Special Topic
2
S p ec ia l T op ic 2 ユ ビ キ タ ス を 支 え る フ ィル タ の 技 術 動 向積層フィルタの材料
数百 MHz ～数 GHz 帯で使われる積層 セラミックフィルタは、Ag や Cu などの低 抵抗率の導体材料と誘電体材料より作ら れており、導体材料は、Ag 系の材料が主 に使われています。 つぎに、誘電体材料は Ag 導体を内蔵 するため、コンデンサで使われる1300℃ 以上で焼成する誘電体材料でなく、900℃ 程 度で 焼 成できるいわゆる LTCC（Low Temperature Cofire Ceramics：低温焼成 基板）材料が使われております。積層フィルタのプロセス
積層フィルタなどの無線系セラミック部 品は、図 1 のようなプロセスで作られてお り、検査工程を除き積層インダクタなどの 積層部品と同様な工程で作ることが可能 です。フィルタ特性は、材料誘電率、誘電 体層厚み、印刷、積層、カット、および 焼成時の材料収縮などの工程精度より大き く影響するため、安定した生産性と信頼性 を持った商品を低価格供給するためには、 プロセスはとても重要です。 近年、ノート PC などでの無線 LAN 搭載や、携帯電話等の Bluetooth®や地 上波デジタル放送などを搭載した機器も多く見られるようになってきました。 今後も無線通信および放送の技術はさらに進化を続け、それを支える無線系 部品も含めた無線市場は、さらに拡大していくと考えられています。 そうしたユビキタス社会の中で、通信システムを構成する主要な IC や受動 部品等の無線系部品の高性能化、小型化、低価格化が不可欠となっています。 今回、その無線系部品の中で、キーとなるフィルタに関してのプロセスや 現状の当社のラインナップや設計に当たっての技術留意点などを中心にご説 明いたします。 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Frequency（MHz） Attenuation （dB） 図 2 フィルタの設計例（2.4GHz 帯フィルタ、製品サイズは 2.0 1.25mm） S11 S21 Taiyo Yuden B.P.F 2.0mm X1.25mm 配合・分散 シート成型 シート裁断 ビア穴あけ 内部電極形成 積層・圧着 カット 焼成 外部電極形成 メッキ 検査 梱包 図 1 プロセスフロー1
ユビキタスを支える
フィルタの設計例
一般的な 2.4GHz 帯の積層フィルタの 特性例および製品外観を図 2 に示します。 製品サイズは 2.0 × 1.25 ｍｍに収めて、 妨害波の阻止が求められる 1.7－2GHz 近 辺はトラップ制御技術を用いてフィルタの 減衰特性を確保しています。 今後、ますます新しい無線の機能が端 末に搭載され、それに伴い妨害波の阻止 する周波数も多くなり、かつ、小型化への 展開も進んでいます。 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Frequency（MHz） Attenuation （dB） 図 2 フィルタの設計例（2.4GHz 帯フィルタ、製品サイズは 2.0 1.25mm） S11 S21 Taiyo Yuden B.P.F 2.0mm X1.25mm 配合・分散 シート成型 シート裁断 ビア穴あけ 内部電極形成 積層・圧着 カット 焼成 外部電極形成 メッキ 検査 梱包 図 1 プロセスフロー1
S p ec ia l T op ic 2 ユ ビ キ タ ス を 支 え る フ ィル タ の 技 術 動 向フィルタの技術動向
1
Special Topic
2
S p ec ia l T op ic 2 ユ ビ キ タ ス を 支 え る フ ィル タ の 技 術 動 向複合化・マッチングフリー化
フィルタ＋バラン
近年、通信分野における RF 半導体デバ イスの複合化（ワンチップ化）が急速に進 んでいますが、パッシブデバイスの複合化 も例外ではありません。さらに従来からの 小型低背化の流れは変わらず、複合化との 相乗効果で実装面積は省スペース化され、 モジュールやセットの小型化に貢献してい ます。しかし、デバイスの複合化・小型化 は材料技術、プロセス技術、設計技術が 高次元で融合しないと実現することが困難 となっています。当社は従来から有する、 これらのコア技術を高度化し図 3 のように RF ブロックのキーパーツであるフィルタと バランを複合化した、いわゆる、バランス フィルタを 2.0mm × 1.25mm という小型 パッケージで開発しました。通常、フィル タは誘電率が 80 程度の材料を使用し、バ ランは誘電率が 20 程度の材料を使用する のが設計的に好ましいのですが、このバラ ンスフィルタは独自の設計技術により同一 材料で構成したことが特徴で、量産性にも 考慮した構造になっています。このように、 複合化・小型化することで従来の実装面積 と比較して 30％以上の省スペース化が可 能となり、さらにフィルタとバランを接続 する線路等によるミスマッチ（不整合）が 解消され、セットの性能向上に貢献できる ものと考えています。マッチングフリー化
さらなる複合化の流れとしてバランス フィルタのマッチングフリー化があげられ ます。RF 半導体 IC（RF-IC）の入力・出力 インピーダンスは複素数（r± jx Ω）であ り、従来のバランスフィルタと直接繋げる とミスマッチが生じて本来の RF-IC の性能 が発揮されません。このため従来ではバ ランと RF-IC の間にマッチング回路を設け てインピーダンス整合をとっていましたが 省スペース化、低コスト化の障害になって おりました。RF-IC によりインピーダンス が異なるので回路構成は様々ですが、一 般的なマッチング回路は図 4 の様な LC 素 子の組合せで構成されます。マッチング フリーのバランスフィルタはこのマッチン グ機能をも取り込んでワンパッケージ化し たものです。これにより RF-IC とバランス フィルタを直結することができ、さらなる 省スペース化、低コスト化が可能となりま す。当社は従来とは全く異なる設計思想か ら、2012 サイズと小型でシンプルな構造 のマッチングフリー・バランスフィルタを開 発しました。RF-IC ごとに個別設計し製品 バリエーションを揃える必要があるという デメリットもありますが、構造がシンプ ルであるのでデータベース化が容易であ り、新規のインピーダンス設計でも短期 間で対応することができます。実装における注意点
実装基板上でバランスフィルタの平衡側 と RF-IC を結ぶ 2 本の線路は最短で同じ 物理長でなければなりません。線路長が 違うとバランスが崩れそれぞれの信号に差 が生じてしまい、本来の性能が発揮されな くなります。しかし、線路を同じ物理長で 設計しても、実装する際にθずれが生じる と物理長が変化して特性ばらつきの要因に なりかねないので注意が必要です。また、 バランスフィルタ実装面近傍の GND イン ダクタンスが特性に与える影響が大きいの で、図 5 のように製品直下などの GND を blind-via などで内層 GND と接続し強化す る必要があります。統合
RF-IC アンテナ 不平衡 平衡 フィルタ バラン RF-IC 不平衡 平衡 バランスフィルタ 図 3 フィルタとバランの複合化 アンテナ アンテナ バランスフィルタは RF-IC に直結することができる GND GND 整合回路 整合回路内蔵 バランスフィルタ 半導体 I CRF 図 4 マッチングフリー 従来の バランス フィルタ RF 半導体 I C1
S p ec ia l T op ic 2 ユ ビ キ タ ス を 支 え る フ ィル タ の 技 術 動 向バランスフィルタ設計例
表 1 に当社開発の Bluetooth® 用マッチ ングフリー・バランスフィルタを示します。 標準的なバランス側のインピーダンスは 50 Ωと 100 Ωですが、当社のバランスフィ ルタは、複素数のインピーダンスに対応し たものもあり、IC ごとに対応したカスタム 品となっております。当社ではモジュール 評価も可能であり、開発したマッチングフ リー・バランスフィルタが所定の RF-IC で 動作するかのテストが可能であり、お客様 は希望するパフォーマンスを実現するため に何度も部品メーカーとやり取りをする煩 わしさから開放されます。太陽誘電のフィルタラインナップ
当社製フィルタは、前述の Bluetooth® 用のバランスフィルタの他に W-LAN など の 2.4GHz 帯に対応した 2012、1608 形 状の BPF（Band Pass Filter）やワンセグ （ISDB-T） 用の 2012、1608 形 状 の LPF （Low Pass Filter）などのフィルタを製品 化しております。さらに、今後拡大が見込 まれる WiMAX、UWB 用のフィルタ開発 も積極的に行なっており、さらにセルラー バンドに対応した開発にも着手しており、 将来的には、積層フィルタのフルラインナッ プ化を目指し、積層フィルタのトータルソ リューションをご提供できるよう努力して まいります。（図 6 参照）今後の技術・開発動向
今後、フィルタには今まで以上の小型化、 低価格化が重要となり、市場のニーズに マッチした商品のスピーディな開発が求め られます。 現状、2012、1608 形状のものが主体 となってきましたが、今後 1005 などより一 層の小型化ニーズが出てくると思われ、当 社は、そうしたニーズに対応すべく、製品 開発、プロセス開発を進めてまいります。 また、 携 帯 電 話 やノート PC などの モバ イル 機 器 や車 載 機 器 においては、 Bluetooth®、W-LAN、GPS、地上波デジタ ル TV など、様々な無線通信、放送システ ムなどの機能が同時に搭載されて行きます。 それに伴い、新たな仕様ニーズ、新部品 ニーズ、新たなサービスニーズが発生する と思われます。 当社は、前述ご紹介した、材料技術、 積層プロセス技術、設計技術に加え、無 線における高周波モジュール技術、高密度 実装技術、無線の認証業務などと連携し た商品開発・トータルソリューションをご 提供してまいります。 実装ランドパターン 図 5 実装基盤基板設計例および GND パターン設計 起点 ブラインド・ビアホール 不平衡側 伝送路線 平衡側伝送路線 平衡側 伝送路線 直流電源供給路線0.8
0.15
0.3
5
0.3
5
0.3
5
1.5
5
0.6
5
0.9
0.3
5
1.3
2.2
0.6
5
0.6
5
0.6
5
0.6
5
1.85
0.35
0.35
0.8
0.9
レジストパターン 表 1 IC ごとのバランスフィルタ対応表 IC メーカー 太陽誘電対応品番 CSR製Bluetooth用IC FI212C245031 FI212C245033 FI212C245032 FI212C245034 FI212C245036 TI製Bluetooth用IC FI212C245041 STMicro製Bluetooth用IC FI212C245051 図 6 フィルタラインナップ 図 1 アンテナラインナップ Monopole 11 1.6 Monopole 8 1.6 Monopole 2.5 1.6 Inverted F 8 3 Inverted F 10 4 Inverted F 12 2 Dual Band 10 4 Inverted F 4 2 Wide Band 8 6 Balance BPF 1608 LPF 2012 LPF 1608 Balance BPF 2012 BPF 2012 BPF 2012 Balun 2012 Balun 1608 BPF 1608 BPF 2012 BPF 2520 GPS / PHS W-LAN 11a UWB W-LAN 11a UWB Bluetooth ®, W-LAN 11b/g, WiMAX Digital TV W-LAN 11a/b/g/n Bluetooth ®, W-LAN 11b/g, WiMAX1
S p ec ia l T op ic 2 ユ ビ キ タ ス を 支 え る フ ィル タ の 技 術 動 向 GND I/O I/O GND FI 212L Type ①FI 212L062002 Unit : mm（inch） 1.25±0.15 （0.049±0.001） 1.0Max. （0.039Max.） 0.20±0.15 （0.008±0.006） 0.20±0.15 （0.008±0.006） 0.35±0.20 （0.014±0.008） 0.30±0.20 （0.012±0.008） 0.30±0.20 （0.012±0.008） 2.00±0.15 （0.079±0.006） NC BALANCE BALANCE GND DC UNBALANCE GND GND ④FI 212C245031 Unit : mm（inch） 1.25±0.2 （0.049±0.008） 0.2 （0.020Max.） 0.3±0.2 （0.012±0.008） 2.00±0.2 （0.079±0.008） 1.6±0.2 （0.064±0.008） ＋0.2 −0.1（0.008 ）＋0.008−0.004 0.2＋0.2 −0.1（0.008 ）＋0.008−0.004 0.5Max. GND I/O I/O GND ③FI 168B245001 Unit : mm（inch） 0.8±0.1 （0.032±0.004） 0.2±0.1 （0.008±0.004） 0.3±0.1 （0.012±0.004） 1.6±0.1 （0.064±0.004） 0.70±0.1 （0.028±0.004） 0.2±0.1 （0.008±0.004） 0.5Max. （0.020Max.） GND I/O I/O GND ②FI 168L062005 Unit : mm（inch） 0.8±0.15 （0.032±0.006） 0.3±0.15 （0.012±0.006） 1.6±0.15 （0.064±0.006） 0.7±0.15 （0.028±0.006） 0.45Max. （0.018Max.） Passband frequencyInsertion Loss at Passband
Ripple at Passband V.S.W.R. at Passband Attenuation Impedance 470-770MHz 0.9dBMax.（470-600MHz） （25 deg-C） 1.1dBMax.（470-600MHz） （ー30∼＋85 deg-C） 1.5dBMax.（600-710MHz） （25 deg-C） 1.7dBMax.（600-710MHz） （ー30∼＋85 deg-C） 3.4dBMax.（710-770MHz） （25 deg-C） 3.7dBMax.（710-770MHz） （ー30∼＋85 deg-C） 1.2dBMax. （470-710MHz） 2.0Max. （470-710MHz） 5dBMin. （830-840MHz） 25dBMin. （888-925MHz） 25dBMin. （940-960MHz） 27dBMin. （1429-1453MHz） 26dBMin. （1920-1980MHz） 26dBMin. （2400-2500MHz） 50Ω Actual Data 0.65dB 1.25dB 2.9dB 0.85dB 1.5 9.5dB 32dB 34dB 33dB 29.5dB 29.5dB ー ・FI 212L062002（デジタルTV用ローパスフィルタ） 0 ー10 ー20 ー30 ー40 ー50 100 1350 2600 Frequency ［MHz］ Attenuation ［ dB ］ S21 S11
◆
外形寸法 EXTERNAL DIMENSIONS
◆
◆
アイテム一覧・電気的特性・代表特性 Part Numbers・Electrical Characteristics・Typical Characteristics
◆
17
Taiyo Yuden Navigator 2008
1
S p ec ia l T op ic 2 ユ ビ キ タ ス を 支 え る フ ィル タ の 技 術 動 向Passband frequency 2400-2500MHz Actual Data 2.3dB Max.（25deg-C）
1.81dB Insertion Loss at Passband
2.6dB Max.（ー30∼＋85deg-C）
Ripple at Passband 1.0dB Max. 0.21dB
V.S.W.R. at Passband 2.1 Max. 1.5 25dB Min.（1710-1910MHz） 30dB Attenuation 20dB Min.（4800-5000MHz） 27dB ・FI 168B245001（2.4GHz用バンドパスフィルタ） 0 ー10 ー20 ー30 ー40 ー50 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Frequency ［MHz］ Attenuation ［ dB ］ S21 S11 ・FI 212C245031（Bluetooth®用バランス・バンドパスフィルタ）
Unbalanced Port Impedance Balanced Port Impedance Passband frequency Insertion Loss at Passband Ripple at Passband Amp. balance at Passband Phase Balance at Passband Single ended Port V.S.W.R at Passband Balanced Port V.S.W.R at Passband
Attenuation Specification 50 Ω Conjugated to CSR BC3 2400∼2500 MHz 3.7dB Max.（25deg-C） 4.0dB Max.（ー30∼＋85deg-C） 1.0 dB Max. 2.0 dB Max. 180 ±10 deg 2.0 Max. 2.0 Max. 35 dB Min.（ 880∼ 960 MHz） 20 dB Min.（1710∼1990 MHz） 20 dB Min.（1990∼2170 MHz） 20 dB Min.（4800∼5000 MHz） Actual Data ー ー ー 3.3 dB 0.24 dB 0.87 dB 178∼179.7 deg 1.4 1.3 54.2 dB 43.3 dB 23.9 dB 49 dB 5.0 3.0 1.0 ー1.0 ー3.0 ー5.0 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Frequency［GHz］ A m pl itu de B al an ce ［ dB ］ 10 0 ー10 ー20 ー30 ー40 ー50 ー60 ー70 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Frequency［GHz］ A tt en ua tio n［ dB ］ 20 15 10 5 0 −5 −10 −15 −20 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Frequency［GHz］ P ha se B al an ce ［ de g］ 0 ー10 ー20 ー30 ー40 ー50 ー60 ー70 0.7 1.2 1.7 2.2 2.7 Frequency［GHz］ A tt en ua tio n［ dB ］ S21 S11 S22 ・FI 212C245031（Bluetooth®用バランス・バンドパスフィルタ）
Unbalanced Port Impedance Balanced Port Impedance Passband frequency Insertion Loss at Passband Ripple at Passband Amp. balance at Passband Phase Balance at Passband Single ended Port V.S.W.R at Passband Balanced Port V.S.W.R at Passband
Attenuation Specification 50 Ω Conjugated to CSR BC3 2400∼2500 MHz 3.7dB Max.（25deg-C） 4.0dB Max.（ー30∼＋85deg-C） 1.0 dB Max. 2.0 dB Max. 180 ±10 deg 2.0 Max. 2.0 Max. 35 dB Min.（ 880∼ 960 MHz） 20 dB Min.（1710∼1990 MHz） 20 dB Min.（1990∼2170 MHz） 20 dB Min.（4800∼5000 MHz） Actual Data ー ー ー 3.3 dB 0.24 dB 0.87 dB 178∼179.7 deg 1.4 1.3 54.2 dB 43.3 dB 23.9 dB 49 dB 5.0 3.0 1.0 ー1.0 ー3.0 ー5.0 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 A m pl itu de B al an ce ［ dB ］ 10 0 ー10 ー20 ー30 ー40 ー50 ー60 ー70 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Frequency［GHz］ A tt en ua tio n［ dB ］ 20 15 10 5 0 −5 −10 −15 −20 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 P ha se B al an ce ［ de g］ 0 ー10 ー20 ー30 ー40 ー50 ー60 ー70 0.7 1.2 1.7 2.2 2.7 Frequency［GHz］ A tt en ua tio n［ dB ］ S21 S11 S22 Passband frequency
Insertion Loss at Passband
Ripple at Passband V.S.W.R. at Passband Attenuation Impedance 470-770MHz 1.2dBMax.（470-600MHz）（25 deg-C） 1.3dBMax.（470-600MHz）（ー30∼＋85 deg-C） 2.2dBMax.（600-710MHz）（25 deg-C） 2.4dBMax.（600-710MHz）（ー30∼＋85 deg-C） 4.0dBMax.（710-770MHz）（25 deg-C） 4.4dBMax.（710-770MHz）（ー30∼＋85 deg-C） 1.4dBMax. （470-710MHz） 2.0Max.（470-710MHz） 2.5Max.（710-770MHz） 25dBMin.（888-925MHz） （25 deg-C） 21dBMin. （888-925MHz） （ー30∼＋85 deg-C） 25dBMin.（940-960MHz） 27dBMin.（1429-1453MHz） 26dBMin.（1920-1980MHz） 26dBMin.（2400-2500MHz） 50 Ω Actual Data 1.0dB 1.7dB 2.9dB 0.9dB 1.3 1.6 30dB 35dB 30dB 29dB 29dB ー ・FI 168L062005（デジタルTV用ローパスフィルタ） 0 ー10 ー20 ー30 ー40 ー50 ー60 100 1350 2600 Frequency ［MHz］ Attenuation ［ dB ］ S21 S11 S22
