电压控制振荡器和电子部件的制作方法

专利名称：电压控制振荡器和电子部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用电感元件和可变电容元件构成谐振部 的技术、及使用该谐振部的 电压控制振荡器(VC0:Voltage Control Oscillator)和电子部件。
背景技术：
电压控制振荡器(VCO =Voltage Control Oscillator)例如如图19所示，具备 谐振部11，该谐振部11包含静电容量根据控制电压发生变化的变容二极管VD(variCap diode)及电感元件；作为放大部的晶体管21 ；和包括两个电容器Cl、C2的反馈部2。在该 例中，利用谐振部11，频率信号由晶体管21放大，并经由反馈部2反馈至串联谐振电路，由 此构成振荡环路。另外，图19中31表示将频率信号放大后向外部输入的缓冲放大器。另 夕卜，16、T3及L分别是输入端子、输出端子部及电感元件。该VCO省略图示，被配置在由例 如以氧化铝(Al2O3)为主要成分的LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics 低温共烧 陶瓷)等陶瓷构成的基板上。但是，当要提高VCO的振荡频率，例如在数GHz或数十GHz的高频带使用时，存在 下面的问题。即，在高频带，在频率特性中包含于峰部分的频带宽度(带宽)的绝对频率大， 因此与低频带相比，需要保持高的Q值。这样，为了得到高的Q值，要求谐振部11的电感元 件为低损失、且具有大的电感值。在此，在作为电感元件使用形成于基板上的带状线的情况中，因LTCC的损耗因数 (dissipation factor) (tan δ )大，所以对于损耗因数的倒数即谐振部1的Q值得不到理想 的特性。另外，在使用氟树脂作为基底基板的情况下，因氟树脂的损耗因数为0. 001左右， 所以Q值只能为1000左右。因此，不能得到理想的相位噪音特性，难以将电力消耗(耗电 量)抑制得很小。另外，在利用低损失的电介质构成基板的情况下，虽然得到低损失且高的 Q值，但为大型。此外，对于搭载在输出频率极高的电信号例如GHz带(微波)的电信号的无线通 信设备上的VCO而言，也可考虑(a)使VCO的输出信号为数倍，其中，该VCO输出比该频带 低的频率的信号，(b)将GaAs (砷化镓化合物)等用作基底基板，或(c)使用空腔谐振器。 但是，在(a)的情况下，由于使用成倍(遁倍)电路，相位噪声会增大。另外，在(b)的情况 下，附近的相位噪声劣化，在(c)的情况下，难以进行小型化。专利文献1中对上述VCO等器件进行了记载，但对于上述的问题没有研究。另外， 专利文献2中记载有使用作为压电基板的石英(晶体)产生弹性波，用作振荡频率例如为 数MHz带的振荡器的技术，但不能解决上述的课题。专利文献1 日本特开平10-209714专利文献2 日本特开2007-20177
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种电压控制振荡器，该电压控制振荡器小型且在宽的频率的频带得到理想的相位噪音特性。另外，本发明的另一个目 的在于提供一种电子部件，该电子部件包括电感元件和电容元件，作为谐振部得到高的Q 值。本发明的电压控制振荡器的特征在于，具备谐振部，其包括静电容量根据从外部输入的频率控制用的控制电压发生变化的可 变电容元件和电感元件，串联谐振频率根据所述静电容量被调节；和反馈部，其将来自该谐振部的频率信号放大后反馈至该谐振部，所述谐振部的电感元件是形成于石英基板上的导电线路。优选所述谐振部包括所述可变电容元件和电容不因电压而发生变化的电容元件， 该电容元件设置在所述石英基板上，包括彼此隔开间隔地交叉的成对的梳齿形的导电通路 (也称为导电路)。优选所述石英基板设置在由电介质形成的基底基板上，在该基底基板上设置有所 述可变电容元件、反馈部和周边部件。优选所述串联谐振频率例如为5GHz以上。本发明的电子部件的特征在于，具备石英基板和由形成于该石英基板上的导电线路构成的电感元件。也可以代替所述石英基板，使用由钽酸锂、铌酸锂、硅或蓝宝石形成的基板。发明的效果根据本发明，在损耗因数(tan δ = 1/Q)为0. 00008左右这样小的石英基板上形 成由导电线路构成的电感元件，通过该电感元件和电容元件构成谐振部，因此得到高的Q 值。另外，石英基板由于能够利用光刻形成微细的金属膜的图形，所以能够制作小型的谐振 部。因此，通过使用该谐振部构成电子部件例如电压控制振荡器，能够实现小型化且从后述 的数据所证明的那样得到款的频带的低的相位噪音特性。


图1是表示本发明的电路的实施方式的一例的VCO的电路图。图2是表示上述的VCO的外观的立体图。图3是表示上述的VCO的平面图(俯视图)。图4是表示上述的VCO的侧面图(侧视图)。图5是表示上述的VCO的放大平面图。图6是表示装载于上述VCO上的石英基板的平面图。图7是表示上述的石英基板的侧面图。图8是表示上述的石英基板的平面图。图9是表示由上述的VCO得到的特性的特性例图。图10是表示由上述的VCO得到的特性的特性例图。图11是表示上述的石英基板的其它构成例的平面图。图12是表示上述的VCO的制作方法的一例的流程图。图13是表示上述的VCO的制作方法的一例的流程图。图14是表示上述的VCO的制作方法的一例的工序图。
图15是表示上述的VCO的制作方法的一例的工序图。图16是表示上述的VCO的制作方法的一例的工序图。图17是表示根据上述的流程制作的VCO的概略图。图18是表示根据上述的流程制作的VCO的概略图。图19是表示现有的VCO的结构的电路例图。附图标记的说明1 谐振部 2 反馈部3 电路部5 基底基板10 石英基板11 电感元件12 电容器13 变容二极管14 变容二极管15 电容器
具体实施例方式对于本发明的电压控制振荡器(VCO :Voltage Control Oscillator)的实施方式， 在说明结构前，对电路构成参照图1进行叙述。图1中，谐振部1如后所述，具备由导电线 路48构成的电感元件11和作为电容元件的电容器12的串联谐振用的串联电路。包括第 一变容二极管13、第二变容二极管14和作为电容元件的电容器15的串联电路与电感元件 11并联连接，构成并联谐振用的并联电路。即，该谐振部1具有上述串联电路的串联谐振频 率(谐振点)和上述并联电路的并联谐振频率(反谐振点)，根据谐振点的频率确定振荡频 率。在该例中，以使得谐振点比反谐振点大的方式设定各电路要素的常数，这样，因具有反 谐振点，所以谐振点附近的频率特性变得陡峭(急剧)。另外，图1中，16表示控制电压用的输入端子，根据通过该输入端子16供给的控制 电压，调节第一变容二极管13及第二变容二极管14的电容值，由此，上述并联电路的反谐 振点移动，其结果是，谐振点也移动，振荡频率被调节。除了使用第一变容二极管13之外还 使用第二变容二极管14的理由是，为了增大频率的调节幅度(宽度)。17表示电压稳定化 用的电容器，18、19表示偏压用的电感器。另外，在谐振部1的后级侧设置有反馈部2，该反馈部2具备形成为基极与上述 电容器12连接的放大部的NPN型晶体管21 ；及在电容器12和晶体管21的基极的连接点、 与地(线)之间连接的成为反馈电容元件的电容器22、23的串联电路。晶体管21的发射 极与电容器22、23的连接点连接，另外，经由电感24及电阻25接地。晶体管21设置在用 虚线表示的IC电路部(LSI)3的芯片内，经该芯片的端子部(电极)T1、T2，晶体管21的基 极及发射极各自与电容器22的两端连接。在这种电路中，当控制电压从外部被输入至输入端子16时，通过包括谐振部1及 反馈部2的振荡环路在上述谐振点的频率例如IOGHz发生振荡。
在IC电路部3内设置有例如与晶体管21的集电极相互并联连接的二个缓冲放大器31、32，经端子部T3从一个缓冲放大器31取出(输出)振荡输出(振荡频率的信号)， 另外，经分频电路33和端子部T4从另一个缓冲放大器32取出振荡输出，以上述方式构成。另外，谐振部1也可以是串联地连接变容二极管和电感元件11，根据该串联电路 的串联谐振频率确定振荡频率的电路结构，在此情况下，可变二极管兼用作发明内容中的 电容元件。下面，对该VCO的具体的概况及上述的谐振部1和电路部3的布局(lay out) 参照图2 图5进行说明。VCO形成于例如由以氧化铝(Al2O3)为主成分的LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics 低温共烧陶瓷)等陶瓷形成的基底基板5上，在该基底 基板5上配置有构成谐振部1、反馈部2、电路部3及周边部件等的电子部件。在该基底基 板5上，如图5所示，形成有包括接地电极51和用于将上述的电子部件在基底基板5上分 别电连接的导电线路6的共面线路，该共面线路例如通过将Cr (铬)和Cu (铜)从下侧起 以该顺序层叠金属膜而形成，并且该接地电极51和导电线路6分开地配置。另外，在图5 中，将基底基板5上的一部分区域切开进行放大表示，并且对接地电极51标注阴影线(剖 面线)。另外，在图5中，对与电路部3的多个连接端子8中的已述的晶体管21的基极、发 射极及集电极的连接端子8分别连接的导电线路6，分别记载为B、E及C。上述的电子部件如图4所示，分别通过例如焊锡球等连接部7固定在基底基板5 上，将各个连接端子8与导电线路6电连接。而且，在图2等中省略记载，通过引绕配置在 基底基板5上的上述导电线路6，这些电子部件经基底基板5被连接，如已述的图1所示构 成电路。图3中20是用于确定振荡级晶体管21的动作的、与未图示的电容器及电阻组合 的偏压电路元件部，该偏压电路元件部20的一部分接地。另外，图2、图4中省略导电线路 6的描绘，另外，图3、图5中只描绘一部分导电线路6。上述的揩振部1的电感元件11、电容器12、15及反馈部2的电容器22、23如图6 及图7所示，形成于例如数mm见方程度的尺寸的石英基板10上，如后所述，利用光刻法制 作。而且，使在该石英基板10中形成有电路要素(电容器12、15、22、23及电感元件11)的 面朝向基底基板5侧并与其抵接，由此，如已述，连接端子8和导电线路6经连接部7连接。 该石英基板10例如是AT切型石英板，相对介电常数ε为4.0左右，电能损失(损耗因数 tan δ )为0. 00008左右。因此，该石英基板10的Q值为12500 (= 1/0. 00008)左右。另 夕卜，上述的电容器12、15、22、23在图6中简单地描绘，但实际如图8所示，例如由梳齿电极 (梳齿形电极)构成，该梳齿电极具备以相互平行的方式形成的一对共用电极部60 ；和以 从这些共用电极部60呈梳齿形地相互交叉的方式伸出的电极指(导电通路)61组，各共用 电极部60与连接端子8及电感元件11连接。该电感元件11如图6所示，由作为导电线路 的带状线构成。另外，图7表示在图6的A-A线切断石英基板10时的图。另外，图8是将 图6所示的石英基板10的一部分放大表示的图。在该VCO中，向输入端子16施加控制用的电压(控制电压)时，如已述，通过包括 谐振部1及反馈部2的振荡环路在上述谐振点的频率例如IOGHz产生振荡，与该振荡频率 对应的频率信号及该频率信号的分频输出分别从端子部Τ3及端子部Τ4取出。这时，石英 基板10的损耗因数如已述极小，通过该石英基板10上的导电线路构成电感元件11，因此可 以得到高的Q值，因此，与现有的由氟树脂形成的基板(Q值=1000)比较，在宽的频带能够将相位噪音抑制得极低。即，得到低相位噪音特性的频率的可变幅度(宽度)大。图9及 图10表示对该VCO进行的模拟结果，能够根据控制电压在GHz带的频带调节(调整)输出 频率，另外，与现有的特性相比，可知能够在宽的频带区域得到良好的相位噪音特性。另外， 图10表示从振荡频率偏离(偏移，错开)10kHz的位置的相位噪声。另外，在该图10中，作 为参考，例如一并记载Al2O3 (HTCC) (tan δ = 0.001、Q值=10000)的特性。另外，该图10 表示计算无负载(在基底基板5未安装电感元件11、电容器12、15、22、23的状态)时的特 性的结果。另外，在谐振时，已述的谐振部1为感应性。根据上述的实施方式，因为使用与在现有技术中作为电感元件11和电容器12的 基板被使用的氟树脂、LTCC等相比具有更良好的特性(tan δ )、且能够利用光刻法形成微 细的金属膜的图形的石英作为石英基板10，因此，能够在宽的频带得到良好的相位噪音特 性(低相位噪音特性)，另外，利用光刻法能够将电感元件11、电容器12、15、22、23单芯片 化，因此能够廉价地得到小型且耐物理的冲击的谐振部1和VC0。另外，如上所述，通过使用光刻法利用梳齿电极构成电容器12、15、22、23，能够使 电极指61、61彼此的相对区域(电荷存储区域)较长，因此，能够简便地得到小型且低损失 的电容器。另外，因为能够直接在石英基板10上形成电感元件11及电容器12、15、22、23， 所以例如与装载与这些电感元件11及电容器12、15、22、23对应的电子部件的情况相比，可 以缩短电极(导电通路)的引绕，因此能够抑制电信号的损失。对于本发明的VC0，确认实际动作所需要的电力值，包括分频器，电压为3. 5V、电 流为75mV左右。另一方面，同样地确认将现有的GaAs用作基底基板5的VCO的特性，电压 为5V、电流为300mA左右。因此可知，本发明的VCO与现有的VCO比较，能够降低消耗电力 (耗电量)。在此，目前石英作为利用弹性波的压电元件的器件被使用，但本发明着眼于石英 的优异的物理属性(tan δ及相对介电常数O及能够利用光刻法在表面形成金属膜的微 细的图形等方面，在石英基板10上形成构成谐振部1的电感元件11。作为上述的电容器12、15、22、23，也可以代替梳齿电极，例如使两根电极线相对， 在这些线之间存储电荷，或也可以使用层叠陶瓷电容器。在使用层叠陶瓷电容器的情况下， 也可以将由该层叠陶瓷电容器形成的芯片配置在石英基板10上，或也可以在基底基板5上 设置芯片，经导电线路6连接该芯片和石英基板10 (连接端子8、电感元件11)。因此，为了 得到上述的实施方式的效果，在石英基板10上只要至少形成有谐振部1的电感元件11即 可。对于电感元件11之外的其它元件，也可以形成于石英基板10以外的基板(例如，基底 基板5或在该基底基板5上形成的石英基板10之外的基板)上。另外，作为石英基板10上的导电线路48的布局，例如如图11所示，也可以在该石 英基板10上引绕设置电感元件11。作为形成上述电感元件11的基板，也可以代替石英基板10，例如使用由 LiTaO3(钽酸锂)、LiNbO3(铌酸锂)、Si (硅)及蓝宝石等形成的基板。对于这些材质，因 tan δ小，所以作为电感元件11的基板使用是有效的。另外，作为构成石英基板10上的导 电线路6、电容器12、15、22、23及电感元件11的材质，除铝以外，例如也可以使用Cu(铜)、 Au(金)、Cr(铬)、Ni(镍)、Ti(钛)、W(钨)、V(钒)、Ta(钽)、Μο(钼)、Ag(银)、Pd(钯)、 In(铟)及Sn(锡)的至少一种。
另外，在上述例子中，配置了两个变容二极管13、14，但也可以配置一个，另外，如 已述的图19所示，也可以使这些可变电容二极管13、14中的一方起到电容器12的作用。另外，在上述的例子中对VCO进行了说明，但是包括电感元件及电容元件的电路 即滤波电路也存在如下问题当使用频带为GHz带的高频带时，在谐振部1的Q值小的情况 下，存在不能得到良好的滤波特性这种问题。因此，本发明对于包括电感元件的电子部件是 有效的。下面，对制造上述的VCO的方法的一例进行说明。首先，对该制造方法的整体概略 进行说明，如图12所示，例如在直径为IOcm的石英晶片40上，作为电容器(capacitor) 12、 15、22、23，按照如上所述的图6所示的布局形成多个上述的梳齿电极(步骤Sll)，接着，在 石英晶片40上配置导电线路48，形成谐振器(resonator)(电感元件11)的电路图形及接 地电极51(步骤S12)。接着，例如通过切割(dicing)等切断石英晶片40，将上述的石英基 板10单片化(芯片化)(步骤S13)，例如，通过在晶片状的基底基板5上印刷形成的焊锡 (连接部7)将这些石英基板10、晶体管21等部件装载在该基底基板5上(步骤S14)。之 后，使基底基板5单片化后，以覆盖基底基板5上的各部件的方式安装未图示的盖(步骤 S15)。这样形成上述的VC0。下面，对上述步骤Sll及步骤S12的谐振部1的形成方法，参照图13 图18具体 地进行说明。首先，洗净上述的石英晶片40后，如图14(a)所示，在该石英晶片40上从下 侧起例如依次层叠铝等金属膜41和正性的第一抗蚀剂(resist)膜42，通过曝光处理和显 影处理在第一抗蚀剂膜42形成用于形成梳齿电极(电容器12、15、22、23)的图形。而且， 通过使用例如C12气体等蚀刻气体的干蚀刻，对金属膜41进行蚀刻而转印第一抗蚀剂膜42 的图形后，如图17所示，剥离第一抗蚀剂膜42 (步骤S21)。另外，虽然省略图示，但在上述 的第一抗蚀剂膜42的图形，与电容12、15、22、23的图形一起，形成有用于进行石英晶片40 的定位的对准标记、进行曝光处理时使用的定向平面(orientation flat)标记及划分各石 英基板10的后述的切割线47，在石英晶片40上配置电容器12、15、22、23以及包含这些图 形的电极膜。另外，在图14 图16中，示意地表示电容器12、15、22、23。下面，如图14(b)所示，使用负性的树脂(聚酰亚胺)膜等，在石英晶片40上形 成保护膜43，该保护膜43用于保护电容器12、15、22、23等的电极膜不受到后述的种子层 (Seed Layer，或称为种晶层)44的蚀刻的影响。而且，以在上述的电容器12、15、22、23等的 电极膜的上方残留保护膜43的方式，通过未图示的掩膜进行曝光处理。另外，针对电容器 12、15、22、23以及上述的每个对准标记、定向平面标记，分别使用不同的掩膜进行上述的曝 光处理。接着，如图14(c)所示，进行曝光处理，除去多余的保护膜43 (步骤S22)。而且， 例如通过热处理使保护膜43固化后，例如利用O2气的等离子体除去石英晶片40上的浮渣 (保护膜43的残渣)。接着，虽然省略图示，但通过进行抗蚀剂膜的形成、曝光处理及显影 处理，在已述的各标记上形成树脂膜。另外，虽然省略详细的说明，但将上述的保护膜43设 定为规定的尺寸，使得电容器12、15、22、23等的电极膜不会因进行种子层44的蚀刻时的蚀 刻液而被浸蚀(腐蚀)。而且，例如通过蒸镀处理，如图15(a)所示，将Cr (铬)膜和Cu (铜)膜从下侧按 顺序层叠而形成种子层44，并且使用剥离(Lift-off)装置(例如剥离用的液体等)，将上述的标记上的树脂膜以及该树脂膜上的种子层44剥离，使该标记露出(步骤S2!3)。之后， 使用上记标记进行对位，并且如图15(b)所示，在种子层44上形成负性的第二抗蚀剂膜45， 接着，以使得形成导电线路48 (电感元件11和接地电极51)的区域中的第二抗蚀剂膜45 被除去的方式进行曝光处理和显影处理，形成凹部46(步骤S24)。另外，在剥离上述的种 子层44使上述的标记露出时，也可以在标记与种子层44之间不形成树脂膜，在形成种子层 44后，通过抗蚀剂膜的涂敷处理、曝光处理、显影处理及蚀刻处理，剥离标记的上方的种子 层44。
接着，如图15(c)所示，例如通过电镀将与接地电极51及电感元件11对应的导电 线路48埋入第二抗蚀剂膜45的凹部46 (步骤S25)，如图15 (d)所示，剥离第二抗蚀剂膜 45。然后，如图16 (a)所示，剥离种子层44和保护膜43 (步骤S26)。在进行种子层44的剥 离(蚀刻)时，由于蚀刻液难以流入(绕入)导电线路48的下方，因此残留种子层44，因 此，电容器12(15、22、23)和导电线路48经种子层44电连接。
这样，在石英晶片40上，如图18所示，形成电容器12、15、22、23、电感元件11、接 地电极51及划分各石英基板10的切割线47等。接着，如图16(b)、(c)所示，通过进行树 脂膜49的涂敷处理、曝光处理、显影处理及热处理(固化处理)，以覆盖上述的导电线路48 的侧面侧及上端面的周缘部的方式形成覆盖膜49a (步骤S27)。其后，在该导电线路48上 形成连接端子8后，进行上述的切割工序(步骤S13)，使石英基板10单片化。
权利要求
1.一种电压控制振荡器，其特征在于，包括谐振部，其包括静电容量根据从外部输入的频率控制用的控制电压发生变化的可变电 容元件和电感元件，并且其串联谐振频率根据所述静电容量进行调节；和 反馈部，其将来自该谐振部的频率信号放大后反馈至该谐振部， 所述谐振部的电感元件是形成于石英基板上的导电线路。
2.如权利要求1所述的电压控制振荡器，其特征在于所述谐振部包括所述可变电容元件和电容量不因电压而发生变化的电容元件，该电容 元件包括设置在所述石英基板上的相互隔开间隔地交叉成对的梳齿形的导电通路。
3.如权利要求1所述的电压控制振荡器，其特征在于所述石英基板设置在由电介质形成的基底基板上，在该基底基板上设置有所述可变电 容元件、反馈部和周边部件。
4.如权利要求1所述电压控制振荡器，其特征在于 所述串联谐振频率为5GHz以上。
5.一种电子部件，其特征在于，包括 石英基板；和由形成在该石英基板的导电线路构成的电感元件。
6.如权利要求1所述的电压控制振荡器，其特征在于代替所述石英基板，使用由钽酸锂、铌酸锂、硅或蓝宝石形成的基板。
7.如权利要求5所述的电子部件，其特征在于代替所述石英基板，使用由钽酸锂、铌酸锂、硅或蓝宝石形成的基板。
全文摘要
本发明提供一种电压控制振荡器和电子部件，其为小型且在宽的频率的调节幅度内得到低相位噪音特性。作为石英基板(10)，使用与在现有技术中作为谐振部(1)的基板被使用的氟树脂、LTCC等相比具有更良好的特性(损耗因数tanδ)、且能够利用光刻法形成微细的金属膜的图形的石英，在该石英基板(10)上形成导电线路，构成谐振部(1)的电感元件(11)。由此，能够构成Q值高的谐振部(1)，因此能够得到小型且在宽的频带为低损失的电压控制振荡器。
文档编号H03B5/04GK102035465SQ20101050081
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月5日
发明者吉元进, 山川纯一郎, 山本泰司, 恩塚辰典, 津田稔正, 赤池和男, 高野三树男 申请人:日本电波工业株式会社