CN1265561C - 收发器无源器件和模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种收发器无源器件和模块。该收发器无源器件包括半导体衬底或介电衬底、至少一个电容器、一介电层、至少一个电感、一通孔、一金属电极、射频信号线、以及射频地线。该至少一个电容器形成在衬底上。该介电层形成在电容器和衬底上。该至少一个电感形成在介电层上。通孔穿过介电层。金属电极形成在通孔内并电连接电容器和电感。射频信号线用于电感和电容。射频地线形成在衬底上并于射频信号线隔离。安装无源器件及其模块所需的面积的减小有利于缩小通信系统的大小。此外，MEMS技术的使用可减小电感的插损，这提高了通信系统的通信质量。

Description

收发器无源器件和模块
技术领域
本发明涉及收发器无源器件和模块、及其制造方法，更具体地，涉及其中的电容器、电感等利用微电机械系统(Micro Electro MechanicalSystem)(MEMS)技术形成在介电层上和下、且彼此连接以形成电路的收发器无源器件和模块。
背景技术
随着无线通信技术的发展，开发了用于提高移动通信系统通信质量并减小移动通信系统尺寸的技术。此外，无线通信系统的发射与接收方法已经发展为利用多个频带中的不同频率，例如使用900MHZ频带的码分多路访问(CDMA)模式、以及利用1.8GHZ频带的个人通信系统(PCS)模式等等。因此，在使用这些多频带的收发器中，需要减小无线通信系统的尺寸。
为了减小个人移动通信系统的大小，最重要的是减小无源器件的尺寸，该无源器件占用了个人移动通信系统中的最大空间。因为通用移动通信系统中使用的无源器件大多数是分立器件，占用了基板上的大量空间，所以它们增加了芯片安装所需的面积和制造成本。尤其是，电感占用了大量空间，并降低了通信质量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个目的是提供利用MEMS技术集成在介电层上和下的收发器无源器件。
本发明的第二个目的是提供一种模块，其中，多个收发器无源器件利用MEMS技术形成在介电层上和下，并彼此连接形成电路。
因此，为了实现第一个目的，提供一种收发器无源器件，包括半导体衬底或介电衬底、至少一个电容器、一介电层、至少一个电感、一通孔、一金属电极、射频信号线、以及射频地线。该至少一个电容器形成在衬底上。该介电层形成在电容器和衬底上。该至少一个电感形成在介电层上。通孔穿过介电层。金属电极形成在通孔内，并电连接电容器和电感。射频信号线用于电感和电容。射频地线形成在衬底上，并与射频信号线隔离。
为了实现第二个目的，提供一种收发器用集成模块，包括半导体衬底或介电衬底、多个电容器、一介电层、多个电感、通孔、多个金属电极、射频信号线、以及多个射频地线。多个电容器形成在衬底上。介电层形成在电容器和衬底上。多个电感形成在介电层上。通孔穿透介电层。多个金属电极形成在通孔内，并电连接电容器和电感。射频信号线用于电感和电容器。多个射频地线形成在衬底上，并与射频信号线隔离。此处，电路由电容器、电感和射频信号线形成。该电路包括射频选择器、双工器、发射带通滤波器、以及接收带通滤波器。射频选择器由高通滤波器和低通滤波器构成。双工器包括将信号传输至射频选择器并由带通滤波器构成的发射滤波器、以及从射频选择器接收信号并由带通滤波器构成的接收滤波器。该发射带通滤波器通过功率放大器将信号传输至发射滤波器。该接收带通滤波器通过低噪放大器自接收滤波器接收信号。
还形成至少一个射频集成电路，以连接至衬底上的电容器上。
本发明还提供一种收发器无源器件，包括：半导体衬底和介电衬底中的一个；至少一个形成在该衬底上的电感；形成来覆盖该衬底和该电感的一介电层；形成在该介电层上的至少一个电容器；贯穿该介电层的一通孔；形成在该通孔中并电连接该电容器和电感的一金属电极；用于该电感和电容器的射频信号线；以及形成在该介电层上并与该射频信号线隔离的射频地线。
本发明还提供一种收发器集成模块，包括：半导体衬底和介电衬底中的一个；多个形成在该衬底上的电感；形成来覆盖该衬底和该电感的一介电层；形成在该介电层上的多个电容器；贯穿该介电层的多个通孔；形成在该通孔中并电连接该电容器和电感的多个金属电极；用于该电感和电容器的射频信号线；以及形成在该介电层上并与该射频信号线隔离的多条射频地线，其中，该电容器、电感和射频信号线构成一电路，该电路包括：一射频选择器，其包括高通滤波器和低通滤波器；双工器，其包括将信号传输至射频选择器并包括带通滤波器的发射滤波器、以及从射频选择器接收信号并包括带通滤波器的接收滤波器；发射带通滤波器，其通过功率放大器将信号传输至发射滤波器；以及接收带通滤波器，其通过低噪放大器自接收滤波器接收信号。
附图说明
通过结合附图对本发明优选实施例进行详细说明，本发明的以上目的和优点将更加清晰，附图中：
图1A和1B是作为根据本发明第一实施例的收发器无源器件的高通滤波器的示意性横截面视图和部分透视图；
图2是图1A和1B所示高通滤波器的等效电路图；
图3是本发明第一实施例的变化例的横截面视图；
图4是作为根据本发明第二实施例的收发器无源器件的低通滤波器的示意性横截面视图；
图5是图4所示低通滤波器的等效电路图；
图6是本发明第二实施例的变化例的横截面视图；
图7是作为根据本发明第三实施例的收发器无源器件的带通滤波器的等效电路图；
图8是作为根据本发明第四实施例的收发器无源器件的集成模块的等效电路图；
图9是说明根据本发明第四实施例的集成模块的分解透视图；以及
图10是本发明第四实施例的变化例的透视图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细说明本发明的收发器无源器件和模块的实施例。
图1A和1B是作为本发明第一实施例的收发器无源器件的高通滤波器(HPF)的示意性横截面视图和部分透视图。图2是图1A和1B所示HPF的等效电路图。如图2所示，HPF具有一基本电路结构，其中一电感L并联连接在彼此串联的两个电容器C1和C2之间。图1A和1B表明，具有此等效电路结构的HPF叠放在衬底110上。在衬底110上，第一电容器120和第二电容器130彼此串联。形成介电层160以覆盖衬底110及第一和第二电容器120和130，并在介电层160上形成电感140。电感140通过形成在通孔150中的电极152在介电层160下方于第一和第二电容器120和130之间的连线连接。
第一和第二电容器120和130通过MEMS技术制造。第一电容器120由以下部分构成：第二电极126，该电极为形成在衬底110上的下电极；第一电极122，该电极为与第二电极126相对的上电极；以及，间插在第一和第二电极122和126之间的第一电介质124。第二电容器130由以下部分构成：通过延伸第二电极126形成的上电极132；作为下电极的第三电极136；以及，间插在上电极132和第三电极136之间的第二电介质134。第一电极122的端部连接至输入信号线112，第三电极136的端部连接至输出信号线114，且地线116形成在输入和输出信号线112和114侧部以传输输入和输出信号线112和114的射频(RF)信号。此地线116通过形成在通孔150中的电极153连接至电感140的端部。
在具有上述结构的HPF中，如果具有预定频率的信号自输入信号线112输入，则具有预定频率的该信号通过第一和第二电容器120和130传输至输出信号线114。低于一预定频率的信号通过电感140输出至地线116。
图3是第一实施例的变化例的剖面图。与第一实施例的元件相同的元件用相同的附图标记表示。于是，将略去其详细描述。
在衬底110上形成介电膜111，在介电膜111上形成电感140。介电层160形成在介电膜111上，以覆盖电感140。电感140通过形成在通孔150中的电极152连接至介电层160上的第一和第二电容器120和130之间的连线上。
介电膜111由聚酰亚胺或苯甲基氯丁烯(benzylchlobutene)(BCB)聚合物形成，以防止衬底110为半导体时RF信号的损失。
具有上述结构的HPF的操作类似于第一实施例的HPF的结构，因此其详细说明省略。
图4是作为本发明第二实施例的收发器的无源器件的低通滤波器(LPF)的示意性横截面视图。图5是图4所示LPF的等效电路图。如图5所示，LPF具有一基本的电路结构，其中，一电容器C并联连接在两个电感L1和L2之间。图4示出在衬底210上叠置具有此等效电路结构的LPF。电容器220形成在衬底210上，且介电层260形成在衬底210上，以覆盖电容器220。第一和第二电感230和240在介电层260上彼此串联连接。电容器220通过形成在通孔250中的电极252连接至衬底210上的第一和第二电感230和240之间的连线上。衬底210由半导体或电介质形成。第一电感230的一端通过电极252连接至衬底210上的输入信号线212，第二电感240的一端通过电极254连接至衬底210上的输出信号线214，且电容器220的下电极226连接至地线G。
电容器220由MEMS技术制造。电容器220由形成在衬底210上的下电极226、相对于下电极226的上电极222、以及间插在下电极和上电极226和222之间的电介质224形成。
第一和第二电感230和240由MEMS技术制造，且通过通孔250连接至电容器220。
在具有上述结构的LPF中，如果具有预定频率的信号自连接至第一电感230的一端的输入信号线212输入，则该信号经过第一电感和第二电感230和240传输至连接到第二电感240的另一端的输出信号线214。预定频率之上的信号通过电容器220输出之地线G。
图6是第二实施例的变化例的横截面视图。与第一实施例的相同的附图标记表示相同的元件，且略去其详细描述。
参照图6，在衬底210上形成介电膜211。在介电膜211上形成两个电感230和240。介电层260形成在电感230和240上，以覆盖介电膜211。电感230和240之间的连线通过形成在通孔250中的电极252与介电层260上的电容器220的下电极226相连。
介电膜211由聚酰亚胺或苯甲基氯丁烯(BCB)聚合物形成，以防止衬底210为半导体时RF信号损失。
具有上述结构的LPF的操作与第二实施例的LPF的结构相似，因此略去其详细描述。
图7是作为本发明第三实施例的收发器的无源器件的带通滤波器(BPF)的等效电路图。参见图7，多个电容器C1、C2、C3和C4彼此串联连接。其它电容器C5、C6和C7以及电感L1、L2和L3彼此并联连接在电容器C1、C2、C3和C4之间。为了将此等效电路叠放在一衬底上，电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7形成在衬底上，且形成介电层以覆盖电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7。电感L1、L2和L3形成在介电层上，以通过形成在穿透该介电层的通孔中的电极(参见图1A和1B的152、以及图5的252)与电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7相连。
作为上述结构的一变化例，为了在一衬底上叠置该电路，在薄介电膜形成在该衬底上之后，在该介电膜上形成电感L1、L2和L3，并形成一介电层以覆盖电感L1、L2和L3以及该介电膜。电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7形成在该介电层上，以通过穿透该介电层的通孔电极与电感L1、L2和L3相连。
电感L1、L2和L3以及电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7通过MEMS技术制造。
在具有上述结构的BPF中，具有预定频率的信号输入至第一电容器C1的一端，且该信号由电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6和C7、以及电感L1、L2和L3的电路过滤，并传输至电容器C4一端的输出信号线。
图8是作为本发明第四实施例的收发器的无源器件的集成模块的等效电路图。此集成模块可用于两个频带：使用1.8GHz频带中的发射和接收频率的PCS模式；以及使用0.9GHz频带中的发射和接收频率的CDMA模式。
参见图8，作为收发器的无源器件的集成模块由射频(RF)选择器S、双工器D1和D2、发射带通滤波器B3和B7、以及接收带通滤波器B4和B8构成。RF选择器S区分来自发射和接收天线ANT的频率信号。双工器D1和D2接收并切换从发射和接收天线ANT接收的信号、以及将发射至发射和接收天线ANT的信号。发射带通滤波器B3和B7过滤将传输至双工器D1和D2的信号。接收带通滤波器B4和B8过滤自双工器D1和D3接收的信号。
RF选择器S包括一HPF和一LPF，这两个滤波器分别相同于第一和第二实施例中所述的滤波器。双工器D1和D2分别包括发射滤波器B1和B5，并且分别包括接收滤波器B2和B6，它们由第三实施例中所述的带通滤波器构成。
为了在一衬底上叠置图8所示的等效电路，如前所述地在该衬底上连续形成多个电容器，且在衬底上形成一介电层，以覆盖该电容器。电感形成在介电层上，以通过形成在贯穿介电层的通孔中的电极(参见图1A和1B的152和图5的252)与电容器相连。
作为上述结构的变化例，为了将电路叠置在一衬底上，在该衬底上形成一薄介电膜。接着，电感形成在该薄介电膜上，然后形成一介电层，以覆盖该电感和衬底。电容器形成在该介电层上，以通过贯穿介电层的通孔电极连接该电感。
于是，无源器件之间的连接通过MEMS技术在一衬底上形成。具有上述结构的集成模块用作与外部集成电路(IC)相连的无线收发器，该外部集成电路包括音频信号和电路之间的转换器、将低频信号调制成高频信号的调制器、放大器等等。
具有上述结构的收发器集成模块的操作将参照图8详细描述。首先，将描述信号发射过程。发射节点Tx发射信号，发射带通滤波器B3和B7过滤该信号，功率放大器(PA)放大该信号，双工器D1和D2的发射滤波器B1和B5过滤该信号，HPF或LPF传输该信号至发射与接收天线ANT，然后发射至外界。
接着，将描述信号接收过程。自发射与接收天线ANT接收的信号基于信号频率选择其在RF选择器S中的路径。双工器D1和D2的接收过滤器B2和B6过滤该信号，且低噪放大器(LNA)放大该信号。发射带通滤波器B4和B8过滤该信号，并输出该信号至接收节点Rx。
图9是一分解透视图，示出了在图1B的HPF的衬底上制备的RFIC，此图用于详细描述本发明的第四实施例。第四实施例中的相同附图标记表示第一实施例中的相同元件，且略去其详细描述。参见图9，电容器120和130在衬底110上彼此串联连接。介电层160形成在衬底110和电容器122与132上，以覆盖衬底110和电容器120与130。电感140形成在介电层160上。电感140通过形成在通孔150中的电极152连接至介电层160下方电容器120与130之间的连线上。衬底110由半导体或电介质形成。
多个RF集成电路(IC)184连接至信号线182，该信号线连接至电容器120与130之间的连线上。
图10示出了在图3的HPF的衬底上制备的多个RFIC，此图用于详细说明本发明的第四实施例。第四实施例中的相同附图标记表示第一实施例中的相同元件，且略去其详细描述。
参见图10，介电膜111形成在衬底110上，且在介电膜111上形成电感140。此外，在介电膜111上形成介电层160，以覆盖电感140。两个电容器120和130形成在介电层160上，且多个RFIC184连接至信号线182，该信号线连接至电容器120和130之间的连线上。
RFIC184可以是振荡器、混频器、LNA或驱动放大器，且由电阻器、电容器和电感构成。RFIC184可以是常规的分立器件，或者可以是一电路，在该电路中，在介电层160的第一表面上形成有至少一电容器(未示出)，在该介电层160的第二表面上形成有至少一电感(未示出)，且形成在通孔中的电极通过以上实施例的方法将电容器连接至电感。
如上所述，安装本发明无源器件及其模块所需的面积的减小有利于缩小通信系统的大小。此外，MEMS技术的使用可减小电感的插损，这提高了通信系统的通信质量。
虽然本发明已参照其优选实施例得以具体地显示和描述，但是，本领域普通技术人员将理解，在不超出所附权利要求确定的本发明的精髓和范围的情况下，可对其作形式和细节上的各种改变。

Claims (22)

1.一种收发器无源器件，包括
半导体衬底和介电衬底中的一个；
至少一个形成在该衬底上的电容器；
形成在该电容器和该衬底上的一介电层；
形成在该介电层上的至少一个电感；
贯穿该介电层的一通孔；
形成在该通孔中并电连接该电容器和电感的一金属电极；
用于该电感和电容器的射频信号线；以及
形成在该衬底上并与该射频信号线隔离的射频地线。
2.如权利要求1所述的收发器无源器件，其中，两个电容器和一个电感构成高通滤波器，且该电感通过该通孔并联连接至该电容器。
3.如权利要求1所述的收发器无源器件，其中，一个电容器和两个电感构成低通滤波器，且该电容器通过该通孔并联连接至该电感。
4.如权利要求1所述的收发器无源器件，其中，多个彼此串联连接的电容器、在该串联连接的电容器之间并联连接的电容器、以及在该串联连接的电容器之间通过该通孔并联连接的电感构成带通滤波器。
5.一种收发器集成模块，包括：
半导体衬底和介电衬底中的一个；
多个形成在该衬底上的电容器；
形成在该电容器和该衬底上的一介电层；
形成在该介电层上的多个电感；
贯穿该介电层的通孔；
形成在该通孔中并电连接该电容器和电感的多个金属电极；
用于该电感和电容器的射频信号线；以及
形成在该衬底上且与射频信号线隔离的多个射频地线，
其中，该电容器、电感和射频信号线构成一电路，该电路包括：
一射频选择器，其包括高通滤波器和低通滤波器；
双工器，其包括将信号传输至射频选择器并包括带通滤波器的发射滤波器、以及从射频选择器接收信号并包括带通滤波器的接收滤波器；
发射带通滤波器，其通过功率放大器将信号传输至发射滤波器；以及
接收带通滤波器，其通过低噪放大器自接收滤波器接收信号。
6.如权利要求5所述的收发器集成模块，还包括至少一个射频集成电路，该集成电路与该衬底上的电容器相连。
7.如权利要求6所述的收发器集成模块，其中，该射频集成电路是一分立器件和一电路中的一种，该电路包括至少一个形成在该衬底上的电容器、至少一个形成在该介电层上的电感、以及形成在通孔上并电连接该电容器和该电感的电极。
8.如权利要求5所述的收发器集成模块，其中，该高通滤波器包括两个电容器和一个电感，且该电感通过该通孔并联连接至该电容器。
9.如权利要求5所述的收发器集成模块，其中，该低通滤波器包括一电容器和两个电感，且该电容器通过该通孔并联连接至该电感。
10.如权利要求5所述的收发器集成模块，其中，该带通滤波器包括多个彼此串联连接的电容器、在该串联连接的电容器之间并联连接的电容器、以及在该串联连接的电容器之间通过该通孔并联连接的电感。
11.一种收发器无源器件，包括：
半导体衬底和介电衬底中的一个；
至少一个形成在该衬底上的电感；
形成来覆盖该衬底和该电感的一介电层；
形成在该介电层上的至少一个电容器；
贯穿该介电层的一通孔；
形成在该通孔中并电连接该电容器和电感的一金属电极；
用于该电感和电容器的射频信号线；以及
形成在该介电层上并与该射频信号线隔离的射频地线。
12.如权利要求11所述的收发器无源器件，还包括形成在该衬底和该电感之间的一介电膜。
13.如权利要求11所述的收发器无源器件，其中，两个电容器和一个电感构成高通滤波器，且该电感通过该通孔并联连接至该电容器。
14.如权利要求11所述的收发器无源器件，其中，一个电容器和两个电感构成低通滤波器，且该电容器通过该通孔并联连接至该电感。
15.如权利要求11所述的收发器无源器件，其中，多个彼此串联连接的电容器、在该串联连接的电容器之间并联连接的电容器、以及在该串联连接的电容器之间通过该通孔并联连接的电感构成带通滤波器。
16.一种收发器集成模块，包括：
半导体衬底和介电衬底中的一个；
多个形成在该衬底上的电感；
形成来覆盖该衬底和该电感的一介电层；
形成在该介电层上的多个电容器；
贯穿该介电层的多个通孔；
形成在该通孔中并电连接该电容器和电感的多个金属电极；
用于该电感和电容器的射频信号线；以及
形成在该介电层上并与该射频信号线隔离的多条射频地线，
其中，该电容器、电感和射频信号线构成一电路，该电路包括：
一射频选择器，其包括高通滤波器和低通滤波器；
双工器，其包括将信号传输至射频选择器并包括带通滤波器的发射滤波器、以及从射频选择器接收信号并包括带通滤波器的接收滤波器；
发射带通滤波器，其通过功率放大器将信号传输至发射滤波器；以及
接收带通滤波器，其通过低噪放大器自接收滤波器接收信号。
17.如权利要求16所述的收发器集成模块，还包括形成在该衬底和该电感之间的一介电膜。
18.如权利要求16所述的收发器集成模块，还包括至少一个射频集成电路，该集成电路与该衬底上的电容器相连。
19.如权利要求16所述的收发器集成模块，其中，该射频集成电路是一分立器件和一电路中的一种，该电路包括至少一个形成在该衬底上的电容器、至少一个形成在该介电层上的电感、以及形成在通孔上并电连接该电容器和该电感的电极。
20.如权利要求16所述的收发器集成模块，其中，该高通滤波器包括两个电容器和一个电感，且该电感通过该通孔并联连接至该电容器。
21.如权利要求16所述的收发器集成模块，其中，该低通滤波器包括一电容器和两个电感，且该电容器通过该通孔并联连接至该电感。
22.如权利要求16所述的收发器集成模块，其中，该带通滤波器包括多个彼此串联连接的电容器、在该串联连接的电容器之间并联连接的电容器、以及在该串联连接的电容器之间通过该通孔并联连接的电感。
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