CN107994008A - 一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器。本发明信号由输入端口输入，电流一部分流入同轴硅通孔进入电流返回路径，另一部分流入环形硅通孔阵列，再流入电流返回路径，最后经输出端口流出。本发明利用同轴硅通孔电容器和螺线管式硅通孔电感器构成的低通滤波器元件，减小元件物理尺寸。运用同轴硅通孔充当电容器，相较于传统二维的电容器拥有较短的互连长度，使得延迟时间、导体损耗减少。此外螺线管式硅通孔电感器的使用更是大大减少了谐振器的物理尺寸，而且大大提高了低通滤波器的各项性能。
Description
技术领域
本发明属于无源电子器件技术领域，涉及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
随着现代通信技术的迅速发展，通讯设备使用要求的特殊性使得人们对通信设备的重量和尺寸要求越来越高，特别是移动通信系统中滤波器的小型化、轻便化、低功耗方面的要求越来越加强。随着集成器件的不断缩小，其中传统的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。将硅通孔技术引入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的缩小。
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螺线管式硅通孔电感器构成的超紧凑低通滤波器设计方案。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，螺线管式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，输入和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、位于基底中间的环形硅通孔阵列与两个同轴硅通孔、位于基底底部的重新构建层；
环形硅通孔阵列由两列平行设置的硅通孔阵列构成，每列阵列包括三个等间距设置的硅通孔；第一列硅通孔阵列从上至下定义为第一至第三硅通孔，第二列硅通孔阵列从上至下定义为第四至第六硅通孔；
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四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，第六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，第一同轴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四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构建层端与第五硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，第三硅通孔的重新构建层端与第六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低通滤波器的信号输入端口或接相邻单元的信号输出端口，第二同轴硅通孔的重新布局层端作为整个低通滤波器的信号输出端口或接相邻单元的信号输入端口。
位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的环形硅通孔阵列、位于基底底部的重新构建层构成螺线管式硅通孔电感器。硅通孔间的间距、硅通孔的高度与半径决定螺线管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。
同轴硅通孔有金属内芯、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器的电容值。螺线管式硅通孔电感器由垂直硅通孔阵列、基底顶部重新布局层和基底底部重新构建层组成，通过改变硅通孔之间的间距、硅通孔的高度等结构参数可以获得不同的电感值。同轴硅通孔构成的电容器和螺线管式硅通孔电感器组成的低通滤波器与传统的低通滤波器相比，大大减少了低通滤波器的物理面积，而且提高了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；电流另一部分依次流入第一硅通孔、第四硅通孔、第二硅通孔、第五硅通孔、第三硅通孔、第六硅通孔，然后流入第二同轴硅通孔金属内芯，通过金属外环流入电流返回路径；最后信号经输出端口输出。
本发明的有益效果是：
本发明利用同轴硅通孔电容器和螺线管式硅通孔电感器构成的低通滤波器元件，减小元件物理尺寸。运用同轴硅通孔充当电容器，相较于传统二维的电容器拥有较短的互连长度，使得延迟时间、导体损耗减少。此外螺线管式硅通孔电感器的使用更是大大减少了谐振器的物理尺寸，而且大大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为基底顶部重新布局层的结构图；
图4为硅通孔阵列的结构图；
图5为基底底部重新构建层的结构图；
图6为螺线管式硅通孔电感器的结构图；
图7为第一同轴硅通孔电容器的结构图；
图8为第二同轴硅通孔电容器的结构图；
图9为第一连接基板的结构图；
图10为第二连接基板的结构图；
图11为第三连接基板的结构图；
图12位本发明低通滤波器的元件单元结构图；
图13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，输入和输出端口位于基底顶部的重新布局层。
所述的元件单元包括螺线管式硅通孔电感器600，第一、第二同轴硅通孔电容器700、800，第一至第三连接基板900-1100。螺线管式硅通孔电感器600 包括基底顶部重新布局层300，两列硅通孔阵列400和基底底部重新构建层 500。
螺线管式硅通孔电感器基底顶部重新布局层包括第一至第四基板 301-304，上述基板处于同一平面且互不连接；第二基板302与第三基板303 相互平行。基底底部重新构建层500包括第一至第三基板501-503，上述三个基板平行设置且互不连接。
第一列硅通孔阵列包括顶部连接金属块401-403、底部连接金属块 413-415、等间距设置的第一至第三硅通孔407-409；第二列硅通孔阵列包括顶部连接金属块404-406、底部连接金属块416-418、等间距设置的第四至第六硅通孔410-412；第一、二列硅通孔阵列平行设置且互不连接；第一硅通孔407顶部设有顶部连接金属块401，与顶部第一基板301的底面连接；第一硅通孔407底部设有底部连接金属块413，与连接底部第一基板501的顶面连接；第二硅通孔408顶部设有顶部连接金属块402，与连接顶部第二基板302的底面连接；第二硅通孔408底部设有底部连接金属块414，与连接底部第二基板 502的顶面连接；第三硅通孔409顶部设有顶部连接金属块403，与连接顶部第三基板303的底面连接；第三硅通孔409底部设有底部连接金属块415，与连接底部第三基板503的顶面连接；第四硅通孔410顶部设有顶部连接金属块404，与连接顶部第二基板302的底面连接；第四硅通孔410底部设有底部连接金属块416，与连接底部第一基板501的顶面连接；第五硅通孔411顶部设有顶部连接金属块405，与连接顶部第三基板303的底面连接；第五硅通孔 411底部设有底部连接金属块417，与连接底部第二基板502的顶面连接；第六硅通孔412顶部设有顶部连接金属块406，与连接顶部第四基板304的底面连接；第六硅通孔412底部设有底部连接金属块418，与连接底部第三基板 503的顶面连接。
第一同轴硅通孔电容器700从顶部至底部依次为基底顶部上层基板701，连接金属块702，基底顶部下层基板703，连接金属块704和同轴硅通孔705。基底顶部上层基板701底面设有连接金属块702，与基底底部下层基板703 的顶面连接；基底顶部下层基板703底面设有连接金属块704，连接同轴硅通孔705。第二同轴硅通孔电容器800与第一同轴硅通孔电容器700同样设置。
第一连接基板900用于连接第一同轴硅通孔电容器700的基底顶部下层基板703的左面和第二同轴硅通孔电容器800的基底顶部下层基板803的左面；第二连接基板1000用于连接螺旋管式硅通孔电感器600的顶部第四基板 304底面和第二同轴硅通孔电容器800的顶部上层基板801的右面；第三连接基板1100用于连接螺旋管式硅通孔电感器600的顶部第一基板后面和第一同轴硅通孔电容器700的顶部上层基板701的前面。
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为螺线管式硅通孔电感器基底顶部重新布局层300的结构图。顶部第一至第四基板处于同一平面且互不连接。
图4为硅通孔阵列400的结构图。连接金属块401用于连接硅通孔407 顶面和顶部第一基板301底面；连接金属块402用于连接硅通孔408顶面和顶部第五基板305底面；连接金属块403用于连接硅通孔409顶面和顶部第九基板309底面；连接金属块404用于连接硅通孔410顶面和顶部第二基板 302底面；连接金属块405用于连接硅通孔411顶面和顶部第六基板306底面；连接金属块406用于连接硅通孔412顶面和顶部第十基板310底面；连接金属块413用于连接硅通孔407底面和底部第一基板501顶面；连接金属块414 用于连接硅通孔408底面和底部第二基板502顶面；连接金属块415用于连接硅通孔409底面和底部第三基板503顶面；连接金属块416用于连接硅通孔410底面和底部第一基板501顶面；连接金属块417用于连接硅通孔422 底面和底部第二基板502顶面；连接金属块418用于连接硅通孔412底面和底部第三基板503顶面。
图5基底底部重新构建层500的结构图；底部第一至第三基板501-503 平行设置且互不连接。
图6为螺线管式硅通孔电感器600的结构图；螺线管式硅通孔电感器600 由硅通孔和水平金属线连接构成。螺线管式硅通孔电感器可以通过改变硅通孔之间的间距、硅通孔的高度等结构参数来得到不同的电感值，并可以通过商业仿真软件进行仿真验证。通过调整硅通孔的尺寸参数来选择谐振器所需要的电感。
图7为第一同轴硅通孔电容器700的结构图。连接金属块702后侧设有输入端口706；连接金属块702用于连接基底顶部上层基板701底面和基底顶部下层基板703顶面；连接金属块704用于连接基底顶部下层基板703底面和同轴硅通孔705顶面。
图8为第二同轴硅通孔电容器800的结构图。连接金属块802前侧设有输入端口806；连接金属块802用于连接基底顶部上层基板801底面和基底顶部下层基板803顶面；连接金属块704用于连接基底顶部下层基板803底面和同轴硅通孔805顶面。
图9为第一连接基板900的结构图；该基板用于连接第一同轴硅通孔电容器700的基底顶部下层基板703的左面和第二同轴硅通孔电容器800的基底顶部下层基板803的左面，将同轴硅通孔的返回路径连接在一起。
图10为第二连接基板1000的结构图；该基板用于连接螺旋管式硅通孔电感器600的顶部第四基板304底面和第二同轴硅通孔电容器800的顶部上层基板801的右面。
图11为第三连接基板1100的结构图；该基板用于连接螺旋管式硅通孔电感器600的顶部第一基板后面和第一同轴硅通孔电容器700的顶部上层基板701的前面。
图12为本发明低通滤波器元件单元1200的结构图。本发明的低通滤波器有多个元件单元构成，输入和输出端口位于基底顶部的重新构建层；所述元件单元包括螺线管式硅通孔电感器600、第一和第二同轴硅通孔电容器700、 800、第一至第三连接基板900-1100。信号由输入端口706输入，电流流入顶部上层基板701，电流一部分按硅通孔方向流入同轴硅通孔705金属内芯101，通过金属外环103流入电流返回路径顶部下层基板703，电流通过第一连接基板900流入第二同轴硅通孔电容器800的电流返回路径顶部下层基板803；电流另一部分通过第三连接基板1100流入螺线管式硅通孔电感器600的基底顶部第一基板301；电流通过基底顶部第一基板301流入硅通孔407，电流按硅通孔407方向流入底部第一基板501，并通过硅通孔410流入基底顶部第二基板302；电流按基底顶部第二基板302方向流入硅通孔408，并通过基底底部第二基板502流入硅通孔411；电流按硅通孔411方向流入基底顶部第三基板 303，并通过硅通孔409流入基底底部第三基板503；电流按基底底部503方向流入硅通孔412，并通过基底顶部第四基板304流入第二连接基板1000；电流通过第二连接基板1000流入顶部上层基板801，电流按硅通孔方向流入同轴硅通孔805金属内芯101，通过金属外环103流入电流返回路径顶部下层基板803，最后经输出端口806输出。
图13为本发明低通滤波器的仿真结果图。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，而相比于传统的低通滤波器，本发明使得低通滤波器的体积大大减少。
Claims (6)
1.一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器，由多个元件单元构成，输入和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、位于基底中间的环形硅通孔阵列与两个同轴硅通孔、位于基底底部的重新构建层；
环形硅通孔阵列由两列平行设置的硅通孔阵列构成，每列阵列包括三个硅通孔；第一列硅通孔阵列从上至下定义为第一至第三硅通孔，第二列硅通孔阵列从上至下定义为第四至第六硅通孔；
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四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，第六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，第一同轴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四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构建层端与第五硅通孔的重新构建层端通过金属线连接，第三硅通孔的重新构建层端与第六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低通滤波器的信号输入端口或接相邻单元的信号输出端口，第二同轴硅通孔的重新布局层端作为整个低通滤波器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所述的一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器，其特征在于位于基底顶部的重新布局层、位于基底中间的环形硅通孔阵列、位于基底底部的重新构建层构成螺线管式硅通孔电感器；硅通孔间的间距、硅通孔的高度与半径决定螺线管式硅通孔电感器的电感值。
3.如权利要求1所述的一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器，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。
4.如权利要求1所述的一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器，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所述的一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器，其特征在于内部绝缘层选用高介电常数材料来增大电容值。
6.如权利要求1所述的一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器，其特征在于硅通孔由金属内芯和绝缘层贯穿基底构成。
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| CN201711239404.6A CN107994008A (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 一种运用螺线管式硅通孔电感的新型低通滤波器 |
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN109088612A (zh) * | 2018-06-14 | 2018-12-25 | 杭州电子科技大学 | 基于垂直螺旋式硅通孔电感和mim电容的无源滤波器 |
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Citations (3)
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| CN104401934A (zh) * | 2014-12-11 | 2015-03-11 | 东南大学 | 玻璃基板上埋入无源元件的圆片级制造方法 |
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| CN106329038A (zh) * | 2016-08-22 | 2017-01-11 | 西安电子科技大学 | 一种基于硅通孔阵列实现的lc低通滤波器 |
-
2017
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