JP2004096388A

JP2004096388A - 高周波積層デバイス

Info

Publication number: JP2004096388A
Application number: JP2002254352A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Satou; 祐己佐藤; Atsushi Inuzuka; 敦犬塚
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25
Also published as: US20040075968A1; US6911890B2

Abstract

【課題】積層体の厚みや電極パターンを細くすることなくインダクタンス値が大きく十分なアイソレーションを確保できる高周波積層デバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、焼結後、比透磁率が１より大きくなる磁性体シート１ａ〜１ｄを複数層積層してなる積層体と、前記積層体の内部にインダクタ電極４，５が形成された高周波積層デバイスであって、前記積層体内に前記積層体の一部を挟んで対向設置されるコンデンサ電極が構成された高周波積層デバイスであり、上記の構成とすることにより、厚みを厚くしたり、電極パターンを細くして導体損を大きくすることなく、インダクタンス値を大きくすることができ、且つ必要とされるアイソレーションを確保することができるため、小型化できる高周波デバイスを得ることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話などの移動体通信機器に用いられる高周波積層デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話などの移動体通信機器に用いられる電子部品は、電子部品として求められる性能を劣化させないまま、ますます小型・軽量化の要望が強くなっている。移動体通信機器における送信回路には、高調波などの不要な信号を放射しないためにローパスフィルタが使われる。図１２に従来の高周波積層デバイスの一例として積層ローパスフィルタの構造図を示す。図１２において、１０１ａ〜１０１ｄは誘電体からなる積層体シート、１０２は入出力端子、１０３はＧＮＤ端子、１０４および１０５は積層体シート１０１ｂに電極パターンとして印刷形成されたインダクタ、１０６，１０７，１０８は積層体シート１０１ｃ上に電極パターンとして印刷形成されたコンデンサ、１０９は積層体シート１０１ｄ上に電極パターンとして印刷形成されたＧＮＤパターンである。本構成にてなるＬＰＦの等価回路を図１３に示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の構成においては、小型化する場合印刷形成される電極パターンを可能な限り近接して構成することになる。無理に小型化したときの特性の一例を図１４に示す。この原因を詳しく解析すると、特にインダクタ１０４および１０５間の相互電磁干渉を起こすことが問題となることがわかった。すなわち、小型化を図るために隣り合うインダクタ電極間の間隔を狭くすることが常套手段であるが、先述した理由により小型化には限界があった。
【０００４】
また、隣り合うインダクタ電極間の間隔を狭くせずに小型化を図るためには、インダクタ電極を特性インピーダンスＺ、電気長θとしたときに得られるインダクタ値Ｌが（数１）で得られることに着目し、特性インピーダンスＺを大きくする施策が考えられる。
【０００５】
【数１】

【０００６】
ここで、ωは角周波数である。すなわち占有する電極エリアを小さくしながら同等のＬ値を得るために、Ｚを大きくして、その分θを小さくすることが考えられる。θを小さくすることは、電極パターンを短くでき、占有する電極エリアを小さくすることになる。しかしながら、積層体シート１０１ａ〜１０１ｄの誘電率が一定の場合、Ｚを大きくするためには、積層体シート１０１ａ〜１０１ｄの厚みを大きくするか電極パターンを細くする必要がある。ここで、積層体シート１０１ａ〜１０１ｄの厚みを大きくすることは小型化に反することであり、また、現在一般的に１００ミクロンの電極幅となっている電極パターンをこれ以上細くすることは、電極での導体損の増大を招き、フィルタとして挿入損失の増大につながる。さらに印刷時のかすれなどの問題が発生し、量産化が困難となる。従い、以上述べた理由から、従来の技術では積層構造をもつ高周波デバイスの小型化には自ずと制限があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そしてこの課題を解決するために本発明は、焼結後、比透磁率が１より大きくなる磁性体シートを複数層積層してなる積層体と、前記積層体の内部にインダクタ電極が形成された高周波積層デバイスであって、前記積層体内には、前記積層体の一部を挟んで対向設置されるコンデンサ電極を設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、焼結後、比透磁率が１より大きくなる磁性体シートを複数層積層してなる積層体と、この積層体の内部にインダクタ電極が形成された高周波積層デバイスであって、前記積層体内に前記積層体の一部を挟んで対向設置されるコンデンサ電極を設けたことを特徴とするものであり、上記の構成とすることにより、厚みを厚くしたり、電極パターンを細くし導体損を大きくすることなく、インダクタンス値を大きくすることができ、且つ必要とされるアイソレーションを確保することができるため、小型化できる高周波積層デバイスを得ることができる。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の発明は、積層体を磁性体シートと前記磁性体シートと電気的特性の異なる誘電体シートを組み合わせて構成し、さらにコンデンサ電極が前記誘電体シートを挟んで対向設置したことを特徴とするものであり、上記の構成とすることにより、さらに必要とされるコンデンサ容量値に対応して最適な電気特性を持つ誘電体シートをコンデンサ電極部に用いることができるため、例えば大きな容量が必要なときは誘電率の高い材料、比較的小さな容量の場合は誘電率の低い材料を用いることができ、製造容易でより高性能で小型化された高周波デバイスを得ることができる。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の発明は、インダクタ電極とコンデンサ電極との接続が磁性体シート中に形成された導電ビアにて電気的に接続されていることを特徴とするものであり、上記の構成とすることにより、導電性ビアにより導入されるインダクタンス値を大きくすることができるため、高い周波数領域でＬＣ直列共振を導入することができ、より高性能な高周波デバイスとすることができる。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の発明は、誘電体シートを挟んで対向設置されるコンデンサ電極の少なくとも一方が磁性体シートと誘電体シートの界面に印刷形成されたのち、前記磁性体シートと誘電体シートを積層し焼結したことを特徴とするものであり、上記の構成とすることにより、磁性体シートと誘電体シートの界面にコンデンサを構成する比較的大きな電極が一面に構成されるため、その電極により焼結を行う際、磁性体と誘電体が互いに拡散することを防止することができ、材料の電気的特性、機械的特性の劣化を抑圧することができる。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の発明は、積層体の表層部にダイオード、ＦＥＴスイッチＩＣおよびＳＡＷフィルタのうち少なくともいずれかが実装され、積層体内のインダクタおよびコンデンサと接続されたことを特徴とするものであり、上記の構成とすることにより、低域通過フィルタだけでなく、高周波スイッチモジュールやＳＡＷを含んだ複合デバイスにおいて、積層体内のインダクタおよびコンデンサと、表層に搭載のダイオード、ＦＥＴスイッチ、ＳＡＷフィルタとの相互干渉を低減することができ、より高性能な積層高周波デバイスを得ることができる。
【００１３】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
本発明の実施の形態１として、高周波積層デバイスの代表例としての積層ローパスフィルタについて図１に示す。図１において、１ａ〜１ｄは比透磁率が１より大きい磁性体からなる磁性体シート、２は磁性体シート１ａ〜１ｄのそれぞれの端面に形成された入出力電極、３は同様に形成されたＧＮＤ電極、４および５は磁性体シート１ｂ上に印刷形成されたインダクタパターン、６，７および８は磁性体シート１ｃ上に印刷形成されたコンデンサパターン、９は磁性体シート１ｄ上に印刷形成されたＧＮＤパターン、１０ａおよび１０ｂはビアである。
【００１５】
磁性体シート１ａ〜１ｄはそれぞれが図のような順序で積層、焼結されて一体化される。また、入出力電極２とインダクタパターン４の一端およびコンデンサパターン６の一部とそれぞれが電気的に接続され、またＧＮＤ電極３とＧＮＤパターン９も電気的に接続される。コンデンサパターン６，７および８は磁性体シート１ｃを介してＧＮＤパターン９と対向する構成である。
【００１６】
また、インダクタパターン４のもう一端はビア１０ａ、インダクタパターン５のもう一端はビア１０ｂを介してコンデンサパターン７と電気的に接続される。なお、図には記載されていないが、入出力端子２が構成されている面の対向する面にもう一方の入出力端子、ＧＮＤ電極３が構成されている面の対向する面にもう一つのＧＮＤ電極が形成されている。
【００１７】
図２に、図１に示す積層ローパスフィルタの等価回路を示す。図２において、２ａおよび２ｂは入出力端子、４および５はインダクタ、６，７および８はコンデンサであり、それぞれ図１に示す電極パターンに対応している。
【００１８】
図３に、図１に示す構成の積層ローパスフィルタの特性例を示す。図３中には理想的なローパスフィルタ、すなわち、インダクタ４とインダクタ５の相互干渉のない場合の特性を点線で示しており、実線で示される本発明の実施の形態１での特性が理想的に近い動作をしていることが理解できる。このことは、図４および図５に示す検討結果により、より明らかである。図４はインダクタパターン４および５のみを積層体に印刷形成した場合であり、また図５は図４の構成におけるインダクタ４とインダクタ５の間のアイソレーションを示すものであり、同一の電極構造において積層体が図５（ａ）は磁性体（μｒ＝３）の場合、（ｂ）は誘電体（εｒ＝３）の場合である。
【００１９】
この結果で極めて明白なように、磁性体とすることにより、インダクタ４とインダクタ５のアイソレーションが約１０ｄＢも改善されていることがわかる。このことは磁性体を用いることによりインダクタ間の電磁的相互作用を低減する効果を得ることができることを示している。すなわち、上記に説明したように、積層体として比透磁率が１以上の磁性体シートを用いることにより、内含されるインダクタ電極どうしの相互干渉を低減することにより、インダクタ電極どうしを近づけて小型化しても理想的な特性を実現することができる。
【００２０】
さらに本発明においては、積層体に磁性体シートを用いることにより、インダクタパターン４および５を伝送線路としてみなしたとき、その特性インピーダンスを高くすることができるため、インダクタパターン長を短くすることができる。このことは次の説明で理解される。すなわち、比透磁率μｒ、比誘電率εｒなる基板上に構成された所謂一般的なマイクロストリップ線路での特性インピーダンスＺｍは、（μｒ／εｒ）の平方根に比例する。従って、μｒが大きい材料を用いる本発明の構造において、インダクタパターン線幅を細くしなくてもインダクタパターンの特性インピーダンスを大きくすることができ、その結果、（数１）で示されるようにその電極長さを短くすることが可能となる。その結果、線幅も太く、且つ長さも短くできるため、さらに小型で、且つ電極内の抵抗損失を小さくすることができ、結果、高Ｑで損失の小さい超小型ローパスフィルタを得ることができる。
【００２１】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
本発明の実施の形態２について図６に示す。図６において、図１と異なる点は磁性体シート１ｃの代わりとして誘電体シートを用いる点であり、基本的に実施の形態１で説明した動作、作用および効果は共通である。但し、本実施の形態２での追加される効果としては、誘電体シート１０１ｃを用いてこれを挟んでコンデンサパターンが対向設置されるため、誘電体シート１０１ｃの厚みや比誘電率を単独で最適化してコンデンサ６，７および８をたとえば製造ばらつきを少なくできる構成とすることができる。これは、インダクタパターンが構成される部位には磁性体シートを用い、コンデンサパターンが構成される部位には誘電体シートを用いることにより、それぞれ必要とされる材料定数にすることにより特性面、構成面、作製面で最適化された高周波積層デバイスを得ることができる。
【００２３】
さらに特筆すべきことは磁性体シートと誘電体シートの界面に比較的大きな平面状のパターンとなるコンデンサパターンが形成される構成となっていることである。これは工法上、積層したのち焼成する際に磁性体シートと誘電体シートの界面での相互拡散が、コンデンサ電極により抑制されるため、より高安定な高周波積層デバイスを得ることができる。仮に誘電体シートと磁性体シートの間で材料の相互拡散が生じた場合、それぞれの電気的および機械的な物性、すなわち、誘電率、透磁率の変化や材料損失の増大および機械的強度の劣化などが生じ、これが原因して性能的に安定した高周波積層デバイスを多量に作製することができない。このことに着目し、本発明は、これら異種となる材料の界面部位に比較的大きな電極面積を有するコンデンサパターンを形成することにより、積層体内に効率良くコンデンサを構成すると同時に安定した高周波積層デバイスを得られる構成としたことが最大の特徴である。
【００２４】
なお、本実施の形態２において、誘電体シートと磁性体シートの界面に構成する電極パターンはコンデンサパターンとしたが、電気的な接続のないランド状の電極でも同様な効果を得ることができ、また、その界面の一部にインダクタパターンなどが存在しても構わない。
【００２５】
更に、本実施の形態２においてインダクタパターン４および５とコンデンサパターン６，７および８を接続する２つのビアは磁性体シート中に構成されたものである。このような構成とすることにより、これらビアホールで寄生的に導入されるインダクタンス成分によって、特により高い周波数領域での減衰特性の改善を行うことができ、より高性能なローパスフィルタとすることができる。このときのより高い周波数まで考慮した等価回路を図７に示す。同図７に示すように、ビアホールにより導入されるインダクタ１０とコンデンサ７により直列共振回路が構成され、これによりフィルタ特性において減衰極が導入される。より高い周波数まで記載した特性例を図８に示す。このように磁性体シート中にビアホールを形成することにより、導入されるインダクタンスが大きくなり、効果としてフィルタ特性上において高性能化を図ることができる。効果は特にビア直径が１００ミクロンの場合、０．３ｍｍの長さ以上で顕著な効果を得ることができる。
【００２６】
なお、本発明の実施の形態１および２ではローパスフィルタを前提に説明を行ったが、他にもバンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ダイプレクサ、カップラ、バランなどにおいて同様な積層構造とすることにより、同様な効果を得ることができる。
【００２７】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
本発明の実施の形態３について図９、図１０および図１１に示す。実施の形態３では、例えば欧州の携帯電話システムＧＳＭ／ＤＣＳで用いることのできるアンテナスイッチ共用器であり、図９に外観図、図１０に回路ブロック図、図１１に具体的な回路例を示している。図９において１１は比透磁率が１以上の磁性材料を用いて内部に回路パターンおよびビアホールを具備する積層体、１２はＰＩＮダイオードもしくはＦＥＴスイッチおよびＬＣＲのチップ部品、１３はＳＡＷフィルタである。本デバイスは、図１０の回路ブロックに示すごとく、アンテナ端子１４、ＧＳＭ送信端子１５、ＧＳＭ受信端子１６、ＤＣＳ送信端子１７およびＤＣＳ受信端子１８を具備し、ＧＳＭ信号とＤＣＳ信号を分けるダイプレクサ１９、２つのスイッチ２０および２１、２つのローパスフィルタ２２および２４および２つのＳＡＷフィルタ２３および２５で構成される。さらに積層体１１の内部に構成されるものも含めて具体的な回路例を示したものが図１１である。ダイプレクサ１９、スイッチ２０および２１の回路の一部およびローパスフィルタ２２および２４はＬＣ回路で構成され、そのほとんどが積層体１１の中に電極パターンおよびビアホールとして立体的に構成されている。
【００２９】
本実施の形態３においても、磁性体シートを用いた積層体１１を用いているために上記実施の形態１および２で示したものと同様に、各インダクタパターン間のアイソレーションをより大きくとれるためにより理想的な特性を実現でき、また各インダクタパターンとして電極パターンを細くすることなく且つ比較的短い長さで大きなインダクタンスがとれるために低損失、小型化ができるなどの作用および効果がある。とりわけ本実施の形態３で示しているように多くの回路ブロックで示されるモジュールについては、インダクタパターンおよびコンデンサパターンの数が多いために、電磁界結合の相手としての組み合わせ数が多くなり、また、誘電体シートと磁性体シートの異種材料積層としたときにその界面にコンデンサパターンとを集めやすくなるなど本発明の効果が更に増大することになる。
【００３０】
なお、本実施の形態３においてはＰＩＮダイオードを用いた回路構成について図面を用いて説明したが、ＦＥＴを用いたスイッチＩＣを積層体１１の表層に搭載する構成でも同様の効果があることは言うまでもない。
【００３１】
また、本実施の形態３においてＳＡＷフィルタを搭載した構成を説明したが、ＳＡＷフィルタを搭載しない回路ブロックおよび構成であっても構わない。
【００３２】
さらに、本実施の形態３においてはＧＳＭ／ＤＣＳのデュアルバンドのアプリケーションについて説明をしたが、シングル、トリプル、クワッドなど他の複合帯域を用いた共用器や、ＬＮＡ、ミキサなどのモジュール等のアプリケーションでも同様な効果を得ることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明の高周波積層デバイスは構成されるため、インダクタンス値が大きくできるとともにアイソレーションを確保できることから小型なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における高周波積層デバイスの分解斜視図
【図２】図１に示す高周波積層デバイスの等価回路図
【図３】図１に示す高周波積層デバイスの特性図
【図４】本発明の効果を説明するために作製したインダクタパターンの上面図
【図５】図４に示すモデルの評価結果を示す特性図
【図６】本発明の実施の形態２における高周波積層デバイスの分解斜視図
【図７】図６に示す高周波積層デバイスの等価回路図
【図８】図６に示す高周波積層デバイスの特性図
【図９】本発明の実施の形態３における高周波積層デバイスの外観図
【図１０】図９に示す高周波積層デバイスの回路ブロック図
【図１１】図９に示す高周波積層デバイスの具体的な回路図
【図１２】従来例における高周波積層デバイスの分解斜視図
【図１３】従来例における高周波積層デバイスの等価回路図
【図１４】従来例における高周波積層デバイスの特性図
【符号の説明】
１ａ〜１ｄ　磁性体シート
２　入出力電極
３　ＧＮＤ電極
４，５　インダクタパターン
６，７，８　コンデンサパターン
９　ＧＮＤパターン
１０１ｃ　誘電体シート

Claims

焼結後、比透磁率が１より大きくなる磁性体シートを複数層積層してなる積層体と、この積層体の内部にインダクタ電極が形成された高周波積層デバイスであって、前記積層体内に積層体の一部を挟んで対向設置されるコンデンサ電極を設けた高周波積層デバイス。
積層体を磁性体シートと前記磁性体シートと電気的特性の異なる誘電体シートを組み合わせて構成し、さらにコンデンサ電極が前記誘電体シートを挟んで対向設置した請求項１に記載の高周波積層デバイス。
インダクタ電極とコンデンサ電極との接続が磁性体シート中に形成された導電ビアにて電気的に接続した請求項１に記載の高周波積層デバイス。
誘電体シートを挟んで対向設置されるコンデンサ電極の少なくとも一方が磁性体シートと誘電体シートの界面に印刷形成されたのち、前記磁性体シートと誘電体シートを積層し焼結した請求項２に記載の高周波積層デバイス。
積層体の表層部にダイオード、ＦＥＴスイッチＩＣおよびＳＡＷフィルタのうち少なくともいずれかが実装され、積層体内のインダクタおよびコンデンサと接続した請求項１に記載の高周波積層デバイス。