CN110798160A - 单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构及制备方法，该结构中：功率放大器设置在硅衬底的上表面；体声波滤波器设置在硅衬底的下表面，包括串联谐振器、并联谐振器；通过硅通孔技术将体声波滤波器的电极引出至硅衬底的上表面，实现功率放大器与体声波滤波器的电气互联；封装盖帽分别设置在硅衬底的上下两面，通过共晶键合技术对两个封装盖帽分别进行封装，在硅衬底的上下两面均形成空腔，上表面的空腔中容纳功率放大器，下表面的空腔中容纳体声波滤波器，实现器件的集成封装。本发明提出的结构有效的节省了射频前端的面积和体积，减少了射频前端制作的成本，有助于射频系统的高度集成化和模块化。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及一种单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构及制备方法。
背景技术
终端设备的无线通信模块主要分为天线、射频前端模块(RF FEM)、射频收发模块、以及基带信号处理器四部分。其中射频前端是无线连接的核心，是在天线和射频收发模块间实现信号发送和接收的基础零件。
现有射频系统如图1所示，包括基带芯片、收发器、功率放大器(PA)、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器(LNA)、天线等。其中基带芯片用于编解码移动通讯信号；收发器用于射频信号的变频、信道选择；功率放大器负责发射通道的射频信号放大；滤波器负责发射及接收信号的滤波；双工器负责FDD系统的双工切换以及接收/发送通道的射频信号滤波；射频开关负责接收、发射通道之间的切换；低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大；天线用于发送和接收电磁波。
当射频系统处于发射状态时，开关的接收支路关闭发射支路打开，低噪声放大器处于关闭状态，从收发器发出的信号经过功率放大器(PA)放大，再通过滤波器滤除杂波，通过双工器后连接到开关的发射支路，信号通过天线发射出去；当射频部分处于接收状态时，开关的接收支路打开发射通道关闭，功率放大器关闭，低噪声放大器放大，放大后传递给收发器进行信号处理，完成信号接收。
功率放大器是射频系统的关键模块，它需要把发射机的低功率信号放大到足够大，才能满足通讯协议的要求。PA直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是射频系统中的重要部分。功率放大器的一般结构示意图如图2，主要包括晶体管、偏置电压电路、输入输出匹配电路。
晶体管是功率放大器具备放大能力的核心。其本质是表现为经典功放中的受控电流源或开关类功放中的等效开关来工作，它的任务是将不含信息的直流电源的功率转化为我们所需要的射频输出功率；偏置是晶体管工作必不可少的条件，对晶体管设置不同的偏置，其静态工作点就会不同，从而出现不同的工作模式；输入输出匹配电路主要用于改变功放的性能以及工作类型。
目前射频系统中使用的带通滤波器主要有介质陶瓷滤波器和声表面波(SAW)滤波器。由于介质陶瓷滤波器存在体积偏大和工艺兼容性差等问题，限制了其进一步的发展。尽管SAW滤波器能达到较高的Q值，几何尺寸也更小，但由于其叉指电极的指宽和间隙与工作频率成反比，增加了光刻工艺的难度，限制了其高频应用。薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种全新的射频滤波器。FBAR器件尺寸远小于传统的基于电磁波的介质滤波器，其工作频率更高，且拥有更好的带外抑制性能和更低的插入损耗。相比于SAW滤波器，体声波滤波器在功率容量、滤波性能及频率温度系数等方面均有一定优势，而且其制作工艺与半导体工艺兼容，在吉赫兹以上的高频应用中，体声波(BAW)滤波器正成为最佳的选择。
随着LTE突飞猛进的发展，商用频段的不断增加，射频前端集成化是必然的趋势。集成化可以降低成本，提高性能，以及给系统集成商提供turn-key方案。射频前端集成存在单片集成和混合集成两个发展方向。目前通过混合集成(SiP封装)的形式更易实现，也是各大厂商重点着力的方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构及制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，包括：硅衬底、功率放大器、体声波滤波器、封装盖帽；其中：
功率放大器设置在硅衬底的上表面；体声波滤波器设置在硅衬底的下表面，包括串联谐振器、并联谐振器；通过硅通孔技术将体声波滤波器的电极引出至硅衬底的上表面，实现功率放大器与体声波滤波器的电气互联；
封装盖帽分别设置在硅衬底的上下两面，通过共晶键合技术对两个封装盖帽分别进行封装，在硅衬底的上下两面均形成空腔，上表面的空腔中容纳功率放大器，下表面的空腔中容纳体声波滤波器，实现器件的集成封装。
进一步地，本发明的功率放大器制程于硅衬底上表面，通过硅穿孔技术在硅衬底上刻蚀通孔引出体声波滤波器电极至硅衬底上表面，硅衬底上表面引出RF接口和电路接口，外部射频信号的输入接口、输出接口，以及滤波器电极接口；实现体声波滤波器与功率放大器的RF接口、电路接口以及外部射频信号的输入接口、输出接口的电气互联。
进一步地，本发明的功率放大器包括高功率晶体管、偏置电压电路、输入匹配电路和输出匹配电路。
进一步地，本发明的封装盖帽包括设置在硅衬底上表面的上硅片和下表面的下硅片，上硅片和下硅片内均设置有空腔，通过共晶键合技术将带有空腔的两组硅片与器件进行封装，形成封装盖帽，上硅片的空腔内容纳功率放大器，下硅片的空腔内容纳体声波滤波器。
进一步地，本发明的封装盖帽通过两次封装实现，第一次封装发生于上表面的功率放大器制程完成后，第二次封装发生于下表面的体声波滤波器制程完成后。
进一步地，本发明的在硅衬底下表面制程串联谐振器、并联谐振器，通过在硅衬底的下表面刻蚀空腔，减薄硅衬底，填充牺牲层，使用化学机械抛光技术实现牺牲层与硅衬底下表面的平行；在牺牲层上依次沉积/图形化底电极、压电薄膜、顶电极和质量负载层，形成串联谐振器和并联谐振器；实现串联谐振器和并联谐振器的底电极相互隔离，顶电极相互连通。
进一步地，本发明的串联谐振器和并联谐振器上设置有释放孔，通过释放孔导入腐蚀剂，用于将牺牲层腐蚀掉，并释放牺牲层，在硅衬底和底电极之间形成空气腔。
进一步地，本发明的通过硅通孔技术在硅衬底上刻蚀通孔，通过通孔引出体声波滤波器的电极至硅衬底上表面的电极接口，并实现体声波滤波器的电极与功能放大器的RF接口、电路接口以及外部射频信号的输入、输出接口的电气互联。
本发明提供一种单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：在硅衬底之上制程功率放大器，引出RF接口、电路接口；
其中，该功率放大器包括：高功率晶体管、偏置电压电路、输入匹配电路和输出匹配电路；
步骤二：使用共晶键合技术将上硅片封装于衬底之上，形成上封装盖帽，空腔内容纳功率放大器；
步骤三：减薄硅衬底，在其底部刻蚀空腔，填充牺牲层，使用化学机械抛光技术实现牺牲层与硅衬底表面平行，依此沉积/图形化底电极、压电薄膜、顶电极和质量负载层，形成串联谐振器和并联谐振器；实现串联谐振器和并联谐振器的底电极相互隔离，顶电极相互连通；
步骤四：通过释放孔导入腐蚀剂，将牺牲层腐蚀掉，在衬底和底电极之间形成空气腔；
步骤五：通过硅通孔技术在硅衬底上刻蚀通孔引出滤波器电极至衬底上表面，并实现与功率放大器的RF接口、电路接口以及外部射频信号的输入输出接口实现电气互联；
步骤六：使用共晶键合技术将下硅片封装于硅衬底底部，形成下封装盖帽，空腔内容纳滤波器。
本发明产生的有益效果是：本发明的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构及制备方法，通过单片集成功率放大器和滤波器，将射频前端的功率放大器和滤波器集成在同一衬底的上下两面上，有效的节省了射频前端的面积和体积，减少了射频前端制作的成本，有助于射频系统的高度集成化和模块化。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是射频系统示意图；
图2是功率放大器结构示意图；
图3是现有技术中的一种射频滤波器的拓扑结构示意图；
图4是本发明实例中功率放大器制程于硅衬底后的剖面图；
图5是本发明实例中第一次封装后的剖面图；
图6是本发明实例中在衬底下方制程滤波器的剖面图；
图7是本发明实例中开孔后的剖面图；
图8是本发明实例中第二次封装后的剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，包括：硅衬底106、功率放大器101、体声波滤波器、封装盖帽；其中：
功率放大器101设置在硅衬底106的上表面；体声波滤波器设置在硅衬底106的下表面，包括串联谐振器211、并联谐振器212；通过硅通孔技术将体声波滤波器的电极引出至硅衬底106的上表面，实现功率放大器101与体声波滤波器的电气互联；
封装盖帽分别设置在硅衬底106的上下两面，通过共晶键合技术对两个封装盖帽分别进行封装，在硅衬底106的上下两面均形成空腔，上表面的空腔中容纳功率放大器101，下表面的空腔中容纳体声波滤波器，实现器件的集成封装。
功率放大器101制程于硅衬底106上表面，通过硅穿孔技术在硅衬底106上刻蚀通孔引出体声波滤波器电极至硅衬底106上表面，硅衬底106上表面引出RF接口102和电路接口103，外部射频信号的输入接口104、输出接口105，以及滤波器电极接口207；实现体声波滤波器与功率放大器101的RF接口102、电路接口103以及外部射频信号的输入接口104、输出接口105的电气互联。
功率放大器101包括高功率晶体管、偏置电压电路、输入匹配电路和输出匹配电路。
封装盖帽包括设置在硅衬底106上表面的上硅片301和下表面的下硅片302，上硅片301和下硅片302内均设置有空腔，通过共晶键合技术将带有空腔的两组硅片与器件进行封装，形成封装盖帽，上硅片301的空腔内容纳功率放大器101，下硅片302的空腔内容纳体声波滤波器。
封装盖帽通过两次封装实现，第一次封装发生于上表面的功率放大器101制程完成后，第二次封装发生于下表面的体声波滤波器制程完成后。
在硅衬底106下表面制程串联谐振器211、并联谐振器212，通过在硅衬底106的下表面刻蚀空腔，减薄硅衬底106，填充牺牲层201，使用化学机械抛光技术实现牺牲层201与硅衬底106下表面的平行；在牺牲层201上依次沉积/图形化底电极202、压电薄膜203、顶电极204和质量负载层205，形成串联谐振器211和并联谐振器212；实现串联谐振器211和并联谐振器212的底电极相互隔离，顶电极相互连通。
串联谐振器211和并联谐振器212上设置有释放孔206，通过释放孔206导入腐蚀剂，用于将牺牲层201腐蚀掉，并释放牺牲层201，在硅衬底106和底电极202之间形成空气腔208。
通过硅通孔技术在硅衬底106上刻蚀通孔107，通过通孔107引出体声波滤波器的电极至硅衬底106上表面的电极接口207，并实现体声波滤波器的电极与功能放大器101的RF接口102、电路接口103以及外部射频信号的输入104、输出接口105的电气互联。
本发明实施例的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：在硅衬底之上制程功率放大器，引出RF接口、电路接口；
其中，该功率放大器包括：高功率晶体管、偏置电压电路、输入匹配电路和输出匹配电路；
步骤二：使用共晶键合技术将上硅片封装于衬底之上，形成上封装盖帽，空腔内容纳功率放大器；
步骤三：减薄硅衬底，在其底部刻蚀空腔，填充牺牲层，使用化学机械抛光技术实现牺牲层与硅衬底表面平行，依此沉积/图形化底电极、压电薄膜、顶电极和质量负载层，形成串联谐振器和并联谐振器；实现串联谐振器和并联谐振器的底电极相互隔离，顶电极相互连通；
步骤四：通过释放孔导入腐蚀剂，将牺牲层腐蚀掉，在衬底和底电极之间形成空气腔；
步骤五：通过硅通孔技术在硅衬底上刻蚀通孔引出滤波器电极至衬底上表面，并实现与功率放大器的RF接口、电路接口以及外部射频信号的输入输出接口实现电气互联；
步骤六：使用共晶键合技术将下硅片封装于硅衬底底部，形成下封装盖帽，空腔内容纳滤波器。
图4-7显示了本发明的另一个具体实施例。
本发明实施例中的谐振器以空腔型的体声波谐振器为例，其它谐振器包括固体装配型体声波谐振器等也在保护范围内。
图4是本发明实施例中功率放大器101制程于硅衬底106后的剖面图。功率放大器101制程于硅衬底106之上，引出RF接口102和电路接口103，外部射频信号的输入输出接口104、105，滤波器电极接口207。
图5是本发明实施例中第一次封装，使用共晶键合等技术将上硅片301封装于硅衬底106之上，形成上封装盖帽，空腔内容纳功率放大器101。
图6是本发明实施例中在硅衬底106下方制程串联谐振器211、并联谐振器212后的剖面图。减薄硅衬底106，在其底部刻蚀空腔，填充牺牲层201，使用化学机械抛光(CMP)等技术实现牺牲层201与硅衬底106下表面平行，依次沉积/图形化底电极202、压电薄膜203、顶电极204和质量负载层205，形成串联谐振器211和并联谐振器212；实现串联谐振器211和并联谐振器212的底电极相互隔离，顶电极相互连通。
图7是本发明实施例中谐振器211、212和硅衬底106开孔后的剖面图。其中释放孔206用于释放牺牲层201，通过释放孔206导入腐蚀剂，将牺牲层腐蚀掉，在衬底和底电极之间形成空气腔208；通过硅通孔技术(TSV)在硅衬底106上刻蚀通孔107引出滤波器电极至硅衬底106上表面的电极接口207，并实现与功率放大器101的RF接口102、电路接口103以及外部射频信号的输入输出接口104、105的电气互联。
图8是本发明实施例中第二次封装，使用共晶键合等技术将下硅片302封装于硅衬底106底部，形成下封装盖帽，空腔内容纳由谐振器211和212构成的滤波器。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，包括：硅衬底(106)、功率放大器(101)、体声波滤波器、封装盖帽；其中：
功率放大器(101)设置在硅衬底(106)的上表面；体声波滤波器设置在硅衬底(106)的下表面，包括串联谐振器(211)、并联谐振器(212)；通过硅通孔技术将体声波滤波器的电极引出至硅衬底(106)的上表面，实现功率放大器(101)与体声波滤波器的电气互联；
封装盖帽分别设置在硅衬底(106)的上下两面，通过共晶键合技术对两个封装盖帽分别进行封装，在硅衬底(106)的上下两面均形成空腔，上表面的空腔中容纳功率放大器(101)，下表面的空腔中容纳体声波滤波器，实现器件的集成封装。
2.根据权利要求1所述的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，功率放大器(101)制程于硅衬底(106)上表面，通过硅穿孔技术在硅衬底(106)上刻蚀通孔引出体声波滤波器电极至硅衬底(106)上表面，硅衬底(106)上表面引出RF接口(102)和电路接口(103)，外部射频信号的输入接口(104)、输出接口(105)，以及滤波器电极接口(207)；实现体声波滤波器与功率放大器(101)的RF接口(102)、电路接口(103)以及外部射频信号的输入接口(104)、输出接口(105)的电气互联。
3.根据权利要求1所述的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，功率放大器(101)包括高功率晶体管、偏置电压电路、输入匹配电路和输出匹配电路。
4.根据权利要求1所述的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，封装盖帽包括设置在硅衬底(106)上表面的上硅片(301)和下表面的下硅片(302)，上硅片(301)和下硅片(302)内均设置有空腔，通过共晶键合技术将带有空腔的两组硅片与器件进行封装，形成封装盖帽，上硅片(301)的空腔内容纳功率放大器(101)，下硅片(302)的空腔内容纳体声波滤波器。
5.根据权利要求4所述的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，封装盖帽通过两次封装实现，第一次封装发生于上表面的功率放大器(101)制程完成后，第二次封装发生于下表面的体声波滤波器制程完成后。
6.根据权利要求1所述的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，在硅衬底(106)下表面制程串联谐振器(211)、并联谐振器(212)，通过在硅衬底(106)的下表面刻蚀空腔，减薄硅衬底(106)，填充牺牲层(201)，使用化学机械抛光技术实现牺牲层(201)与硅衬底(106)下表面的平行；在牺牲层(201)上依次沉积/图形化底电极(202)、压电薄膜(203)、顶电极(204)和质量负载层(205)，形成串联谐振器(211)和并联谐振器(212)；实现串联谐振器(211)和并联谐振器(212)的底电极相互隔离，顶电极相互连通。
7.根据权利要求6所述的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，串联谐振器(211)和并联谐振器(212)上设置有释放孔(206)，通过释放孔(206)导入腐蚀剂，用于将牺牲层(201)腐蚀掉，并释放牺牲层(201)，在硅衬底(106)和底电极(202)之间形成空气腔(208)。
8.根据权利要求2所述的单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构，其特征在于，通过硅通孔技术在硅衬底(106)上刻蚀通孔(107)，通过通孔(107)引出体声波滤波器的电极至硅衬底(106)上表面的电极接口(207)，并实现体声波滤波器的电极与功能放大器(101)的RF接口(102)、电路接口(103)以及外部射频信号的输入(104)、输出接口(105)的电气互联。
9.一种单片集成功率放大器和体声波滤波器的芯片结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：在硅衬底之上制程功率放大器，引出RF接口、电路接口；
其中，该功率放大器包括：高功率晶体管、偏置电压电路、输入匹配电路和输出匹配电路；
步骤二：使用共晶键合技术将上硅片封装于衬底之上，形成上封装盖帽，空腔内容纳功率放大器；
步骤三：减薄硅衬底，在其底部刻蚀空腔，填充牺牲层，使用化学机械抛光技术实现牺牲层与硅衬底表面平行，依此沉积/图形化底电极、压电薄膜、顶电极和质量负载层，形成串联谐振器和并联谐振器；实现串联谐振器和并联谐振器的底电极相互隔离，顶电极相互连通；
步骤四：通过释放孔导入腐蚀剂，将牺牲层腐蚀掉，在衬底和底电极之间形成空气腔；
步骤五：通过硅通孔技术在硅衬底上刻蚀通孔引出滤波器电极至衬底上表面，并实现与功率放大器的RF接口、电路接口以及外部射频信号的输入输出接口实现电气互联；
步骤六：使用共晶键合技术将下硅片封装于硅衬底底部，形成下封装盖帽，空腔内容纳滤波器。
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