CN116996043B - 一种mems滤波器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的MEMS滤波器结构，包括：MEMS谐振器芯片，用于产生特定频率的振动响应；包封材料，用于封装所述MEMS谐振器芯片；印制电路板，具有多层呈层叠设置的介质层以及位于两层介质层之间的金属层，其中，一个被选择的所述介质层与其上下两层金属层形成内置电容层；互连凸块，布置于所述印制电路板上；所述MEMS谐振器芯片通过互连凸块与所述印制电路板的金属层电连接，以形成MEMS滤波器。本发明在印制电路板内集成所需规格的电容，进一步降低MEMS滤波器的尺寸和成本。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS滤波器技术领域，具体涉及一种MEMS滤波器结构。
背景技术
MEMS谐振器芯片指的是基于MEMS工艺、利用声表滤波原理实现射频信号转换为机械振动的器件，可以是SAW谐振器、也可以是BAW谐振器。MEMS滤波器匹配电路的组成包括电感与电容的拓扑网络。现有技术中主要包括如下几种匹配电路：基于印刷厚膜电路工艺的陶瓷匹配电路、基于印制电路板工艺的树脂层压板匹配电路、基于半导体薄膜工艺的高阻硅基IPD匹配电路、基于半导体薄膜工艺的玻璃基IPD匹配电路、基于半导体薄膜工艺的砷化镓基IPD匹配电路。
上述几种匹配电路的特点及优缺点如下表所示：
表格1现有匹配电路的特点对比表
能够看出，基于印刷厚膜电路工艺的陶瓷匹配电路、基于印刷厚膜电路工艺的陶瓷匹配电路存在无法集成电容的缺点；基于半导体薄膜工艺的高祖硅基IPD匹配电路、基于半导体薄膜工艺的玻璃基IPD匹配电路、基于半导体薄膜工艺的玻璃基IPD匹配电路虽然能够实现集成内电容，但需要增加额外的器件，成本高，代价高。
公开号CN 101465626A公开了一种低通宽带高频滤波器，基于埋入电容的优良特性：寄生电感、电阻小，不占用印刷电路板的表面面积，可工作在高频，对接入点进行特殊设计使得高频衰减频率可调。再加上一个附加电容紧贴端口并联连接，改善低频性能，从而构造出所需的滤波器。用它替代电路系统中的低通滤波网络，可省去大多数元件，同时使系统的性能和可靠性得到提高，印刷电路板面积减小，成本下降。该技术方案在印制电路板内有目的的设置埋入电容，其结构特征还包括一个或者多个大容值表面贴装电容108与埋入电容并联，以构成宽带低通高频滤波器。
公开号CN 111740722 A公开了滤波器和射频通信设备，滤波器包括：电感结构，该电感结构包括至少一个电感元件；电容结构，该电容结构包括至少一个集成电容芯片；声波谐振结构，该声波谐振结构包括至少一个集成声波谐振芯片；衬底结构，该衬底结构与电感结构、电容结构和声波谐振结构封装于一体，其中，至少一个电感元件、至少一个集成电容芯片和至少一个集成声波谐振芯片之间电连接，形成滤波电路。通过上述设置，可以改善现有的器件集成技术中由于集成度较低而存在滤波结构的尺寸较大的问题。该技术方案的电容结构为“一个集成电容芯片”，根据行业理解，一个集成电容芯片通常是利用薄膜电路等工艺预先制造完成的独立的“电容芯片”，通常需要在印制电路板制造过程中，通过贴片、压合等额外工艺步骤进行集成。该技术方案与现有基于半导体薄膜工艺的匹配电路并没有本质区别，均需要额外的器件，额外器件的制作需要高昂成本，以及更大的面积进行集成，且需要辅助电感结构才能更好性能。
能够看出，虽然现有技术中存在将电容元件集成在印刷电路板中的尝试以减少整体体积，但在实际应用中，需要对电容结构以及电容制造工艺进行针对性地设计，且需要配合其他贴装电容或电感才能达到较好的滤波效果。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种MEMS滤波器结构，实现印制电路板内可以集成所需规格的电容，进一步降低MEMS滤波器的尺寸和成本。
技术方案：本发明所述MEMS滤波器结构，包括：MEMS谐振器芯片，用于产生特定频率的振动响应；包封材料，用于封装所述MEMS谐振器芯片；印制电路板，具有多层呈层叠设置的介质层以及位于两层介质层之间的金属层，其中，一个被选择的所述介质层与其上下两层金属层形成内置电容层；互连凸块，布置于所述印制电路板上，所述MEMS谐振器芯片通过互连凸块与所述印制电路板的金属层电连接，以形成MEMS滤波器。
进一步完善上述技术方案，用于形成所述内置电容层的介质层由印制电路板其中一层介质层的全部面积形成；用于形成所述内置电容层的上下两层金属层由所述被选择介质层的上下两层金属层的全部或部分面积形成，且上下两层金属层的面积存在重叠，从而形成一个或者多个电容的并联或者串联。
进一步地，通过配置所述上下两层金属层的形状、面积、厚度、上下重叠面积，以形成不同容值大小的内置电容层；通过配置所述介质层的厚度、材料，以形成不同电容密度的内置电容层。
进一步地，所述内置电容层为多个，多个内置电容层分别由不同的被选择介质层以及被选择介质层上下两层金属层形成，且用于形成多个内置电容层的金属层不同。
进一步地，所述内置电容层的上下金属层分割成若干个区域，分割后的上下区域金属层与所述被选择的介质层形成若干个电容结构，同层区域金属层之间或上区域金属层与上层金属层、下区域金属层与下层金属层之间的连接实现所述若干个电容结构的串联或并联。通过分割金属层的不同区域即可在一个“内置电容层”实现多个电容结构实现串联、并联，串并联实现方式是通过不同金属区域之间的连线实现，该连线可以与区域金属层所在金属层，也可以借助更上一层、或者更下面一层金属层实现。
进一步地，所述MEMS谐振器芯片是基于MEMS工艺、利用声表滤波原理实现射频信号转换为机械振动的器件，包括SAW谐振器、BAW谐振器。
进一步地，所述包封材料为单层，且对所述MEMS谐振器芯片形成封闭式包裹，所述互连凸块穿过所述包封材料对所述MEMS谐振器芯片与所述印制电路板形成电连接。
在另一种方案中，所述包封材料为两层，内层包封材料覆盖在所述MEMS谐振器芯片上方并在MEMS谐振器芯片与所述印制电路板表面形成一个空腔，外层包封材料覆盖在所述内层包封材料外侧，所述互连凸块设置在空腔内对所述MEMS谐振器芯片与所述印制电路板形成电连接。
进一步地，所述互连凸块为若干个，且采用金凸点或共晶焊料凸点实现。
进一步地，所述介质层采用玻纤或树脂材料，所述印制电路板为利用标准印制电路板工艺制成的电路板结构。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过给MEMS滤波器封装所使用的印制电路板提供内置电容层，充分利用印制电路板内部空间，达到提高电性能、降低滤波器尺寸、降低成本的目的；在相同性能要求的前提下，现有技术已经无法再进一步小型化，而使用本发明提供的内置电容层时，且在不损害性能的条件下，可以进一步把产品尺寸降低，这种尺寸降低几乎不损害性能(＜1％)。
通过调整金属层的形状和面积、介质层的厚度和介电常数等参数，可以控制形成电容的值，实现印制电路板内可以集成所需规格(容值密度、容值大小、工艺精度)的电容。
附图说明
图1是实施例1所提供MEMS滤波器结构的结构示意图；
图2是实施例2所提供MEMS滤波器结构的结构示意图；
图3(a)是实施例3中方案A的性能示意图；
图3(b)是实施例3中方案B的性能示意图；
图3(c)是实施例3中方案C的性能示意图；
图4是采用三种不同方案的传输系数的对比示意图。
图中：1、MEMS谐振器芯片，2、包封材料，3、互连凸块，4、印制电路板，21、内层包封材料，22、外层包封材料，23、空腔，41、介质层，42、金属层，410、用于形成内置电容层的介质层。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：如图1所示的MEMS滤波器结构，包括MEMS谐振器芯片1、互连凸块3、包封材料2、印制电路板4。其中，印制电路板4包括至少二层金属层42和至少一层介质层41，印制电路板4中被选择的介质层410与上下两层金属层42和形成“金属-绝缘层-金属”的内置电容层结构。在本实施例中，内置电容层仅为一个，在其他实施例中，允许出现多个内置电容层的情况，其电容层结构可参考附图1，即当前图示中仅有一层电容层，在此基础上，将其它介质层中的一层或几层41替换为用于形成内置电容层的介质层410，则可形成多个内置电容层。另外，通过分割金属层的不同区域即可在一个“内置电容层”实现多个电容结构实现串联、并联，串并联实现方式是通过不同金属区域之间的连线实现，该连线可以与区域金属层所在金属层，也可以借助更上一层、或者更下面一层金属层实现。
包封材料2覆盖在MEMS谐振器芯片1上方，实现对MEMS谐振器芯片1的保护，包封材料2为一层，对MEMS谐振器芯片1形成封闭式包裹。
互连凸块3为若干个，可以是金凸点、共晶焊料凸点。在本实施例中，内置电容层位于印制电路板4顶层，此时互连凸块3一端与MEMS谐振器芯片电连接，互连凸块3另一端与内置电容层的上金属层电连接，内置电容层的下金属层通过其下方介质层中形成的金属化孔与其他金属层电连接。若内置电容层不是印制电路板4的最顶层，则互连凸块3与印制电路板4顶层的金属层相连，而非与内置电容层的金属层相连。
印制电路板4是指采用玻纤、树脂等材料，利用压合、腐蚀、电镀等工艺形成的电路板结构，通过改变上下金属层42的重叠面积、介质层41厚度、介质层41材料特性可以在印制电路板4中实现不同容值的内置电容层。
为实现具有内置电容层的印制电路板并应用于MEMS滤波器，需要合理设置介质层厚度、优化制备工艺、控制容差，并借助仿真和优化工具，包括如下措施：
电容密度控制：通过降低介质层厚度，可以减小上下两层金属层的间距，实现电极间距的调整，以增加单位长度上的电容密度；根据应用需求，选择具有适当介电常数和低损耗的介质材料，通常情况下具有高介电常数的介质层材料，能够在相同尺寸和厚度下实现更高的电容密度。
电容值控制：通过调整上下金属层的面积、上下重叠面积，可以控制电极的大小，增加电极面积可以增加电容值，反之亦然；通过改变介质层的厚度，可以影响电容值，较厚的介质层可以减小电容值，较薄的介质层可以增加电容值；介质层的介电常数决定了电容的量级，较高的介电常数会增加电容值，而较低的介电常数会减小电容值，选择具有不同介电常数的介质材料，可以在相同结构下实现不同的电容值。
利用电磁场仿真软件进行模拟和优化，以预测电容的性能并进行结构调整，通过调整金属层的尺寸、间距和形状，以及优化介质层的厚度和材料选择，可以实现所需规格的集成电容。使用专业的测试设备和技术，如网络分析仪、薄膜测厚仪等，确保电容满足容差要求。
本发明通过给MEMS滤波器封装所使用的印制电路板提供内置电容层，充分利用印制电路板内部空间，达到提高电性能、降低滤波器尺寸、降低成本的目的，通过调整金属层的形状和面积、介质层的厚度和介电常数等参数，可以控制形成的电容的值。
实施例2：区别于实施例1，本实施例中包封材料包含两层，内层包封材料21在MEMS谐振器芯片1与印制电路板4之间实现一个空腔23，外层包封材料22包裹在内层包封材料21上方对其形成覆盖，互连凸块3设置在空腔23内对MEMS谐振器芯片1与印制电路板4形成电连接。
实施例3：本实施例提供三种不同的方案的性能对比。三种方案中：方案A采用现有工艺，作为对比对象存在，结构采用MEMS+IPD+传统基板，尺寸为1.4*1.4mm；方案B和C为基于本发明实现的改进方案，B方案采用：MEMS+内置电容层基板，尺寸：1.4*1.4mm；C方案采用：MEMS+内置电容层基板，尺寸：1.1*0.9mm。图3(a)、(b)、(c)为三种方案的性能示意图。
图4为三种方案的正向传输系数曲线对比，可以看出方案B与方案A的滤波器性能指标一致，二者对比可以说明采用本发明改进后的器件能够替代基于现有工艺的器件；方案C在方案B的基础上减小了器件尺寸，其器件性能虽略有下降，但降低尺寸带来的有益效果更大。方案C仅以1.1*0.9mm的尺寸，实现了性能不显著恶化情况，能够看出：在相同性能要求的前提下，现有技术已经无法再进一步小型化，但应用本发明提供的内置电容层形成的方案C，将现有尺寸为1.4*1.1mm的产品进一步降低至1.1*0.9mm，面积降低0.55mm2，降低约35％，这种尺寸降低几乎不损害性能(＜1％)，是在现有技术上质的突破。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (8)
1.一种MEMS滤波器结构，其特征在于，包括：
MEMS谐振器芯片，用于产生特定频率的振动响应；
包封材料，用于封装所述MEMS谐振器芯片；
印制电路板，具有多层呈层叠设置的介质层以及位于两层介质层之间的金属层，其中，一个被选择的所述介质层与其上下两层金属层形成内置电容层；
互连凸块，布置于所述印制电路板上，所述MEMS谐振器芯片通过互连凸块与所述印制电路板的金属层电连接，以形成MEMS滤波器；所述包封材料为单层，且对所述MEMS谐振器芯片形成封闭式包裹，所述互连凸块穿过所述包封材料对所述MEMS谐振器芯片与所述印制电路板形成电连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS滤波器结构，其特征在于：用于形成所述内置电容层的介质层由所述印制电路板其中一层介质层的全部面积形成；用于形成所述内置电容层的上下两层金属层由所述被选择介质层的上下两层金属层的全部或部分面积形成，且上下两层金属层的面积存在重叠。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS滤波器结构，其特征在于：通过配置所述上下两层金属层的形状、面积、厚度、上下重叠面积，以形成不同容值大小的内置电容层；通过配置所述介质层的厚度、材料，以形成不同电容密度的内置电容层。
4.根据权利要求1所述的MEMS滤波器结构，其特征在于：所述内置电容层为多个，多个内置电容层分别由不同的被选择介质层以及被选择介质层上下两层金属层形成，且用于形成多个内置电容层的金属层不同。
5.根据权利要求1所述的MEMS滤波器结构，其特征在于：所述内置电容层的上下金属层分割成若干个区域，分割后的上下区域金属层与所述被选择的介质层形成若干个电容结构，同层区域金属层之间或上区域金属层与上层金属层、下区域金属层与下层金属层之间的连接实现所述若干个电容结构的串联或并联。
6.根据权利要求1所述的MEMS滤波器结构，其特征在于：所述MEMS谐振器芯片是基于MEMS工艺、利用声表滤波原理实现射频信号转换为机械振动的器件，包括SAW谐振器、BAW谐振器。
7.根据权利要求1所述的MEMS滤波器结构，其特征在于：所述互连凸块为若干个，且采用金凸点或共晶焊料凸点实现。
8.根据权利要求1所述的MEMS滤波器结构，其特征在于：所述介质层采用玻纤或树脂材料，所述印制电路板为利用标准印制电路板工艺制成的电路板结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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