CN111510107B - 滤波器元件、多工器和通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种滤波器元件、多工器和通信设备。在该滤波器元件中，无源器件集成设置在上晶圆的上方，一方面利用集成的无源器件改善滤波器的通带和带外性能，另一方面也能避免或减小无源器件与滤波器元件中的结构及连线之间的耦合，进而避免或降低滤波器性能恶化。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种滤波器元件、多工器和通信设备。
背景技术
近年来的通信设备小型化和高性能趋势的加快，给射频前端提出了更高的挑战。在射频通信前端中，一方面要通过减小芯片尺和封装基板的尺寸来实现小型化，另一方面要通过减少损耗来源以及更好的谐振器配合设计来实现更好的性能。在现有的滤波器结构中，用于匹配的无源器件较多，同时用于改善特定性能比如滚降插损等也需要额外引入更多的电感、电容、耦合等多种结构。
普通的滤波器的一种典型结构如图1所示，图1是根据现有技术中的声波滤波器的一种结构的示意图。这种滤波器100中，输入端131和输出端132之间有电感121、122以及多个谐振器(通常称作串联谐振器)101～104，各串联谐振器的连接点与接地端之间的多个支路(通常称作并联支路)上分别设置有谐振器111～113(通常称作并联谐振器)，以及电感123～125。各并联谐振器上添加有质量负载层，使并联谐振器的频率和串联谐振器的频率具有差异从而形成滤波器的通带。本文中，将有管脚PAD的定义为下晶圆，无管脚PAD的为上晶圆，并且在各附图中，上晶圆位于下晶圆的上方。
图2为现有的滤波器的封装结构的剖视图，如图2所示，包括上下叠加设置的上晶圆和下晶圆，其中，在上晶圆的下方制造串联谐振器和并联谐振器，同时还制造对接管脚PAD，上晶圆的对接管脚PAD用于和下晶圆的对接管脚PAD键合。其中，下晶圆设置有过孔VIA，通过过孔VIA将上晶圆制造的谐振器和对接管脚PAD连接到下晶圆下方的管脚PAD上，下晶圆下方的管脚PAD可以通过金属焊球或者键合线连接到封装基板或者PCB上，从而形成不同的产品形态。
通过在滤波器中加入无源器件，可改善滤波器性能，其中，无源器件可分立设置，也可集成设置，如分立设置会增大芯片的面积，且滤波器管脚会增多，难以和现有产品的各个管脚位置对应，因此，一般会采用集成方式将无源器件设置在滤波器中。如图3a和3b所示，无源器件均集成设置在下晶圆的下方(还可集成在封装基板中)，图3a中谐振器全部制造在上晶圆，图3b中，部分谐振器制造在上晶圆，部分谐振器制造在下晶圆。对于体声波滤波器来说，其输入输出以及对地的连线均会通过下晶圆的过孔VIA连接到相应的管脚上，然后再通过不同的封装形式与基板或者PCB连接，最终形成滤波器的各个PIN管脚。
上述结构中，由于无源器件与滤波器的输入输出以及对地管脚均位于滤波器的下方，彼此间的距离较近进而会直接耦合，从而导致滤波器的性能明显恶化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种滤波器元件、多工器和通讯设备，将无源器件设置在上晶圆的上方，一方面利用集成的无源器件改善滤波器的通带和带外性能，另一方面也能避免或减小无源器件与滤波器元件中的结构及连线之间的耦合，进而避免或降低滤波器性能恶化。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种滤波器元件。
本发明中的滤波器元件具有从上至下叠置的上晶圆、下晶圆、基板，并且包含多个谐振器，所述谐振器为压电声波谐振器，所述滤波器元件有至少1个无源器件集成在上晶圆的上方。
可选地，上晶圆的下方设置有所述谐振器，该谐振器经由通孔与上晶圆上方的无源器件连接。
可选地，下晶圆的上方设置有所述谐振器。
可选地，集成在上晶圆的上方的无源器件是电感或者电容，或者是电感与电容的组合体。
可选地，集成在上晶圆的上方的无源器件与所述滤波器中的谐振器并联或串联。
可选地，集成在上晶圆的上方的无源器件跨接在滤波器中的谐振器的两个指定节点之间。
可选地，所述电感和/或电容分布在上晶圆的不同的层。
可选地，集成在上晶圆上方的无源器件与上晶圆上表面之间具有隔离层。
可选地，对于所述滤波器元件：所有串联谐振器设置在上晶圆，所有并联谐振器设置在下晶圆；或者，所有并联谐振器设置在上晶圆，所有串联谐振器设置在下晶圆；或者，所有谐振器设置在下晶圆。
可选地，小功率密度组的谐振器设置在上晶圆，大功率密度组的谐振器设置在下晶圆，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。
可选地，下晶圆设置有通孔和管脚。
根据本发明的另一方面，提供了一种多工器(这里的多工器包括双工器)，其包含本发明所述的滤波器元件。
根据本发明的又一方面，提供了一种通信设备，其包含本发明所述的滤波器元件。
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为现有技的一种滤波器拓扑结构的示意图；
图2为现有的滤波器的封装结构的剖视图；
图3a为现有的集成有无源器件的滤波器的一种结构示意图；
图3b为现有的集成有无源器件的滤波器的另一种结构示意图；
图4为滤波器中连接电感的结构示意图；
图5为滤波器性能对比图；
图6为滤波器接入电感的一种结构示意图；
图7为滤波器接入电感的另一种结构示意图；
图8是滤波器接入电容的一种结构示意图；
图9是滤波器接入电容的另一种结构示意图；
图10为滤波器性能对比图；
图11为滤波器的性能对比图；
图12为滤波器接入电容的一种结构示意图；
图13为滤波器接入电容的另一种结构示意图；
图14为滤波器右侧滚降对比图；
图15为滤波器左侧滚降对比图；
图16为滤波器中接入耦合电容的结构示意图；
图17为滤波器抑制性能对比图；
图18a和图18b为本发明实施方式提供的滤波器封装结构的剖视图；
图19a和图19b为本发明实施方式提供的滤波器另一种封装结构的剖视图；
图20为集成电感的结构示意图；
图21为集成电容的结构示意图；
图22为集成电容的另一种结构示意图；
图23为滤波器性能对比图；
图24为滤波器性能对比图。
具体实施方式
图4为滤波器中连接电感的结构示意图；如图4所示，在滤波器靠近输出端的串联谐振器上并联一个电感，其中，电感的设置并不局限于图4中的布置形式，可以在任意的一个或多个串联谐振器或并联谐振器上并联电感，该电感还可以使用电感电容串联或者并联的形式来替换。图5为滤波器性能对比图，图中实线是接入电感的性能曲线，虚线是未接入电感的性能曲线。滤波器接入电感后在带外1GHz附近产生了一个传输零点，此位置的抑制性能明显改善，并且通过调节电感的大小，或者调节电感电容连接形式下的感值容值，可以移动传输零点到需要的频点，改善对应频点的抑制。由此可知，滤波器中接入电感会在带外形成传输零点，改善特定频率的抑制。
在滤波器中接入电感或电容，还可调节滤波器的带宽和回波损耗。图6为滤波器接入电感的一种结构示意图；图7为滤波器接入电感的另一种结构示意图；图8是滤波器接入电容的一种结构示意图；图9是滤波器接入电容的另一种结构示意图；其中，电感或电容的位置不限于图中的情况，可以连接在任意的串联谐振器或者并联谐振器上，或者多个位置连接多个电感或多个电容，并且电感或电容可以使用电感电容串联或者并联的形式来替换。图10为滤波器性能对比图，图中，实线为接入电感的性能曲线，虚线为未接入电感的性能曲线，由该对比图可知，滤波器中接入电感会增加谐振器的等效机电耦合系数，从而可以增加带宽；而接入电容会减小谐振器的等效机电耦合系数，从而可以减小带宽，对于窄带的滤波器可以应用；图11为滤波器的性能对比图，图中，实线为接入电感的性能曲线，虚线为未接入电感的性能曲线，由该对比图可知，通过接入电感可以调节滤波器的阻抗，从而可以更好的与输入输出端口匹配，改善回波损耗。
在滤波器中接入电容，可改善滤波器的滚降性能。图12为滤波器接入电容的一种结构示意图；图13为滤波器接入电容的另一种结构示意图。图12和图13中，分别在一个串联谐振器和一个并联谐振器上并联电容，其中，电容的位置不限于图12和图13中的情况，电容可以连接在任意的串联谐振器或者并联谐振器上，或者多个位置连接多个电容，并且电容可以使用电感电容串联或者并联的形式来替换。接入电容减小阻抗匹配到非匹配的过渡带，从而可以更快的完成从通带到阻带的转换。图14为滤波器右侧滚降对比图；图15为滤波器左侧滚降对比图；图中，实线为接入电容的滚降曲线，虚线为未接入电容的滚降曲线。由图14和图15可知，接入电容可以有效地改善滤波器的滚降。
在滤波器中连接耦合电容，还可改善滤波器的抑制性能。图16为滤波器中接入耦合电容的结构示意图；耦合电容用于调节带外传输零点的位置，通过加入耦合电容可以将需要的传输零点放置在需要较高抑制的频段；其中，耦合电容的位置不限于图16中的布置情况，其可以连接在任意的节点之间，并且可以多个位置连接。图17为滤波器抑制性能对比图，图中，实线为加入耦合电容的性能曲线，虚线为未加入耦合电容的性能曲线，由图17可知，滤波器中接入耦合电容可以有效地改善抑制。
本发明实施方式中，将电容、电感等无源器件集成设置在上晶圆的上方。图18a和图18b为本发明实施方式提供的滤波器封装结构的剖视图。图中，利用集成无源器件工艺将无源器件集成设置在上晶圆的上表面，其中，图18a中的无源器件为电感，图18b中的无源器件为电容。采用图18a和图18b中的布置方式，其中，下晶圆的谐振器周围有和谐振器相连的PAD，PAD通过通孔与下方的管脚PAD相连，通孔是一段金属线(对于晶圆材料来说在通孔的位置构成此材料的一段缺失，所以是针对该材料来说构成通孔，其中沉积有金属)，因此会形成一段电感。上晶圆的谐振器周围也有和谐振器相连的PAD，其中一部分PAD用于和下晶圆上的PAD相连，形成电连接，一部分通过上晶圆的通孔和上晶圆上方的无源器件相连。将无源器件集成在上晶圆上方，这样就与滤波器的各个输入输出、下晶圆的通孔以及对地管脚在空间上存在一定的距离，而且上晶圆和下晶圆也起到物理隔离的效果，因此，可以降低或避免无源器件与滤波器的各个输入输出以及对地管脚之间的耦合，减小或避免滤波器的性能恶化。优选地，本发明实施方式中还可在无源器件的下方进一步设置隔离层，即在无源器件与上晶圆的上表面之间设置隔离层，进一步提高无源器件与滤波器的各个输入输出以及对地管脚之间的隔离效果。
图19a和图19b为本发明实施方式提供的滤波器另一种封装结构的剖视图；其中，图19a中的无源器件为电感，图19b中的无源器件为电容；如图19a和19b所示，该滤波器结构中，在上晶圆的下表面和下晶圆的上表面均制造谐振器，可以将串联谐振器和并联谐振器分离设置，即，将串联谐振器制造在上晶圆/下晶圆，相应的将并联谐振器制造在下晶圆/上晶圆。具体的连接形式是：下晶圆的谐振器周围有和谐振器相连的PAD，PAD通过通孔与下方的管脚PAD相连，通孔是一段金属线，因此会形成一段电感。上晶圆的谐振器周围也有和谐振器相连的PAD，其中一部分PAD用于和下晶圆上的PAD相连，形成电连接，一部分通过上晶圆的通孔和上晶圆上方的无源器件相连。
也可以将部分串联谐振器、并联谐振器制造在上晶圆，将另一部分串联谐振器、并联谐振器制造在下晶圆。采用分离设置的目的是将滤波器中部分敏感节点远离无源器件，即将敏感节点制造在下晶圆，该晶圆上的谐振器及谐振器之间的节点距离上晶圆表面的无源器件较远，从而可避免耦合的影响，改善滤波器性能。因为下晶圆的散热性能更好，所以可以把所有谐振器按功率密度分组，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。然后把小功率密度组的谐振器设置在上晶圆，大功率密度组的谐振器设置在下晶圆。这样有利于功率密度较大的谐振器得到更好的散热。若考虑制造成本，可以将所有谐振器制造在下晶圆，这样上晶圆无需制造谐振器，有助于降低成本。所有谐振器在下晶圆的情况下，可以额外在上晶圆做通孔来单独制作无源器件。
本发明实施方式中，上晶圆集成的无源器件非只是单个电容和电感，还可以形成多个分立的电感和电容，以及电感和电容的串联或者并联组合，可以形成多种阻抗的变换形式，来调节滤波器的阻抗特性，从而达到不同的效果。
图20为集成电感的结构示意图，图20所示的电感结构为电感的其中一种结构，本发明实施方式中电感的结构并不局限于此，电感的圈数、半径、线条宽度、线条间距、金属厚度等不受限制。本发明实施方式提供的电感可以多层分布，各层之间经过孔连接，同时，构成电感的金属材料和用于层间的介质材料不作限制，金属材料可以是铜，铝，金，银，铂，钼，铬等多种导电金属，层间隔离的介质材料可以是二氧化硅，氮化硅等多种绝缘材料。
图21为集成电容的结构示意图，如图21所示，左右两侧通过两条引线分别连接到上下两个平板金属面上，通过上下的平板金属以及中间的绝缘层来形成电容。本发明实施方式中电容的结构并不局限于此，电容的层数、平板面积、引线长度、电容平板间距、平板交错面积、金属厚度等参数不受限制，同时，电容可以多层分布，各层之间经过孔连接。构成电容的金属材料和用于层间的介质材料不作限制，金属材料可以是铜，铝，金，银，铂，钼，铬等多种导电金属，层间隔离的介质材料可以是二氧化硅，氮化硅等多种绝缘材料。
图22为集成电容的另一种结构示意图；如图22所示，左右两侧是通过两根引线分别连接到左右的插指结构中，左侧的插指和右侧的插指通过平面金属之间的耦合形成电容，电容大小和插指的数量以及长度等参数相关。本发明实施方式中电容的结构并不局限于此，插指电容的层数，插指数量，引线长度，插指间距，金属宽度，插指长度，金属厚度等不受限制，同时，电容可以多层分布，各层之间经过孔连接。构成电容的金属材料和用于层间隔离的介质材料不作限制，金属材料可以是铜，铝，金，银，铂，钼，铬等多种导电金属，层间隔离的介质材料可以是二氧化硅，氮化硅等多种绝缘材料。
图23为滤波器性能对比图，图中，实线为图19b中所示的滤波器的带外抑制曲线，该滤波器中，串联谐振器和并联谐振器分离设置，即全部串联谐振器制造在上晶圆，全部并联谐振器制造在下晶圆，虚线为图18b所示的滤波器的带外抑制曲线。通过将谐振器分离设置，无源器件和并联谐振器的对地节点间隔距离更远，并且中间有串联谐振器作为隔离层，因此，无源器件和并联谐振器的对地节点之间的耦合减弱，可改善滤波器的带外抑制。
图24为滤波器性能对比图，图中，实线是无源器件集成在上晶圆的带外抑制曲线，虚线是无源器件集成在下晶圆的带外抑制曲线，其中，全部的串联谐振器制造在上晶圆，全部的并联谐振器制造在下晶圆，由于电感(无源器件)集成在上晶圆方，电感和谐振器以及对地的连接线之间的互感减小，因此耦合减弱，进而可改善滤波器的带外抑制。
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、组合、子组合和替代。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 (11)
1.一种滤波器元件，所述滤波器元件具有从上至下叠置的上晶圆、下晶圆、基板，并且包含多个谐振器，所述谐振器为压电声波谐振器，其特征在于，
所述滤波器元件有至少1个无源器件集成在上晶圆的上方；
所有串联谐振器设置在上晶圆，所有并联谐振器设置在下晶圆；
下晶圆设置有通孔和连接于通孔的管脚，管脚设置在下晶圆下表面。
2.根据权利要求1所述的滤波器元件，其特征在于，上晶圆的下方设置有所述谐振器，该谐振器经由通孔与上晶圆上方的无源器件连接。
3.根据权利要求1或2所述的滤波器元件，其特征在于，下晶圆的上方设置有所述谐振器。
4.根据权利要求1所述的滤波器元件，其特征在于，集成在上晶圆的上方的无源器件是电感或者电容，或者是电感与电容的组合体。
5.根据权利要求4所述的滤波器元件，其特征在于，集成在上晶圆的上方的无源器件与所述滤波器中的谐振器并联或串联。
6.根据权利要求4所述的滤波器元件，其特征在于，集成在上晶圆的上方的无源器件跨接在滤波器中的谐振器的两个指定节点之间。
7.根据权利要求4所述的滤波器元件，其特征在于，所述电感和/或电容分布在上晶圆的不同的层。
8.根据权利要求1所述的滤波器元件，其特征在于，集成在上晶圆上方的无源器件与上晶圆上表面之间具有隔离层。
9.根据权利要求1或2，或4至8中任一项所述的滤波器元件，其特征在于，
小功率密度组的谐振器设置在上晶圆，大功率密度组的谐振器设置在下晶圆，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。
10.一种多工器，其特征在于，包含权利要求1至9中任一项所述的滤波器元件。
11.一种通信设备，其特征在于，包含权利要求1至9中任一项所述的滤波器元件。
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