CN114342258A - 包括经两个连接的滤波器电路的滤波器装置 - Google Patents

Abstract

对制造公差具有降低的灵敏性的滤波器装置包括具有集成布线的多层面板、安装到面板的压电基板。第一滤波器电路(FC₁)和包括第二滤波器电路的信号路径(SP)在基板上实现并且被连接到公共天线端子(AT)以及位于压电基板顶部上的公共节点(CN)。第一匹配电路(MC₁)和额外的匹配电路(MC₂)通过多层面板中的布线来实现。

Description

包括经两个连接的滤波器电路的滤波器装置

本发明涉及可用于移动电话应用的滤波器装置。根据优选实施例，滤波器装置包括用于5G移动电话应用的超宽带GPS提取器。

现代滤波器装置包括多于一个的滤波器电路。每个滤波器电路可以被设计用于滤除期望的频带并且与具有其他频率的信号分离。优选在公共芯片上实现尽可能多的滤波器电路，以节省成本、缩短连接线并且改进插入损耗。通常，这些装置被命名为二合一、三合一或更高度的集成装置。

两个或更多个滤波器电路被电路连接在一起并且被连接到同一天线的示例是例如双工器、多路复用器或提取器。通常，至少一个滤波器电路需要匹配，以避免在将这些电路连接到公共节点以启用例如双工功能时出现问题。需要进一步匹配来将两个电路与天线端子匹配。

在具有经连接的两个或更多个滤波器电路的滤波器装置处经常出现重大问题，因为可以证明不可避免的制造公差会导致滤波器性质的分布范围过大。已发现，制造公差会对滤波器装置的寄生元件的值产生很大影响。一个示例是由装置处的凸块连接或其他互连部件引入的寄生电感。例如凸块高度的小变化会导致其相应寄生电感发生变化，进而可能导致滤波器性能发生不希望的变化。

实现GPS提取器时的主要问题是提供对制造公差不太灵敏的宽带性能，例如对载体基板和滤波器芯片之间的焊料凸块连接的高度不太灵敏的宽带性能。

因此，一个目的是通过降低滤波器装置对制造公差的灵敏度来改进滤波器装置的性能。另一目的是为5G移动电话应用提供超宽带GPS提取器。

实现GPS提取器时的主要问题是提供对制造公差不太灵敏的宽带性能，例如对载体基板和SAW芯片之间的焊料凸块连接的高度不太灵敏的宽带性能。

该目的和其他目的通过根据独立权利要求1所述的滤波器装置来实现。有利的进一步特征和特定实施例可以从从属权利要求中获得。

滤波器装置包括载体，例如具有集成布线的多层面板。压电基板被安装到面板的顶部表面上。在倒装芯片布置中，基板的有源表面侧上的焊盘被连接到面板上的相应接触区。

在基板上，第一滤波器电路和信号路径被实现并且被连接到基板表面上的公共节点。公共节点被形成为焊盘并且被进一步连接到面板上的天线端子。信号路径至少包括第二滤波器电路。第一滤波器电路和第二滤波器电路可以以SAW技术来实现。

在公共节点和信号路径之间电路连接的第一匹配电路由多层面板中的布线来实现。

所提出的滤波器装置的关键特征是第一滤波器电路和信号路径的连接的实现方式。到目前为止，将所有布线和所有无源匹配元件放置在例如多层面板等载体上并以最短的方式将滤波器电路连接到面板一直是设计规则，而现在，公共节点被放置在基板面向面板的表面上。由于在公共节点与信号路径之间放置的第一匹配电路在面板上实现，所以首先将公共节点连接到第一匹配电路的第一端部。匹配电路的第二端部经由互连件而被连接到基板表面上的焊盘。焊盘连接基板上的信号路径。

利用这样的布置，滤波器装置对引起寄生电感的制造公差的灵敏度可以被显著降低。此外，可以更精确地设置滤波器电路的性质，即，频带边缘的位置、插入损耗和带宽。

因此，由多层面板中的布线实现的第一匹配电路被电路连接为在信号路径与公共节点之间的串联线。在基板上布置的串联线的第一区段连接公共节点和第一焊盘。串联线的第二区段被布置在基板上，并且串联线的第二区段连接第二焊盘和包括第二滤波器电路的信号路径。第一互连部件将第一焊盘连接到第一匹配电路的第一端部，并且第二互连部件将第二焊盘连接到第一匹配电路的第二端部。

第二匹配电路可以被电路连接在天线与公共节点之间。

根据一个实施例，至少一个滤波器电路包括SAW谐振器。

滤波器装置可以是双工器、多路复用器或提取器中任一项。

根据一个实施例，滤波器装置是提取器，其中第一滤波器电路是用于GPS和/或GNSS信号的带通滤波器。信号路径然后可以包括从带通、高通、低通、带阻、双工器或天线转换开关中选择的一个或多个另外的滤波器电路。此外，滤波器装置可以是在多个频带中操作的、具有一个或多个天线的前端模块。切换部件可以用于在不同滤波器元件或其他信号路径之间主动切换。前端模块可以将天线连接到所需的输入或输出端子，即，Tx或Rx区段。

在包括或作为提取器的滤波器装置中，第一匹配电路在信号路径和公共节点之间串联电路连接并且包括用于GPS/GNSS频率的带阻。

在所描述的提取器内，信号路径在617MHz和4.2GHz之间的VWSR小于2，但GPS/GNSS频率周围的区域除外，该区域由天线和公共节点之间的带阻阻挡。

在一个变型中，滤波器装置包括在天线端子和公共节点之间电路连接的第二匹配电路。第二匹配电路包括串联线圈，以将天线与第一滤波器电路以及信号路径匹配。

基板上的任何焊盘与面板表面上的相应接触区之间的每个互连件可以包括或者是凸块。

将互连件定位在天线端子与基板上靠近基板拐角的相应焊盘之间是有利的。

多层面板包括层压板、HTCC和LTCC中的一项。在介电陶瓷或层压层之间布置的结构化金属化平面通过通孔电互连，并且可以形成选自电阻器、电容器和电感器的无源元件。匹配电路可以通过对这些集成元件中的一些(诸如滤波器装置的第一和第二匹配电路)进行适当的电路连接来形成。

以下将参考具体实施例和附图来对本发明进行更详细的说明。附图仅是示意性的并且可能未示出所有元素，只要这些省略的元素在本领域中是已知的，技术人员可以容易地对其进行补充。此外，附图未按比例绘制，并且为了更好地理解，可能会放大一些细节。

图1以示意性截面示出了根据现有技术的SAW滤波器装置；

图2示出了根据本领域的滤波器装置的示意框图；

图3示出了根据本发明的滤波器装置的示意框图；

图4示意性地示出了根据本发明的一个实施例的多层面板和压电基板的示例性电路；

图5以窄带描绘了根据本发明的两个实施例的第一滤波器电路的天线和输出端子之间的传递曲线以及根据现有技术的参考装置，其中滤波器装置是提取器并且第一滤波器电路是GPS/GNSS的带通；

图6示出了宽带描述中的相同传递曲线；

图7示出了与图5和图6所属的相同滤波器装置中天线和信号路径之间的传递曲线；

图8示出了同一滤波器装置中天线与信号路径之间的反射曲线；

图9以放大截面图示出了与参考装置相比，针对本发明的两个不同实施例的图6的传递曲线的右带边缘；

图10示出了与参考装置相比，本发明的两个不同实施例的天线和信号路径之间的反射曲线；

图11在图的上部分示出了对于三个不同凸块高度，制造公差对参考装置的传递曲线的影响并且在图的下部分中以放大截面图示出；

图12在图的上部分示出了对于三个不同凸块高度，制造公差对滤波器装置的第一实施例的传递曲线的影响，并且在图的下部分以放大截面图示出；

图13在图的上部分示出了对于三个不同凸块高度，制造公差对滤波器装置的改进的第二实施例的传递曲线的影响，并且在图的下部分以放大截面图示出；

图14A在图的上部分示出了对于三个不同凸块高度，制造公差对参考装置的信号路径反射的影响，并在图的下部分以放大截面图示出；

图14B在图的上部分示出了对于三个不同的凸块高度，制造公差对第一实施例的信号路径的反射的影响，并且在图的下部分以放大的截面图示出；

图14C在图的上部分示出了对于三个不同凸块高度，制造公差对改进的第二实施例的信号路径的反射的影响，并且在图的下部分以放大的截面图示出。

图1以示意性截面示出了根据本领域的滤波器装置。SAW滤波器电路FC在压电基板SU的表面上实现。使用凸块作为互连部件，基板被倒装芯片安装到多层面板MLP的顶表面。因此，基板底表面上的焊盘被连接到面板MLP顶表面上的接触区。布线位于面板表面和/或面板内部。布线由导线、金属化区域和连接多层面板不同层级的通孔组成。布线将顶部的接触区与面板底表面处的端子接触互连。同时，无源电路元件由布线形成并且被连接到滤波器电路。端子接触用于将装置连接到PCB等外部电路装置。

图2示出了根据本领域的滤波器装置的示意框图。装置表示GPS/CELL提取器，其中信号路径SP包括用于1585MHz附近的GPS频带的带通滤波器。第一滤波器电路FC1可以让除GPS频带之外的通常小区频带的所有频率通过。

根据迄今为止已被证明是有利的一般设计规则，信号路径SP(CPS路径)和第一滤波器电路(小区)的主要滤波功能在基板管芯SU内被实现为SAW滤波器电路，而所有互连件和匹配电路MC在通常是层压板或LTCC的面板MLP内部实现。

在该图中，两个通道FC1、SP利用第一通用匹配电路MC1而被连接在一起。第二匹配电路MC2被布置在天线AN与公共节点CN之间，两个通道和天线连接到该公共节点CN。在该公共节点CN处，到第一滤波器电路FC1(小区路径)的连接线可能非常关键，因为它对形成大量寄生电感LP很灵敏。

在一个方面，该寄生电感LP通常会导致更窄的通带，并且因此会提供更差的标称性能。另一方面，由于制造公差(凸块高度变化等)导致的电感LP值的变化会导致通常是劣化的高性能变化。

在面板内部进行所有互连的优点是层压板或LTCC中的连接线通常具有更大的线截面，并且因此引入的插入损耗更少。

该已知方法的缺点是寄生电感增加，这会导致通带减小和制造公差增加。

图2示出了相同的框图，其具有假设的微小差异是：组合所有路径的公共节点CN现在被布置在基板SU的表面上。因此，以前完全布置在面板MLP上的布线现在部分地位于压电管芯或芯片上的基板上。

令人惊讶的是，这种微小的变化对装置对制造公差的灵敏度产生了重大影响。寄生电感LP虽然仍然存在于电路中，但现在更加稳定并且对滤波器装置性能的影响被显著降低。滤波器装置包括在多层面板MLP上和中形成的第一匹配电路MC1和第二匹配电路MC2。第一滤波器电路FC1和至少包括第二滤波器电路的信号路径SP被形成并且布置在基板的表面上。然而，公共节点CN被连接到芯片上的信号路径SP。此外，公共节点CN被直接连接到第一匹配电路MC1和第二匹配电路MC2。第一匹配电路MC1的另一端部或端子被连接到第一滤波器电路。可以仅包括并联线圈的第二匹配电路被串联连接在天线AN与公共节点CN之间。

基板SU和面板MLP之间的所有互连部件ICM均被实现为凸块。根据如图2所示的常用方法，例如，公共节点CN在层压板内实现为与第一匹配电路以及第二匹配电路连接。根据设计要求，到信号路径SP的焊料凸块以前位于基板SU的拐角中。因此，在基板SU内部存在焊料凸块和线，这已将“寄生”电感引入滤波器装置的电路中并且主要引入信号路径及其第二或多个滤波器电路中。

在所提出的设计变化的第一步骤中，焊料凸块朝向滤波器电路移动，滤波器电路朝向滤波器电路的第一谐振器，从而减少基板内部的线长度并且忽略设计要求。因此，基板的拐角中不再存在凸块。作为缺点，这可能导致负面的质量问题。

所提出的设计变化的第二步骤再次从如图2示意性所示的先前设计开始。公共节点CN从基板拐角移向基板SU内部，从而消除焊料凸块的寄生电感和基板内部的布线。由于基板拐角处仍存在凸块，因此不再发生违反设计规则的情况。然而，需要附加凸块。利用该变化，制造公差(例如凸块高度公差)的影响被最小化。

图4示意性地示出了根据本发明的一个实施例的多层面板和压电基板的示例性电路。在该图中，面板MLP被描绘在俯视图中并且基板SU被描绘在其底表面上的视图中。尽管通过凸块作为互连部件ICM连接，但为了更好地理解，面板MLP和基板SU的连接表面被单独描绘。在面板上的接触区CA与基板上的焊盘PD之间形成互连件(被描绘为线)。为清楚起见，仅示出了一些互连件。装置通常包括更多数目的焊盘PD、接触区CA和互连部件ICM。

用于将天线AN与滤波器电路FC匹配的第二匹配电路MC2被布置在面板MLP顶部上的天线AN与天线端子AT之间。天线端子AT通过互连部件ICM而被连接到基板上的第一焊盘PD1。焊盘PD通过基板表面上的信号线的第一区段SLS而被连接到表示公共CN的第二焊盘。第一互连部件ICM1将公共节点连接到面板并进一步连接到第一匹配电路MC1。第二互连部件ICM2将第一匹配电路MC1连接到基板SU上的第二焊盘PD2，并进一步连接到信号路径SP，并因此连接到至少一个第二滤波器电路FC。与先前已知的设计相比，所提出的滤波器装置需要附加凸块(互连部件ICM)，取决于透视图，该附加凸块连接到第一焊盘PD1或公共节点CN。如前所述，与第一焊盘PD1和天线端子连接的一个凸块/互连部件被布置在基板SU的拐角CRN中或附近。

图5示出了GPS/GNSS频带周围的在天线AN与信号路径SP之间的仿真传递曲线。

图示出了三个曲线，将以前使用的设计与第一步骤之后的改进设计进行了比较，并进一步与改进的设计进行了比较。可以很容易地看出，GPS性能没有显著差异，并且三个线几乎完全符合。

图6以宽带描述示出了GPS/GNSS频带周围在天线AN与信号路径之间的传递曲线。三个曲线非常匹配，并且确认GPS性能没有显著差异。

图7示出了在宽带描述中在天线AN和第一滤波器电路FC1之间仿真的三个传递曲线。可以看出，覆盖信号路径SP频带的频率范围没有显著差异。信号路径中感兴趣的频率范围从617MHz(频带N71)到4.2GHz(频带N77)。在3GHz以下的频带中，三个曲线之间没有显著差异。然而，在3.5GHz以上的频率下，性能存在明显和实质性的差异。此处，三个曲线正在扩散。曲线1被分配给前一设计。曲线2对应于第一变化步骤之后的设计，其中凸块到天线端子移动到尽可能靠近包括SAW谐振器的信号路径。曲线3对应于第二变化步骤之后的设计，其中公共节点CN不在基板SU之上或之内。根据曲线3的实施例是第二步骤之后的设计，并且示出对根据第一步骤之后的设计的曲线2的进一步改进。曲线3具有最宽的带宽，并且在大约3.5GHz的右频带边缘附近示出改进的插入损耗。

图8证实了这一发现，图8在所有包含频带的宽带描述中示出了第一滤波器电路FC1的反射曲线(VSWR)。此处，反射在高于约3GHz的频率处也得到了显著改进。可以看出，这三个曲线也在该区域中扩散。

图9是图7的放大图并且示出了已针对信号路径(包括覆盖的小区频带)仿真的相应传递曲线的放大图的改进量。对曲线上具有-1dB衰减值的那些点进行第一比较。这些点出现在3932MHz(曲线1)、4023MHz(曲线2)和4057MHz处。对给定频率下的衰减值进行第二次比较。在4.2GHz处，计算处衰减为-1.614dB(曲线1)、-1.359dB(曲线2)和-1,267dB(曲线3)。可以看出，根据第二步骤之后的设计，曲线3分别在给定频率下的衰减方面示出了带宽方面的最佳结果。

图10示出了已针对第一滤波器电路(包括覆盖的小区频带)仿真的相应反射曲线的改进量。对曲线上反射系数为2的点进行第一比较。对给定频率下的反射值进行第二比较。在4.2GHz处，反射系数达到2,232(曲线1)、2.013(曲线2)和1.896(曲线3)。计算得出的反射值为2.0，发生在4108MHz(曲线1)、4194MHz(曲线2)和4249MHz(曲线3)处。可以看出，根据第二步骤之后的设计，曲线3分别在给定频率下的反射情况下，在给定反射率的频率位置方面显示出最好的结果。表1总结了结果和发现：

表1

图11至图13示出了滤波器装置的不同设计对不同凸块高度的灵敏度。如由将相应上图的相应区段连接到下图中的放大区段描述的虚线所示，相应的下图示出了上图的放大截面。

图11示出了步骤1变化之前，初始设计的传递曲线的右部分。曲线4与凸块高度为60μm的结果相关，曲线5与凸块高度为55μm的结果相关，曲线6与凸块高度为50m的结果相关。该图在右频带边缘处的放大区段在图的下部中描绘，以更好地看到差异。可以看出，最宽的带宽利用最低的凸块高度(50μm高度/曲线6)来实现。这符合由较高凸块高度导致的较高寄生电感对滤波器性能产生有害影响的发现。

图12以类似方式示出了步骤1变化之后，设计的传递曲线的右部分。可以看出，三个曲线已彼此接近，从而减小了差异。

图13以类似方式示出了第2步骤变化之后，设计的传递曲线的右部分。可以看出，三个曲线进一步接近，几乎相互吻合。因此，这样的设计对制造公差(例如凸块高度)的灵敏度非常低。

图14A至图14C通过考虑这些设计在不同凸块高度处的反射率(VSWR)来示出不同设计的滤波器装置的灵敏度。

与图11至图13中的图示相似，在步骤1变化之后的滤波器设计示出对公差的灵敏度提高/降低。步骤2变化之后的滤波器设计示出最低的灵敏度。曲线4、5和6与图11至图13所解释的相同凸块高度相关。已发现(参见图14A)，在任何变化之前的已知滤波器设计示出3330ppm(约14MHz)的最大频率差，与不同凸块高度相关的反射曲线的反射系数为2.0。对于步骤1变化之后的滤波器设计(参见图14B)，该差异降低到1640ppm(约6.9MHz)，并且在步骤2变化之后被进一步降低到330ppm(约1.3MHz)。这是对不可避免的公差的显著稳定，并且同时有助于改进设备性能。

所使用的术语和附图标记列表

Claims (11)

1.一种滤波器装置，包括

-多层面板，具有集成布线

-压电基板，安装到所述面板

-第一滤波器电路和包括第二滤波器电路的信号路径，两个滤波器电路均在所述基板上被实现，并且被连接到公共天线端子

-第一匹配电路，位于所述天线端子与具有所述第二滤波器电路的所述信号路径之间，第一匹配电路由在所述多层面板中的所述布线来实现

-公共节点，所述第一滤波器电路、所述信号路径和所述天线端子连接到所述公共节点，所述公共节点是位于所述压电基板顶部上的焊盘。

2.根据前述权利要求所述的滤波器装置

-其中由在所述多层面板中的所述布线实现的第一匹配电路在所述信号路径与所述公共节点之间被串联电路连接

-其中在所述基板上布置的第一串联线区段连接所述公共节点和第一焊盘

-其中在所述基板上布置的第二串联线区段连接第二焊盘和包括所述第二滤波器电路的所述信号路径

-其中第一互连部件将所述第一焊盘连接到所述第一匹配电路的第一端部

-其中第二互连部件将所述第二焊盘连接到所述第一匹配电路的第二端部。

3.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器装置

其中第二匹配电路在所述天线与所述公共节点之间电路连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器装置

其中所述滤波器电路的至少一个滤波器电路包括SAW谐振器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器装置

所述滤波器装置是双工器、多路复用器或提取器中的任一项。

6.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器装置

其中所述第一滤波器电路是用于GPS和/或GNSS信号的带通滤波器。

7.根据前述权利要求所述的滤波器装置

其中所述第一匹配电路在所述信号路径与所述公共节点之间被串联电路连接、并且包括用于GPS/GNSS频率的带阻。

8.根据前述权利要求所述的滤波器装置

其中除了所述GPS/GNSS频率附近的区域之外，所述信号路径在617MHz与4.2GHz之间的VWSR小于2。

9.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器装置

-其中第二匹配电路在所述天线端子与所述公共节点之间被电路连接

-其中所述第二匹配电路包括串联线圈，以使所述天线与所述第一滤波器电路以及所述信号路径匹配。

10.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器装置

-其中在所述基板上的任何焊盘与所述面板的表面上的相应接触区之间的每个互连件各自包括凸块

-其中在所述天线端子与所述基板上的相应焊盘之间的互连件位于所述基板的拐角附近。

11.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器装置

其中所述多层面板包括层压板、HTCC和LTCC中的任一项。

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