CN105070699B - 一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片 - Google Patents

一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，包括射频滤波器和射频集成电路，射频滤波器包括射频滤波器衬底和射频滤波器芯片电路，射频集成电路包括射频集成电路衬底、射频集成电路芯片电路、接地金属层或深阱和钝化层。射频滤波器衬底表面制作有若干与射频集成电路连接用射频滤波器焊盘，射频滤波器焊盘与射频滤波器芯片电路位于射频滤波器衬底同一表面；射频集成电路焊盘通过钝化层上的通孔与射频集成电路芯片电路连接；射频滤波器焊盘与射频集成电路焊盘通过倒装焊异构集成工艺对应连接在一起。本发明可以在确保芯片性能的前提下，实现射频滤波器与RFIC的高密度集成，达到减小射频前端面积的目的。

Description

一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片
技术领域
本发明涉及射频前端模拟集成芯片，尤其是一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，属于射频集成电路技术领域。
背景技术
射频前端模拟集成芯片被广泛应用于通信、导航、雷达等领域，它的作用是完成超外差接收机和发射机的射频前端模拟信号处理功能，相比由分立器件组装的射频前端电路，具有电性能更佳、集成度高、可靠性好、体积小、使用便捷等众多优点，因此，成为近年来国内外的研究热点。
目前，射频前端收发电路除了射频滤波器和中频滤波器外全部实现了集成，如何将无源射频滤波器也集成到芯片中是一直困扰射频工程师的头号难题。文献“BAWTechnologies： Development and Applications within MARTINA， MIMOSA and MOBILISIST European Projects”，IEEE Ultrasonics Symposium，2006：341-350，公开了一种将薄膜体声波滤波器与RFIC异构集成的方法，即将两种器件粘在同一个PCB板上，然后采用点焊线互联。这种方法实现了射频滤波器与RFIC芯片的小型化封装，但是该方法存在以下几个缺点：
该集成方法有以下几个缺点：
一、采用点焊线互联会引入额外的寄生电感和互感，当器件工作频率较高时，会恶化器件性能。
二、滤波器及RFIC均通过粘片胶粘在PCB上，器件之间需要间隔一定的距离，这会增加封装后集成器件的面积，不利于系统的小型化。
三、与射频滤波器连接的焊盘需放置在芯片周围，这会使得RFIC芯片周围的焊盘拥挤，同时额外的布线会增加RFIC的芯片尺寸。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出的一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片。本发明可以在确保芯片性能的前提下，实现射频滤波器与RFIC的高密度集成，达到减小射频前端面积的目的。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，包括射频滤波器和射频集成电路，射频滤波器包括射频滤波器衬底和设置在射频滤波器衬底表面的射频滤波器芯片电路，射频集成电路包括射频集成电路衬底、射频集成电路芯片电路、接地金属层或深阱和钝化层，在射频集成电路芯片电路四周设有连接外壳用焊盘，其特征在于：所述射频滤波器衬底表面制作有若干与射频集成电路连接用射频滤波器焊盘，射频滤波器焊盘与射频滤波器芯片电路位于射频滤波器衬底同一表面；射频集成电路焊盘设置在钝化层上集成射频滤波器的位置处且与射频滤波器焊盘尺寸及排布相对应，射频集成电路焊盘通过钝化层上的通孔与射频集成电路芯片电路连接；射频滤波器焊盘与射频集成电路焊盘通过倒装焊异构集成工艺对应连接在一起。
所述射频集成电路衬底上集成射频滤波器的位置位于射频集成电路之间的空白区域，射频集成电路焊盘和接地金属层或深阱之间为钝化层，射频集成电路焊盘通过钝化层上的通孔与射频集成电路芯片电路连接；所述射频集成电路焊盘包括信号焊盘及接地焊盘。
所述射频集成电路衬底上集成射频滤波器的位置位于射频集成电路芯片电路之上，在垂直方向上，射频集成电路焊盘与下层射频集成电路芯片电路之间为钝化层/接地金属层/钝化层构成的多层薄膜，其中钝化层起到绝缘隔离的作用。
在射频滤波器焊盘或射频集成电路焊盘上植有倒装焊用金球或锡球，射频滤波器焊盘与射频集成电路焊盘通过金球或锡球倒装焊连接在一起。
所述射频集成电路芯片电路为接收发射射频芯片电路，或者为接收芯片电路，或者为发射芯片电路。
所述射频滤波器为芯片面积小于射频集成电路的薄膜体声波滤波器、声表面波滤波器或无源集成滤波器。
本发明提出实现射频滤波器与射频集成电路RFIC三维异构集成的思路，针对现有技术的缺点，利用晶圆键合技术或倒装焊技术，避免了射频滤波器与RFIC之间点焊线和粘片胶的使用。相比现有技术，本发明具有以下优点：
1、无需使用点焊线连接射频滤波器与RFIC，避免了点焊线寄生电感和点焊线间互感对射频滤波器和RFIC性能的影响。
2、无需使用粘片胶，避免了因粘片胶外溢导致的射频滤波器与RFIC芯片间隔较大。
3、滤波器与RFIC之间的连接焊盘不再在硅片边缘，而是更接近相应的集成电路元件，集成电路周围的焊盘将不再拥挤，达到减小RFIC布线难度和减小RFIC芯片尺寸的目的。
4、通过在RFIC上制备接地金属层或深阱，可以抑制射频滤波器信号泄露，以及射频滤波器与RFIC电路之间的串扰，不会恶化器件性能。
附图说明
图1-本发明异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片结构剖视图；
图2-本发明异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片集成方法中各步骤所对应的器件结构剖视图，图2A是无源射频滤波器的剖视图，图2B是无源射频滤波器上植球后的剖视图，图2C是RFIC的剖视图，图2D是完成集成后的射频前端模拟集成芯片结构剖视图。
具体实施方式
本发明提出的异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片结构如图1所示，包括射频滤波器和射频集成电路两大部分，射频滤波器又包括射频滤波器衬底1、设置在射频滤波器衬底表面的射频滤波器芯片电路2、设置在射频滤波器衬底表面（四周）的若干与射频集成电路连接用射频滤波器焊盘3和倒装焊用金球或锡球4，金球或锡球4设置在对应的射频滤波器焊盘3上，其中射频滤波器焊盘3与射频滤波器芯片电路2位于射频滤波器衬底1同一表面。射频集成电路包括射频集成电路衬底5、在射频集成电路衬底上从下往上依次设置的射频集成电路芯片电路（图上没有示出）、接地金属层或深阱6、钝化层8，设置在射频集成电路芯片电路四周的连接外壳用焊盘7和设置在钝化层8上的射频集成电路焊盘9。射频集成电路焊盘9设置在钝化层8上集成射频滤波器的位置处且与射频滤波器焊盘尺寸及排布相对应，射频集成电路焊盘通过钝化层上的通孔与射频集成电路芯片电路连接；射频滤波器焊盘与射频集成电路焊盘通过金球或锡球以倒装焊异构集成工艺对应连接在一起。
实际设计时，所述射频集成电路衬底上集成射频滤波器的位置位于射频集成电路之间的空白区域，射频集成电路焊盘和接地金属层或深阱之间为钝化层，射频集成电路焊盘通过钝化层上的通孔与射频集成电路芯片电路连接；所述射频集成电路焊盘包括信号焊盘及接地焊盘。
所述射频集成电路衬底上集成射频滤波器的位置也可以位于射频集成电路芯片电路之上，在垂直方向上，射频集成电路焊盘与下层射频集成电路芯片电路之间为钝化层/接地金属层/钝化层构成的多层薄膜，其中钝化层起到绝缘隔离的作用。
作为等同替换，倒装焊用金球或锡球也可以设置在射频集成电路焊盘上。
所述射频集成电路芯片电路为接收发射射频芯片电路，或者为接收芯片电路，或者为发射芯片电路。
所述射频滤波器为芯片面积小于射频集成电路的薄膜体声波滤波器、声表面波滤波器或无源集成滤波器。
RFIC与无源射频滤波器可先分别划切成小片，再通过倒装焊工艺连接在一起；也可先将无源射频滤波器划切成小片，再通过倒装焊工艺将其与RFIC连接在一起，最后将RFIC晶圆划切成小片。
以下是本发明的一些具体制备实施例，同时参见图2：
实施例1：
（1）射频滤波器为薄膜体声波滤波器，薄膜体声波滤波器衬底1为高阻硅片。首先在高阻硅片上完成薄膜体声波滤波器的制作，包括芯片电路2和射频滤波器焊盘3，见图2A；
（2）在薄膜体声波滤波器焊盘上完成植金球4，见图2B；
（3）采用激光切割方法将薄膜体声波滤波器晶圆切割成小片；
（4）采用BiCMOS工艺完成收发电路RFIC芯片的制作，该芯片可完成接收信号和发射信号的功能；
（5）由于RFIC衬底5为低阻值硅片，为避免滤波器与RFIC连接后，信号从焊盘处泄露，在RFIC下层电路中制作有接地金属层6，金属层厚度为200nm，并在适当位置设置有接地金属层引出焊盘；
（6）RFIC接地金属层与上层级联用焊盘之间为钝化层8，钝化层厚度为500nm；钝化层还起到保护隔离金属布线层及焊盘的作用；
（7）在芯片电路四周制作有连接外壳用焊盘7；
（8）在芯片电路中间设置有与滤波器尺寸匹配的空白（dummy）区域，并制作有与滤波器焊盘尺寸及排布对应的RFIC焊盘9，RFIC焊盘9是通过钝化层8通孔与下层芯片电路连接的，RFIC焊盘9包括信号焊盘及接地焊盘，见图2C；
（9）将RFIC晶圆切割成小片；
（10）将薄膜体声波滤波器芯片通过倒装焊工艺与RFIC异构集成，一个RFIC芯片上需要集成两个薄膜体声波滤波器芯片，一个用于接收电路，一个用于发射电路，见图2D。
实施例2：
（1）射频滤波器为声表面波滤波器，声表面波滤波器衬底为钽酸锂压电基片。首先在钽酸锂压电基片上完成声表面波滤波器的制作，包括芯片和焊盘；
（2）在钽酸锂压电基片焊盘上完成植金球；
（3）采用砂轮划片方法将声表面波滤波器晶圆切割成小片；
（4）采用RFCMOS工艺完成RFIC接收电路芯片的制作，该芯片仅完成接收信号的功能；
（5）由于RFIC衬底为低阻值硅片，为避免滤波器与RFIC连接后，信号从焊盘处泄露，在RFIC下层电路中制作有接地金属层，金属层厚度为200nm，并在适当位置设置有接地金属层引出焊盘；
（6）RFIC接地金属层与上层级联用焊盘之间为钝化层，钝化层厚度为500nm；钝化层还起到保护、隔离金属布线层及焊盘的作用；
（7）在芯片四周制作有连接外壳用焊盘；
（8）RFIC接地金属层下方制作有其他RFIC电路，如放大电路或匹配电路等，RFIC电路与上层的接地金属层之间由钝化层隔离；
（9）在RFIC芯片中间适当区域制作有与滤波器焊盘尺寸及排布对应的焊盘，焊盘是通过钝化层通孔与下层电路连接的，焊盘包括信号焊盘及接地焊盘；
（10）将声表面波滤波器芯片通过倒装焊工艺与RFIC异构集成；
（11）将完成集成后的晶圆切割成小片。
本发明所提供的异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，低噪放、预放大器、混频器、自调谐带通滤波器、可变增益放大器和频率合成器等射频集成电路（RFIC）是通过RFCMOS或BiCMOS工艺制作在一个衬底上，在射频滤波器集成位置制作有与射频滤波器焊盘尺寸及排布相对应的焊盘，用于连接无源射频滤波器；无源射频滤波器制作在另一个衬底上，表面制作有与RFIC连接用焊盘；RFIC与无源射频滤波器通过倒装焊异构集成工艺连接在一起，构成完整的射频前端模拟集成芯片。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，包括射频滤波器和射频集成电路，射频滤波器包括射频滤波器衬底和设置在射频滤波器衬底表面的射频滤波器芯片电路，射频集成电路包括射频集成电路衬底、射频集成电路芯片电路、接地金属层或深阱和钝化层，在射频集成电路芯片电路四周设有连接外壳用焊盘，其特征在于：所述射频滤波器衬底表面制作有若干与射频集成电路连接用射频滤波器焊盘，射频滤波器焊盘与射频滤波器芯片电路位于射频滤波器衬底同一表面；射频集成电路焊盘设置在钝化层上集成射频滤波器的位置处且与射频滤波器焊盘尺寸及排布相对应，射频集成电路焊盘通过钝化层上的通孔与射频集成电路芯片电路连接；射频滤波器焊盘与射频集成电路焊盘通过倒装焊异构集成工艺对应连接在一起；
所述射频集成电路芯片电路为接收发射射频芯片电路，或者为接收芯片电路，或者为发射芯片电路；
所述射频滤波器为芯片面积小于射频集成电路的薄膜体声波滤波器、声表面波滤波器或无源集成滤波器。
2.根据权利要求1所述的异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，其特征在于：所述射频集成电路衬底上集成射频滤波器的位置位于射频集成电路之间的空白区域，射频集成电路焊盘和接地金属层或深阱之间为钝化层，射频集成电路焊盘通过钝化层上的通孔与射频集成电路芯片电路连接；所述射频集成电路焊盘包括信号焊盘及接地焊盘。
3.根据权利要求1所述的异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，其特征在于：所述射频集成电路衬底上集成射频滤波器的位置位于射频集成电路芯片电路之上，在垂直方向上，射频集成电路焊盘与下层射频集成电路芯片电路之间为钝化层/接地金属层/钝化层构成的多层薄膜，其中钝化层起到绝缘隔离的作用。
4.根据权利要求1-3任一所述的异构集成无源射频滤波器的射频前端模拟集成芯片，其特征在于：在射频滤波器焊盘或射频集成电路焊盘上植有倒装焊用金球或锡球，射频滤波器焊盘与射频集成电路焊盘通过金球或锡球倒装焊连接在一起。
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