專利名稱：基于埋入電容的寬帶低通高頻濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于埋入電容的寬帶低通高頻濾波器。
背景技術(shù)：
濾波網(wǎng)絡(luò)廣泛地應(yīng)用于電子系統(tǒng)中。在一個印刷電路板中或封裝中往往需要多個濾波網(wǎng)絡(luò)，對于不同的應(yīng)用環(huán)境，它們可以是電源濾波網(wǎng)絡(luò)，信號濾波網(wǎng)絡(luò)。如按工作頻段可分為高通濾波網(wǎng)絡(luò)，低通濾波網(wǎng)絡(luò)，帶通濾波網(wǎng)絡(luò)和帶阻濾波網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)一般是用無源元件，例如電阻，電容或電感組成的。為滿足要求，這些無源元件往往需要多級級聯(lián)。另一方面，由于所有的無源元件都有寄生參數(shù)，只能工作在一個特定的頻段，使得用這些元件搭建起來的濾波網(wǎng)絡(luò)往往不能達到理想的效果。為了彌補缺陷，一般采用多個無源元件組合的方式。這些方法帶來的問題就是元件數(shù)量增加，設(shè)計相對復(fù)雜，成本上升。對于低通濾波網(wǎng)絡(luò)來說，尤其是在一個包
含從低頻到高頻的混合信號電路系統(tǒng)中需要對GHz左右或以上的頻率濾波難度很大。我們知道，在需要對這樣的高頻進行濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時， 一個困難的任務(wù)是選擇能工作在高頻上的大容值電容。因為一個具有大容值的電容由于寄生電感的原因只能工作在較低的頻段上。而采用多個小容值電容組合的方式雖然在一定程度上能解決問題，但要滿足GHz，甚至幾個GHz以上要求的高頻濾波，這種方法還是難以達到。再加上元件數(shù)量的增加，設(shè)計和制造的難度增加，成本也隨之上升。如果有一種低成本且有效的方法來對高頻，尤其是對GHz左右或以上的頻率進行濾波，將給系統(tǒng)設(shè)計、制作帶來方便，并同時降低成本。
埋入電容是在基板中以薄膜的方式將電容埋置于板中，它是由上下金屬層和中間介質(zhì)層構(gòu)成。分為兩大類，全平面型和局部平面型。全平面型是埋入電容占據(jù)整個基板中的某一層或幾層；局部平面型是埋入電容占據(jù)基
3板中某一層或幾層的局部區(qū)域。這兩類埋入電容一般都用于退耦，改善系 統(tǒng)的信號完整性與功率完整性。而局部平面型還可用于其他方面，如耦合， 匹配，濾波等等。使用埋入電容的好處是，(l)減少退耦電路的元件數(shù)量； (2)提高系統(tǒng)性能；(3)減少系統(tǒng)面積；(4)增加系統(tǒng)的可靠性；(5) 降低成本。它在退耦和其他方面的應(yīng)用已經(jīng)在許多公司的產(chǎn)品中得到實 現(xiàn)。通過對埋入電容原理的深入分析，我們發(fā)現(xiàn)埋入電容用于替代低通濾 波網(wǎng)絡(luò)具有獨特的優(yōu)點(1)可省去絕大多數(shù)無源元件；(2)具有很寬的 帶寬；(3)可以工作在相當高的頻段上。
埋入電容已經(jīng)研究多年。Robert T. Croswell等人的"印刷電路埋入 電容"(Printed Circuit Embedded Capacitor,專利號US7056800)描 述了埋入電容的結(jié)構(gòu)與制作方法。采用他們的方法可使埋入電容容值大于 1000pF/mm2，電容器介質(zhì)厚度只有不到1微米。但他們的發(fā)明只是針對電容 本身，也就是用埋入電容替代表面貼裝電容或其他電容器，并不試圖用一 個埋入電容來替代一個濾波網(wǎng)絡(luò)。Michael James Liberatore等人的"高 介電常數(shù)埋入電容"(High Dielectric Constant Embedded Capacitors, 專利號US6191934)描述了一種可用絲網(wǎng)印刷的一種高介電常數(shù)的材料， 其介電常數(shù)可達2800到4500。同時具有低損耗角和重量輕的優(yōu)點。他們
的發(fā)明仍然是關(guān)于埋入電容本身的制作。在另一個發(fā)明中"用導(dǎo)體填充過 孑L的埋入電容，，(Embedded Capacitors using Conductor Filled Vias,專 利號US7154139), Terry M. Provo等人介紹了一種埋入電容的制作方法。 他們是在印刷電路板的制作過程中加入了制作埋入電容的工序。他們也只 是針對電容本身。有一些專利是關(guān)于降低埋入電容的連接電感的，如 William J. Borland等人的"具有低電感的埋入電容的印刷電路板及其應(yīng) 用"(Printed Wiring Boards having Low Inductance Embedded Capacitors and Methods of Making Same Related Applications, 專禾U號 WO/2004/056160)。他們的發(fā)明是對接入埋入電容的端口進行特殊設(shè)計， 以達到減小電感的作用。其目的是為了改進埋入電容的性能，不涉及擴展 埋入電容的功能。類似的關(guān)于埋入電容的材料，制作工藝，改進性能等等 專利還有很多。但我們還沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)采用埋入電容的特殊多點設(shè)計，利 用接入點對頻率不同響應(yīng)的特性擴展埋入電容的功能的發(fā)明專利。我們能
4查到的所有發(fā)明還停留在埋入電容本身及改進性能上。本發(fā)明是用多點接 入的方法，將一個埋入電容功能有效地擴展成一個濾波網(wǎng)絡(luò)，從而可以大 大地減少濾波網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)量，減化設(shè)計，提高濾波性能，降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于埋入電容的寬帶低通高頻濾波器，所述 濾波器包括 一個多端口的埋入電容，用于對電子系統(tǒng)中的中頻及高頻分 量濾波； 一個或多個大容值的附加電容，并聯(lián)于埋入電容的端口，用于改
善該濾波器的低頻特性。
進一步，所述埋入電容是印刷電路板的一部分，占據(jù)印刷電路板中一 層或幾層的全部面積或部分面積。
進一步，所述埋入電容的形狀為矩形，或為方形，或為圓形，或為橢圓形。
進一步，所述埋入電容有兩個或兩個以上的連接端口，其連接端口的 位置由最大衰減要求和最大衰減下的頻率決定。
進一步，所述埋入電容的制作與印刷電路板的制作過程兼容，采用層 壓或逐層構(gòu)造法或"抓取一放置"方法埋入到基板里。
進一步，所述附加電容容值在10 1000微法之間。
本發(fā)明是通過對埋入電容選擇兩個或兩個以上的接入點，使埋入電容成 為一個兩端口或多端口濾波網(wǎng)絡(luò)，以替代常規(guī)的用無源元件組成的低通濾 波網(wǎng)絡(luò)。如與另外的常規(guī)電容器配合，能得到超寬帶寬和高頻濾波的性能。 本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，工藝兼容等優(yōu)點。


圖1是含有埋入電容的單端接入印刷電路板示意圖2 (a)是現(xiàn)有技術(shù)中的一個理想電容；
圖2 (b)是圖2 (a)所示電容的濾波特性；
圖3是一個集成電路所需要的濾波網(wǎng)絡(luò)的實用舉例；
圖4是常規(guī)濾波網(wǎng)絡(luò)特性(圖3中實例)與用本發(fā)明的埋入電容構(gòu)成
的濾波網(wǎng)絡(luò)特性比較。
5其中標記說明
101 —埋入電容的上極板；
102 —埋入電容的下極板；
103 —埋入電容的介質(zhì)層；
104 —連接埋入電容下電極接入端；
105 —連接埋入電容上電極的接入端；
106 —其他導(dǎo)體層；
107 —包含埋入電容的整個印刷電路板；
108 —表面貼裝電容； 201 —理想電容；
401 —理想濾波網(wǎng)絡(luò)的濾波特性；
402 —計入寄生參數(shù)后的網(wǎng)絡(luò)濾波特性；
403 ——端接入的埋入電容的濾波器的濾波特性；
404 —兩端接入的埋入電容的濾波特性；
405 —兩端接入的埋入電容的輸入端再加接一個100微法電容的 濾波特性。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實 例加以說明，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
圖1是埋入電容的基本概念。在一個基板中，有一層(或多層)埋入電 容層，該示意圖標明了全平面型埋入和局部埋入兩種電容。圖中101， 102 分別為埋入電容的上下兩極板，103為埋入電容的介質(zhì)層，104為連接埋 入電容下電極接入端，105為連接埋入電容上電極的接入端，106為其他 導(dǎo)體層，107為包含埋入電容的整個印刷電路板，108為附加大容值電容 器。圖中的兩種埋入電容可以有兩個或兩個以上的接入端。只有一個接入 端的結(jié)構(gòu)是典型的電容器，如果將其作圖2(a)連接，并聯(lián)在一個電路(201) 中它本身就是一個低通濾波器，其特性如圖2 (b)所示。我們知道，商品 電容器由于寄生電感、電阻的作用，其濾波特性一般不理想，頻段窄(一 般在300MHz以下)，并且衰減小(一般小于30口40dB)。為達到高頻濾波和大衰減量，通常采用多電容、電感或電阻串、并聯(lián)并且多級級聯(lián)的方式， 這樣做不但設(shè)計復(fù)雜，元件多，而且作用有限。但是，如果采用單端接入
的埋入電容頻段展寬(可達lGHz)，衰減加大(一般可達60dB)。如果采 用兩端口接入，根據(jù)不同的接入點位置，埋入電容的頻段可進一步擴展到 數(shù)個GHz甚至于十幾個或幾十個GHz，同時衰減會進一步加大。如果同時 在接入端加接一個大容值的電容器，其低頻濾波性能可得到很好的改善。 以下以一個典型的基于埋入電容的超寬帶寬高頻濾波器實例來說明基 于埋入電容技術(shù)的寬帶低通高頻濾波器的特性圖3是一個集成電路芯片 使用的濾波網(wǎng)絡(luò)。它是由兩個120uH電感和5個電容器，其容值分別為 22uF、 10uF、 1000pF、 100pF， 一個電阻組成。其理想濾波特性如圖4中 401曲線所示，402是考慮到所有元件的寄生參數(shù)所得到的網(wǎng)絡(luò)濾波特性 曲線。403是一端接入的埋入電容的濾波特性，404是兩端接入的埋入電 容的濾波特性，405是在兩端接入的埋入電容的輸入端再加接一個100uF 電容的濾波特性。埋入電容的參數(shù)是，介質(zhì)厚度為12微米；介質(zhì)相對介 電常數(shù)為24;上下電極材料為銅，厚為12微米；埋入電容尺寸為2X2 平方厘米。
顯然，基于埋入電容的濾波器具有顯著的優(yōu)點濾波頻段寬，帶內(nèi)衰減 大。更為重要的是只用了一個電容器。減少了元件數(shù)量，節(jié)約了電路板的 空間，降低了設(shè)計難度和減少了加工的成本，同時由于元件少，焊點數(shù)少， 可靠性隨之提高。
以上實例是基于商用軟件HSPICE的仿真結(jié)果，并與其他仿真軟件的結(jié) 果相互驗證確認。
實現(xiàn)埋入電容構(gòu)成低通寬帶高頻濾波器分為設(shè)計與制作兩個階段。 l.設(shè)計階段根據(jù)所需濾波的頻段，波段中所需衰減大小，設(shè)計埋入電 容。具體程序是(1)由最高濾波頻率確定電容容值；(2)由埋入電容 材料特性，厚度，金屬層材料確定埋入電容尺寸大小。埋入電容可以占 據(jù)印刷電路板的一層或幾層；(3)由在最大衰減下的最高頻率確定兩個 接入端在埋入電容上的位置，如果需要多于兩個的接入端時，用同樣的 方法確定另外的接入端位置；(4)根據(jù)最低頻率濾波要求確定附加并聯(lián) 電容容值。可以根據(jù)多個接入端的需要，用同樣的方法確定多個附加電
7容的容值；(5)根據(jù)所設(shè)計的埋入電容的大小，位置，接入口等等參數(shù) 設(shè)計印刷電路板。附加電容位置應(yīng)緊鄰接入口。
2.制作階段由于埋入電容是印刷電路板的制作過程中的一個流程，與
埋入電容本身技術(shù)有關(guān)，可大致分為層壓法，逐層構(gòu)造法等等。(l)層 壓法將電容材料(金屬層—介質(zhì)一金屬層)上下金屬層按設(shè)計刻出所 需要的圖形，將其與其他制作好的各層一起或分別壓合，再經(jīng)過常規(guī)的
鉆孔，金屬化等等流程，即完成埋入電容的初步制作；(2)逐層構(gòu)造 法在相應(yīng)的多層印刷電路板上制作下電極層，可采用電鍍或?qū)訅旱姆?法，按設(shè)計刻蝕出圖形后，再復(fù)蓋上電容材料薄膜，按設(shè)計要求再刻蝕 出圖形，然后再用電鍍或?qū)訅旱姆椒ㄗ鞒錾想姌O，刻圖形，從而完成埋 入電容的初步制作。在整個印刷電路板制作完成后，埋入電容也隨之完 成。在焊上附加電容后(可與后序回流焊一起完成)，該低通寬帶高頻 濾波器即完成。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想 到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保 護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1. 一種基于埋入電容的寬帶低通高頻濾波器，其特征在于，包括一個多端口的埋入電容，用于對電子系統(tǒng)中的中頻及高頻分量濾波；一個或多個大容值的附加電容，并聯(lián)于埋入電容的端口，用于改善該濾波器的低頻特性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶低通高頻濾波器，其特征在于，所述埋入電 容是印刷電路板的一部分，占據(jù)印刷電路板中一層或幾層的全部面積或部 分面積。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的寬帶低通高頻濾波器，其特征在于，所述埋入電 容的形狀為矩形，或為方形，或為圓形，或為橢圓形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶低通高頻濾波器，其特征在于，所述埋入電容有兩個或兩個以上的連接端口 ，其連接端口的位置由最大衰減要求 和最大衰減下的頻率決定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬帶低通高頻濾波器，其特征在于，所述埋 入電容的制作與印刷電路板的制作過程兼容，采用層壓或逐層構(gòu)造法或"抓取一放置"方法埋入到基板里。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶低通高頻濾波器，其特征在于，所述附加電 容容值在10 1000微法之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低通寬帶高頻濾波器。基于埋入電容的優(yōu)良特性寄生電感、電阻小，不占用印刷電路板的表面面積，可工作在高頻，對接入點進行特殊設(shè)計使得高頻衰減頻率可調(diào)。再加上一個附加電容緊貼端口并聯(lián)連接，改善低頻性能，從而構(gòu)造出所需的濾波器。用它替代電路系統(tǒng)中的低通濾波網(wǎng)絡(luò)，可省去大多數(shù)元件，同時使系統(tǒng)的性能和可靠性得到提高，印刷電路板面積減小，成本下降。
文檔編號H03H7/06GK101465626SQ200710179859
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者萬里兮, 巍 高 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所