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Dokumentenidentifikation DE102006024230A1 29.11.2007
Titel Elektrisches Bauelement
Anmelder EPCOS AG, 81669 München, DE
Erfinder Hornsteiner, Joerg, Dr., 82481 Mittenwald, DE;
Waldherr, Andreas, 81547 München, DE
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 23.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006024230
Offenlegungstag 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse H03H 7/01(2006.01)A, F, I, 20060523, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein elektrisches Bauelement mit einem ersten Bandpassfilter (SK1) angegeben, das mindestens eine Induktivität (L) und mindestens eine Kapazität (C) umfasst. Das Bauelement umfasst ein zweites Bandpassfilter (BPF), das mit akustischen Wellen arbeitet. Der Durchlassbereich des ersten Bandpassfilters (SK1) ist breiter als derjenige des zweiten Bandpassfilters (BPF). Der Durchlassbereich des zweiten Bandpassfilters (BPF) liegt im Durchlassbereich des ersten Bandpassfilters (SK1). Die beiden Filter (SK1, BPF) sind aneinander angeschlossen. Das erste Bandpassfilter (SK1) ist als ESD-Schutz für das zweite Bandpassfilter (BPF) vorgesehen.

Beschreibung[de]

Aus der Druckschrift US 2004/008728 A1 ist ein Bauelement mit einem Bandpassfilter bekannt.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein elektrisches Bauelement mit einem Bandpassfilter anzugeben, das eine hohe Festigkeit gegenüber Spannungsspitzen aufweist.

Es wird ein elektrisches Bauelement mit einem ersten Bandpassfilter angegeben, das mindestens eine Induktivität L und mindestens eine Kapazität C umfasst. Das erste Bandpassfilter ist mit dem zweiten Bandpassfilter verschaltet, das mit akustischen Wellen arbeitet. Das erste Bandpassfilter ist vorzugsweise zwischen einem Antennenanschluss und dem zweiten Bandpassfilter angeordnet und direkt an das zweite Bandpassfilter angeschlossen. Das Passband des ersten Bandpassfilters ist größer ist als dasjenige des zweiten Bandpassfilters. Das Passband des zweiten Bandpassfilters liegt im Passband des ersten Bandpassfilters.

Der Wert der Induktivität und der Kapazität ist so gewählt, dass die Übertragungsfunktion des ersten Bandpassfilters im Passband des zweiten Bandpassfilters mindestens 70% ihres Maximalwertes beträgt.

Die Induktivität ist vorzugsweise in einem ersten Querzweig und die Kapazität in einem zweiten Querzweig angeordnet ist. Die Kapazität und die Induktivität sind vorzugsweise parallel geschaltet und bilden einen Parallelschwingkreis, der in einem Querzweig angeordnet ist, welcher vorzugsweise an den Eingang des Bauelements (z. B. Antennenanschluss) angeschlossen ist. In diesem Fall ist der Schwingkreis hochohmig im Bereich der Resonanzfrequenz und niederohmig außerhalb dieses Frequenzbereichs. Für Resonanzfrequenz fr1 des Parallelschwingkreises gilt:

Das zweite Bandpassfilter kann ein Filter umfassen, das mit Oberflächenwellen arbeitende elektroakustische Wandler aufweist. Das zweite Bandpassfilter kann auch ein Filter umfassen, das mit Volumenwellen arbeitende Resonatoren aufweist. Das erste Bandpassfilter ist als ESD-Schutz für diese empfindlichen Bauelementstrukturen des zweiten Bandpassfilters geeignet. ESD steht für Electric Static Discharge. Das angegebene Bauelement ist in der Lage, einen Überspannungsimpuls von bis zu 8 kV zu tolerieren, selbst wenn das Bandpassfilter einen empfindlichen, mit akustischen Wellen arbeitenden Chip umfasst.

Das Bauelement weist einen Signalpfad auf, in dem die Filter angeordnet sind. Der Signalpfad weist einen Sperrbereich auf. Der Durchlassbereich des Signalpfads ist im Wesentlichen durch die Bandbreite des zweiten Filters bestimmt. Das Passband des Signalpfades liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich bei ca. 1,575 GHz, in dem GPS-Signale übertragen werden. Im Signalpfad werden beispielsweise Signale der Funkbänder GSM800, GSM900 oder AMPS unterdrückt.

Das zweite Bandpassfilter verhält sich unterhalb seines Durchlassbereichs im Wesentlichen wie eine gegen Masse geschaltete statische Kapazität C0. Die Kapazität C, die Induktivität L und die statische Kapazität C0 des zweiten Bandpassfilters bilden also einen Schwingkreis in einem Frequenzbereich, der unterhalb des Passbandes des zweiten Bandpassfilters liegt. Die Resonanzfrequenz fr2 dieses Schwingkreises beträgt im Wesentlichen

Bei der Resonanzfrequenz wird dieser Schwingkreis, der ein gegen Masse geschalteter Parallelschwingkreis ist, hochohmig. Daher wird die Filterschaltung, die eine Serienschaltung des ersten und des zweiten Bandpassfilters umfasst, vergleichsweise niederohmig, wobei zu unterdrückende Signale im Signalpfad ggf. schlechter als erforderlich unterdrückt werden. Die Nebenresonanz (Parallelresonanz), die durch den Schwingkreis zustande kommt, wird also als störend betrachtet. Aus diesem Grund wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises vorzugsweise außerhalb eines Frequenzbereiches gewählt, der als Sperrbereich des Signalpfades vorgesehen ist und in dem die Störsignale möglichst gut gedämpft werden sollen.

Die Werte der statischen Kapazität, der Kapazität und der Induktivität sind vorzugsweise so gewählt, dass die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bei einer Frequenz auftritt, die zwischen dem Passband des zweiten Bandpassfilters und dem Sperrbereich des Signalpfades eingestellt ist.

Die Kapazität beträgt vorzugsweise mindestens 1 pF und die Induktivität mindestens 1 nH. Der Wert der Induktivität ist vorzugsweise kleiner als 3 nH gewählt. In einer Variante wurden die Werte L = 1,8 nH und C = 5,6 gewählt.

Die Bandbreite des zweiten Bandpassfilters beträgt vorzugsweise maximal 20 MHz. Die Bandbreite des ersten Bandpassfilters beträgt vorzugsweise zumindest das Doppelte derjenigen des zweiten Bandpassfilters.

Das erste Bandpassfilter kann auch mindestens eine weitere Induktivität und/oder mindestens eine Serienkapazität umfassen. Diese Serienkapazität kann z. B. zwischen der Parallelkapazität und der Parallelinduktivität angeordnet sein. Sie kann aber auch zwischen dem Antennenanschluss und dem Parallelschwingkreis angeordnet sein. Die Serienkapazität kann wahlweise auch zwischen dem Parallelschwingkreis und dem Bandpassfilter angeordnet sein.

Das Bauelement umfasst in einer vorteilhaften Variante ein Substrat, auf dem ein Chip mit dem zweiten Bandpassfilter angeordnet ist. Die Induktivität ist vorzugsweise im Substrat integriert. Die Kapazität kann im Substrat oder im Chip ausgebildet sein. Die Kapazität kann durch einen Interdigitalwandler realisiert werden, der – wie die Wandler des zweiten Bandpassfilters – auf einer Oberfläche des Chips angeordnet und vorzugsweise gegen Masse geschaltet ist.

Das Substrat kann mindestens eine dielektrische Schicht umfassen, die zwischen zwei Metallschichten angeordnet ist. Dielektrischen Schichten und Metallschichten sind in abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Das Substrat umfasst vorzugsweise mindestens eine dielektrische Schicht aus Keramik und in einer bevorzugten Variante mehrere Keramikschichten. Die Metallschichten weisen strukturierte Leiterbahnen auf, darunter Metallflächen sowie lang gestreckte und ggf. gekrümmte Leiterbahnabschnitte. Die Kapazität C ist vorzugsweise durch zwei Metallflächen gebildet, zwischen denen eine der Substratschichten angeordnet ist. Die Induktivität mit einem vorgegebenen Induktivitätswert kann durch einen Leiterbahnabschnitt gebildet sein.

Das angegebene Bauelement wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild des Bauelements mit einem als ESD-Schutz geeigneten ersten Bandpassfilter, das einem weiteren Bandpassfilter vorgeschaltet ist;

1A ein Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß 1 außerhalb des Durchlassbereichs des weiteren Bandpassfilters;

2 Streuparameter der Bandpassfilter und deren Serienschaltung;

3 ein beispielhaftes Bauelement im Querschnitt.

In 1 ist das Ersatzschaltbild eines beispielhaften Bauelements gezeigt. Das Bauelement weist ein Einganstor mit einem Signalanschluss IN und ein Ausgangstor mit einem Signalanschluss OUT auf. Zwischen den Signalanschlüssen IN, OUT ist ein Signalpfad SP1 angeordnet. Der Signalanschluss IN ist z. B. als Antennenanschluss vorgesehen.

Der Signalpfad SP1 umfasst ein zweites Bandpassfilter BPF. Zwischen dem Signalpfad SP1 und Masse ist eine Kapazität C und eine Induktivität L geschaltet. Sie bilden einen Parallelschwingkreis, der als erstes Bandpassfilter SK1 vorgesehen ist.

In der 1 ist durch eine durchgezogene Linie angedeutet, dass das zweite Bandpassfilter BPF auf einem Substrat SU angeordnet ist. Mit einer gestrichelten Linie ist angedeutet, dass das erste Bandpassfilter SK1 im Substrat SU integriert und vorzugsweise darin verborgen ist.

Das zweite Bandpassfilter BPF verhält sich unterhalb seines Durchlassbereiches wie eine in 1A gezeigte Ersatzschaltung, die zwei gegen Masse geschaltete statische Kapazitäten C0, C0' und eine Koppelkapazität C1 umfasst, die in einem zwischen den Kapazitäten C0, C0' geschalteten Serienzweig angeordnet ist.

Die Kapazitäten C0 und C0' sind durch die Koppelkapazität C1 vorzugsweise nur schwach verkoppelt. Das zweite Bandpassfilter BPF verhält sich dabei am Eingang im Wesentlichen wie die statische Kapazität C0 und am Ausgang im Wesentlichen wie die statische Kapazität C0'. Die Eingangsimpedanz der in 1A gezeigten Ersatzschaltung wird im Wesentlichen durch die statische Kapazität C0 bestimmt, da gilt: C0 >> C1, C0' >> C1 und C0 ≈ C0'.

Durch die statische Kapazität C0, die Kapazität C und die Induktivität L ist unterhalb des Durchlassbereiches des Filters BPF ein Schwingkreis SK2 mit der Resonanzfrequenz fr2 gebildet.

In 2 oben ist die Übertragungsfunktion 1 des zweiten Bandpassfilters BPF, die Übertragungsfunktion 2 des ersten Bandpassfilters SK1 sowie die Übertragungsfunktion 12 der Serienschaltung des zweiten Bandpassfilters BPF und des ersten Bandpassfilters SK1 gezeigt. Die Übertragungsfunktion ist durch den Streuparameter S21 gegeben, das gegen Frequenz aufgetragen ist.

In 2 unten ist der Streuparameter S11, d. h. die Reflexion am Eingang des jeweiligen Filters, angegeben. Die Kurve 3 gibt die Reflexion am Eingang des zweiten Bandpassfilters BPF an. Die Kurve 4 gibt die Reflexion am Eingang des ersten Bandpassfilters SK1 an. Die Kurve 34 gibt die Reflexion am Eingang der Serienschaltung der Filter BPF, SK1 an. Die Resonanzfrequenz fr2 des Schwingkreises SK2 liegt bei ca. 1200 MHz, wie die Kurve 34 anzeigt. Die Werte von L, C und C0 sind so gewählt, dass die Resonanzfrequenz fr2 zwischen dem Durchlassbereich des zweiten Bandpassfilters und dem Sperrbereich SB liegt. Somit gelingt es, die durch diese Resonanz hervorgerufenen, unerwünschten Peaks der Übertragungsfunktion außerhalb des Sperrbereichs zu halten.

Das zweite Bandpassfilter BPF ist schmalbandiger als das erste Bandpassfilter SK1, d. h. seine bei –3 dB gemessene Bandbreite ist kleiner als die bei diesem Pegel gemessene Bandbreite des ersten Bandpassfilters SK1.

Im vorgegebenen Sperrbereich SB des Bauelements ist die Unterdrückung von Signalen durch die Serienschaltung der Filter SK1, BPF gegenüber der Unterdrückung nur durch das Filter BPF um mindestens 3 dB verbessert.

3 zeigt das Bauelement mit der Schaltung gemäß der 1 im Querschnitt. Das Bandpassfilter BPF ist in einem Chip CH realisiert, der auf dem mehrlagigen Substrat SU angeordnet ist. Das Substrat SU umfasst mehrere dielektrische Schichten und Metallisierungsebenen. Verschiedene Metallisierungsebenen sind mittels Durchkontaktierungen DK elektrisch miteinander verbunden.

Das Bauelement ist vorzugsweise oberflächenmontierbar, wobei seine zur Verschaltung mit einer Leiterplatte vorgesehene Außenkontakte auf der Unterseite des Substrats angeordnet sind. Die unterste Metallisierungsebene des Substrats SU umfasst erste Kontaktflächen, die den Signalanschlüssen IN, OUT und Masseanschlüssen GND zugeordnet sind. Die oberste Metallisierungsebene umfasst zweite Kontaktflächen, die mittels Lötverbindungen – z. B. Bumps BU – mit Anschlussflächen des Chips CH leitend verbunden sind.

Auf der Unterseite des Chips CH sind akustisch wirksame Bauelementstrukturen wie z. B. elektroakustische Wandler, akustische Reflektoren und Resonatoren angeordnet. Die Anschlussflächen des Chips CH und die akustisch wirksamen Bauelementstrukturen können auch auf der Chipoberseite angeordnet sein. In diesem Fall sind die zweiten Kontaktflächen des Substrats SU und die Anschlussflächen des Chips CH vorzugsweise mittels Bonddrähte miteinander verbunden.

Der in 3 gezeigte Chip CH ist ungehäust. Der Chip kann aber auch in einem Gehäuse angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, ein gemeinsames Gehäuse für den Chip CH und das Substrat SU vorzusehen. Der Chip CH kann auch durch eine Abdeckung verkapselt sein, die gegen die Oberfläche des Substrats SU dicht abschließt. Die Abdeckung kann in einer Variante formfest sein. Die Abdeckung kann aber auch eine flexible Folie umfassen. Es ist von Vorteil, wenn die Abdeckung mindestens eine leitende Schicht umfasst, die als elektromagnetische Abschirmung für das Bandpassfilter BPF dienen kann.

In den Innenlagen des Substrats SU ist ein Leiterbahnabschnitt LB, eine erste Metallfläche MF1 und eine an Masse angeschlossene Metallfläche MF2 angeordnet.

Die Induktivität L ist im Wesentlichen durch den Leiterbahnabschnitt LB gebildet, der vorzugsweise lang gestreckt ist, d. h. seine Länge übersteigt seine Breite um mindestens Faktor zwei. Die Kapazität C ist hauptsächlich durch die einander gegenüber liegenden Metallflächen MF1, MF2 und eine zwischen diesen liegende Substratlage gebildet. Die Metallflächen MF1, MF2 sind im Gegensatz zum lang gestreckten Leiterbahnabschnitt LB vorzugsweise jeweils flächig ausgebildet.

Das Bauelement kann neben dem ersten Bandpassfilter SK1 und dem zweiten Bandpassfilter BPF auch weitere Funktionseinheiten umfassen, die in einer Frontendschaltung üblich sind. Dies sind z. B. weitere Filter, Duplexer, Diplexer, Schalter. Auf dem Substrat können auch Verstärker angeordnet sein.

1
Übertragungsfunktion des BPF
2
Übertragungsfunktion des ersten Bandpassfilters
3
Reflexion am Eingang des zweiten Bandpassfilters BPF
4
Reflexion am Eingang des ersten Bandpassfilters SK1
34
Reflexion am Eingang der Serienschaltung der Filter BPF, SK1
BPF
Bandpassfilter
BU
Bump
C
Kapazität
C0
statische Kapazität des Bandpassfilters
CH
Chip
DK
Durchkontaktierung
FB1
Bandbreite des ersten Funkbandes
GND
Masseanschluss
L
Induktivität
LB
Leiterbahnabschnitt
MF1
erste Metallfläche
MF2
zweite Metallfläche
IN
Eingang
OUT
Ausgang
S21
Übertragungsfunktion
SK1
erstes Bandpassfilter
SK2
Schwingkreis
SP
erster Signalpfad
SU
Substrat


Anspruch[de]
Elektrisches Bauelement

– mit einem ersten Bandpassfilter (SK1), das mindestens eine Induktivität (L) und mindestens eine Kapazität (C) umfasst,

– mit einem zweiten Bandpassfilter (BPF), das mit akustischen Wellen arbeitet,

– wobei der Durchlassbereich des ersten Bandpassfilters (SK1) breiter ist als derjenige des zweiten Bandpassfilters (BPF),

– wobei der Durchlassbereich des zweiten Bandpassfilters (BPF) im Durchlassbereich des ersten Bandpassfilters (SK1) liegt, und

– wobei die beiden Filter (SK1, BPF) aneinander angeschlossen sind.
Bauelement nach Anspruch 1,

– wobei der Wert der Induktivität L und der Kapazität C derart gewählt ist, dass die Übertragungsfunktion des ersten Bandpassfilters im Durchlassbereich des zweiten Bandpassfilters mindestens 70% ihres Maximalwertes beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,

– wobei das erste Bandpassfilter (SK1) als ESD-Schutz für das zweite Bandpassfilter (BPF) vorgesehen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

– wobei die Induktivität (L) in einem ersten Querzweig angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

– wobei die Kapazität (C) in einem zweiten Querzweig angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

– mit einem Substrat, auf dem ein Chip mit dem zweiten Bandpassfilter (BPF) angeordnet ist,

– wobei die Induktivität (L) im Substrat integriert ist.
Bauelement nach Anspruch 6,

– wobei die Kapazität (C) im Substrat integriert ist.
Bauelement nach Anspruch 6,

– wobei die Kapazität (C) im Chip ausgebildet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

– mit einem Signalpfad, in dem die Filter (SK1, BPF) angeordnet sind, der einen Sperrbereich aufweist,

– wobei die statische Kapazität (C) des zweiten Bandpassfilters (BPF) und die Werte der Kapazität (C) und der Induktivität (L) derart gewählt sind, dass die Resonanzfrequenz eines durch die statische Kapazität (C) des Bandpassfilters (BPF), die Kapazität (C) und die Induktivität (L) gebildeten Schwingkreises bei einer Frequenz auftritt, die zwischen dem Passband des zweiten Bandpassfilters (BPF) und dem Sperrbereich des Signalpfades liegt.






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