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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein mit akustischen Wellen
arbeitendes Bauelement, das eine kleine Grundfläche hat,
anzugeben.
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Es
wird ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, umfassend
mindestens zwei verschiedenen Frequenzbändern zugeordnete
Filter, angegeben. Das jeweilige Filter weist mindestens eine Filterstufe
auf, wobei unterschiedliche Filterstufen als SAW Filterstufen (SAW
= surface acoustic wave) in separaten akustischen Spuren oder als FBAR
Filterstufe (FBAR = thin film bulk acoustic wave resonator) in separaten
Resonatorstapeln oder in einem mehrere Resonatoren umfassenden Resonatorstapel
realisiert sind. Eine Filterstufe kann auch mit akustischen Grenzwellen
arbeiten und als GBAW Bauelement (GBAW = Guided bulk acoustic wave) ausgelegt
sein.
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Das
Bauelement weist Masseanschlüsse auf, die mit Masse der
Filterstufen galvanisch verbunden und als Außenanschlüsse
des Bauelements vorgesehen sind.
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Jeder
Filterstufe ist ein Hauptmasseanschluss zugeordnet, der mit der
jeweiligen Masse über einen Hauptmassepfad verbunden ist.
Dabei werden zumindest Teile eines Hauptmassepfads gleichzeitig
von mindestens zwei Filterstufen verschiedener Filter genutzt.
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Unter
Hauptmassepfad einer Filterstufe wird der Massepfad bzw. die Verbindung
der jeweiligen Masse mit einem Hauptmasseanschluss verstanden, die
den „Weg des geringsten Widerstands" bildet, insbesondere
der Massepfad, der die geringste Induktivität aufweist.
Auch wenn Verbindungen der jeweiligen Masse zu mehreren Masseanschlüssen
vorhanden sind, so gibt es jeweils einen Hauptmassepfad, der mit
dem entsprechenden Hauptmasseanschluss verbunden ist. Existieren
pro Filterstufe mehrere Massepfade mit der gleichen geringsten Induktivität,
die die Masse mit einem Masseanschluss verbinden, so werden diese
alle als Hauptmasseanschlüsse angesehen.
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Es
ist möglich, dass sämtliche Masseanschlüsse
Hauptmasseanschlüsse sind. Auch kann jede Filterstufe mit
nur einem Massepfad an nur einen Masseanschluss angeschlossen sein,
so dass sich eine Unterscheidung in Hauptmasseanschlüsse und
andere Masseanschlüsse erübrigt.
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So
ist es möglich, mindestens einen Masseanschluss als Hauptmasseanschluss
von mindestens zwei Filterstufen verschiedener Filter auszulegen.
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Dabei
kann die Gesamtanzahl der Masseanschlüsse kleiner sein
als die Gesamtanzahl der Filterstufen. Es ist aber auch möglich,
neben dem zumindest einen mit einem Hauptmassepfad verbundenen Hauptmasseanschluss
noch zumindest einen weiteren Masseanschluss vorzusehen, der nicht
mit einem Hauptmassepfad verbunden ist. Ein oder mehrere solcher „Nebenmasseanschlüsse"
können die Anzahl der Masseanschlüsse wieder erhöhen.
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Unterschiedliche
Filter sind vorzugsweise unterschiedlichen Übertragungsbändern,
die z. B. eine Oktave auseinander liegen können, zugeordnet. Beispielsweise
kann ein Filter einem Fre quenzband von ca. 1 GHz und das andere
Filter einem Frequenzband von ca. 2 GHz zugeordnet sein. Zum letztgenannten
Frequenzband gehören beispielsweise Übertragungsbänder
zwischen 1640 MHz und 2,45 GHz
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In
einer Variante sind alle Filter des Bauelements als Empfangsfilter
vorgesehen. In einer weiteren Variante sind alle Filter des Bauelements
als Sendefilter vorgesehen. In einer weiteren Variante sind die
Filter des Bauelements als Sendeempfangsfilter vorgesehen. Das Bauelement
kann auch gediplexte d. h. miteinander verbundene signalführende
Anschlüsse aufweisen, die zumindest abschnittsweise den
gleichen Signalpfad aufweisen.
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Das
jeweilige Filter ist mit mindestens zwei signalführenden
Anschlüssen, die als Außenanschlüsse
des Bauelements vorgesehen sind, elektrisch verbunden. Ein Anschluss
dient als Eingang und der andere Anschluss als Ausgang des Filters.
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Die
Fläche des jeweiligen Masseanschlusses ist vorzugsweise
nicht größer als die doppelte Fläche
des jeweiligen signalführenden Anschlusses. In einer vorteilhaften
Variante ist das Verhältnis der Fläche maximal
1,5. In einer weiteren vorteilhaften Variante sind alle Außenanschlüsse
des Bauelements gleich groß. Die Anordnung bzw. das Muster aller
Außenanschlüsse des Bauelements wird nachstehend
als Footprint bezeichnet. Die Außenanschlüsse
können löt- oder bondbare Flächen darstellen.
Sie können aber auch als Bumps realisiert, bzw. mit Bumps
versehen sein.
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In
einer Variante des Bauelements sind mindestens drei Filterstufen
vorgesehen. Mindestens zwei der Filterstufen bilden eines der Filter,
und mindestens eine weitere der Filterstu fen bildet das andere Filter.
Die Filterstufen des jeweiligen Filters sind vorzugsweise elektrisch
kaskadiert geschaltet.
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Jede
Filterstufe hat im Prinzip eine Filterfunktion für Hochfrequenz,
kann ein vollwertiges Filter darstellen und z. B. ein Passband und
Sperrbereiche aufweisen. Unterschiedliche Filterstufen können ebenso
wie unterschiedliche Filter gleich oder unterschiedlich aufgebaut,
d. h. als gleiche oder unterschiedliche Filtertypen realisiert sein.
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Mindestens
eine der Filterstufen umfasst in einer Variante mit akustischen
Oberflächenwellen arbeitende Wandler. In einer anderen
Variante umfasst mindestens eine der Filterstufen mit akustischen
Volumenwellen arbeitende Resonatoren. Mindestens eine der Filterstufen
umfasst in einer weiteren Variante mit akustischen Grenzflächenwellen
arbeitende Wandler (GBAW Bauelement). Die Filterstufen unterschiedlicher
Filter können gleich oder unterschiedlich sein.
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Mindestens
eine Filterstufe kann durch einen einzigen mit SAW oder BAW arbeitenden
Parallelresonator gebildet sein. Der Resonator ist dann mit einer
anderen Filterstufe, die z. B. durch eine DMS-Spur gebildet ist,
verbunden. Zwei Resonatoren, die zusammen ein Grundglied einer Laddertype Anordnung
bilden, werden zusammen als eine Filterstufe betrachtet, nicht aber
einzelne Resonatoren eines Grundglieds.
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Die
akustische Spur der jeweiligen SAW oder GBAW Filterstufe kann als
eine DMS-Spur ausgebildet sein. DMS steht für Double-Mode
Surface Acoustic Wave. In der DMS-Spur können mindestens ein
Eingangswandler und mindestens ein Ausgangswandler angeordnet sein.
In einer Variante können Ausgangswandler und/oder Eingangswandler
jeweils durch Koppelwandler ersetzt sein. Zwei mittels Koppelwandlern
miteinander z. B. durch Kaskadierung verbundene DMS-Spuren, die
beide ein und demselben Filter zugeordnet sind, werden vorzugsweise
als unterschiedliche Filterstufen betrachtet.
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In
einer vorteilhaften Variante sind zumindest zwei Massepfade der
Filter, deren Durchlassbereiche in unterschiedlichen Frequenzbändern
liegen, zu mindestens einem gemeinsamen Hauptmassepfad verbunden,
der an den entsprechenden zugeordneten Hauptmasseanschluss angeschlossen
ist. Die Massen der unterschiedlichen Filterstufen des gleichen
Filters sind vorzugsweise mit unterschiedlichen Masseanschlüssen
leitend verbunden. Die Massen der unterschiedlichen Filterstufen
des jeweiligen Filters werden unabhängig voneinander – in
einer Variante galvanisch voneinander getrennt – bis zum
jeweiligen Masseanschluss geführt. Es ist jedoch auch möglich,
Massepfade unterschiedlicher Filterstufen des gleichen Filters zu
einem gemeinsamen Hauptmassepfad zusammenzuführen und mit
einem gemeinsamen Hauptmasseanschluss zu verbinden. Die galvanische
Verbindung zwischen diesen Massen ist jedoch außerhalb
des Bauelements möglich.
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Durch
die Zusammenführung von Massepfaden der in unterschiedlichen
Bereichen durchlässigen Filter kann die Anzahl von Masseanschlüssen und
somit die Grundfläche des Gesamtbauteils verringert werden.
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Durch
die getrennte Masseanbindung der in einem gemeinsamen Frequenzbereich
durchlässigen Filterstufen ein und desselben Filters gelingt
es, im Gesamtfilter eine besonders hohe Selektion zu erzielen, da
z. B. das Signalübersprechen über Massepfade vermieden
wird.
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In
einer Variante weist das jeweilige Filter eine eingangsseitige Filterstufe
und eine ausgangsseitige Filterstufe auf. Massen der eingangsseitigen Filterstufen
unterschiedlicher Filter sind zu einem gemeinsamen Hauptmassepfad
zusammengeführt, der an einen ersten Masseanschluss angeschlossen
ist. Massen der ausgangsseitigen Filterstufen unterschiedlicher
Filter können ebenfalls zu einem gemeinsamen Massepfad,
der an einen zweiten Hauptmasseanschluss angeschlossen ist, zusammengeführt
sein.
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In
einer weiteren Variante sind die Masse einer eingangsseitigen Filterstufe
eines ersten Filters und die Masse einer ausgangsseitigen Filterstufe
eines zweiten Filters zu einem gemeinsamen Hauptmassepfad zusammengeführt,
der an einen ersten Hauptmasseanschluss angeschlossen ist. Die Massepfade
einer ausgangsseitigen Filterstufe des ersten Filters und einer
eingangsseitigen Filterstufe des zweiten Filters sind zu einem gemeinsamen
Hauptmassepfad, der an einen zweiten Masseanschluss angeschlossen
ist, zusammengeführt.
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Die
Filter sind vorzugsweise zumindest teilweise in mindestens einem
akustischen Chip realisiert. Jedes Filter kann in einem separaten
Chip realisiert sein. Es besteht auch die Möglichkeit,
mindestens zwei Filter in oder auf einem gemeinsamen Chip zu realisieren.
Die Filterstufen ein und desselben Filters sind vorzugsweise in
oder auf einem gemeinsamen Chip realisiert. Unterschiedliche Filterstufen
des gleichen Filters, die in voneinander verschiedenen Technologien,
z. B. SAW/BAW, ausgeführt sind, können auch in
oder auf unterschiedlichen Substraten realisiert sein.
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Das
Bauelement umfasst z. B. ein Trägersubstrat, auf dem der
Chip montiert ist oder mehrere Chips montiert sind. Die Au ßenanschlüsse
des Bauelements, darunter die Masseanschlüsse, sind auf der
Unterseite oder der Stirnseite des Trägersubstrats angeordnet.
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In
einer weiteren Ausführung können bei einem Bauteil
ohne Trägersubstrat die Außenanschlüsse
durch auf dem Chip verankerte Bump-Reihen eines BGA (BGA = ball
grid array) realisiert sein.
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Die
Zusammenführung von Massen oder besser die Verbindung von
Massepfaden unterschiedlicher Filterstufen kann im oder auf dem
Trägersubstrat realisiert sein. Alternativ ist die Zusammenführung
von Massen unterschiedlicher Filterstufen bereits auf dem Chip möglich.
Letzteres ist möglich, wenn die Filter in einem gemeinsamen
Chip realisiert sind.
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In
einer Variante umfasst mindestens eine der Filterstufen eine akustische
Spur mit mindestens zwei akustisch gekoppelten Wandlern. Mindestens eine
der Filterstufen kann auch als eine Laddertype-Anordnung von Wandlern
ausgebildet sein. Die Laddertype-Anordnung weist mindestens einen
Serienzweig und mindestens einen an den Serienzweig angeschlossenen
Querzweig auf, wobei im Serienzweig ein Serienwandler und im Querzweig
ein Parallelwandler angeordnet ist.
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In
einer Variante umfasst mindestens eine der Filterstufen einen Stapel
mit übereinander angeordneten, akustisch gekoppelten BAW
Resonatoren (BAW = bulk acoustic wave). Eine Laddertype-Anordnung
von BAW Resonatoren ist auch möglich. Mindestens eine der
Filterstufen weist in diesem Fall mindestens einen Serienzweig und
mindestens einen an den Serienzweig angeschlossenen Querzweig auf,
wobei im Serienzweig ein Serienresonator und im Querzweig ein Parallelresonator
angeordnet sind, die zusammen ein Grundglied bilden, das eine Filterstufe
darstellt.
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Im
Trägersubstrat kann ein eingangsseitiges Anpassnetzwerk
zur Anpassung der Eingangsimpedanz des jeweiligen Filters an einen
bestimmten Impedanzpegel angeordnet sein. Im Trägersubstrat kann
ein ausgangsseitiges Anpassnetzwerk zur Anpassung der Ausgangsimpedanz
des jeweiligen Filters an einen bestimmten Impedanzpegel angeordnet
sein. Das jeweilige Anpassnetzwerk weist mindestens ein passives
Element, ausgewählt aus einer Serienkapazität,
Parallelkapazität, Serieninduktivität und einer
Parallelinduktivität, auf.
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Der
Eingang und/oder der Ausgang des jeweiligen Filters kann erdunsymmetrisch
(single-ended) sein. Der Eingang und/oder der Ausgang des jeweiligen
Filters kann auch differentiell (balanced) sein.
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Im
Folgenden wird das angegebene Bauelement und seine vorteilhaften
Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren
erläutert. Es zeigen:
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1 das
Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern, bei dem die
Massen der ein- bzw. ausgangsseitigen Filterstufen zusammengeführt
sind;
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2 das
Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern, bei dem die
Massen der ein- und ausgangsseitigen Filterstufen unterschiedlicher Filter
zusammengeführt sind;
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3 im
Querschnitt das Bauelement, bei dem die Massen unterschiedlicher
Filterstufen im Trägersubstrat zusammengeführt
werden;
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4 das
Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern, bei dem die
zu den Massepfaden beitragenden Leiterabschnitte samt dazugehöriger
Induktivitäten dargestellt sind;
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5, 6 jeweils
die Ansicht eines beispielhaften Footprints des Bauelements.
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Die 1, 2 zeigen
jeweils ein Bauelement mit zwei Filtern F1, F2, die in einem gemeinsamen
Gehäuse oder auf einem gemeinsamen Trägersubstrat
TS angeordnet sind.
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Das
erste Filter F1 weist eine eingangsseitige Filterstufe A1 und eine
ausgangsseitige Filterstufe A2 auf. Das zweite Filter F2 weist eine
eingangsseitige Filterstufe B1 und eine ausgangsseitige Filterstufe B2
auf.
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Die
eingangsseitige Filterstufe A1 des ersten Filters F1 ist in 1 an
einen Eingangsanschluss INa und in 2 an
zwei Eingangsanschlüsse INa1, INa2 angeschlossen. Die ausgangsseitige Filterstufe A2
des ersten Filters F1 ist in 1 an einen
Ausgangsanschluss OUTa und in 2 an
zwei Ausgangsanschlüsse OUTa1,
OUTa2 angeschlossen. Dies gilt in entsprechender
Weise für die eingangsseitige Filterstufe B1 sowie ausgangsseitige
Filterstufe B2 des zweiten Filters F2 und die Eingangsanschlüsse
INb, INb1, INb2 bzw. Ausgangsanschlüsse OUTb, OUTb1, OUTb2.
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In
der Variante gemäß der 1 werden
die Massen der eingangsseitigen Filterstufen A1, B1 zusammengeführt
und an einen gemeinsamen Masseanschluss GND1 angeschlossen. Auch
die Massen der ausgangsseitigen Filterstufen A2, B2 werden zusam mengeführt
und an einen gemeinsamen Masseanschluss GND2 angeschlossen.
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In
der Variante gemäß der 2 wird die Masse
der eingangsseitigen Filterstufe A1 des ersten Filters F1 mit der
Masse der ausgangsseitigen Filterstufe B2 des zweiten Filters F2
zusammengeführt und an einen gemeinsamen Masseanschluss
GND1 angeschlossen. Die Masse der eingangsseitigen Filterstufe B1
des zweiten Filters F2 wird mit der Masse der ausgangsseitigen Filterstufe
A2 des ersten Filters F1 zusammengeführt und an einen gemeinsamen Masseanschluss
GND2 angeschlossen. Zumindest abschnittsweise sind die entsprechenden
Filterstufen über den gleichen Massepfad mit einem Masseanschluss
verbunden, der für die entsprechenden Filterstufen den
Hauptmasseanschluss darstellt.
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Die
Gesamtanzahl der Filterstufen des Bauelements beträgt vier.
In beiden gezeigten Varianten beträgt die Anzahl der Masseanschlüsse
zwei und ist somit kleiner als die Gesamtanzahl der Filterstufen des
Bauelements.
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Das
Trägersubstrat TS umfasst mindestens zwei dielektrische
Schichten sowie abwechselnd mit diesen angeordnete Metallisierungsebenen.
Auf der Unterseite des Substrats sind Außenanschlüsse
des Bauelements und auf der Oberseite des Substrats Kontakte zur
Kontaktierung von mindestens einem Chip, in dem die Filter F1, F2
realisiert sind, angeordnet.
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In
der 3 ist eine Variante vorgestellt, bei der die Filter
F1, F2 in separaten akustischen Chips realisiert sind. Die Zusammenführung
der Massen der Filterstufen erfolgt in einer innen liegenden Ebene
des Trägersubstrats TS.
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Das
Bauelement ist vorzugsweise zur SMD-Montage geeignet und weist die
Außenanschlüsse in Form von einer auf die Unterseite
des Trägersubstrats aufgetragenen Metallschicht auf.
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4 zeigt
das Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern F1, F2,
von denen hier je zwei Filterstufen A1, A2 bzw. B1, B2 dargestellt
und je eine dritte Filterstufe A3, B3 angedeutet sind. Am Bild soll
die Definition der Hauptmassepfade und Hauptmassesanschlüsse
erläutert werden.
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Jeder
Massepfad besteht aus Leiterabschnitten und umfasst außerdem
alle elektrischen Verbindungen zwischen der Masse an der Filterstruktur
und dem jeweiligen Masseanschluss an der Unterseite des Substrats.
Dazu zählen z. B. Bumps und Durchkontaktieren und andere
Elemente. Der Einfachheit halber sind diese Elemente im Ersatzschaltbild
als Induktivitäten L1 bis L5 dargestellt. Es werden der Übersichtlichkeit
halber nur die Massepfade der beiden ersten Filterstufen A1 und
B1 betrachtet. Die anderen Massepfade können ähnlich
aufgebaut und miteinander verbunden sein.
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Massepfade
für die Filterstufe A1 z. B. sind alle möglichen
Strompfade zwischen A1 und einem Masseanschluss. Der Hauptmassepfad
ist derjenige, der in der Summe der Einzelinduktivitäten
die geringste Gesamtinduktivität aufweist. Für
die Filterstufe A1 ist kann dies der Pfad über L1, L2 und
L3 zu GND2 sein, wenn (L2 + L3) kleiner als L5. Dann verläuft
der Hauptmassepfad für die Filterstufe B1 über L4
und L3 ebenfalls zum Masseanschluss, da L5 > (L2 + L3). GND2 ist dann Hauptmasseanschluss
für die beiden Filterstufen A1 und B1. Die weiteren Massepfade
von A1 über L1 und L5 zu GND1 sowie der von B1 über
L4, L2 und L5 sind dann „Nebenmassepfade" mit höherer
Gesamtinduktivität als die jeweiligen Hauptmassepfa de.
Der Leiterabschnitt mit der Induktivität L3 ist beiden
Hauptmassepfaden gemein. Dargestellt sind hier auf dem Trägersubstrat
realisierte Elemente der Massepfade. Es wirken natürlich
alle Abschnitte der entsprechenden elektrischen Verbindungen mit,
die auch auf den Filterchips realisiert sein können. Auch
kann die Verbindung der Massepfade Filterstufen zweier unterschiedlicher
Filter bereits auf dem oder auf einem der Filterchips erfolgen.
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Verschiedene
Varianten eines Footprints des vorstehend erläuterten Bauelements
mit vier Filterstufen sind in den 5 und 6 gezeigt.
In der Variante gemäß der 5 ist der
Masseanschluss GND1 zwischen den Eingangsanschlüssen INa, INb des ersten
und des zweiten Filters F1, F2 angeordnet. Der Masseanschluss GND2
ist zwischen den Ausgangsanschlüssen OUTa,
OUTb des ersten und des zweiten Filters
F1, F2 angeordnet.
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In
der Variante gemäß der 6 ist der
Masseanschluss GND1 zwischen den Anschlüssen INa, OUTa des ersten
Filters F1 und der Masseanschluss GND2 zwischen den Anschlüssen
INb, OUTb des zweiten
Filters F2 angeordnet.
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Die
Fläche des jeweiligen Masseanschlusses kann in allen Varianten,
wie in 5 angedeutet, gleich der Fläche der signalführenden
Anschlüsse sein. Die Fläche der Masseanschlüsse
kann alternativ, wie in 6 angedeutet, etwas größer
als die Fläche der signalführenden Anschlüsse
sein. Jedoch beträgt das Verhältnis dieser Flächen
vorzugsweise maximal 1,5. Dies hat den Vorteil, dass die Dosierung der
Lotmasse und somit die Qualität der Lotverbindung des jeweiligen
Anschlusses z. B. mit einer Leiterplatte besonders gut kontrolliert
werden kann.
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Die
Anzahl der Filter und Filterstufen im Bauelement ist nicht auf die
in den Figuren erläuterten Varianten begrenzt. Auch die
Anzahl dielektrischer Schichten im Trägersubstrat kann
beliebig sein.
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- F1
- erstes
Filter
- F2
- zweites
Filter
- A1
- eingangsseitige
Filterstufe des ersten Filters F1
- A2
- ausgangsseitige
Filterstufe des ersten Filters F1
- B1
- eingangsseitige
Filterstufe des zweiten Filters F2
- B2
- ausgangsseitige
Filterstufe des zweiten Filters F2
- GND1,
GND2
- Masseanschlüsse
- INa, INa1, INa2
- Eingangsanschlüsse
des ersten Filters F1
- OUTa, OUTa1, OUTa2
- Ausgangsanschlüsse
des ersten Filters F1
- INb, INb1, INb2
- Eingangsanschlüsse
des zweiten Filters F2
- OUTb, OUTb1, OUTb2
- Ausgangsanschlüsse
des zweiten Filters F2
- TS
- Trägersubstrat
- L1,
L2, ... L5
- Induktivitäten
im Massepfad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10054968
A1 [0001]
- - DE 102005032058 A1 [0001]