专利名称：水平扭绞对型平面导线结构的制作方法
本申请与下列美国专利申请有关美国申请号08/115,368(美国专利号5,389,735)、David E.Bockelman的、题为“A VerticallyTwisted-Pair Conductor Line Structare”；美国申请号08/115,176(美国专利号5,430,247)、David E.Bockelman的、题为“A Twisted-Pair Planar Conductor Line Off-Set Structure”；美国申请号08/115174的继续申请、美国申请号08/299,857(美国专利号5,459,284)、David E.Bockelman和Douglas H.Weisman的、题为“Twisted-PairWire Bond and Method Thereof”；以及美国申请号08/115,291(美国专利号5,376,902)、David E.Bockelman和Robert E.Stengel的、题为“Interconnection Structure for Crosstalk Reduction to Improve Off-Chip Selectivity”。上述的这些专利都已转让给摩托罗拉公司。
本发明涉及小型化电路，具体涉及这些小型化电路的传输线互连。
传输线通常由两个导体组成。当任何两个或多个电路利用至少一条传输线互连时，来自一个电路的一定数量的信号会耦合到一个别样的被隔离的电路中。由此产生的感应信号称为“串话”。例如，当一个信号从一个高频信号源通过两个导体传输到一个后续的电路时，例如在同一个无线电装置或收发信机中，在一条通路内将由天线接收到的射频(RF)信号从射频放大器传输到混频器时，或者在反向通路内由调制器产生的一个信号传输到发射机时，不想要的串话耦合会劣化该无线电收发信机的性能。
如果耦合这些电路所用的传输线的两条导体其中之一用以作为接地导体，则这种电路称为“单端电路”，这种传输线是单端传输线。
另一种情况是，两个不接地的导体组成一种差分传输线，用于差分电路。设定这两个导体的几何形体及其相对位置以建立一个特性阻抗，使第一差分电路与后续的差分电路的阻抗合适地相匹配。差分信号由一个差分信号产生电路施加在这两个导体上，该信号沿传输线前进到差分信号接收电路，在那里，该信号被测量作为这两条导体之间差值。换句话说，差分电路产生或接收一对相位反相关系的互补信号，这称为单一的差分信号。
用差分传输线代替单端传输线可以极大地减小串话耦合，这称为“共模阻抗耦合”。在单端(非差分)传输线中的共模差分耦合是由非零寄生阻抗(通常称之为接地回路电阻)造成的，它由两个或多个别样的隔离的电路不可预想地共享。这个公共阻抗引起了串话。为此，通过减小接地导体与非接地导体的公共阻抗或共享阻抗，能降低共模阻抗耦合。
电路之间除了公共阻抗耦合之外，如果两条导体紧密地靠在一起，则在同一传输线的两个导体之间还会存在电容性耦合(电场耦合)和电感性耦合(磁场耦合)。
在有两相邻的传输线的情况下，相对于单端传输线而言针对例如混频器与调制器之间的串话，如果这两传输线之间的距离比它们其中一个传输线的两导体的间距大得多，则该差分传输线也能降低该传输线之间的电容性耦合(电场耦合)和电感性耦合(磁场耦合)。在磁场耦合情况下，围绕着每一传输线内相邻导线的磁场是相互反向的，基本上互相抵消，从而减小了对周围环境的磁场辐射。
然而，在诸如无线电话之类的小型装置中，空间体积通常是有限的。鉴此，这些差分传输线须紧密靠在一起，这将增大磁耦合，减少了差分传输线优于单端传输线的优点。
对于同一差分传输线或者两靠近的差分传输线的两个靠近的导体，在光的(Plain)差分线上进一步减小串话可以利用扭绞两个导体以形成一种扭绞对型差分传输线来实现。这种类型的传输线一般可用两条包绝缘层的圆导线相互扭绞来实施。这种类型的传输线借助减小电感性耦合或磁场耦合来减少串话。亦即借助于减小传输线的磁环路区的面积，并借助于不断地改变沿传输线长度上磁场的取向，实现减少串话。
未扭绞对限定差分传输线的全长上一个磁场环路区或电流环路区，导线作为“矩形”环路的长边。这样的环路区限定了电流量，该电流可以是在诸如相邻导体来的一个外磁场在该对导线中感生的。
将该对导线扭绞在一起时，可使该环路区最小化。导线的尺寸和每英寸扭绞数限定了传输线的特性阻抗。此外，其余的环路现在沿传输线长度不断扭转，使得磁场环路区的法线呈螺旋状轨迹。当两对这样的扭绞线紧密地放在一起时，扭绞对的螺旋状法线会降低一对导线的磁场在另一对中例如从调制器电路到放大器(如果它们是紧密相隔的话)感生电流的能力。
当互连小型电路例如印刷电路板或挠性电路基底上的印刷电路、或半导体基底上的集成电路(IC)、或混合电路时，可应用差分传输线的概念来降低串话。因这些导体放在一个或多个平面上，故它们是平的。差分传输线可用同一平面内(水平配置)或两个平面内(垂直配置)的两个导体来实施。在这些情况下，普通的差分传输线可减小共模阻抗耦合。然而，因这些小型化应用诸如在一个无线电装置中通常空间很有限，故这些差分传输线须靠紧在一起，这增加了磁场耦合。
两个平面差分传输线之间磁场耦合问题可用与扭绞对导线类似的方式来解决。Takashima等人的美国专利5,039,824采用印刷电路板上导电通孔或通路来互连并形成一种扭绞对等宽度平面结构。然而，Takashima并未讲述他的结构中损耗的补偿。在这种传输线中，通孔连接会导致重大的欧姆损耗，且不平衡的等宽度垂直配置导体会产生传输线中的寄生电容。据此，现在需要有一种低损耗的扭绞平面传输线对，而无需各层之间互连或只需最少的互连。
图1示出按照本发明的水平取向的扭绞对导线的顶视图。
图2示出图1所示的水平取向的扭绞对导线的剖面图。
图3示出按照本发明的垂直取向的扭绞对导线的起始处未扭绞段的剖面图。
图4示出图3所示的垂直取向的扭绞对导线的顶部切掉的示图。
图5示出按照本发明的图1或图4所示的两平行扭绞对导线的示图。
图6示出按照本发明的图1或图4所示的多个平行扭绞对导线的示图。
图7示出一个典型的TAB(线条自动接合)电路的示图。
图8示出具有图6所示的平行扭绞对导线的一个TAB电路示图。
参看图1，一个水平取向的传输线含有两个导体，一个顶部基本上平的导体10，一个底部基本上平的导体11，为一个差分信号形成两条信号通路。导体的端部或终端12和13限定了该传输线的一个输入端口，导体的终部或终端14和15限定了一个输出端口。导体端部差分地被驱动以形成差分端口。导体10和11的宽度以及它们之间的水平间隔限定该差分传输线的特性阻抗。
导体10和11在垂直方向上间隔开一个距离，该距离小于水平间隔。导体10和11可以分段成为导电的未扭绞平面段和接续的导电的扭绞段，导体10和11在每一个未扭绞段或平行段16内长度上基本上是平行的。然后，导体10和11相互间在重叠交叉倾斜部分(或段)交叉，形成一个“X”字形交叉17。发生交叉17的长度最好相对地短于平行段16的长度。水平间隔与垂直间隔之间的关系最好如图2所示。
参看图2，导体10和11由一薄绝缘材料层18或者由一些绝缘材料槽(未示出)分隔开。因在平行段内上导体10设置在与下导体11同样的平面上并在交叉段内设置在绝缘槽上，故导体10和11基本上是平的。导体10和11可以是但不必需由一介电层19在结构上予以支持。
为了确保差分传输线使共模耦合最小化，一对传输线中的每个导体必须具有相等的或平衡的寄生参数。具体地说，每个导体的对地电容必须相等。若无这种平衡，则互连的电路含有一个公共阻抗，它与寄生参数的不平衡量有关。
如果导体10和11形成在一个半导体基底22的顶面上，则它们可以配置在由一个良导电金属层形成的中间接地平面20的上面，接地平面20处在基底22上，其间由一个可选择的绝缘层21隔离开。然而，若采用接地平面20时，则上导体10的宽度要增加，或被调整以增加它的对地电容。为了平衡寄生电容，根据上导体10对接地平面20垂直的间距相对于下导体11对接地平面20的高度的增加，大致成比例地增加上导体10的宽度。
回过来参看图1，在两个不同平面或不同层中的交叉段17和平行段16的交替图型沿传输线长度不断重复。按照这种方式，交叉段17和平行段16模拟一个扭绞线对，可降低电路之间的串话。
该平面扭绞对传输线的磁场环路由两个导体交叉或扭绞之间的闭合电流通路来限定。不象真的扭绞对传输线，该平面扭绞对线中磁场环路的法线取向总是垂直于传输线的取向。也就是说，对于水平配置的平面传输线，磁场环路的法线都是垂直地对准的，或向“上”，或向“下”，这由具体的环路中流动的电流来决定。法线的这种对准和因而磁场的对准使得平面扭绞对线之间的磁耦合比真的扭绞对传输线之间的磁耦合强些。鉴此，扭绞对线的平面式结构只是真的扭绞对传输线的一种近似。
本发明还包括一种方法，用以构成一种带有扭绞对的垂配置的差分传输线。在某些情况下，垂直传输线优于水平传输线。优点是扭绞对的总宽度较小，这是因为对于垂直线对而言两个导体是相互叠置的缘故。
参看图3，一种垂直取向的差分传输线由上导体30叠置在下导体31的上方而构成，上、下两个导体基本上是一个对准在另一个上面。导体端部32和33限定了该差分传输线的一个差分输入端口，导体端部34和35限定了差分输出端口。导体30和31的宽度及它们之间的垂直间隔限定该传输线的差分特性阻抗。
在垂直扭绞对传输线中，寄生电容的平衡特别重要。为此，垂直线的上导体要比下导体宽出一个余量，这取决于上、下导体间的垂直间隔。鉴此，若采用接地平面20时，上导体30的宽度要调整得可使上导体30和下导体31的对地电容达到均衡。例如，上导体30的宽度增加到约为下导体31的宽度的两倍。这个两倍值并不是精确值，因为上导体30相对于下导体31的对接地平面20的高度要大些。然而，垂直取向导体的上下对准使得它们难以构成扭绞。本发明提供这样一种扭绞，它能保持寄生特性的平衡。
参看图4，将图3所示的垂直取向传输线通过将上导体30分支以形成一个矩形的一半、一个轭状物的或者具有分叉边的一个分叉部件，诸如一个“U”形的宽边部分40而形成一个平衡式扭绞。通过导电的通孔44和45，上部的“U”形宽边部分40与下部导体“U”形窄边部分41相连接，以形成一个连续的第一信号导体。
下导体31在该第一信号导体之下延伸至较宽的“U”形部分40的基本部分43之外。一个第二宽的上导体42具有一个较小的短段部分与第一下导体相连接，它正处在上部宽边“U”部分40的基面部分43之外，上面具有提供出连接的一个通孔46，以便与原来的下导体31构成连续的第二信号导体。
第二上导体42与原来的上导体30在顶部平面内在纵长方向对准，第二下导体47与原来的下导体31在底部平面基本上对准。上导体30、40和42对下导体31、41和47的宽度的比值保持在整个扭绞结构中。这种链接结构在概念上可以这样描述为由重叠的轭状部分构成两个重叠的“球式交接”或“万向交接”，呈现具有中心矩形孔的矩形，传输线的平行段环穿而过该矩形孔。
在垂直或水平取向配置中只对平面差分传输线进行扭绞能明显地改进线对到线对的串话，但并没有按需地使串话减少到最小。本发明还讲述了一种含有两个或多个相邻的平面扭绞传输线对的系统，它又进一步显著地降低串话。当两个平面式扭绞对传输线放在一起使它们基本上平行时，由于通过由扭绞产生的环路而存在磁耦合，因此会发生串话。
参看图5，它示出一种结构，利用两个或多个平面式差分传输线降低串话，它含有至少两个传输线51和52，它们如图2那样水平取向、或如图4那样地垂直取向，或任何其它类型的扭绞对传输线。然而，为简明起见，传输线51和52简单地示为水平取向的平面式扭绞对传输线，在某一长度内基本上相邻。第一传输线51与第二传输线52之间的相对位置或偏移是使第一传输线51的扭绞54与第二传输线的平行段53对准。最好是扭绞或交叉54与平行段53的中点相一致；不过，偏离中点的对准也能给出改进的性能。
在这个示例中，在第二传输线52内流动的信号电流55和56会干扰第一传输线51中所需的信号。电流55和56构成闭合环路电流，它们然后产生反向磁场或反向磁通57和59。于是，磁通57和59在第一传输线51中感应出反向流动的电流58和60。至于交叉54，它基本上对准平行部分53的中点，使感应的反极性的电流58和60有基本上相等的量值，而基本上抵消掉了。
图5示例水平取向传输线的偏移的扭绞对，但这种技术能同样地适用于垂直取向的传输线。这种情况下，相邻传输线是垂直取向的扭绞线对，如图4所示。这里，平衡的扭绞基本上也是对准相邻传输线的平行段中点。
参看图6，偏移扭绞技术可以适用于垂直或水平取向情况下任意数目的相邻传输线。一种方法使该传输线交错，以使每个相间隔开的传输线61和63分别具有交叉66和68并且基本上互相对准。同时，另两个传输线62和64互相对准偏移开它们最近的相邻者，以使交叉67和65分别地基本上与平行段669和69的中点对准，按照这种方式，无论水平还是垂直取向的任何数量的传输线可以相似地配置。此外，每个相间隔开的传输线譬如说61和63，可以互相地以某一量值或者均匀的间距偏移开。实施这种附加的偏移可以产生一种配置结构，每第N条传输线互相对准，而其间的传输线按均匀的间距偏离它们最近的邻线。
参看图7，平面式扭绞技术可以适用于一种类型的集成电路接合。具体地说，通过一种适合的平面扭绞对传输线技术，可以降低线条自动接合(TAB)内接合处之间的串话。TAB中应用一种薄的挠性Kapton电路板材料作为基底，在该基底的顶表面和底表面上具有金属导体，利用在顶表面和底表面上形成的金属“指爪”将集成电路固定到电路板上，这些指爪在集成电路接合衬垫上延伸出电路板边缘。通向这些指爪的导条(runner)通常比较长，能以紧密的间距相邻并且平行。图7示出了这样一种典型的TAB电路。在这种TAB电路中可以采用具有水平有效扭绞或垂直扭绞的扭绞对差分传输线，而相邻的扭绞对线可偏移以使串话最小。
参看图8，图中示出在相邻传输线之间降低串话的一种TAB基底。该基底包括一个公共的具有导体图案TAB电路70，该图案具有水平取向或垂直取向的扭绞对差分传输线84。此外，相邻的扭绞对差分传输线85可以偏离第一组传输线对84。对于这种结构，能以最小的信号间或导线间的串话来将集成电路71固定(72)到电路70上。
总之，本发明提供了一种低损耗式平面式扭绞对传输线结构。实际的扭绞由两个盘旋的(serpentine)平面导体构成，它们以相反的方向曲折(zigzagging)、弯转或扭绕，但无经任何通孔的交叉平面或形成任何电连接。在构造图上，上平面导体以第一非理想的脉冲序列形状扭曲，而第二平面导体以第二非理想的、与第一脉冲序列反相180。的脉冲序列形状扭曲，因而形成的实际扭绞对传输线具有重叠的交叉段及随后的平行段。
因在两个平面之间的垂直间隔很小，故两个导体的交叉模拟了一种真的扭绞对传输线。
为了在垂直取向的传输线中实现平衡扭绞，上导体作出分支而呈“U”字形。下导体延伸过该“U”形，在那里它经一个通孔与起始于“U”壁的上导体的另一部分相连接。上部“U”形的分支通过两个或多个通孔与下部“U”形导体相连接。
依靠对准两个相邻的传输线对，使得一个传输线中导体的交叉或扭绞与另一个传输线的平行段对齐，或换句话说，将扭绞基本上放在平行段中心，两个感应电流将相互抵消，因而获得了串话的减小。
权利要求
1.一种扭绞对差分传输线结构，其特征在于，含有一个第一基本上平的导体，具有多个平行段，和至少一个连接段，并在基底的第一面上的第一方向上定位；一个第二基本上平的导体，具有多个平行段和至少一个连接段，并位于所说的基底的第二面上的第一平面导体的下面，所说的第一导体和所说的第二导体在它们各自的连接段处交叉，以形成垂直扭绞对，而无电连接。
2.一种用于无线电装置的射频(RF)扭绞对差分传输线，其特征在于，含有多个隔离的导电层；由各导电层形成的第一、第二、第三和第四平面导电段；第一导电链路，连结第一和第二平面导电段，用以提供第一信号通路；第二导电链路，连结第三和第四平面导电段，用以提供第一通路下面的第二信号通路；及无物理接触地使第一和第二导电链路交叉，以在第一和第二信号通路上形成垂直扭绞对。
3.权利要求2的结构，其特征在于，含有第一终端，与第一信号通路相连接；第二终端，与第二信号通路相连接，以提供一个差分端口。
4.权利要求2的结构，其特征在于所说的多个导电层包括第一和第二导电层，第二导电层配置在第一导电层下面；第一和第二平面导电段，形成相反段位置的第一图案和来自第一导电层的第一链路；第三和第四平面导电段，形成相反段位置的第二变换的图案和来自第二导电层的第二链路；借此，第一和第三平面导电段是相互平行的运行，第四和第二平面导电段是相互平行的运行，第一和第四平面导电段基本上相互纵向对准，第三和第二平面导电段基本上相互纵向对准，并且，第二链路在第一链路下面交叉，每个都在相反方向上。
5.权利要求2的结构，其特征在于，导电段为直线条。
6.权利要求2的结构，其特征在于，所述的链路为倾斜线条，用于形成垂直扭绞。
7.权利要求2的结构，其特征在于，进一步包括一个半导体基底，用于承载隔离的各导电层。
8.权利要求1的结构，其特征在于，每个所说的连接段基本上为90°交叉。
9.权利要求1的结构，其特征在于，所说的连接段基本上是在每一部分的中点交叉。
全文摘要
扭绞对导线结构在具有隔离的导电层(10、11)的基底(22)上形成。各导电层用以形成第一、第二、第三和第四导电平面段(16)。第一导电链路(17)连结第一和第二平面导电段，以提供第一信号通路。同样，第二导电链路(17)连结第三和第四平面导电段，以提供第二信号通路。第一和第二导电链路在工作时被安排得用以形成第一和第二信号通路中的扭绞(17)，这样形成的环绕扭绞导电段的磁场(57、59)应是彼此相反的，从而相互抵消，以降低磁场向周围环境的辐射。
文档编号H05K1/02GK1129993SQ94193212
公开日1996年8月28日 申请日期1994年8月31日 优先权日1993年8月31日
发明者戴维·E·博克埃尔曼, 道格拉斯·H·韦斯曼 申请人:摩托罗拉公司