DE102006044663A1

DE102006044663A1 - Filterbauelement

Info

Publication number: DE102006044663A1
Application number: DE200610044663
Authority: DE
Inventors: Andreas Detlefsen; Zoltan Dr. Kovats; Jürgen Dr. Kiwitt; Maximilian Dr. Pitschi
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-04-03
Also published as: WO2008034429A1

Abstract

Es wird ein Filterbauelement aus einem ersten und einem zweiten SAW-Filterelement vorgeschlagen, bei dem ein erstes eingangsseitig angeordnetes Filterelement eine erste Fingermetallisierung und ein zweites näher dem Ausgang angeordnetes zweites Filterelement eine zweite Fingermetallisierung aufweist, die sich im Aufbau voneinander unterscheiden und bei dem die erste Fingermetallisierung eine höhere Leistungsfestigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterbauelement, welches zumindest ein SAW-Filter (SAW = Surface Acoustic Wave) aufweist und welches insbesondere zur Verarbeitung und Filterung von HF-Signalen im Mobilfunk oder anderen Funkanwendungen eingesetzt wird.
In Abhängigkeit vom gewünschten Einsatzzweck können verschiedene Eigenschaften eines solchen Filterbauelements optimiert werden, beispielsweise die Güte, die Einfügedämpfung, die Leistungsfestigkeit, die Selektivität, das Temperaturverhalten oder auch die Zuverlässigkeit. Zur Optimierung bezüglich dieser Eigenschaften werden unterschiedlichste Parameter im Aufbau der SAW-Filter verändert. Dies führt zwar oft bezüglich bestimmter Eigenschaften zur Verbesserung, meist müssen dabei gleichzeitig Verschlechterungen bezüglich anderer Eigenschaften in Kauf genommen werden.
So kann beispielsweise zur Temperaturkompensation eines Filters, also zur Erniedrigung der Temperaturkonstanten der Filtereigenschaften eine dielektrische Schicht über den metallischen Filterstrukturen eines SAW-Filters angeordnet werden. Neben der Reduktion des Temperatur-Koeffizienten verschlechtern sich dabei jedoch typischerweise gleichzeitig auch andere kritische elektrische Parameter. Beispielsweise werden damit verbunden ein erhöhter Fingerwiderstand, eine erniedrigte Kopplung oder eine verminderte Fingerreflexion beobachtet.
Eine verbesserte Leistungsfestigkeit kann in einem SAW-Filter durch die Verwendung entsprechend leistungsfester Metalle verbessert werden. In der Regel wird dies jedoch mit einem erhöhten Fingerwiderstand erkauft, der eine erhöhte Einfügedämpfung und damit eine erhöhte Leistungsaufnahme des Bauelements zur Folge hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Filterbauelement mit bezüglich der o. g. Filtereigenschaften verbessertem Verhalten anzugeben, bei dem die erwähnten Nachteile minimiert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Filterbauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass in einem Filterbauelement vorgenommene Optimierungen in den Metallisierungsstrukturen, nicht in allen Filterbereichen in gleichem Ausmaß wirksam sind. Es wird daher vorgeschlagen, die Metallisierung für die akustische Leitbahn eines SAW-Filters in einem Filterbauelement nur in bestimmten Bereichen der Metallisierung und insbesondere bei bestimmten Filterelementen vorzunehmen, bei denen der damit verbundene positive Effekt maximal ist. Bezüglich der übrigen Filterelemente, bei denen eine entsprechende Optimierung mit geringerem oder minimalem Erfolg verbunden ist, wird auf diese entsprechende Optimierung verzichtet.
Es wird daher ein Filterbauelement angegeben, welches zumindest ein erstes und ein zweites SAW-Filterelement umfasst. Das erste Filterelement weist eine erste Fingermetallisierung und das zweite SAW-Filterelement eine zweite Fingermetallisierung auf, die sich in ihrem Aufbau unterscheiden und wobei die erste Fingermetallisierung eine höhere Leistungsfähigkeit besitzt.
Ein Filterbauelement umfasst definitionsgemäß zumindest Teile eines SAW-Filters, ein oder mehrere komplette SAW-Filter und gegebenenfalls weitere mit den Filtern oder allgemein mit den Filterelementen zusammen verschaltete oder zusammen wirkende Komponenten umfassen kann. Ein Filterbauelement kann z. B. ein SAW-Filter, ein Duplexer, ein Diplexer, ein Frontendmodul oder ein Transceivermodul sein.
Unter Filterelement wird eine funktionelle Einheit eines SAW-Filters verstanden, die zumindest eine akustische Spur aufweist. Ein einfaches Filterelement ist beispielsweise ein Resonator, der zumindest einen elektroakustischen Wandler aufweist, der auf beiden Seiten der akustischen Spur von je einem Reflektor begrenzt ist. Ein Filterelement kann jedoch auch Resonatoren mit mehreren Wandlern, eine DMS-Spur oder ein Transversalfilter umfassen.
Unter Fingermetallisierung wird die Metallisierung der Bauelementstrukturen verstanden, die innerhalb der akustischen Spur angeordnet sind und im Betrieb des Filterbauelements eine akustische Welle anregen oder reflektieren. Übrige Metallisierungen wie insbesondere Busbars und sonstige Leiterbahnen oder elektrisch leitende Strukturen, die möglicherweise einem Filterelement zugeordnet sind, fallen nicht unter die Definition Fingermetallisierung und werden hier nicht betrachtet. Das schließt nicht aus, dass diese anderen Strukturen die gleiche Metallisierung wie die Fingerelektroden und Reflektoren des Filterelements aufweisen.
Unter unterschiedlichem Aufbau einer Fingermetallisierung werden von Grund auf verschiedene Aufbauten verstanden, die sich nicht nur durch eine Skalierung und insbesondere durch eine unterschiedliche Metallisierungshöhe unterscheiden. Ein unterschiedlicher Aufbau betrifft also unterschiedliche Materialien, unterschiedliche Abfolgen von Schichten an Elektrodenmaterialien oder gleiche Abfolgen mit unterschiedlichen Dickenverhältnissen der Elektroden-Teilschichten.
Unter Leistungsfestigkeit einer Fingermetallisierung wird die strukturelle Beständigkeit einer Fingerelektrode bei Beaufschlagung mit maximaler Leistung verstanden. Eine verminderte Leistungsbeständigkeit einer Fingermetallisierung führt bei elektrischer Belastung in Verbindung mit mechanisch akustischer Belastung zu Materialveränderungen, die bis hin zur Zerstörung der aus der Fingermetallisierung bestehenden, elektrisch belasteten Strukturen und damit auch zur Funktionsunfähigkeit des Filterelements führen können.
Erstes und zweites Filterelement sind direkt miteinander verschaltet und vorzugsweise auf einem gemeinsamen Chip realisiert. Unter direkter Verschaltung wird verstanden, dass keine aktiven Komponenten wie etwa Verstärker oder aktive Halbleiterbauelemente zwischen den beiden Filterelementen angeordnet sind. Die direkte Verschaltung schließt nicht aus, dass zwischen den beiden Filterelementen passive Komponenten, Induktivitäten, Widerstände und Kapazitäten vorgesehen oder parasitär wirksam sind.
Die SAW-Filterelemente eines Filterbauelements können in unterschiedlicher Weise miteinander verschaltet sein. Mehrere Filterelemente können ein Filtersegment eines SAW-Filters darstellen, wobei mehrere Filtersegmente dann elektrisch kaskadiert sind und im Zusammenwirken in der Kaskade das Filter ergeben. Unter Kaskadierung wird die Anordnung der Filtersegmente längs eines Signalpfads verstanden. Ein Filtersegment kann auch mehrere als Resonatoren ausgebildete Filterelemente umfassen, die zusammen ein Grundglied eines Reaktanzfilters bilden. Ein solches Grundglied weist zumindest einen im seriellen Signalpfad angeordneten Serienresonator und zumindest einen in einem Querzweig gegen Masse angeordneten Parallelresonator auf. Ein Grundglied kann auch Resonatoren umfassen, die selbst wiederum kaskadiert sind.
Ein Filtersegment kann auch eine DMS-Spur umfassen, die in Verschaltung mit mindestens einem seriellen oder parallelen Resonator oder in Kombination mit zumindest einem Grundglied eines Reaktanzfilters und/oder mehreren weiteren Filterelementen ein SAW-Filter bildet.
Bei kaskadierten Filtersegmenten kann eine Eingangs- und eine Ausgangsseite definiert werden, die der anwendungsbedingten Durchleitrichtung des elektrischen Signals durch die Kaskade entspricht. Die Filterwirkung und die Verluste eines jeden Segments führen dazu, dass die effektiv durch das Segment fließende Leistung üblicherweise von Segment zu Segment abnimmt und eingangsseitig angeordnete Filtersegmente daher der höchsten Leistung, ausgangsseitig angeordnete Filtersegmente dagegen der relativ geringsten Leistung standhalten bzw. diese durchleiten müssen.
Vorteilhaft ist es daher, zumindest das eingangsseitig angeordnete Filtersegment eines Signalpfads mit der ersten Fingermetallisierung zu versehen, um unabhängig von der Fingermetallisierung der übrigen Filtersegmente bereits eine verbesserte Leistungsbeständigkeit des gesamten Filters bezie hungsweise des gesamten Filterbauelements zu erreichen. Ein zweites oder weitere Filtersegmente, die "hinter" dem ersten Filtersegment in Richtung Ausgangsseite angeordnet sind, können dabei eine herkömmliche Standardmetallisierung beziehungsweise die genannte zweite Metallisierung mit der geringeren Leistungsfestigkeit aufweisen.
Ein Filterbauelement kann zwei Filter aus zumindest je einem Filterelement umfassen, die zu einem Duplexer verschaltet sind. Ein Duplexer weist einen Sende- und einen Empfangspfad auf, in dem zumindest je ein Filtersegment angeordnet ist. Im Duplexer kann dann das eingangsseitig erste Filtersegment im Sendepfad mit der ersten Fingermetallisierung versehen sein. Differenziert man Sende- und Empfangspfad in der Metallisierung, so kann allein mit der verbesserten Leistungsfestigkeit des Filters im Sendepfad eine wesentlich verbesserte Leistungsfestigkeit des Duplexers erzielt werden, da der Sendepfad im Normalbetrieb mit einer höheren Leistung beaufschlagt wird als der Empfangspfad. Zusätzlich ist es auch möglich, im Empfangspfad zumindest das eingangsseitige erste Filtersegment mit der ersten Fingermetallisierung zu versehen.
Wegen der hohen Leistungsbeaufschlagung des Sendefilters beziehungsweise seiner Filtersegmente ist es auch vorteilhaft, alle Filtersegmente im Sendepfad mit der ersten Metallisierung zu versehen und gleichzeitig im Empfangspfad ein Filterelement des eingangsseitigen ersten Filtersegments ebenfalls mit der ersten Fingermetallisierung auszustatten, während die Fingermetallisierung zumindest eines ausgangsseitig im Empfangspfad angeordneten Filtersegments mit einer dielektrischen TK-Kompensationsschicht abgedeckt ist. Eine TK-Kompensationsschicht ist eine Schicht, die den Temperaturkoeffizienten TK einer mit einer solchen Schicht versehenen Struk tur (Filterelement) reduziert. Eine TK-Kompensationsschicht hat daher in der Regel bezüglich zumindest eines Parameters einen niedrigeren Temperaturgang beziehungsweise einen Temperaturgang mit gegenüber der zu schützenden Struktur entgegengesetztem Vorzeichen. Als für SAW-Filterelemente kritischer Temperaturgang wird insbesondere der Temperaturgang der Frequenz angesehen, da er die Eigenschaften des Filterbauelements am stärksten beeinflusst und insbesondere die Flanken des Passbands unzulässig verschieben kann.
Eine geeignete TK-Kompensationsschicht für eine Fingermetallisierung kann eine Siliziumoxid-Schicht umfassen. Diese hat den Vorteil, dass die bereits bei niedrigen relativen Schichtdicken (bezogen auf die Wellenlänge bei Mittenfrequenz des Filters) eine Kompensationswirkung zeigen. Geeignete TK-Kompensationsschichten weisen daher relative Schichtdicken von zumindest 5% auf. Mit zunehmender Schichtdicke wird zwar die Temperaturkompensation verbessert, jedoch gleichzeitig elektrische Werte verschlechtert. Vorteilhaft ist es daher, die TK-Kompensationsschicht nur für solche Filterelemente oder Filtersegmente einzusetzen, die besonders kritisch bezüglich des Temperaturgangs und insbesondere besonders kritisch bezüglich des Temperaturgangs der Frequenz der Passbandflanken sind. Sinnvoll und vorteilhaft ist es daher z. B., als eingangsseitiges Filtersegment im Empfangspfad ein Ladder Type Struktur von Resonatoren vorzusehen und deren Fingermetallisierung mit einer TK-Kompensationsschicht zu bedecken.
Sind im Filterbauelement weitere DMS-Spuren vorgesehen, so ist es vorteilhaft, weitere oder alle DMS-Spuren mit der TK-Kompensationsschicht zu versehen.
Ein weiteres von der Anordnung der Filtersegmente in einem Duplexer unabhängiges Kriterium, nach dem vorteilhaft die Auswahl einer geeigneten Fingermetallisierung erfolgen kann, ist die Resonanzfrequenz. So ist es vorteilhaft, solche Filterelemente eines Signalpfads (Sende- oder Empfangspfad) mit einer ersten leistungsfesten Metallisierung zu versehen, deren Resonanz- oder Antiresonanzfrequenz entweder im Bereich eines Frequenzbands liegen, in dem viel Leistung anliegt, also insbesondere dem Sendeband. Im einem Bereich liegen bedeutet dabei, dass ein zum eigentlichen Bereich benachbarter Bereich von z. B. +/– 40 MHz bei 1 GHz Mittenfrequenz auf beiden Seiten der durch die 3-dB-Bandgrenzen des jeweiligen Passbands mit eingeschlossen sein soll. Im Duplexer sind also vorteilhaft die Filterelemente des Empfangsfilters mit der ersten leistungsfesten Metallisierung versehen, deren Resonanzfrequenz in der Nähe des Sendebands liegt.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Filterbauelement mit einem Sende- und einem Empfangspfad, die je aus zumindest einem Filtersegment bestehen, bei dem jedes Filtersegment der beiden Signalpfade je zumindest ein Grundglied eines Reaktanzfilters umfasst, und bei dem ein serieller Resonator im Empfangspfad und ein paralleler Resonator im Sendepfad mit der ersten Fingermetallisierung ausgestattet sind. Gleichzeitig existiert zumindest ein paralleler Resonator im Empfangspfad, der nicht mit der ersten, sondern mit der zweiten Fingermetallisierung mit der niedrigeren Leistungsfestigkeit ausgestattet ist.
In dieser Variante wird ausgenutzt, dass in einem aus SAW-Resonatoren aufgebauten Reaktanzfilter die beiden Flanken des Durchlassbereichs (Passband) von unterschiedlich angeordneten Resonatortypen bestimmt werden. 50 wird beispielsweise die rechte Flanke des Passbands durch einen seriellen Resonator bestimmt, die linke Flanke hingegen durch die parallelen Resonatoren des Reaktanzfilters. In einem Duplexer sind die Filtersegmente des Sendepfads dem Tx-Band eines Mobilfunksystems angepasst, welches üblicherweise bei niedrigeren Frequenzen als das dazugehörige Rx-Band liegt. Bei dem im US-Markt weit verbreiteten CDMA-System im PCS-System ist der Abstand zwischen Rx-Band und Tx-Band so gering, dass die Passbänder der zugehörigen Sende- und Empfangsfilter im Duplexer besonders steile Flanken aufweisen müssen, damit die Passbänder nicht überlappen bzw. damit die Frequenzen des jeweils anderen Bands ausreichend unterdrückt werden. Durch erfindungsgemäße Ausgestaltung der Filterelemente (Resonatoren), die für die jeweils zum anderen Übertragungsband weisende Flanke des Passbands zuständig sind, gelingt mit einfachen Mitteln eine Verbesserung des gesamten Duplexers. Dementsprechend werden insbesondere diese Filterelemente mit erster Fingermetallisierung und TK-Kompensationsschicht versehen.
Aus den gleichen Gründen ist es sinnvoll, zumindest einen parallelen Resonator im Empfangspfad und/oder zumindest einen seriellen Resonator im Sendepfad mit einer dielektrischen TK-Kompensationsschicht abzudecken. Die TK-Kompensationsschicht hat unabhängig vom Ort ihrer Aufbringung auf eine Fingermetallisierung eines Filterelements eine Reduzierung des Temperaturgangs des Filters beziehungsweise des Filterbauelements zur Folge. Hier wird nun ausgenutzt, dass die mit der TK-Kompensationsschicht verbundenen Nachteile auf die Filterelemente beschränkt werden, die im speziellen Fall des Duplexers eine wesentliche temperaturabhängige Auswirkung auf die jeweilige Gegenbandunterdrückung der beiden Übertragungsbänder haben. So ist es für das Gesamtverhalten eines aus Reaktanz-Grundgliedern aufgebauten SAW-Filters günstiger, wenn nur die mit der TK-Kompensationsschicht bedeckten Filterelemente eine verringerte Güte haben.
Mit einer TK-Kompensationsschicht versehene Fingermetallisierungen führen zu Filterelementen, deren Eigenschaften gegenüber solchen Filterelementen, die die gleiche Fingermetallisierung aber ohne TK-Kompensationsschicht aufweisen, verschlechtert sind und die insbesondere eine verringerte Kopplung aufweisen. Um diese auszugleichen ist es vorteilhaft, eine TK-Kompensationsschicht mit einer veränderten Fingermetallisierung zu kombinieren, die die Kopplung erhöht. Dies wird erreicht, wenn für eine solche veränderte Fingermetallisierung schwerere Metalle verwendet werden, die den Impedanzunterschied zwischen dem piezoelektrischen Substrat eines SAW-Filters und der Fingermetallisierung erhöhen und damit die Reflexion verbessern.
Doch auch diese Maßnahme ist mit Nachteilen verbunden und führt insbesondere zu einem erhöhten Fingerwiderstand, der im Filter erhöhte Verluste zur Folge hat. Es ist vorteilhaft, solche Filterelemente, die mit hoher Leistung beaufschlagt werden, mit einer TK-Kompensationsschicht und einer entsprechend angepassten Fingermetallisierung mit erhöhter Leistungsfestigkeit auszustatten.
Eine Optimierung eines Filterbauelements bezüglich aller Filterelemente kann dazu führen, dass insgesamt drei verschiedene Fingermetallisierungen Verwendung finden, nämlich eine erste leistungsfeste Metallisierung ohne TK-Kompensationsschicht, eine zweite leistungsfeste Metallisierung mit TK-Kompensationsschicht und eine elektrisch gut leitende, aber weniger leistungsfeste dritte Metallisierung ebenfalls ohne TK-Kompensationsschicht. Die letztgenannte Fingermetallisie rung kann einen Aluminium-/Kupfer-/Aluminium Mehrschichtaufbau mit einem geringen Kupfervolumenanteil von insgesamt beispielsweise weniger als 8% aufweisen, die als Dreischichtverbund realisiert sein kann.
Eine leistungsfeste erste Metallisierung weist z. B. einen höheren Kupfervolumenanteil von mehr als 10 Prozent auf und ist vorzugsweise aus einem zumindest fünf Teilschichten umfassenden Schichtaufbau realisiert, bei dem sich Aluminium und Kupferschichten abwechseln. Neben dem Kupfer sind jedoch zur Erhöhung der Leistungsfestigkeit noch weitere Metalle und Metalllegierungen geeignet, beispielsweise solche Kombinationen, wie sie aus der DE 102 06 369 A bekannt sind, auf die hiermit voll inhaltlich Bezug genommen wird. Zur Verbesserung der Leistungsfestigkeit können solche Fingermetallisierung außerdem Passivierungsschichten umfassen, die vorzugsweise als oberste Schicht oder als Überzug von Fingermetallisierungen ausgebildet sind. Solche Passivierungsschichten können z. B. Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, diamantartigem Kohlenstoff (DLC), Titanoxid oder Magnesiumoxid jeweils alleine oder in Kombination mit anderen genannten oder nicht genannten Materialien umfassen.
In einem Filterbauelement können neben den ersten, zweiten und gegebenenfalls dritten Fingermetallisierungen noch weitere Metallisierungen vorhanden sein, aus denen Leiterbahnen, Stromschienen oder als elektrische Anschlussflächen dienende Pads realisiert sind. Da diese Metallstrukturen außerhalb der akustischen Spuren angeordnet sind und daher wenig oder keine Auswirkungen auf die akustischen Eigenschaften von SAW-Filterelementen aufweisen, können diese Metallisierungen unter anderen Gesichtspunkten optimiert sein. Solche vierten Metallisierungen können beispielsweise aufgedickt sein oder eine bond- oder lötfähige Oberfläche aufweisen. Solche Metallstrukturen können außerdem zur Verschaltung unterschiedlicher Filterelemente im Filterbauelement dienen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein Filterbauelement mit kaskadierten Filtersegmenten,
2 zeigt ein Filterbauelement mit zwei SAW-Filtern, die jeweils aus kaskadierten Filtersegmenten bestehen,
3 zeigt die Durchlasskurve eines Filters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 zeigt ein aus unterschiedlichen Filterelementen aufgebautes Filterbauelement,
5 zeigt ein weiteres aus unterschiedlichen Filterelementen aufgebautes Filterbauelement.
Das in 1 dargestellte Filterbauelement ist auf einem Chip CH realisiert und umfasst mehrere kaskadierte Filtersegmente FS₁ bis FS_n, wobei n ≥ 2. Das Filterbauelement (hier ein SAW-Filter) weist einen als Signaleingang genutzten ersten Anschluss T1 und einen als Ausgang genutzten zweiten Anschluss T2 auf. Die Filtersegmente können in unterschiedlichen SAW-Techniken ausgeführt sein, und beispielsweise Grundglieder eines Reaktanzfilters, also zumindest je einen seriellen Resonator und einen parallelen Resonator darstellen, oder können als DMS-Spur oder anderes kaskadierbares Filter element oder Filtersegment, beispielsweise als einzelner Ein- oder Mehrtor-Resonator ausgebildet sein. Abweichend von der Darstellung in 1 können unterschiedliche Filtersegmente des Filterbauelements auch auf unterschiedlichen Chips angeordnet sein.
Zumindest das dem als Eingang genutzten Anschluss T1 in der Kaskade am nächsten stehende Filtersegment FS₁ (erstes Filtersegment) weist eine erste Fingermetallisierung auf, die eine relativ hohe Leistungsfestigkeit besitzt. Zumindest das in der Kaskade dem als Ausgang genutzten zweiten Anschluss T2 am nächsten stehende Filtersegment FS_N (letztes Filtersegment) ist mit einer zweiten Fingermetallisierung ausgestattet, die eine relativ niedrigere Leistungsfestigkeit aufweist. Dabei handelt es sich um eine Standardfingermetallisierung, beispielsweise ein 3-Schichtverbund, Aluminium/Kupfer/Aluminium mit einem Kupferanteil in der Gesamtmetallisierung von weniger als 5 Prozent. Es können selbstverständlich auch andere Fingermetallisierungen eingesetzt werden. Wesentlich ist jedoch, dass zumindest das eingangsseitige Filtersegment die höhere Leistungsfestigkeit aufweist, die beispielsweise in einem Aluminium-Kupfer-Mehrschichtverbund realisiert sein kann, welcher beispielsweise als HPD (High Power Durability) Metallisierung ausgeführt ist und beispielsweise fünf alternierende Schichten Al/Cu/Al/Cu/Al/Cu/Al aufweist. In diesem Mehrschichtverbund können die Kupferschichten wesentlich dünner ausgeführt sein als die Aluminiumschichten, weisen im Gesamtverbund jedoch einen wesentlich höheren Kupfergesamtanteil auf als die Standardmetallisierung, wodurch sich die Leistungsfestigkeit gegenüber der Standardmetallisierung verbessert.
2 zeigt ein Filterbauelement, bei dem zwei SAW-Filter, umfassend ein Sendefilter mit dem Index S und ein Empfangsfilter mit dem Index E auf einem Chip CH angeordnet sind, wobei jedes der Filter aus zumindest zwei kaskadierten Filtersegmenten FS_E _, _S besteht. Jedes der SAW-Filter ist mit einem Anpassungsnetzwerk MN zur Gewährleistung der Duplexerfunktion verbunden, welches eine geeignete Verschaltung von passiven Komponenten wie Induktivitäten, Kapazitäten und Leitungen umfasst. Über das Anpassungsnetzwerk sind die beiden Filter mit einem ersten Anschluss T1 verbunden. Das aus den Filtersegmenten FS_S1 bis FS_Sn bestehende Sendefilter ist auf der anderen Seite der Kaskade mit einem als sendeseitigen Eingang genutzten zweiten Anschluss T_S2 verbunden, das Empfangsfilter dagegen mit einem Anschluss T_E2, der dem Ausgang des Empfangspfads entspricht.
Die beiden SAW-Filter sind erfindungsgemäß so ausgestattet, dass zumindest das in der jeweiligen Kaskade des Teilfilters (Sende- beziehungsweise Empfangsfilter) erste Filtersegment mit der leistungsfesteren ersten Metallisierung und zumindest das in der Empfangs-Kaskade endständige Filtersegment eines Teilfilters mit der zweiten Fingermetallisierung mit relativ geringerer Leistungsfestigkeit ausgebildet ist. Jedes der beiden Teilfilter kann weitere Filtersegmente FS_n-m umfassen, wobei 1 < m < n ist. Diese in der Kaskade "innen" angeordneten Filtersegmente können dann die erste leistungsfeste oder die zweite relativ dazu weniger leistungsfeste Fingermetallisierung aufweisen.
Wegen der in den beiden Teilfiltern unterschiedlichen Signallaufrichtung ist das erste Filtersegment FS_S1 des Sendefilters dem Anschluss T_S2 am Eingang am nächsten, während das erste Filtersegment FS_E1 des Empfangsfilters dem Anschluss T1 am nächsten angeordnet ist.
3 zeigt die Durchlasskurven eines erfindungsgemäß aus drei kaskadierten Filtersegmenten aufgebauten Filters, bei dem nur das erste Filtersegment eine gegenüber dem zweiten und dritten Filtersegment in der Leitungsfestigkeit verbesserte Metallisierung aufweist. Zweites und drittes Filtersegment weisen die zweite Metallisierung auf. Die Durchlasskurve dieses erfindungsgemäßen Filters (durchgezogene Kurve 3) wird in der Figur mit den Durchlasskurven von zwei Vergleichsfiltern verglichen, die gleich aufgebaut sind, jeweils jedoch eine einheitliche Fingermetallisierung aus erster (gestrichelte untere Kurve 1) beziehungsweise zweiter Fingermetallisierung (kürzer gestrichelte obere Kurve 2) aufweisen. Aus 3 ergibt sich, dass ein ausschließlich aus erster Fingermetallisierung aufgebautes Filter im Bereich des Passbandes die größte Einfügedämpfung aufgrund der elektrischen Verluste aufweist (siehe Kurve Nr. 1), während ein ausschließlich aus zweiter Fingermetallisierung aufgebautes Filter (siehe Kurve 2) und ein erfindungsgemäßes Filter, welches zwei unterschiedliche Fingermetallisierungen aufweist (siehe Kurve Nr. 3) ähnliche Einfügedämpfungen aufweisen. Die verbesserte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Filters ergibt sich jedoch nicht primär aus der Übertragungskurve, sondern ausschließlich aus der verbesserten Leistungsbeständigkeit gegenüber einem ausschließlich aus zweiter Metallisierung (Standardmetallisierung) hergestellten Filter. Die sich in einer höheren Lebensdauer der Fingermetallisierungen und der daraus hergestellten Strukturen äußert und die einen Einsatz des Filterbauelements bei höheren Leistungen beziehungsweise eine Beaufschlagung des Bauelements mit höheren Signalleistungen ermöglicht.
4 zeigt anhand eines beispielhaften, als Duplexer ausgebildeten Filterbauelements FBE eine konkrete Verschaltung von Filterelementen. Im Filterbauelement FBE ist ein Sendefilter SF direkt mit einem Empfangsfilter EF verschaltet, wobei der Begriff direkt verschaltet das Dazwischenschalten von passiven Komponenten, die zusammen ein Anpassungsnetzwerk MN ergeben können, mit umfasst. Beide Filter SF, EF sind mit einer Antenne ANT verbunden. Das Sendefilter weist vier in serielle Resonatoren S_S1 bis S_S4 auf, die zwischen dem Eingang des Sendefilters SF am Anschluss T_S und der Antenne ANT in Serie geschaltet sind. Die Verbindung zwischen dem Eingang des Sendefilters und der Antenne stellt den Signalpfad des Sendefilters dar. Zwischen jeweils zwei seriellen Resonatoren S_S ist jeweils ein Querzweig gegen Masse geschaltet, in dem jeweils ein paralleler Resonator P_S1 bis P_S3 angeordnet ist.
Im Empfangsfilter EF sind im Signalpfad zwischen der Antenne ANT und den Anschlüssen T_E und T_E, am Ausgang des Empfangsfilters drei serielle Resonatoren S_E1 bis S_E3 und ein DMS-Filter DMS_E in Serie geschaltet. Zwischen je zwei dieser Filterelemente ist ein Querzweig gegen Masse geschaltet, in dem jeweils ein paralleler Resonator P_E1 bis P_E3 angeordnet ist.
In einer ersten Variante sind sämtliche seriellen Resonatoren S_S des Sendefilters SF mit der relativ leistungsfesten ersten Fingermetallisierung ausgestattet. Darüber hinaus ist über diesen seriellen Resonatoren noch eine TK-Kompensationsschicht in Form einer Siliziumoxidschicht angeordnet. Sämtliche Parallelresonatoren des Sendefilters SF sind ebenfalls mit der ersten Fingermetallisierung ausgestattet, weisen jedoch keine TK-Kompensationsschicht auf. Im Empfangsfilter EF sind sämtliche Parallelresonatoren P_E1 bis P_E3 mit leistungsfester erster Metallisierung plus TK-Kompensationsschicht ausgestattet, während die seriellen Resonatoren S_E1 bis S_E3 mit der ersten Fingermetallisierung ohne TK-Kompensationsschicht ausgebildet sind.
Die DMS-Spur DMS_E an der Ausgangsseite des Empfangsfilters ist mit einer zweiten weniger leistungsfesten Fingermetallisierung ausgestattet, welche dafür jedoch eine bessere Leitfähigkeit und damit geringere elektrische Verluste zur Folge hat. In dieser Ausführung sind also sämtliche Filterelemente des Sendefilters mit der leistungsfesten ersten Metallisierung ausgestattet und zusätzlich noch die seriellen Resonatoren S_S mit der TK-Kompensationsschicht bedeckt. Auch sämtliche seriellen und parallelen Resonatoren des Empfangsfilters sind aus der leistungsfesten ersten Metallisierung ausgebildet, wobei die Parallelresonatoren die TK-Kompensationsschicht aufweisen. Das in der Kaskade endständige Filterelement, hier die mit den Ausgangsanschlüssen T_E und T_E verbundene DMS-Spur DSM_E ist dagegen mit einer gut leitenden Standard-Fingermetallisierung (zweite Fingermetallisierung) und ohne TK-Kompensationsschicht ausgebildet.
In einer Variante dieses Filterbauelementes FBE können im Empfangsfilter EF, welches geringere Leistungsanforderungen erfüllen muss, weitere Filterelemente mit der zweiten Fingermetallisierung ausgebildet sein. So ist es beispielsweise möglich, neben der DMS-Spur auch zumindest den direkt benachbarten seriellen Resonator mit der zweiten Fingermetallisierung ohne TK-Kompensation auszubilden. Möglich ist es auch, zumindest beim endständigen parallelen Resonator des Empfangsfilters EF, die TK-Kompensationsschicht weg zu lassen. Wesentlich ist hier jedoch, dass zumindest die in der Kaskade eingangssseitig angeordneten seriellen und parallelen Resonatoren mit der leistungsfesten Metallisierung ausgestattet sind.
Der eingangs angeordnete parallele Resonator kann zusätzlich noch mit der TK-Kompensationsschicht ausgestattet sein. In allen Fällen wird ein Filterbauelement erhalten, welches gegenüber einem bekannten Filterbauelement aus ausschließlich leistungsfester Metallisierung verbesserte elektrische Werte aufweist und welches gegenüber einem bekannten Filterbauelement aus ausschließlich gut leitender, aber wenig leistungsbeständiger Standardmetallisierung eine verbesserte Leistungsbeständigkeit und damit eine längere Lebensdauer beziehungsweise eine höhere Zuverlässigkeit aufweist, ohne dass darunter die elektrischen Eigenschaften des Filterbauelements leiden.
Wenn in einem Empfangsfilter EF als endständiges Filtersegment eine DMS-Spur eingesetzt wird, so kann diese wie in 4 dargestellt, am Ausgang T_E, T_E, ein symmetrisches Signal abgegriffen werden, da die DMS-Spur bei geeigneter Ausgestaltung auch als BALUN eingesetzt werden kann. Möglich ist es jedoch auch, die DMS-Spur ausgangsseitig unsymmetrisch zu verschalten, wobei einer der beiden Ausgänge mit Masse verbunden wird, während ausschließlich der andere als signaltragender Anschluss fungiert.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Filter um weitere Filterelemente oder Filtersegmente zu erweitern beziehungsweise ein entsprechendes Filter aus einer größeren Anzahl von Filtersegmenten und Filterelementen aufzubauen. Weitere Resonatoren können beispielsweise zwischen DMS-Spur DMS_E und den beiden Ausgängen T_E, T_E in den Signalpfad in Serie geschaltet werden.
5 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Duplexer, welcher im Empfangsfilter EF ein bei gleicher Anzahl seriel ler und paralleler Resonatoren eine leicht variierende Verschaltung aufweist. Einer der seriellen Resonatoren ist zwischen der DMS-Spur DMS_E und dem Ausgang T_E in Serie geschaltet. Der zweite Ausgang der DMS-Spur ist mit Masse verbunden. Da im Kaskadenabschnitt zwischen DMS-Spur und Antenne ANT die Anzahl der seriellen Resonatoren gegenüber der der parallelen Resonatoren verringert ist, sind die seriellen Resonatoren zwischen den Knoten angeordnet, an denen die Querzweige mit den Parallelresonatoren mit dem Signalpfad verbunden sind. Ein weiterer serieller Resonator S_E3 ist zwischen dem Ausgang T_E des Empfangsfilters und der DMS-Spur DMS_E angeordnet.
Das Sendefilter SF ist wie in 4 ausgebildet und weist in den einzelnen Resonatoren die bereits beschriebene Fingermetallisierung mit beziehungsweise ohne TK-Kompensationsschicht auf. Im Empfangsfilter sind DMS-Spur DMS_E und endständiger serieller Resonator S_E3 mit der zweiten Metallisierung ausgebildet, die eine elektrisch gut leitende Standardmetallisierung mit relativ geringer Leistungsbeständigkeit ist. Der erste serielle Resonator und sämtliche parallelen Resonatoren des Empfangsfilters sind mit einer leistungsbeständigen ersten Metallisierung ausgebildet, wobei zusätzlich noch der erste und noch der dritte Parallelresonator P_E1, P_E3 mit einer TK-Kompensationsschicht belegt sind, die über der Fingermetallisierung oder ganzflächig über die entsprechenden Bereiche der Resonatoren angeordnet ist. Der mittlere parallele Resonator P_E2 des Empfangsfilters ist mit einer leistungsverträglichen Metallisierung ohne TK-Schicht ausgebildet. Auch für dieses Ausführungsbeispiel gilt, dass die elektrischen Daten wie Güte und Einfügedämpfung der Einzelfilter bei nahezu optimalen Werten liegen, ist gegenüber Standard-Fingermetallisierung die Leistungsbeständigkeit verbes sert. Gegenüber Filtern aus leistungsfester Metallisierung sind die elektrischen Werte verbessert.
Erfindungsgemäße Filterbauelemente können auf dem gleichen Chip aufgebaut sein. Möglich ist es auch, die beiden Teilfilter (Sendefilter SF, Empfangsfilter EF) auf unterschiedlichen Chips anzuordnen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Filterelemente, die die gleiche Metallisierung aufweisen, auf einem gemeinsamen Chip anzuordnen und da zumindest zwei unterschiedliche Fingermetallisierungen vorgesehen sind, die Filterelemente der beiden Filter auf unterschiedlichen Chips anzuordnen, so dass die Filterelemente zumindest eines Teilfilters auf unterschiedlichen Chips zu liegen kommen.
Die Erfindung ist nicht auf die wenigen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr wurde bereits erläutert, dass die Verteilung der unterschiedlichen Fingermetallisierungen über die Filterelemente des Filterbauelements auch anders erfolgen kann, wobei jedoch vorteilhaft das Prinzip beachtet wird, dass die in Signalflussrichtung eingangsseitig angeordneten Filterelemente die leistungsfeste erste Metallisierung und zumindest eines näher am Ausgang angeordnetes Filterelement eine die zweite gegenüber der ersten weiniger leistungsfest ausgebildeten Fingermetallisierung aufweist. Wie anhand von 5 gezeigt, müssen dies nicht ausschließlich die in der Kaskade ausgangsseitig angeordneten Filterelemente sein. Vielmehr können sich in Filterelementen und Segmenten erste und zweite Fingermetallisierungen entlang des Signalpfads abwechseln.
Ein erfindungsgemäßes Filterbauelement ist auch nicht auf die dargestellten Strukturen beschränkt, vielmehr können erfindungsgemäße Filterbauelemente ein oder mehrere SAW-Filter um fassen, die aber nicht notwendigerweise zu Duplexern verschaltet sind. Zwei SAW-Filter können auch zu Diplexern verschaltet sein, die sich dadurch auszeichnen, dass für beide verschalteten Filter die gleiche Signallaufrichtung gilt. Möglich ist es auch, einen Diplexer und einen Duplexer zu kaskadieren und die dazu erforderlichen Filterelemente sogar auf dem gleichen oder auch mehreren Chips anzuordnen.

FBE: Filterbauelement
FS: Filtersegment
SF: Sendefilter
S: Serieller Resonator
CH: Bauelementchip
DMS: DMS Spur
EF: Empfangsfilter
SF: Antenne
ANT: Antennenanschluss
P: Paralleler Resonator
MN: Anpassungsnetzwerk
T: Signalanschluss

Claims

Filterbauelement, umfassend zumindest ein erstes und ein zweites SAW Filterelement, die jeweils eine akustische Spur aufweisen und elektrisch direkt miteinander verschaltetet sind, bei dem das erste Filterelement eine erste Fingermetallisierung und das zweite SAW Filterelement zweite Fingermetallisierung aufweist, die sich im Aufbau voneinander unterscheiden, wobei die erste Fingermetallisierung eine höhere Leistungsfestigkeit aufweist.
Filterbauelement nach Anspruch 1, bei dem erstes und zweites SAW Filterelement auf einem gemeinsamen Chip realisiert sind.
Filterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die SAW Filterelemente unterschiedliche Filtersegmente des Filters darstellen, die elektrisch kaskadiert sind.
Filterbauelement nach Anspruch 3, bei dem eines der Filtersegmente eine DMS Spur umfasst.
Filterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, bei dem eines der Filtersegmente ein Grundglied eines Reaktanzfilters umfasst.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 3–5, bei dem die Filtersegmente entlang mindestens eines Signalpfads angeordnet sind, bei das eingangsseitig an einem Signalpfad angeordnete Filtersegment die Fingermetallisierung mit der höheren Leistungsfestigkeit aufweist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 3–6, das ein eingangsseitiges erstes Filtersegment aufweist, an dem relativ gesehen eine maximale Leistung anliegt, bei dem an zweiten Filtersegmenten, die in der Kaskade weiter vom ersten Filtersegment entfernt sind, eine geringere als die maximale Leistung anliegt, bei dem mindestens ein zweites Filtersegment die zweite Fingermetallisierung aufweist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–7, dessen Filterelemente zu einem Duplexer verschaltet sind.
Filterbauelement nach Anspruch 8, bei dem der Duplexer einen Sende- und einen Empfangspfad mit je zumindest einem Filtersegment aufweist, bei dem mindestens ein Filterelement des eingangsseitigen ersten Filtersegments im Sendepfad die erste Fingermetallisierung aufweist.
Filterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Duplexer einen Sende- und einen Empfangspfad aufweist, bei dem mindestens ein Filterelement des eingangsseitigen ersten Filtersegments im Empfangspfad die erste Fingermetallisierung aufweist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 8–10, bei dem im Sendepfad alle Filtersegmente die erste Fingermetallisierung aufweisen, bei dem mindestens ein Filterelement des eingangsseitigen ersten Filtersegments im Empfangspfad die erste Fingermetallisierung aufweist, bei dem zumindest ein ausgangsseitiges Filtersegment im Empfangspfad die zweite Fingermetallisierung aufweist.
Filterbauelement nach Anspruch 11, bei dem das ausgangsseitige Filtersegment im Empfangspfad eine DMS Spur ist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 3–12, – mit einem Sende- und einem Empfangspfad mit je zumindest einem Filtersegment, – bei dem die Filtersegmente der beiden Signalpfade je zumindest zwei aus je einem seriellen und einem parallelen Resonator ausgebildete Grundglieder eines Reaktanzfilters umfassen, – bei dem zumindest ein serieller Resonator im Empfangspfad und ein paralleler Resonator im Sendepfad die erste Fingermetallisierung mit der höheren Leistungsfestigkeit aufweisen, – bei dem zumindest ein paralleler Resonator im Empfangspfad und ein serieller Resonator im Sendepfad die zweite Fingermetallisierung mit der niedrigeren Leistungsfestigkeit aufweisen.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–13, bei dem zumindest eines der Filtersegmente mit einer dielektrischen TK-Kompensationsschicht abgedeckt ist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–14, bei dem zumindest ein paralleler Resonator im Empfangspfad mit einer dielektrischen TK-Kompensationsschicht abgedeckt ist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–15, bei dem zumindest ein serieller Resonator im Sendepfad mit einer dielektrischen TK-Kompensationsschicht abgedeckt ist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–16, bei dem Filterelemente mit einer dielektrischen TK-Kompensationsschicht eine dritte Fingermetallisierung aufweisen, die von der ersten und zweiten Fingermetallisierung unterschiedlich ist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–17, bei dem die TK-Kompensationsschicht eine Siliziumoxidschicht mit einer relativen Dicke von 10 bis 40% der Wellenlänge einer sich in ihr ausbreitenden akustischen Welle bei Mittenfrequenz besitzt, umfasst.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 4–18, bei dem ausgangsseitig im Empfangspfad eine DMS Spur mit symmetrischem Ausgang angeordnet ist, die die zweite Fingermetallisierung aufweist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–19, bei dem zumindest ein Filterelement eine dritte von der ersten und zweiten verschiedene Fingermetallisierung aufweist, die sich in Schichtdicke und/oder Schichtaufbau von erster und zweiter Fingermetallisierung unterscheidet.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–20, bei dem die erste Fingermetallisierung einen Mehrschichtaufbau aus Teilschichten aufweist, die alternierend Aluminium oder Kupfer umfassen, wobei zumindest fünf Teilschichten übereinander angeordnet sind.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–21, bei dem die erste Fingermetallisierung einen Kupfervolumenanteil von mehr als 10%, die zweite Fingermetallisierung dagegen einen Kupfervolumenanteil von weniger als 8% aufweist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–22, bei dem im Signalpfad einander benachbart angeordnete Filterelemente über eine Metallstruktur, die eine von der ersten und zweiten Fingermetallisierung unterschiedliche Metallisierung aufweist, miteinander verschaltet sind.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–23, bei dem die Fingermetallisierung in mindestens einen der Filtersegmente mit einer Passivierungsschicht abgedeckt ist.
Filterbauelement nach einem der Ansprüche 1–24, bei dem nur die Filterelemente des Empfangsfilters mit der ersten leistungsfesten Metallisierung versehen sind, deren Resonanz- und/oder Antiresonanzfrequenzen in der Nähe des Sendebands liegen.