CN111464147B - 滤波器及其提升功率容量的方法、多工器及通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种提升滤波器功率容量的方法、滤波器、多工器及通信设备。该方法中将多个串联谐振器和并联谐振器按照功率密度值分类，并且分别制造在晶圆一和晶圆二上，其中，将功率密度较大的一类制造在晶圆二上，该晶圆二与基板连接，晶圆二上的谐振器的热阻更小，进而使谐振器的散热效果更好，从而降低温度对滤波器性能的影响，可进一步提升滤波器的功率容量。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种提升滤波器功率容量的方法、滤波器、多工器及通信设备。
背景技术
体声波滤波器由于其具有高滚降、低插损、高抑制、小尺寸等特点进而得到广泛应用，尤其是应用在移动通信领域。体声波谐振器由机械波产生谐振，其波长短于电磁波波长，因此，体声波谐振器及其组成的滤波器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小；另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，使得谐振器的损耗极小，品质因数高，能够应对陡峭过渡带和低插入损耗等复杂设计要求。
目前，移动通信逐步迈入5G时代，移动通信也朝着多模式、多功能方向发展，移动终端需要集成的模块越来越多，必然要求各模块尺寸越来越小。所以作为射频模块不可或缺的滤波器模块也具有压缩尺寸的需求。如图1所示，现有的体声波滤波器主要由晶圆1、晶圆2和基板三部分构成，以图1中显示的视角可知，晶圆1置于最上方，基板置于最下方，晶圆2位于晶圆1和基板之间，其中在晶圆1的下表面制造串联体声波谐振器和并联体声波谐振器，同时还制造对接管脚，用于和晶圆2上方的对接管脚进行键合连接，用来进行密封封装。其中晶圆2上有过孔，通过过孔将晶圆1上制造的滤波器的信号端和对地端连接到晶圆2下方的焊盘上，晶圆2下方的焊盘可以通过金属球连接到封装基板。
图1所示的为现有常见的体声波滤波器的封装结构示意图，为了缩小其尺寸，目前可将滤波器中的各谐振器分别制造在上下叠加的两个晶圆上；如图2所示，滤波器中的晶圆1的下表面设置部分谐振器，晶圆2的上表面设置部分谐振器；或者，为了减少由于上下面对面放置谐振器产生的耦合电容，降低耦合电容影响滤波器性能，还可采用图3所示的结构，包括三个晶圆，分别为晶圆1、晶圆2和晶圆3，其中，晶圆1和晶圆2的下表面分别设置部分谐振器。上述两种滤波器封装结构中，将原来制造在晶圆1上的谐振器分成两部分，分别制造在晶圆1和晶圆2上，因此，可缩小晶圆1和晶圆2的平面面积，进而达到减小滤波器尺寸的目的。
目前，在滤波器中，各晶圆上的谐振器一般按照串联谐振器和并联谐振器分配，即串联谐振器设置在一块晶圆上，并联谐振器设置在另一块晶圆上。此种分配方式可能将功率密度较大的谐振器制造在位于上方的晶圆上，上方晶圆其散热效果相对较差，因此，上方晶圆上功率密度大的谐振器不利于散热，进而会影响滤波器的功率容量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提升滤波器功率容量的方法、滤波器、多工器及通信设备，功率密度较大的谐振器被制造在散热更好的晶圆上，降低温度对滤波器性能的影响，可进一步提升滤波器的功率容量。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种提升滤波器功率容量的方法。
本发明的提升滤波器功率容量的方法中，将滤波器中的谐振器按功率密度划分为小功率密度组和大功率密度组，其中，小功率密度组中多个谐振器的功率密度小于预设值，大功率密度组中多个谐振器的功率密度大于或等于预设值；将小功率密度组的谐振器制造在晶圆一上，将大功率密度组的谐振器制造在晶圆二上，晶圆一、晶圆二和基板依次上下叠加封装形成滤波器。
可选地，所述预设值为所有谐振器的功率密度均值。
根据本发明的第二方面，提供了一种滤波器。
本发明的滤波器包括至少两层上下叠加设置的晶圆和一层基板；在上方的晶圆制造有多个功率密度小于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；在下方的晶圆制造有多个功率密度大于或等于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器，并且下方的晶圆与基板连接。
可选地，预设值为所有谐振器的功率密度均值。
可选地，该滤波器包括上下叠加设置的晶圆一、晶圆二和基板；晶圆一的下表面制造有多个功率密度小于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；晶圆二的上表面制造有多个功率密度大于或等于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器，并且与基板连接。
可选地，晶圆一的下表面还制造有第一对接管脚，晶圆二的上表面还制造有第二对接管脚，晶圆一和晶圆二叠加使第一对接管脚和第二对接管脚键合；所述晶圆二上制造有第一过孔，第二对接管脚通过第一过孔与焊盘连接，焊盘连接基板。
可选地，该滤波器包括上下叠加设置的晶圆一、晶圆二、晶圆三和基板；晶圆一的下表面制造有多个功率密度小于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；晶圆二的下表面制造有多个功率密度大于或等于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；晶圆三封装包裹晶圆一和晶圆二，并且与基板连接。
可选地，晶圆一的下表面还制造有第三对接管脚；晶圆二的上表面和下表面分别制造有第四对接管脚和第五对接管脚，第四对接管脚和第五对接管脚通过第二过孔连接；晶圆三的上表面制造有第六对接管脚；晶圆一、晶圆二和晶圆三叠加使第三管脚与第四管脚键合、第五管脚与第六管脚键合，第六对接管脚通过第三过孔连接焊盘，焊盘连接基板。
根据本发明的第三方面，提供了一种多工器，其包括本发明所述的滤波器。
根据本发明的第四方面，提供了一种通信设备，其包括本发明所述的滤波器。
根据本发明的技术方案，将多个串联谐振器和并联谐振器按照功率密度值分类，并且分别制造在晶圆一和晶圆二上，其中，将功率密度较大的一类制造在晶圆二上，该晶圆二与基板连接，晶圆二上的谐振器的热阻更小，进而使谐振器的散热效果更好，从而降低温度对滤波器性能的影响，可进一步提升滤波器的功率容量。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1为现有体声波滤波器的封装结构图；
图2为现有体声波滤波器的一种改进后的封装结构图；
图3为现有体声波滤波器的另一种改进后的封装结构图；
图4为体声波滤波器的拓扑结构图；
图5为实施例一中晶圆2的主视图；
图6为实施例一中晶圆1的主视图；
图7为图2所示的滤波器封装结构中的热阻的示意图；
图8为实施例二中晶圆2的主视图；
图9为实施例二中晶圆1的主视图。
具体实施方式
本发明实施方式中，通过功率分析，将功率密度相对较大的谐振器制造在散热性更好的晶圆上，降低温度对滤波器性能的影响，可进一步提高滤波器的功率容量，以下具体加以说明。
本发明实施方式提供的提升滤波器功率容量的方法，步骤如下：第一步：按照滤波器指标要求进行拓扑结构仿真优化；第二步：进行谐振器功率分析，以滤波器通带右边频为输入频率，以所有谐振器(包括全部串联谐振器和全部并联谐振器)的功率密度均值为标准把谐振器分为两类，第一类为功率密度大于或等于均值的谐振器，第二类为剩下的功率密度较小的谐振器；第三步：把第一类谐振器制造在位于下方的晶圆上；第四步：把第二类谐振器制造在位于上方的晶圆上，第三步和第四步顺序可换；第五步：把位于上方的晶圆、位于下方的晶圆和基板上下依次叠加键合封装。
上述方法中，增加了谐振器功率分析步骤，即将多个串联谐振器及并联谐振器根据其功率密度分为两类，其中，功率密度大的一组制造在位于下方的晶圆上，该晶圆更靠近基板，其具有更好的散热效果，进而可降低高温环境对谐振器性能的影响，使滤波器的功率容量进一步提高。
本发明实施方式中晶圆一和晶圆二与现有技术中的晶圆1和晶圆2相比，作为载体的晶圆部分结构相同，不同点在于晶圆一和晶圆二上所制造的谐振器为采用了本发明实施方式提供的方法分选出的谐振器。以下实施例一和实施例二中，晶圆一统称为晶圆1、晶圆二统称为晶圆2、晶圆三统称为晶圆3。
实施例一
图2为现有体声波滤波器的一种改进后的封装结构图。该结构中包括晶圆1、晶圆2和基板，以下说明利用本发明实施方式提供的方法制造该滤波器的步骤。
第一步：按照滤波器指标要求进行拓扑结构仿真优化。滤波器的拓扑结构采用图4所示的结构，如图4所示，该拓扑结构为5-4结构(当然不限于5-4结构，可以是M-N结构，M和N为自然数的任意结构)，该拓扑结构包含1条串联支路和4条并联支路，其中，串联支路由串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15依次串接，且串接于端口1和端口2之间，每条并联支路包括一个并联谐振器，4条并联支路分别包括并联谐振器P11、P12、P13和P14，并联谐振器的一端与相邻的串联谐振器之间的节点连接，另一端接地。通过调整串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15的叠层厚度使串联谐振器的串联谐振频率位于滤波器的中心频率，通过在并联谐振器P11、P12、P13和P14上增加质量负载，使并联谐振器的串联谐振频率都低于串联谐振器的串联谐振频率，同时，使并联谐振器的并联谐振频率位于滤波器的中心频率附近，进而完成滤波器拓扑结构仿真优化。
第二步：进行功率分析，其中输入功率为2W，以右边频为输入频率进行仿真，然后得到各谐振器的功率密度，如表1所示。
表1
根据表1计算得到谐振器的功率密度的平均值为3.1W/mm2，将大于或等于此平均值的谐振器归为第一类，第一类包括串联谐振器S11、并联谐振器P11、并联谐振器P12、串联谐振器S13和并联谐振器P13，将小于此平均值的谐振器归为第二类，第二类包括串联谐振器S12、串联谐振器S14、串联谐振器S15和并联谐振器P14。
第三步：将功率密度较大的第一类谐振器制造在晶圆2上。图5为晶圆2的主视图，如图5所示，晶圆2上制造的谐振器包括串联谐振器S11、S13和并联谐振器P11、P12和P13，另外晶圆2上还包括输入管脚IN、输出管脚OUT，以及第二接地管脚G1、G2、G3。由于并非全部的串联谐振器均设置在同一片晶圆上，因此还需要一些转接连接键，即晶圆2上的串联谐振器转接键合区J1、J2、J3，利用转接键合区J1、J2、J3连接相邻晶圆上的串联谐振器。
第四步：将功率密度较小的第二类谐振器制造在晶圆1上。图6为晶圆1的主视图，如图6所示，晶圆1上制造的谐振器包括串联谐振器S12、S14、S15和并联谐振器P14，另外晶圆1上还包括第一接地管脚G4和串联谐振器转接键合区J1、J2、J3，其中转接键合区J1在晶圆1和晶圆2之间转接串联谐振器S11和串联谐振器S12，转接键合区J2在晶圆1和晶圆2之间转接串联谐振器S12和串联谐振器S13，转接键合区J3在晶圆1和晶圆2之间转接串联谐振器S13和串联谐振器S14。
第五步：将晶圆1、晶圆2和基板由上至下依次叠加封装形成滤波器。
图7为图2所示的滤波器封装结构中的热阻的示意图。如图7所示，谐振器a制造在位于上方的晶圆1上，谐振器b制造在位于下方的晶圆2上。假设谐振器a的面积和谐振器b的面积相等，谐振器a的散热路径如图7中的黑实线所示，其热量先经过晶圆1到达晶圆1的对接管脚，然后再经过晶圆1和晶圆2的对接管脚，最后通过晶圆2上的过孔到达基板的焊盘上，其热阻为R1+R2+R3；谐振器b的散热路径如图7中的黑虚线所示，其热量只需要通过晶圆2就可以到达基板，其热阻为R3。如上分析可知，谐振器a的热阻要远大于谐振器b的热阻。根据公式R＝ΔT/P＝1/kA可知，(其中，R为热阻，ΔT为温度差，P为耗散功率，k为导热率，A为导热的面积)，谐振器a的导热率要远小于谐振器b的导热率，所以采用本发明实施方式提供的方法，将功率密度大的谐振器制造在晶圆2上(靠近基板的晶圆)上，有利于晶圆2上的谐振器散热，进而能够提高滤波器的功率容量。
实施例二
图3为现有体声波滤波器的另一种改进后的封装结构图。该结构中包括晶圆1、晶圆2、晶圆3和基板，其中，晶圆3上没有制造谐振器，谐振器制造在晶圆1和晶圆2的下表面。相比于图2所示的封装结构，该封装结构减少了谐振器面对面产生的耦合电容，降低耦合电容影响滤波器性能。以下说明利用本发明实施方式提供的方法制造该滤波器的方法。
第一步：先按照滤波器指标要求进行拓扑结构仿真优化，滤波器的拓扑结构仍采用图4所示的结构，如图4所示，通过调整串联谐振器S11、S12、S13、S14和S15的叠层厚度使串联谐振器的串联谐振频率位于滤波器的中心频率，通过在并联谐振器P11、P12、P13和P14上增加质量负载，使并联谐振器的串联谐振频率都低于串联谐振器的串联谐振频率，同时，使并联谐振器的并联谐振频率位于滤波器的中心频率附近，进而完成拓扑结构仿真优化。
第二步：进行功率分析，其中输入功率为2W，以右边频为输入频率进行仿真，然后得到表1所示的各谐振器的功率密度。根据表1计算得到谐振器的平均功率密度为3.1W/mm2。将大于或等于此平均值的谐振器归为第一类，第一类包括串联谐振器S11、并联谐振器P11、并联谐振器P12、串联谐振器S13和并联谐振器P13，将小于此平均值的谐振器归为第二类，第二类包括串联谐振器S12、串联谐振器S14、串联谐振器S15和并联谐振器P14。
第三步：将功率密度较大的第一类谐振器制造在晶圆2上。图8为晶圆2的主视图，晶圆2上制造的谐振器包括串联谐振器S11、S13和并联谐振器P11、P12和P13，另外晶圆2上还包括输入管脚IN、输出管脚OUT，以及第四接地管脚G1、G2、G3，由于串联谐振器并非全部均设置在同一片晶圆上，因此，还需要一些转接连接键，即晶圆2上的串联谐振器转接键合区J1、J2、J3，利用转接键合区J1、J2、J3连接相邻晶圆上的串联谐振器。
第四步：将功率密度较小的第二类谐振器制造在晶圆1上。图9为晶圆1的主视图，如图9所示，晶圆1上制造的谐振器包括串联谐振器S12、S14、S15和并联谐振器P14，另外晶圆1上还包括第三接地管脚G4和串联谐振器转接键合区J1、J2、J3，其中转接键合区J1在晶圆1和晶圆2之间转接串联谐振器S11和串联谐振器S12，转接键合区J2在晶圆1和晶圆2之间转接串联谐振器S12和串联谐振器S13，转接键合区J3在晶圆1和晶圆2之间转接串联谐振器S13和串联谐振器S14。
第五步：将晶圆1、晶圆2、晶圆3和基板上下依次叠加封装形成滤波器。
图3所示的封装结构中，晶圆1上谐振器的热阻和晶圆2上的谐振器的热阻均增大了一固定值，即晶圆3处的热阻，由此可知，晶圆1上谐振器的热阻仍远大于晶圆2上谐振器的热阻，晶圆1上谐振器的导热率要远小于晶圆2上谐振器的导热率，所以采用本发明实施方式提供的方法，将功率密度大的谐振器制造在晶圆2上(靠近基板的晶圆)上，有利于晶圆2上的谐振器散热，进而能够提高滤波器的功率容量。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、混合、子混合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提升滤波器功率容量的方法，其特征在于，
将滤波器中的谐振器按功率密度划分为小功率密度组和大功率密度组，其中，小功率密度组中多个谐振器的功率密度小于预设值，大功率密度组中多个谐振器的功率密度大于或等于预设值；
将小功率密度组的谐振器制造在晶圆一上，将大功率密度组的谐振器制造在晶圆二上，晶圆一、晶圆二和基板依次上下叠加封装形成滤波器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设值为所有谐振器的功率密度均值。
3.一种滤波器，其特征在于，包括至少两层上下叠加设置的晶圆和一层基板；
在上方的晶圆制造有多个功率密度小于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；
在下方的晶圆制造有多个功率密度大于或等于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器，并且下方的晶圆与基板连接。
4.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，预设值为所有谐振器的功率密度均值。
5.根据权利要求3或4所述的滤波器，其特征在于，包括上下叠加设置的晶圆一、晶圆二和基板；
晶圆一的下表面制造有多个功率密度小于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；
晶圆二的上表面制造有多个功率密度大于或等于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器，并且与基板连接。
6.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，晶圆一的下表面还制造有第一对接管脚，晶圆二的上表面还制造有第二对接管脚，晶圆一和晶圆二叠加使第一对接管脚和第二对接管脚键合；
所述晶圆二上制造有第一过孔，第二对接管脚通过第一过孔与焊盘连接，焊盘连接基板。
7.根据权利要求3或4所述的滤波器，其特征在于，包括上下叠加设置的晶圆一、晶圆二、晶圆三和基板；
晶圆一的下表面制造有多个功率密度小于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；
晶圆二的下表面制造有多个功率密度大于或等于预设值的串联谐振器和/或并联谐振器；
晶圆三封装包裹晶圆一和晶圆二，并且与基板连接。
8.根据权利要求7所述的滤波器，其特征在于，晶圆一的下表面还制造有第三对接管脚；
晶圆二的上表面和下表面分别制造有第四对接管脚和第五对接管脚，第四对接管脚和第五对接管脚通过第二过孔连接；
晶圆三的上表面制造有第六对接管脚；
晶圆一、晶圆二和晶圆三叠加使第三管脚与第四管脚键合、第五管脚与第六管脚键合，第六对接管脚通过第三过孔连接焊盘，焊盘连接基板。
9.一种多工器，其特征在于，包括如权利要求3至8中任一项所述的滤波器。
10.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求3至8中任一项所述的滤波器。
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| CN110492864A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-22 | 天津大学 | 一种体声波滤波器的封装结构及该滤波器的制造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111464147A (zh) | 2020-07-28 |
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Denomination of invention: Filter and its method for improving power capacity, multiplexer and communication equipment Effective date of registration: 20210908 Granted publication date: 20210601 Pledgee: Tianjin TEDA Haihe intelligent manufacturing industry development fund partnership (L.P.) Pledgor: ROFS MICROSYSTEM(TIANJIN) Co.,Ltd. Registration number: Y2021980009022 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20240130 Granted publication date: 20210601 |
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| PP01 | Preservation of patent right |