CN107768781A - 一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器。本发明信号由输入端口输入，流过同轴硅通孔电容器，再流入垂直螺旋式硅通孔电感器，然后流入同轴硅通孔电容器，通过输出端口流出。本发明利用同轴硅通孔电感器和垂直螺旋式硅通孔电感器构造低通滤波器元件，减小元件物理尺寸。运用同轴硅通孔充当电容器，相较于传统二维结构电容器拥有较短的互联长度，使得延迟时间、散射和导体损耗减小。此外垂直螺旋式硅通孔电感器的使用更是大大减少了低通滤波器的物理尺寸，而且提高了低通滤波器的各项性能。

Description

一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器

技术领域

本发明属于无源电子器件技术领域，设计一种微波滤波器元件，尤其涉及一种运用硅通孔的无源低通滤波器结构。

背景技术

随着无线通讯的发展，射频微波电路在医疗设备、无线局域网和智能家居等方面得到了广泛的应用。随着集成器件的不断缩小，其中传统的低通滤波器在占用面积和封装成本上已无法满足需求。

近年来，随着三维集成电路的飞速发展，一种新兴的集成电路制作工艺硅通孔工艺受到广泛的关注。它能够在三维集成电路的不同堆栈层之间提供垂直互联。并且硅通孔技术可以提供更大的设计自由度和更好的电学性能来设计不同的元器件。通过硅通孔技术可以减少三维集成电路的传输损耗、降低功耗、节约芯片面积。将硅通孔技术引入无源低通滤波器的设计之中，低通滤波器的尺寸可以得到进一步缩小。

发明内容

本发明针对目前的技术不足，提供了一种由同轴硅通孔电容器和垂直螺旋式硅通孔电感器构成的超紧凑低通滤波器的设计方案。本发明具体为三阶的巴特沃兹低通滤波器，使用同轴硅通孔做电容器，环状垂直硅通孔做电感器来设计低通滤波器。

本发明低通滤波器由多个元件单元构成，输入输出端口位于基底顶部的重新布局层。

所述元件单元包括位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的硅通孔阵列与同轴硅通孔阵列、位于基底底部的重新构建层；

硅通孔阵列包括位于同一直线、等间距分布的六个硅通孔，从左至右定义为第一至第六硅通孔；同轴硅通孔阵列与硅通孔阵列平行设置，从左至右包括第一、第二同轴硅通孔；

第一硅通孔的重新布局层端与第一同轴硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第二硅通孔的重新布局层端与第六硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第三硅通孔的重新布局层端与第五硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第四硅通孔的重新布局层端与第二同轴硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第一硅通孔的重新构建层端与第六硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，第二硅通孔的重新布局层端与第五硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，第三硅通孔的重新布局层端与第四硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，将第一同轴硅通孔的重新布局层端作为整个器件信号输入端口或与相邻单元的信号输出端口连接，将第二同轴硅通孔的重新布局层端作为整个器件信号输出端口或与相邻单元的信号输入端口连接。

位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的硅通孔阵列、位于基底底部的重新构建层构成垂直螺旋式硅通孔电感器。硅通孔间的间距、硅通孔的高度与半径决定垂直螺旋式硅通孔电感器的电感值。

位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的同轴硅通孔阵列构成同轴硅通孔电容器。同轴硅通孔的高度、内径和外径决定同轴硅通孔电容器电容值的大小。

同轴硅通孔由金属内芯、内部绝缘层、金属外环和外部绝缘层构成，其中外部绝缘层用来隔离金属和硅衬底，金属内芯、内部绝缘层和金属外环组成的环形结构构成电容器。内部绝缘层通常选用高介电常数的材料来增大电容值。硅通孔电感器有由垂直硅通孔和水平的互联线组成，通过改变硅通孔之间的间距和硅通孔的高度可以获得不同的电感值。同轴硅通孔构成的电容器和垂直螺旋式硅通孔电感器组成的低通滤波器与传统的二维电路结构相比，大大减小了低通滤波器的物理尺寸，而且可以提高低通滤波器的各项性能。

信号由输入端口输入，电流一部分按硅通孔方向流入第一同轴硅通孔金属内芯，通过金属外环流入电流返回路径；电流另一部分按硅通孔方向流入第一硅通孔，经第六硅通孔、第二硅通孔、第五硅通孔、第三硅通孔、第四硅通孔，电流输出到输出端口；电流通过硅通孔流入第二同轴硅通孔的金属内芯，通过金属外环流入电流返回路径。

本发明的有益效果是：

本发明利用同轴硅通孔电感器和垂直螺旋式硅通孔电感器构造低通滤波器元件，减小元件物理尺寸。运用同轴硅通孔充当电容器，相较于传统二维结构电容器拥有较短的互联长度，使得延迟时间、散射和导体损耗减小。此外垂直螺旋式硅通孔电感器相较于传统的螺旋电感在占用面积上大大减小，垂直螺旋式硅通孔电感器的使用可以大大减少了低通滤波器的物理尺寸，而且提高了低通滤波器的各项性能。

附图说明

图1为同轴硅通孔的结构；

图2为硅通孔的结构；

图3为垂直螺旋式硅通孔电感器的基底顶部重新布局层的结构图；

图4为基底顶部上层基板组件的结构图；

图5为基底顶部中层基板组件的结构图；

图6为基底顶部下层基板组件的结构图；

图7为硅通孔阵列的结构图；

图8为基底底部重新构建层的结构图；

图9为基底底部上层基板组件的结构图；

图10为基底底部中层基板组件的结构图；

图11为基底底部下层基板组件的结构图；

图12为垂直螺旋式硅通孔电感器的结构图；

图13为同轴电容器的基底顶部重新布局层的结构图；

图14为同轴硅通孔阵列的结构图；

图15为同轴电容器的结构图；

图16为连接组件的结构图；

图17为本发明滤波器的元件单元结构图；

图18为本发明低通滤波器元件的仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明低通滤波器由多个元件单元构成，输入输出端口位于基底顶部的重新布局层。

所述元件单元包括同轴硅通孔电容器1500，垂直螺旋式硅通孔电感器 1200和连接基板1600。垂直螺旋式硅通孔电感器包括垂直螺旋式硅通孔电感器基底顶部重新布局层300，硅通孔阵列700和基底底部重新构建层800，其中同轴硅通孔电容器包括同轴硅通孔电容器基底顶部重新布局层1300和同轴硅通孔阵列1400。

垂直螺旋式硅通孔电感器基底顶部重新布局层300从上至下依次包括顶部上层基板组件400，顶部中层基板组件500和顶部下层基板组件600；顶部上层基板组件400从左至右依次是顶部上层第一基板401，顶部上层第二基板 402，上述两块基板位于同一直线但互相不连接；顶部上层第一基板401底面左侧设有连接金属块403，用于连接硅通孔阵列700的第一硅通孔701；顶部上层第二基板底面左侧设有连接金属块404，用于连接硅通孔阵列700的第二硅通孔702；顶部上层第二基板底面右侧设有连接金属块405，用于连接硅通孔阵列700的第六硅通孔706；顶部中层基板组件500包括中层基板501，左侧连接金属块502，和右侧连接金属块503；顶部中层基板501底面左侧设有连接金属块502，用于连接硅通孔阵列700的第三硅通孔703；顶部中层基板 501底面右侧设有连接金属块503，用于连接硅通孔阵列700的第五硅通孔705；顶部下层基板组件包括下层基板601和连接金属块602；顶部下层基板601 底部右侧设有连接金属块602，用于连接硅通孔阵列700的第四硅通孔704。

基底底部重新构建层800从上至下依次包括底部上层基板组件900，底部中层基板组件1000，底部下层基板组件1100；底部上层基板组件900包括底部上层基板903，左侧连接金属块901和右侧连接金属块902；底部上层基板 903顶面左侧设有金属块901，用于连接硅通孔阵列700的第三硅通孔703；底部上层基板顶面右侧设有金属块902，用于连接硅通孔阵列700的第四硅通孔704；底部中层基板组件包括底部中层基板1003，左侧连接金属块1001和右侧连接金属块1002；底部中层基板1003顶面左侧设有金属块1001，用于连接硅通孔阵列700的第二硅通孔702；底部中层基板1003顶面右侧设有金属块1002，用于连接硅通孔阵列700的第四硅通孔704；底部下层基板组件包括底部下层基板1103，左侧连接金属块1101和右侧连接金属块1102；底部下层基板顶面左侧设有金属块1101，用于连接硅通孔阵列700的第一硅通孔701；底部下层基板顶面右侧设有连接金属块1102，用于连接硅通孔阵列 700的第六硅通孔706。

硅通孔阵列700包括位于同一直线但互不连接的第一至第六的硅通孔 701-706；第一硅通孔701顶部通过金属块403与顶部上层第一基板401底面连接，第一硅通孔701底部通过金属块1101与底部下层基板1103顶面连接；第二硅通孔702顶部通过金属块404与顶部上层第二基板402底面连接，第二硅通孔702底部通过金属块1001与底部中层基板1003顶面连接；第三硅通孔703顶部通过金属块502与顶部中层基板501底面连接，第三硅通孔703 底部通过金属块901与底部上层基板903顶面连接；第四硅通孔704顶部通过金属块602与顶部下层基板601底面连接，第四硅通孔704底部通过金属块902与底部上层基板903顶面连接；第五硅通孔705顶部通过金属块503 与顶部中层基板501底面连接，第五硅通孔705底部通过金属块1002与底部中层基板1003顶面连接；第六硅通孔706顶部通过金属块305与顶部第二上层基板402底面连接，第六硅通孔706底部通过金属块1102与底部下层基板 1103顶面连接。

同轴硅通孔电容器基底顶部重新布局层1300包括顶部上层第一基板 1301，顶部上层第二基板1306，第一至第四金属块1302、1304、1307、1309，顶部下层第一基板1303，顶部下层第二基板1305，顶部下层第三基板1308；顶部上层第一基板1301底面设有连接金属块1302，用于连接顶部下层第一基板1303；顶部上层第二基板底面设有连接金属块1307，用于连接顶部下层第三基板1308；第一金属块1302左侧设有信号输入端口1310；顶部下层第一基板顶面1303设有连接金属块1302，用于连接顶部上层第一基板1301；顶部下层第一基板右侧设有顶部下层第二基板1305，用于连接顶部下层第三基板1308；顶部下层第一基板1303底面设有连接金属块1304，用于连接同轴硅通孔阵列1400的同轴硅通孔1401；第三金属块1307右侧设有信号输出端口1311；顶部下层第三基板1308顶面设有连接金属块1307，用于连接顶部上层第二基板1306；顶部下层第三基板1308左侧设有顶部下层第二基板1305，用于连接顶部下层第一基板1303；顶部下层第二基板1308底面设有连接金属块1309，用于连接同轴硅通孔阵列1400的同轴硅通孔1402。

同轴硅通孔阵列1400包括互不连接的第一至第二同轴硅通孔1401-1402，且与硅通孔阵列700平行；第一硅通孔1401顶部通过连接金属块1304与顶部下层第一基板1303底面连接；第二硅通孔1402顶部通过连接金属块1402 与顶部下层第三基板1308底面连接。

图1为现有同轴硅通孔100的切面示意图，其由金属内芯101、内部绝缘层102、金属外环103和外部绝缘层104贯穿基底105构成。金属内芯101 和金属外环103可为铜、钨或多晶硅构成。金属内芯101、内部绝缘层102 和金属外环103构成的环形结构构成电容器。内部绝缘层层102选用高介电常数材料来增大电容值。为防止漏电流，在同轴金属结构与基底105间会形成一层氧化层104作为绝缘层。

图2为现有硅通孔200的切面示意图，其有金属内芯201和绝缘层202 贯穿基底203构成。金属内芯201可为铜、钨或多晶硅。为防止漏电流，在金属内芯201和基底203之间会形成一层氧化层202作为绝缘层。

图3为垂直螺旋式硅通孔电感器基底顶部重新布局层300的结构图。顶部上层第二基板402、顶部中层基板501和顶部下层基板601在垂直方向上互相平行且互不连接。顶部上层基板组件400的连接金属块403-405、顶部中层基板组件500的连接金属块502-503和顶部下层基板组件600的连接金属块 602在水平方向上平行且互不连接。

图4为基底顶部上层基板组件400的结构示意图。基底顶部上层第一基板401和基底顶部上层第二基板402在水平方向上平行设置且互不连接。基板底部有三个连接金属块403-405用于连接上层基板401、402底面和硅通孔 701、702、706。

图5为基底顶部中层基板组件500的结构示意图。连接金属块502-503 用于连接中层基板501底面和硅通孔703、705。

图6为基底顶部下层基板组件600的结构示意图。连接金属块602用于连接下层基板601底面和硅通孔704。

图7为硅通孔阵列的结构图。六根多导体硅通孔701-706平行设置，整齐排布包裹于硅基底之中，其作用为硅通孔电感器的垂直连接部分连接水平互联线。

图8为基底底部重新构建层800的结构图。底部上层基板903、底部中层基板1003和底部下层基板1103在垂直方向上平行且互不连接。连接金属块 901-902、连接金属块1001-1002和连接金属块1101-1102在水平方向上平行且互不连接。

图9为基底底部上层基板组件900的结构图。连接金属块901-902用于连接上层基板903顶面和硅通孔703、704。

图10为基底底部中层基板组件1000的结构图。连接金属块1001-1002用于连接上层基板1003顶面和硅通孔702、705。

图11为基底底部下层层基板组件1100的结构图。连接金属块 1101-1102用于连接下层基板1103顶面和硅通孔701、706。

图12为垂直螺旋式硅通孔电感器1200的结构图。垂直螺旋式硅通孔电感器1200由垂直硅通孔和水平金属线连接构成。垂直螺旋式硅通孔电感可以通过改变硅通孔之间的间距、硅通孔的高度、半径得到不同的电感值，并可以通过商业仿真软件进行仿真验证。通过调整垂直螺旋式硅通孔电感的尺寸参数来选择低通滤波器所需的电感。

图13为同轴硅通孔电容器的基底顶部重新布局层1300的结构图。连接金属块1302用于连接上层第一基板1301底面和下层第一基板1303顶面。连接金属块1307用于连接上层第二基板1306底面和下层的三基板1308顶面。连接金属块1304用于连接下层第一基板1303底面和同轴硅通孔1401。连接金属块1309用于连接下层第三基板1308底面和同轴硅通孔1402。

图14为同轴硅通孔阵列1400的结构图。两根同轴硅通孔1401-1402平行设置，整齐排布包裹于硅基底之中。

图15为同轴电容器1500的结构图。连接金属块1302的左侧设有有输入端口1310，连接金属块1307右侧设有输出端口1311。

图16为连接组件1600的结构图。连接基板1601用于连接垂直螺旋式硅通孔电感1200顶部上层第一基板401前方和同轴硅通孔电容器1500顶部上层第一基板1301后方。连接基板1602用于连接垂直螺旋式硅通孔电感1200 顶部下层基板601前方和同轴硅通孔电容器1500顶部上层第二基板1306后方。

图17为本发明滤波器的元件单元1700的结构图。本发明低通滤波器由多个元件单元构成，输入输出端口位于基底顶部的重新布局层；所述元件单元包括垂直螺旋式硅通孔电感1200、同轴硅通孔电容1500和连接基板组件 1600。信号由输入端口1310输入，电流流入顶部上层第一基板1301，电流一部分按硅通孔方向流入同轴硅通孔1401金属内芯101，通过金属外环103流入电流返回路径顶部下层第一基板1303；电流另一部分经过连接基板1601 流入垂直螺旋式硅通孔电感器1200的顶部上层第一基板401，电流按顶部上层第一基板401方向流入第一硅通孔701，并通过底部下层基板1103流入第六硅通孔706；电流按第六硅通孔706方向流入顶部上层第二基板402，并通过第二硅通孔702流入底部中层基板1003；电流按底部中层基板1003方向流入第五硅通孔705，并通过顶部中层基板501流入第三硅通孔703；电流按第三硅通孔703方向流入底部上层基板903，并通过第四硅通孔704流入顶部下层基板601；电流通过连接基板1602流入顶部上层第二基板1306，电流输出到输出端口1311；电流通过硅通孔流入同轴硅通孔1402的金属内芯101，通过金属外环103流入返回路径顶部下层第二基板1308。

图18为本发明低通滤波器元件的仿真结果图。利用商业仿真软件进行仿真得到低通滤波器的传输特性曲线。由传输特性曲线可知本发明低通滤波器很好的实现了低通滤波器的功能，而相比于传统的滤波器，本发明将滤波器的体积从厘米或者毫米级缩小至微米量级。

Claims (6)

1.一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器，由多个元件单元构成，输入输出端口位于基底顶部的重新布局层，其特征在于：

所述元件单元包括位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的硅通孔阵列与同轴硅通孔阵列、位于基底底部的重新构建层；

硅通孔阵列包括位于同一直线但互不连接的六个硅通孔，从左至右定义为第一至第六硅通孔；同轴硅通孔阵列与硅通孔阵列平行设置，从左至右包括第一、第二同轴硅通孔；

第一硅通孔的重新布局层端与第一同轴硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第二硅通孔的重新布局层端与第六硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第三硅通孔的重新布局层端与第五硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第四硅通孔的重新布局层端与第二同轴硅通孔的重新布局层端通过金属线连接，第一硅通孔的重新构建层端与第六硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，第二硅通孔的重新布局层端与第五硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，第三硅通孔的重新布局层端与第四硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，将第一同轴硅通孔的重新布局层端作为整个器件的信号输入端口或接相邻单元的信号输出端口，将第二同轴硅通孔的重新布局层端作为整个器件的信号输出端口或接相邻单元的信号输入端口。

2.如权利要求1所述的一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器，其特征在于位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的硅通孔阵列、位于基底底部的重新构建层构成垂直螺旋式硅通孔电感器；其中硅通孔间的间距、硅通孔的高度与半径决定垂直螺旋式硅通孔电感器的电感值。

3.如权利要求1所述的一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器，其特征在于位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的同轴硅通孔阵列构成同轴硅通孔电容器；同轴硅通孔的高度、内径和外径决定同轴硅通孔电容器电容值的大小。

4.如权利要求1所述的一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器，其特征在于同轴硅通孔由金属内芯、内部绝缘层、金属外环和外部绝缘层贯穿基底构成；金属内芯、内部绝缘层和金属外环构成的环形结构构成电容器。

5.如权利要求4所述的一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器，其特征在于内部绝缘层层选用高介电常数材料来增大电容值。

6.如权利要求1所述的一种运用垂直螺旋式硅通孔电感的低通滤波器，其特征在于硅通孔由金属内芯和绝缘层贯穿基底构成。