約為300μm，各個(gè)有源層50通過構(gòu)建厚度54約為2.0μm(約0.079mil)的導(dǎo)電金屬層而形成。上文中確定了對(duì)于介電常數(shù)為8.1的器件，需要0.313的間距與高度的比值。因此，當(dāng)電容器32之間的間距38定為300μm(11.81mil)時(shí)，電容器高度優(yōu)選為(0.313)*(300μm)＝93.96μm(3.699mil)。因此，為了獲得93.96μm的電容器高度，當(dāng)各個(gè)有源層50的厚度54為2.0μm時(shí)，并且假定各個(gè)電介質(zhì)層的厚度56約為6.0μm，則組合層(一個(gè)有源層50和一個(gè)電介質(zhì)層52)的數(shù)量(N)由下式確定N=ceil((9.396·10-5)-(2·10-6)(6·10-6)+(2·10-6))=ceil(11.49)=12]]>ceil(x)函數(shù)確定了x的下一個(gè)最高整數(shù)。
每個(gè)電容器32提供給定的電容功能(例如，100pF)也可能是所需的。為了確定每個(gè)電容器32的容值，必須設(shè)定每個(gè)電容器的寬度36。當(dāng)示范性的間距38是300μm，邊緣距離40和41均是大約125μm，以及總器件距離48是大約1.25mm時(shí)，每個(gè)電容器32的寬度36被確定約為1/2[(距離48)-(距離40)-(距離41)-(距離38)]≈350μm≈13.78mil。
當(dāng)寬度距離36一定時(shí)，電容器32的容值可以確定為長(zhǎng)度距離58(圖1B中的距離22)的函數(shù)，由下式給出 給定示范性的長(zhǎng)度距離58約為2.0mm，示范性的寬度距離約為350μm，12個(gè)示范性層，每一電介質(zhì)層52的厚度56約為6.0μm，則得到的容值約為100.4pF。注意到該容值(C)取決于電容器32的長(zhǎng)度和寬度，在圖3B中圖示了所述長(zhǎng)度和寬度的可能組合的其它例子以及因該組合而得到的容值。在圖3B中畫出了三條曲線，每條曲線表示在不同寬度(W)36的情況下容值與長(zhǎng)度間的關(guān)系。
介紹上面的各種計(jì)算方法是為了設(shè)計(jì)出能夠符合任意數(shù)量的期望標(biāo)準(zhǔn)的傳輸線電容器。與所述示范性計(jì)算相一致，列出圖2A的整個(gè)器件實(shí)施例30的一些示范性尺寸可能進(jìn)一步具有實(shí)用性。傳輸線電容器30由介電常數(shù)為8.1的材料構(gòu)成并且工作在特性阻抗約為100Ω下。假定引用與上述例子相同的參考數(shù)字，下面的表2列舉出一些示范性尺寸實(shí)施例30的寬度48和長(zhǎng)度58，以及得到的每個(gè)電容器32的容值。
距離48(mil) 距離58(mil) 容值(pF)50 60 10060 60 10080 40 10050 100 12550 120 15060 80 13660 100 17060 120 20480 80 20780 100 26080 120 312表2在給定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下(包括Z0＝100Ω)的示范性尺寸和容值當(dāng)形成根據(jù)本主題的傳輸線電容器時(shí)，使用低K電介質(zhì)材料并不總是優(yōu)選的。于是，介紹一第二示范性實(shí)施例，可以更好地利用具有較高介電常數(shù)的材料。圖4A提供了根據(jù)本公開技術(shù)的第二示范性傳輸線電容器實(shí)施例60的側(cè)視圖。所述第二實(shí)施例60包括兩個(gè)平行電容器62，它們以類似于第一示范性實(shí)施例30的電容器32的方式形成。在該些電容器62中和在周圍的電介質(zhì)部分64中所用的電介質(zhì)材料可以對(duì)應(yīng)于材料的任意數(shù)量，包括NPO(COG)、較低K的X7R(例如具有大約2000的介電常數(shù)(K)的材料)、較高K的X7R(例如具有大約3000的介電常數(shù)(K)的材料)、Z5U和/或Y5V。如同本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所公知的，應(yīng)當(dāng)注意到X7R是較高K材料，對(duì)于X7R而言，2000的介電常數(shù)是較低的，而對(duì)于這種示范性材料而鹽，3000的介電常數(shù)是較高的。提供它們僅僅作為本文中介紹的任意示范性實(shí)施例所用電介質(zhì)材料的例子，應(yīng)當(dāng)理解到，本發(fā)明的傳輸線電容器也可以采用其它的電介質(zhì)材料同時(shí)仍然處于本技術(shù)的精神和范圍內(nèi)。事實(shí)上，盡管介紹的本技術(shù)方案中采用了具有較高和/或較低K的電介質(zhì)材料，應(yīng)當(dāng)理解到，具有任意特定介電常數(shù)的材料可以適用于公開技術(shù)的選擇實(shí)施例。
通過將兩個(gè)電容器62之間的、具有高度68和寬度70的一部分切除，在傳輸線電容器60內(nèi)形成一溝槽(channel)66。每個(gè)電容器62具有各自的示范性高度72和寬度74。整個(gè)傳輸線電容器可以表示為具有高度76和寬度78。電容器62定位在傳輸線電容器內(nèi)，具有頂部邊緣距離80和底部邊緣距離82。也可以在傳輸線電容器60內(nèi)設(shè)置側(cè)邊緣84，并且電容器62之間的總間距定義為距離86。
對(duì)于諸如圖4A的實(shí)施例60的傳輸線電容器結(jié)構(gòu)，傳輸通路間材料的介電常數(shù)(εr)將是電容器體所用材料64的介電常數(shù)(εr1)與存在于溝槽66中的材料的介電常數(shù)(εr2)的組合。對(duì)于所述第二示范性實(shí)施例60，溝槽66可以用空氣簡(jiǎn)單填充，空氣具有大約為1.0的介電常數(shù)。為了下面的示范性計(jì)算，假定溝槽高度68大于距離80和距離72的組合值。于是兩個(gè)平行電容器62之間的等效介電常數(shù)(εr)可以確定為溝槽寬度70的函數(shù)，由下式給出 為了進(jìn)行示范性地計(jì)算，假定εr1＝100.0和εr2＝1.0。如果需要εr＝10的值，于是可以用等式(3)計(jì)算出距離70應(yīng)當(dāng)為0.273mm。類似地，如果需要εr＝20的值，于是可以用等式(3)計(jì)算出距離70應(yīng)當(dāng)為0.242mm。圖4B提供了對(duì)于圖4A的實(shí)施例60，假定εr1＝100.0和εr2＝1.0時(shí)，等效介電常數(shù)(εr)與切口寬度之間的關(guān)系曲線圖。
上文中關(guān)于第二傳輸線電容器實(shí)施例60作出的示范性數(shù)學(xué)分析僅僅作為如何形成傳輸線電容器實(shí)施例的一個(gè)例子，在該電容器實(shí)施例中形成有根據(jù)本技術(shù)的溝槽部分。從示范性數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)注意到，溝槽區(qū)域需要被非常精確地切割，以確保電容器62之間的給定等效介電常數(shù)(εr)。因此，用介電常數(shù)略高于空氣的另一種電介質(zhì)材料填充溝槽區(qū)66可能是優(yōu)選的。只要距離70接近距離68，用除了空氣之外的另一種電介質(zhì)材料填充溝槽區(qū)66可能是尤其優(yōu)選的。這將有助于確保不會(huì)暴露出確保電容器62內(nèi)的有源電極層。
現(xiàn)在參考圖5A，第三示范性傳輸線電容器實(shí)施例90提供了在寬度為94的獨(dú)石結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)平行電容器92。每個(gè)電容器92的優(yōu)選特征在于高度96和寬度97。在各個(gè)電容器92的實(shí)質(zhì)部分的周圍提供具有介電常數(shù)(εr1)的電介質(zhì)材料98。電容器92可以分離地形成，或者可以形成為單個(gè)電容器，其中一溝槽切穿所述單個(gè)電容器的大致中間部分。溝槽定義為具有寬度102，它可以用具有介電常數(shù)(εr2)的鈍化材料100填充。圖5A的實(shí)施例90(或其它實(shí)施例)可能采用的材料的例子是用于電介質(zhì)98的NPO(COG)材料和用于電介質(zhì)100的玻璃或環(huán)氧材料。電容器92還可以以下列方式定位在傳輸線電容器90內(nèi)，使得側(cè)邊緣設(shè)置有各距離104。
為了進(jìn)行示范性計(jì)算，假定電容器92之間的間距102約為300μm以及各電容器92形成有多個(gè)有源層(如圖2B中所示)。電容器92中的每個(gè)有源層可以通過構(gòu)建厚度約為2.0μm(約0.079mil)的導(dǎo)電金屬層而形成，和將邊緣距離104設(shè)置為大約125μm(4.921mil)。給定間隔距離102和邊緣距離104，并且假定總器件寬度94是1.25mm，每個(gè)電容器92的寬度97被確定為大約350μm(2.808mil)。
對(duì)于圖5A的實(shí)施例90，給定寬度和間距尺寸以及材料100的介電常數(shù)(εr2)，并且假定在電容器92之間需要的特性阻抗Z0約為100Ω，可以通過等式(1)提供的公式來計(jì)算出滿足等式的高度值96。
為了得到給定的電容器高度96，當(dāng)每一有源層的厚度約為2.0μm時(shí)，假定每一電介質(zhì)層的厚度約為6.0μm，獲得高度96所需的組合層(一個(gè)有源層和一個(gè)電介質(zhì)層)的數(shù)量(N)由下式確定 為了確定每個(gè)電容器92的容值，需要知道每個(gè)電容器的尺寸。每個(gè)電容器92的容值可以作為該尺寸的函數(shù)由下式確定
長(zhǎng)度和寬度的可能組合和由它們得到的容值的例子圖示在圖5B中。在圖5B中畫出了三條曲線，每條曲線表示在不同的寬度條件下容值與長(zhǎng)度的關(guān)系。
本主題的第四示范性實(shí)施例106是圖6A和6B中所示的傳輸線電容器。該傳輸線電容器106可以包括用第一電介質(zhì)材料形成的至少兩個(gè)電容部分108，在兩個(gè)電容部分108之間具有用第二電介質(zhì)材料形成的分隔部分110。
更加具體地參考圖6B，該圖是沿圖6A的A-A線切開并且旋轉(zhuǎn)大約90度后的電容器106的剖面圖。該剖面圖有助于理解如何利用沖壓類型技術(shù)(punch press type technology)形成電容器106。一旦利用傳輸線理論和公式確定了傳輸線電容器106的尺寸(這里公開的方案)，可以構(gòu)造出圖6A和6B所示的器件。實(shí)施例106可以利用薄膜技術(shù)形成，例如高壓層壓(highpressure lamination press)(也稱為沖壓(punch press))。
將有源導(dǎo)電電極層114選擇性地交替插入到第一電介質(zhì)材料112的層中。交替的有源層114和電介質(zhì)材料112生成第一電容部分108。接著中斷電介質(zhì)材料112的層的設(shè)置，以設(shè)置第二電介質(zhì)材料110的層。電介質(zhì)材料110可能具有低于電介質(zhì)材料112的介電常數(shù)。在設(shè)置足夠數(shù)量的電介質(zhì)材料110以得到傳輸線電容器106的設(shè)定容值和阻抗性能后，通過設(shè)置被交替插入有另外的有源層114的第一電介質(zhì)材料112的層，形成第二電容器部分108。為了制造出對(duì)稱的器件，在相關(guān)的尺寸和整體性能特征方面，第一和第二電容器部分可以是大致等價(jià)的結(jié)構(gòu)。
上文中討論的第四示范性實(shí)施例106的多層中的每一層可以被沖入陰模中并在高壓下層壓。接著器件106可以從陰模中推出并進(jìn)行燒結(jié)。于是端子116可以順著燒結(jié)的元件設(shè)置，以提供與各個(gè)電容器部分108的電氣連接。該端子116構(gòu)造在相對(duì)的方向上，而不是其它傳統(tǒng)的多層電容器端子。應(yīng)當(dāng)理解到，在形成本主題的傳輸線電容器的第四示范性實(shí)施例106中采用的沖壓技術(shù)方案也可以應(yīng)用到本公開技術(shù)的其它實(shí)施例。而且，文中介紹的其它傳輸線電容器實(shí)施例的方案也可以應(yīng)用到參考圖6A和6B討論的實(shí)施例。
盡管已經(jīng)參考具體實(shí)施例詳細(xì)描述了本主題，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以理解，在理解前述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用本技術(shù)時(shí)可以很容易地對(duì)所述實(shí)施例進(jìn)行更改、變化和等價(jià)替換。因此，本公開的范圍被示范而不是被限制，并且本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員很容易明白，本公開不排除包含這些更改、變化和/或添加。
權(quán)利要求
1.一種獨(dú)石型傳輸線電容器，包括由第一電介質(zhì)材料組成的體；設(shè)置在所述體內(nèi)的至少兩個(gè)多層電容器，每一個(gè)多層電容器的特征在于各自的電容器高度；其中所述至少兩個(gè)多層電容器大致相互平行地定位，從而提供在所述至少兩個(gè)多層電容器之間的大致恒定間隔距離；其中所述至少兩個(gè)多層電容器的每一個(gè)由交替插入在多個(gè)絕緣基板間的多個(gè)電極構(gòu)成；其中所述絕緣基板由第二電介質(zhì)材料組成；其中所述至少兩個(gè)多層電容器的每一個(gè)還包括分別連接到選擇的所述多個(gè)電極上的第一和第二端子，從而經(jīng)由每一各自多層電容器提供電容器-信號(hào)-通路；以及其中選擇每一所述電容器高度、所述間隔距離和所述第一電介質(zhì)材料，以產(chǎn)生針對(duì)該獨(dú)石型傳輸線電容器的預(yù)定電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗(capacitor-signal-path to capacitor-signal-path impedance)。
2.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗基本上等于在所述傳輸線電容器外部的、并且分別連接到所述至少兩個(gè)多層電容器的所述第一端子的兩個(gè)信號(hào)通路之間的線對(duì)線阻抗(line-to-line impedance)。
3.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗是大約100歐姆。
4.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述至少兩個(gè)多層電容器具有大致相等的高度、大致相等的長(zhǎng)度和大致相等的寬度。
5.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中至少一個(gè)電容器歸屬于由(1)多層電容器的長(zhǎng)度、(2)多層電容器的高度、(3)多層電容器的寬度、(4)包括所述多個(gè)電極的電極的數(shù)量和(5)所述第二電介質(zhì)材料的類型構(gòu)成的屬性組，選擇所述屬性，以得到所述相鄰多層電容器的每一個(gè)的預(yù)定電容值，同時(shí)基本保持所述預(yù)定的電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗。
6.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中選擇的所述第一和第二電介質(zhì)材料包括從由NPO(COG)、低K的X7R、高K的X7R、Z5U和Y5V構(gòu)成的組中選取的材料。
7.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第一電介質(zhì)材料具有大于大約50的介電常數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第一電介質(zhì)材料包括高K電介質(zhì)材料和所述第二電介質(zhì)材料包括低K電介質(zhì)材料。
9.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第一電介質(zhì)材料和所述第二電介質(zhì)材料包括低K電介質(zhì)材料。
10.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第二電介質(zhì)材料具有小于大約20的介電常數(shù)。
11.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第二電介質(zhì)材料是共燒陶瓷材料。
12.如權(quán)利要求1所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第一電介質(zhì)材料和所述第二電介質(zhì)材料由相同的材料組成。
13.一種獨(dú)石型傳輸線電容器，包括由第一電介質(zhì)材料組成的體；設(shè)置在所述體內(nèi)的至少兩個(gè)多層電容器，每一個(gè)所述多層電容器的特征在于多層電容器高度；其中所述至少兩個(gè)多層電容器大致相互平行地定位，從而提供在所述至少兩個(gè)多層電容器之間的大致恒定間隔距離；其中所述至少兩個(gè)多層電容器的每一個(gè)由交替插入在多個(gè)絕緣基板間的多個(gè)電極組成；其中所述體包括形成于所述間隔距離內(nèi)的溝槽，所述溝槽的特征在于溝槽寬度和填充有第二電介質(zhì)材料；其中所述至少兩個(gè)多層電容器的每一個(gè)還包括分別連接到選擇的所述多個(gè)電極上的第一和第二端子，從而經(jīng)由每一各自的多層電容器提供電容器-信號(hào)-通路；以及其中選擇所述被選多層電容器的高度、所述溝槽寬度、所述第一電介質(zhì)材料和所述第二電介質(zhì)材料，以產(chǎn)生用于所述獨(dú)石型傳輸線電容器的預(yù)定電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗。
14.如權(quán)利要求13所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗基本上等于與所述至少兩個(gè)多層電容器的各端子相連接的兩條外部傳輸線的線對(duì)線阻抗。
15.如權(quán)利要求13所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第二電介質(zhì)材料是空氣。
16.如權(quán)利要求13所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述溝槽寬度大致等于所述間隔距離的寬度。
17.如權(quán)利要求13所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第一電介質(zhì)材料具有大于大約50的介電常數(shù)。
18.如權(quán)利要求13所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第二電介質(zhì)材料是玻璃材料和環(huán)氧樹脂材料中的一種。
19.如權(quán)利要求13所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述多個(gè)絕緣基板由第三電介質(zhì)材料組成。
20.如權(quán)利要求19所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述至少兩個(gè)多層電容器具有大致相等的高度、大致相等的長(zhǎng)度和大致相等的寬度。
21.如權(quán)利要求20所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中至少一個(gè)電容器歸屬于由(1)所述高度、(2)所述長(zhǎng)度、(3)所述寬度、(4)所述多個(gè)電極的數(shù)量和(5)所述第三電介質(zhì)材料的類型構(gòu)成的屬性組，選擇所述屬性以得到所述多層電容器的每一個(gè)的預(yù)定電容值，同時(shí)保持所述電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗。
22.如權(quán)利要求19所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中選擇的所述第一電介質(zhì)材料和第三電介質(zhì)材料包括從由NPO(COG)、低K的X7R、高K的X7R、Z5U和Y5V構(gòu)成的組中選取的材料。
23.如權(quán)利要求19所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第二電介質(zhì)材料具有小于大約20的介電常數(shù)。
24.一種獨(dú)石型傳輸線電容器，包括至少兩個(gè)鄰近的多層電容器，其中每個(gè)多層電容器設(shè)置在體內(nèi)，每一個(gè)所述體由第一電介質(zhì)材料組成，其中每一個(gè)所述體通過由第二電介質(zhì)材料組成的間隔層與鄰近的體分隔開；其中所述多層電容器的每一個(gè)由交替插入在多個(gè)絕緣基板間的多個(gè)電極組成；其中所述多層電容器的每一個(gè)還包括分別連接到選擇的所述多個(gè)電極上的第一和第二端子，從而經(jīng)由每一各自的多層電容器提供一電容器-信號(hào)-通路；其中所述間隔層的寬度大致等于與所述相鄰多層電容器的各自所述第一端子連接的兩條外部信號(hào)通路之間的距離；以及其中選擇被選多層電容器的高度、所述第一電介質(zhì)材料的類型和所述第二電介質(zhì)材料的類型，以產(chǎn)生針對(duì)所述相鄰多層電容器的預(yù)定電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗。
25.如權(quán)利要求24所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗大致等于針對(duì)所述外部信號(hào)通路的線對(duì)線阻抗。
26.如權(quán)利要求24所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述電容器-信號(hào)-通路對(duì)電容器-信號(hào)-通路阻抗大約是100歐姆。
27.如權(quán)利要求24所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第一電介質(zhì)材料包括高K電介質(zhì)材料和所述第二電介質(zhì)材料包括低K電介質(zhì)材料。
28.如權(quán)利要求24所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第二電介質(zhì)材料具有從大約5.0至大約10.0范圍內(nèi)的介電常數(shù)。
29.如權(quán)利要求24所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第二電介質(zhì)材料是共燒陶瓷材料。
30.如權(quán)利要求24所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述多個(gè)絕緣基板由第三電介質(zhì)材料組成。
31.如權(quán)利要求30所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中被選的所述第一電介質(zhì)材料、所述第二電介質(zhì)材料和所述第三電介質(zhì)材料包括從由NPO(COG)、低K的X7R、高K的X7R、Z5U和Y5V構(gòu)成的組中選取的材料。
32.如權(quán)利要求24所述的獨(dú)石型傳輸線電容器，其中所述第一電介質(zhì)材料具有不低于大約50的介電常數(shù)，和其中所述第二電介質(zhì)材料具有低于大約20的介電常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種傳輸線電容器，包括由間隔部分隔離的至少兩個(gè)肩并肩的電容器部分，它們?nèi)堪趩我华?dú)石體內(nèi)。該電容器向印刷電路板環(huán)境中的平行傳輸線提供特定電容功能，同時(shí)也保持傳輸通路間的期望阻抗值。該電容器提供偏置功能用于阻擋不期望的DC電壓，也提供AC耦合功能用于使AC電壓信號(hào)通過以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。該電容器可以用介電常數(shù)較低的電介質(zhì)材料形成，使得電容器“高度”高和不同性質(zhì)的電容結(jié)構(gòu)之間的間距固定。它可以用K較高的電介質(zhì)材料形成，和在電容結(jié)構(gòu)之間開槽形成空氣隙。它可以用K較高的電介質(zhì)材料形成，和在電容結(jié)構(gòu)之間設(shè)置較低K材料。還可通過將高K和低K電介質(zhì)材料沖壓入獨(dú)石型薄膜器件中而形成。
文檔編號(hào)H01G4/02GK1519869SQ200310122349
公開日2004年8月11日 申請(qǐng)日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者喬治·科羅尼, 安德魯·里特, 里特, 喬治 科羅尼 申請(qǐng)人:阿維科斯公司