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Die Erfindung betrifft ein Package für ein abstimmbares Filter, wie es z. B. in nicht kabelgebundenen Kommunikationsgeräten Verwendung finden kann.
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Tragbare Kommunikationsgeräte, WLAN-Router usw. oder allgemeiner: Sende-/Empfangseinrichtungen, die mittels HF-Signalen kommunizieren, benötigen HF-Filter, um erwünschte von unerwünschten Signalen zu trennen. Solche Filter können z. B. in Frontend-Schaltungen, z. B. in Duplexern, verschaltet werden.
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Das Filter sollte dabei die Aufgabe der Verteilung der Signale zwischen einem Chipsatz und gegebenenfalls weiterhin vorhandenen Filtern wahrnehmen. Der Schaltungsaufwand sollte möglichst gering sein. Das Filter sollte kompatibel mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Filtertechnologien weiterer Filter sein, eine geringe Baugröße eines entsprechenden Bauelements ermöglichen und insbesondere eine hohe Selektion erlauben.
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Der Trend zu Kommunikationsgeräten, die immer mehr Frequenzbänder bedienen können, führt zu komplexen Verschaltungen verschiedener Filter für die verschiedenen Frequenzbänder. Es entsteht deshalb der Bedarf an abstimmbaren Filter, um verschiedene Frequenzbänder mit demselben Filter nutzen zu können.
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Bisherige Lösungen dieser Anforderungen basieren im Wesentlichen darauf, bekannte Filterschaltungen um abstimmbare Impedanzelemente zu erweitern, oder auf der Verwendung von Schaltern, mittels derer Filterelemente zu einer Filtertopologie hinzuschaltbar sind.
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Aus dem Beitrag „Tunable Filters Using Wideband Elastic (?) Resonators", Kadota et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 60, Nr. 10, Oktober 2013, Seiten 2129–2136, sind Filterschaltungen bekannt, bei denen abstimmbare Kondensatoren zu HF-Filtern mit akustischen Resonatoren hinzugefügt werden.
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Aus dem Beitrag „A Novel Tunable Filter Enabling Both Center Frequency and Bandwidth Tunability", Inoue et al., Proceedings Of The 42nd European Microwave Conference, 29. Oktober–1. November 2012, Amsterdam, The Netherlands, Seiten 269–272, sind HF-Filter mit abstimmbaren Kondensatoren und abstimmbaren Induktivitäten bekannt.
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Auch aus dem Beitrag „RFMEMS-Based Tunable Filters", Brank et al., 2001, John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave CAE11: Seiten 276–284, 2001, sind Verschaltungen aus L und C Elementen bekannt, wobei die Kapazitäten der kapazitiven Elemente einstellbar sind.
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Aus dem Beitrag
„Tunable Isolator Using Variable Capacitor for Multi-band System", Wada et al., 978-1-4673-2141-9/13/$31.00, 2013 IEEE MTT-S Symposium bzw. aus der Veröffentlichungsschrift
WO 2012/020613 ist die Verwendung von Isolatoren in HF-Filtern bekannt. Allgemein benötigen abstimmbare Filter eine Vielzahl von Komponenten, die größer ist als die herkömmlicher auf ein Frequenzband abgestimmter bekannter Filter. Hinzu kommt eine komplexere Verschaltung, die weitere Probleme bereitet, da Leiterbahnkreuzungen und die damit verbundenen Kopplungen praktisch nicht zu vermeiden sind.
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Die Vielzahl zusätzlich erforderlicher Komponenten für abstimmbare Filter führt außerdem zu einem erhöhten Flächenbedarf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Package für ein abstimmbares Filter anzugeben, welches in kompakter Bauweise realisierbar ist und störende Kopplungen vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Package nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Packages sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Grundlegende Idee der Erfindung ist es, ein Package mit 3D-Integration vorzusehen und dabei bestimmte Komponenten höherer und niedrigerer Güte voneinander zu trennen.
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So weist ein erfindungsgemäßes Package ein Substrat auf, welches als Träger für das abstimmbare Filter dient und außerdem zumindest eine Verdrahtungsebene aufweist. Auf der Oberseite des Substrats ist in einer ersten Komponentenebene ein Halbleiterbauelement montiert und elektrisch mit der ersten Verdrahtungsebene verbunden. Das Halbleiterbauelement weist hochgütige abstimmbare passive Komponenten auf, die eine Frequenzabstimmung des Filters ermöglichen.
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Weiter ist in der ersten Komponentenebene eine Steuereinheit angeordnet. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, die abstimmbaren Komponenten anzusteuern und auf diese Weise einen Schaltzustand herzustellen, der sich durch eine gewünschte Grenzfrequenz oder ein gewünschtes Frequenzband auszeichnet.
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Über der ersten Komponentenebene ist eine Dielektrikumsschicht angeordnet. Die Dielektrikumsschicht weist vorzugsweise eine zumindest weitgehend eingeebnete Oberfläche auf.
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Über der Dielektrikumsschicht befindet sich eine zweite Komponentenebene, in der mit dem Halbleiterbauelement verschaltete, diskrete passive Bauelemente angeordnet sind.
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Aus den abstimmbaren passiven Komponenten, den diskreten passiven Bauelementen und gegebenenfalls weiteren Komponenten ist ein bezüglich seiner Grenzfrequenz oder seines Frequenzbands abstimmbares Filter realisiert. Ein solches Filter kann als Bandpassfilter ausgebildet sein. Möglich ist es jedoch auch, das Filter als Hochpass oder als Tiefpass auszuführen. Auch ein Bandstoppfilter ist als abstimmbares Filter realisierbar.
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Die abstimmbaren passiven Komponenten im Halbleiterbauelement können integriert gefertigt und integriert miteinander verschaltet sein. Im Halbleiterbauelement können diese Komponenten über die Fläche des Halbleiterbauelements verteilt sein.
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Die in der zweiten Komponentenebene, also über dem Halbleiterbauelement angeordneten, hochgütigen diskreten Bauelemente können dann in optimal geringer Entfernung beziehungsweise direkt über Schaltungsknoten bzw. Kontaktflächen des Halbleiterbauelements vorgesehen werden, so dass kürzest mögliche elektrische Verbindungen zwischen den Schaltungsknoten des Halbleiterbauelements und den diskreten passiven Bauelementen realisiert werden können. Kurze elektrische Verbindungen haben einen betragsmäßig nur geringen parasitären Belag, so dass zwischen den Verbindungsleitungen zwischen den diskreten passiven Bauelementen und dem Halbleiterbauelement beziehungsweise zwischen den Verbindungen dieser Komponenten untereinander nur geringfügige Kopplungen auftreten können. Geringe Kopplungen haben den Vorteil, dass das Filter eine hohe Frequenzgenauigkeit, eine hohe Flankensteilheit und wenig elektrische Verluste aufweist.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die 3D-Integration der Komponenten des Filters beziehungsweise das Package selbst eine nur geringe Grundfläche benötigt. Dadurch, dass lange Verbindungsleitungen eingespart werden, weist das erfindungsgemäße Package auch ein geringeres Volumen im Package auf als herkömmliche abstimmbare Filter.
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Werden für die hochgütigen Komponenten, also für die diskreten Bauelemente und die hochgütigen abstimmbaren Komponenten solche mit einer Güte von zumindest 100 ausgewählt, so können Filter erhalten werden, die einen Abstimmfaktor bis 4:1 aufweisen. Dies entspricht auf die Frequenz umgerechnet einem Faktor 2 zwischen niedrigster und höchster einzustellender Grenzfrequenz oder Frequenzbereich.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die abstimmbaren passiven Komponenten als abstimmbare hochgütige Kondensatoren ausgelegt. Solche hochgütigen abstimmbaren Kondensatoren können Varaktoren oder schaltbare Kapazitäten sein und im Halbleiterbauelement integriert sein. Dementsprechend sind in dieser Ausführung die diskreten passiven Bauelemente als hochgütige Induktivitäten ausgelegt.
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Varaktoren sind Halbleiterbauelemente, die eine spannungsabhängige Kapazität aufweisen. Das heißt, dass deren Kapazität über eine Steuerspannung eingestellt werden kann. Varaktoren können daher zu 100 Prozent im Halbleiterbauelement realisiert sein. Sie können in verschiedenen Technologien ausgeführt sein. Es sind Varaktoren auf der Basis von Silizium und auch auf der Basis von Verbindungshalbleitern wie insbesondere Galliumarsenid bekannt. Hochgütige Varaktoren sind z. B. in
L. K. Nanver et al., "Improved RF Devices for Future Adaptive Wireless Systems Using Two Sided Contacting and AlN Cooling" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 44, NO. 9, SEPTEMBER 2009, Seiten 2322–2338 beschrieben. Möglich ist es jedoch auch, die schaltbaren Kapazitäten als Dünnschichtkondensatoren (MIM Kondensator = metal isolator metal) auszubilden und mittels Halbleiterschaltern wie beispielsweise Transistoren oder Dioden zu einer Schaltung hinzu zu schalten oder diese von der Schaltung zu trennen. Durch Parallelschaltung mehrerer zuschaltbarer Dünnschichtkondensatoren kann ein gewünschter Kapazitätswert eingestellt werden. Über Anzahl und Größenverteilung der für eine abstimmbare Kapazität vorgesehenen zuschaltbaren Kondensatoren lässt sich darüber hinaus eine Frequenz mit hoher Genauigkeit einstellen.
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Hochgütige diskrete Induktivitäten sind üblicherweise in Form von Spulen ausgebildet. Dies können gedruckte Spulen sein. Möglich ist es auch, dreidimensional gefaltete oder gar gewickelte Spulen einzusetzen. Weiterhin ist es möglich, mehrere hochgütige Induktivitäten in einem Bauelement zu integrieren.
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Eine diskrete Filterschaltung, mit der ein abstimmbares Filter erhalten werden kann, umfasst eine serielle Signalleitung, die zumindest vier Schaltungsknoten aufweist. An jeden Schaltungsknoten ist ein Parallelzweig gegen Masse angekoppelt, in dem jeweils ein hochgütiges abstimmbares Reaktanzelement angeordnet ist. Je nach Art des abstimmbaren Reaktanzelements kann dieses in der ersten oder in der zweiten Komponentenebene angeordnet sein.
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In der seriellen Signalleitung der abstimmbaren Filterschaltung ist zwischen je zwei benachbarten Schaltungsknoten eine Koppelkapazität oder eine Koppelinduktivität angeordnet. Diese benötigt keine hohe Güte, da sie das Filterverhalten nicht wesentlich beeinflusst. Die Koppelkapazität oder Koppelinduktivität kann daher als integrierte Komponente ausgeführt sein. Als Ort der Integration bietet sich das Halbleiterbauelement an. Möglich ist es jedoch auch, die Koppelkapazität oder Koppelinduktivität im Substrat vorzusehen, welches dann als Mehrlagensubstrat ausgebildet ist, in dem die Koppelkapazität oder die Koppelinduktivität zusammen mit weiteren niedergütigen passiven Komponenten integriert ist. Möglich ist es auch, die Reaktanzelemente passiv, also ohne Dazwischenschaltung eines Kondensators allein über parasitäre Kopplungen miteinander zu verkoppeln, was insbesondere durch Anordnung in räumlicher Nähe bewerkstelligt werden kann.
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Beisseitig endständig in der seriellen Signalleitung ist jeweils ein Kondensator zur Einstellung der Abschluss- und Eingangsimpedanz angeordnet. Ein- und Ausgangsimpedanz sind überlicherweise konstant, können aber auch variabel sein und mit Hilfe von abstimmbaren Kondensatoren gesteuert werden. In einem Ausführungsbeispiel lässt sich beispielsweise die Eingangsimpedanz allein durch Variation der eingangsseitigen Kapazität von 50Ω auf 5Ω ändern.
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Weitere Kapazitäten dienen dazu, die serielle Signalleitung beiderseits endständig an eine äußere Schaltungsumgebung anzukoppeln, wobei über diese endständigen Koppelkondensatoren von beiden Richtungen aus elektrische Hochfrequenzsignale in die serielle Signalleitung eingespeist werden können. Auch diese Ein- und Auskoppelkondensatoren können abstimmbar ausgebildet sein.
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Die in der Signalleitung endständigen Schaltungsknoten sind über eine parallel zur seriellen Signalleitung geschaltete Brückeninduktivität oder eine Brückenkapazität miteinander verbunden. Auch diese Brückeninduktivität oder Brückenkapazität kann als niedergütige Komponente ausgeführt sein und beispielsweise im Halbleiterbauelement, im Substrat oder in einer anderen Verdrahtungsebene ausgeführt sein.
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Das jeweils in den Parallelzweigen angeordnete Reaktanzelement kann ein Parallelresonanzkreis sein, der jeweils eine Parallelschaltung eines hochgütigen abstimmbaren Kondensators und einer hochgütigen Induktivität umfasst. In dieser Ausführung ist die Filterschaltung als Bandpassfilter wirksam.
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Weiterhin kann das Reaktanzelement in den Parallelzweigen einer Serieninduktivität sein. Auch diese ist hochgütig ausgeführt und insbesondere als diskrete passive Komponente in der zweiten Komponentenebene angeordnet. Die dazugehörige Filterschaltung ist als Hochpass wirksam.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Reaktanzelement eine hochgütige abstimmbare Kapazität. Eine solche Filterschaltung ist als Tiefpass wirksam.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Reaktanzelement als eine Serienschaltung aus einer abstimmbaren hochgütigen Kapazität und einer hochgütigen Induktivität ausgebildet. Eine solche Filterschaltung ist als Bandstopp wirksam. Ein Bandstoppfilter zeichnet sich durch einen Sperrbereich aus, der von einer schmalbandigen Notch-Frequenz bis zu einem breiten Sperrbereich von beispielsweise fünfzig Prozent relativer Bandbreite reicht.
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Induktive Komponenten können eine über den Raum wirkende und damit relativ weit reichende induktive Kopplung untereinander aufweisen. Um die Kopplung der in der zweiten Komponentenebene angeordneten, hochgütigen diskreten Induktivitäten zu minimieren, sind gemäß einer Ausführungsform die Induktivitäten als SMD-Komponenten ausgeführt, in linearer Ausrichtung angeordnet und so ausgerichtet, dass die magnetischen Achsen je zweier nebeneinander angeordneter SMD-Komponenten um circa 90° gegeneinander verdreht sind. Da eine maximale induktive Kopplung nur bei paralleler Ausrichtung der Achsen auftritt, führt jede Abweichung von der parallelen Ausrichtung zu einer Verminderung der Kopplung, die bei einer gegenseitigen Ausrichtung im Winkel von 90° gegen Null geht. Werden gleichartige, hochgütige diskrete Induktivitäten vorgesehen, so ist es sinnvoll, in der linearen Anordnung der Komponenten zueinander die jeweils benachbarte Komponenten im gleichen Drehsinn im Winkel von 90° zur vorhergehenden zu verdrehen. Auf diese Weise sind vier unterschiedliche Anordnungen pro Bauelement möglich, mit denen die Kopplung weiter reduziert wird.
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Im erfindungsgemäßen Package können die Steuereinheit und sämtliche für die Filterschaltung erforderlichen Komponenten je nach Bedarf, Technologie, gewünschter Güte und nicht zuletzt Kombinierbarkeit kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, die Steuereinheit zusammen mit den abstimmbaren passiven Komponenten in dem Halbleiterbauelement zu integrieren. Möglich ist es auch, die Steuereinheit getrennt von den abstimmbaren passiven Komponenten in einem weiteren Halbleiterbauelement vorzusehen.
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Weiterhin können im Halbleiterbauelement neben den hochgütigen Komponenten auch niedergütige passive Komponenten der Filterschaltung realisiert sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung können sämtliche niedergütigen passiven Komponenten, also die niedergütigen Kondensatoren und Induktivitäten in einem weiteren Halbleiterbauelement realisiert sein, welches beispielsweise ebenfalls in der ersten Komponentenebene angeordnet, direkt auf dem Substrat aufgebracht und elektrisch mit diesem verbunden ist.
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Die Bauelemente der zweiten Komponentenebene können mit dem oder den Halbleiterbauelementen in der ersten Komponentenebene direkt über Durchkontaktierungen durch die dielektrische Schicht verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, zwischen der ersten und zweiten Komponentenebene eine weitere Verdrahtungsebene einzuführen, die zwischen zwei Teilschichten einer dielektrischen Schicht realisiert werden kann. Über eine solche Verdrahtungsebene gelingt eine komplexere Verschaltung, insbesondere wenn einzelne diskrete passive Bauelemente der zweiten Komponentenebene nicht direkt über dem Schaltungsknoten angeordnet werden können, mit dem sie elektrisch verbunden sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind sämtliche abstimmbaren, hochgütigen passiven Komponenten, die Steuereinheit und die niedergütigen passiven Komponenten in einem einzigen Halbleiterbauelement realisiert.
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Die niedergütigen passiven Komponenten können außerdem in einem integrierten passiven Bauelement realisiert sein, einem so genannten IPD (= Integrated Passive Device) welches in erster oder zweiter Komponentenebene angeordnet sein kann.
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Eine Integration von passiven Komponenten in das Substrat gelingt, wenn dieses mehrschichtig ausgebildet und z.B. als LTCC (= Low Temperature Co-Fired Ceramic) oder als HTCC (= High Temperature Co-Fired Ceramic) oder als mehrschichtiges Laminat ausgeführt ist.
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Das erfindungsgemäße Package weist auf der Unterseite, also der der Komponentenebene abgewandten Oberfläche des Substrats Außenkontakte auf, über die das abstimmbare Filter beziehungsweise die abstimmbare Filterschaltung elektrisch mit einer äußeren Schaltungsumgebung verbunden ist oder verbunden werden kann. Die Außenkontakte sind über Durchkontaktierungen mit einer im oder auf dem Substrat realisierten Verschaltungsebene oder direkt über Durchkontaktierungen mit Komponenten in der ersten Komponentenebene verbunden. Ist im Substrat eine Verdrahtungsebene angeordnet, so ist auch diese über Durchkontaktierungen mit den Komponenten der ersten Komponentenebene verbunden. Ist die Verdrahtungsebene auf der Oberseite des Substrats unterhalb der ersten Komponentenebene angeordnet, so können die Komponenten der ersten Komponentenebene direkt mit der Verdrahtungsebene verbunden werden, beispielsweise durch direktes Auflöten oder mittels Bumps.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Packages ist vorgesehen, weitere Komponenten im Package zu integrieren, die mit dem abstimmbaren Filter verschaltet werden können, um größere und komplexere Schaltungen zu realisieren. Solche weiteren Komponenten können ausgewählt sein aus Leistungsverstärker, LNA, akustischem Filter, Duplexer, Diplexer und allgemeinen Hochfrequenzhalbleiterbauelementen. In dem Package können zwei oder mehr abstimmbare Filter realisiert sein, die miteinander zu einem Diplexer, Duplexer oder allgemein einem Multiplexer verschaltet sind. Die für einen Multiplexer in der Regel erforderlichen zusätzlichen passiven Komponenten zur Trennung der Multiplex-Ausgänge können ebenfalls im Package integriert sein. Das Package kann auch eine Filterbank realisieren, dessen verschiedene gegebenenfalls abstimmbare Filter unabhängig voneinander betrieben werden können.
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Im Package kann ein abstimmbares Filter mit einem akustischen Filter mit fest eingestellter Frequenz verschaltet sein, so dass auf diese Weise Duplexer mit unterschiedlichem Duplexabstand realisiert werden können. Das Hochfrequenzhalbleiterbauelement kann eine Transceiverschaltung umfassen, die der weiteren Verarbeitung des durch das Filter gefilterten HF-Signals dient.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die abstimmbaren Kondensatoren als ein Array von schaltbaren MEMS-Kondensatoren (= Mikroelektromechanisches System) oder als schaltbare MIM-Kondensatoren (= Schichtenfolge Metall/Isolator/Metall) ausgebildet. Die MEMS-Kondensatoren können in einem Halbleitersubstrat durch Mikrostrukturierung ausgebildet sein und sich mit Halbleiterschaltungen dasselbe Substrat teilen. MIM-Kondensatoren können ebenfalls in das Halbleiterbauelement integriert sein, beispielsweise in Form von alternierenden Metall- und Isolatorlagen, die auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements abgeschieden und entsprechend strukturiert sind. Weiterhin ist es möglich, Kondensatoren ähnlich wie Halbleiterspeicher auszubilden und beispielsweise als mit Metall gefüllte oder verkleidete Gräben oder Löcher im Substrat zu realisieren.
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Das Array von schaltbaren Kondensatoren ist in einer Ausführung mit der Steuereinheit verbunden, die eine gewünschte Auswahl oder Anzahl von Kondensatoren parallel miteinander verschaltet, um den gewünschten Kapazitätswert bereitzustellen. Über den eingestellten Kapazitätswert wird die Resonanzfrequenz von Schwingkreisen, insbesondere von Serien- und Parallelschwingkreisen eingestellt und so das Filter auf eine gewünschte Grenzfrequenz oder ein gewünschtes Frequenzband abgestimmt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Die Figuren dienen nur dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren können daher weder relative noch absolute Größenangaben entnommen werden. Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt im schematischen Querschnitt ein Package für und mit einem abstimmbaren Filter.
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2A bis 2D zeigen vier Ausführungsformen von abstimmbaren Filtern im Blockschaltbild.
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3A und 3B zeigen eine mögliche Auftrennung von Komponenten eines abstimmbaren Filters.
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4A bis 4C zeigen eine weitere mögliche Auftrennung von Komponenten eines abstimmbaren Filters.
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5 zeigt ein Package mit einem abstimmbaren Filter im schematischen Querschnitt.
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6 zeigt ein Array von abstimmbaren Impedanzelementen und eine Steuerungseinheit.
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7 zeigt ein Array von schaltbaren Kapazitäten bzw. Kondensatoren.
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8 zeigt eine Anordnung von induktiven Komponenten, die sich durch eine geringe Kopplung auszeichnet.
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1 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Package. Das Package ist auf einem Substrat S aufgebaut, welches ein ein- oder mehrschichtiges Substrat ist und zumindest eine Verdrahtungsebene SE1 aufweist. Die Verdrahtungsebene SE1 kann auf der Oberfläche des Substrat S oder wie in der 1 dargestellt zwischen zwei isolierenden Lagen eines mehrschichtigen Substrats ausgebildet sein. Auf dem Substrat ist zumindest ein Halbleiterbauelement HLB montiert und mit der ersten Verdrahtungsebene SE1 elektrisch verbunden. Auf dem Substrat in der ersten Komponentenebene KE1 können neben dem Halbleiterbauelement HLB weitere diskrete, integrierte oder sonstige Bauelemente angeordnet sein (in der Figur nicht dargestellt). Das Halbleiterbauelement HLB umfasst zumindest hochgütige abstimmbare passive Komponenten.
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In dem Halbleiterbauelement HLB kann eine Steuereinheit integriert sein. Eine Steuereinheit kann auch als weiteres separates Halbleiterbauelement realisiert und in der ersten Komponentenebene KE1 angeordnet sein.
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Die Bauelemente der ersten Komponentenebene sind mit einer dielektrischen Schicht DS abgedeckt oder in eine dielektrische Schicht DS eingebettet, die nach oben mit einer annähernd ebenen Oberfläche abschließt. Über der dielektrischen Schicht DS und der abgedeckt darunter angeordneten oder darin eingebetteten ersten Komponentenebene KE1 ist eine zweite Komponentenebene KE2 vorgesehen. Darin sind diskrete hochgütige passive Bauelemente DP angeordnet. Die diskreten hochgütigen passiven Bauelemente DP sind mit den Komponenten der ersten Komponentenebene KE1 elektrisch verschaltet. Dies kann direkt über Durchkontaktierungen von den Bauelementen der zweiten Komponentenebene hin zu den Kontakten der Halbleiterbauelemente HLB in der ersten Komponentenebene erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, wie in der Figur dargestellt, zwischen erster und zweiter Komponentenebene KE1, KE2 eine zweite Verdrahtungsebene SE2 vorzusehen. Die Leitungsabschnitte der zweiten Verdrahtungsebene SE2 sind mit den entsprechenden Kontakten der diskreten passiven Bauelemente DP und außerdem mit Kontakten der Halbleiterbauelemente mittels Durchkontaktierungen elektrisch verbunden. Die zweite Verdrahtungsebene SE2 kann zwischen zwei Lagen eines Dielektrikums eingebettet sein.
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An der Unterseite des Substrats S sind Außenkontakte AK vorgesehen, die über Durchkontaktierungen DK entweder direkt mit den Komponenten der ersten Komponentenebene KE1 oder wie in der Figur dargestellt mit der ersten Verdrahtungsebene SE1 verbunden sind.
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Nicht dargestellt in der 1 sind weitere Passivierungen oder Schutzabdeckungen, die die Komponenten des Packages P gegen Umwelteinflüsse abdichten. Eine solche Passivierung kann beispielsweise zumindest eine direkt auf die Oberfläche der diskreten passiven Bauelemente DP abgeschiedene oder aufgebrachte Schicht, insbesondere eine Dünnschicht sein. Die Passivierung kann auch eine Schichtenfolge abgeschiedener oder aufgebrachter Schichten umfassen. Beispielsweise ist es möglich, eine erste formschlüssige Abdeckung auf die diskreten passiven Bauelemente DP aufzubringen, die mit der Oberfläche der dielektrischen Schicht DS abschließt. Dies kann beispielsweise eine thermoplastische Folie sein. Diese Folie kann anschließend mit einer Metallisierung versehen werden, die gegebenenfalls noch galvanisch oder stromlos verstärkt werden kann.
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Möglich ist es auch, die Oberfläche des Substrats S gegenüber dem mit Komponenten versehenen Bereich zu vergrößern und die Passivierung mit der dann überstehenden Substratoberfläche abschließen zu lassen. Weiterhin ist es möglich, eine starre und mechanisch formstabile Kappe auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht DS oder auf überstehende Oberflächenbereiche des Substrats S aufzusetzen und gegen dieses abzudichten. Sowohl mit einer formschlüssigen Abdeckung als auch mit einer starren Kappe kann anschließend noch ein Verguss des gesamten Packages P erfolgen, wobei vorteilhaft entweder eine Globe Top-Masse aufgebracht oder das Ganze mit einer Kunststoffmasse z. B. durch Overmolding umspritzt wird.
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2 zeigt verschiedene Ausführungsformen von abstimmbaren Filtern. Es sind nur beispielhafte Topologien dargestellt, so dass noch weitere Ausführungsformen denkbar sind. 2A zeigt ein Bandpassfilter, welches mit einer seriellen Signalleitung SL einen ersten Anschluss T1 mit einem zweiten Anschluss T2 verbindet. In der seriellen Signalleitung SL sind zumindest vier Schaltungsknoten N vorgesehen, an die Reaktanzelemente angekoppelt sind. Zwischen je zwei Schaltungsknoten N ist ein Koppelkondensator KC geschaltet, über den die Reaktanzelemente miteinander verkoppelt sind. Eine Brückeninduktivität BI ist parallel zur seriellen Signalleitung zwischen den beiden äußersten Schaltungsknoten N der seriellen Signalleitung SL verschaltet.
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Für ein Bandpassfilter wie in 2A ist das Reaktanzelement beispielsweise als Parallelschwingkreis ausgebildet, in dem hochgütige abstimmbare Kapazität CT mit einer hochgütigen Parallelspule PL gegen Masse verschaltet ist. Die vier Parallelschwingkreise erzeugen zusammen mit der Brückeninduktivität BI ein Filter mit einem Durchlassverhalten, welches zwei Pole aufweist, die zwischen sich ein Passband des Bandpassfilters aufspannen. Möglich ist es auch, in einem Bandpassfilter weitere Parallelschwingkreise in der gezeigten Weise zu integrieren, mit denen weitere Polstellen ausgebildet werden können oder die vorhandenen Polstellen verstärkt werden können.
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Die Anschlusskondensatoren AC dienen zum Einstellen einer Ein- oder Ausgangsimpedanz. So kann in einem Ausführungsbeispile mit einem Anschlusskondensator AC einer Kapazität von 5 pF beispielsweise eine Eingangsimpedanz von 5Ω eingestellt werden. Durch Anheben dieses Kapazitätswertes auf z. B. 18 pF kann eine Eingangsimpedanz von 50Ω eingestellt werden, ohne dass sich dabei das Durchlassverhalten der Filterschaltung wesentlich ändert. Kleine Anpassungen der Werte anderer Komponenten können allerdings erforderlich sein.
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2B zeigt ein Tiefpassfilter, welches wie das Bandpassfilter von 2A eine serielle Signalleitung SL, vier Schaltungsknoten mit dazwischen angeordneten Koppelkapazitäten und zwei endständige Anschlusskapazitäten AC aufweist. An die Schaltungsknoten sind als Reaktanzelemente hochgütige abstimmbare Kondensatoren gegen Masse geschaltet.
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2C zeigt im Blockschaltbild ein abstimmbares Filter, welches als Hochpassfilter ausgeführt ist. Im Unterschied zum Tiefpassfilter von 2B weist das Hochpassfilter von 2C als Reaktanzelemente hochgütige Induktivitäten auf. Mit abstimmbaren hochgütigen Induktivitäten I kann auch das Hochpassfilter als abstimmbares Filter ausgebildet werden.
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2D zeigt ein Blockschaltbild eines als Bandstoppfilter ausgebildeten abstimmbaren Filters. Als Reaktanzelemente sind hier an die Schaltungsknoten N der seriellen Leitung SL Serienschwingkreise angekoppelt, die eine hochgütige abstimmbare Kapazität CT und dazu in Serie geschaltet eine hochgütige Induktivität I umfasst. Das Bandstoppfilter kann als Notchfilter ausgebildet sein, bei dem einzelne Frequenzen gedämpft sind, im übrigen Bereich jedoch guter Durchlass mit wenig Dämpfung erfolgt. Möglich ist es jedoch auch, dass die Serienschwingkreise SK, die über die Koppelkondensatoren KC miteinander gekoppelt sind, zusammen ein Stoppband aufspannen. In den übrigen Frequenzen beiderseits des Stoppbandes zeigt das Bandstoppfilter dann gutes Durchlassverhalten.
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2E zeigt ein 2C zeigt im Blockschaltbild ein abstimmbares Hochpassfilter, welches unter Verwenduing von Admittanzinvertern AI realisiert ist. Im Unterschied zum Tiefpassfilter von 2B weist das Hochpassfilter von 2E als abstimmbares Reaktanzelemente jeweils eine Serienschaltung eines Admittanzinverters AI und einer abstimmbaren Kapazität CT auf.
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In den in 2A bis 2E dargestellten Ausführungsformen von Filtern sind die Komponenten der Reaktanzelemente als hochgütige Komponenten ausgeführt. Beispielsweise sind die abstimmbaren hochgütigen Kondensatoren CT in einem Halbleiterbauelement HLB integriert und als Varaktoren oder schaltbare Kondensatoren ausgebildet. Auch die Induktivitäten in den Reaktanzelementen der 2A, 2C und 2D sind hochgütig und sind insbesondere als diskrete passive Bauelemente DP (siehe 1) ausgebildet. Die übrigen passiven Komponenten innerhalb der seriellen Signalleitung SL sowie die Brückeninduktivität BI können niedergütige Komponenten sein. Auch die Admittanzinverter AI der Schaltung von 2E sind vorzugsweise einer Verschaltung hochgütiger passiver Komponenten ausgebildet.
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Wie bereits in 1 angedeutet, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, niedergütige und hochgütige passive Komponenten voneinander zu trennen. 3A und 3B zeigen beispielsweise eine mögliche Auftrennung der Komponenten für ein Bandpassfilter wie in 2A dargestellt. In diesem Fall werden die abstimmbaren Kapazitäten CT in einer Gruppe zusammengefasst, auf einem Bauelement integriert oder in einem gesonderten Bereich eines Halbleiterbauelements realisiert. Die niedergütigen passiven Komponenten können auf einem integrierten passiven Bauelement (IPD) realisiert sein, welches wie ein diskretes Bauelement in der ersten oder zweiten Komponentenebene KE1, KE2 des Packages P, wie in 1 dargestellt, angeordnet sein kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die passiven Komponenten weiter aufgeteilt. Eine erste Gruppe von passiven Komponenten umfasst die Koppelkondensatoren und die Brückeninduktivität wie in 4A. Die hochgütigen Induktivitäten der Reaktanzelemente der 2A, 2C, 2D und 2E bilden eine weitere Gruppe passiver Komponenten, die getrennt realisiert sind, beispielsweise als passive diskrete Bauelemente PD. Die abstimmbaren Kapazitäten CT der Ausführungsbeispiele 2A, 2B, 2D und 2E bilden eine weitere Gruppe getrennt realisierter passiver Komponenten, die im Halbleiterbauelement HLB integriert sind. Völlig separiert und vorzugsweise als einzelne diskrete Bauelemente ausgebildet sind nur die hochgütigen Induktivitäten PL, I von 4B.
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Niedergütige passive Komponenten sowie die abstimmbaren Kondensatoren von 4C können getrennt realisiert sein, beispielsweise die abstimmbaren Kapazitäten als Halbleiterbauelement und die niedergütigen Komponenten als integriertes passives Bauelement. Alternativ können jedoch auch die Komponenten von 4A und 4C in einem gemeinsamen Halbleiterbauelement realisiert sein. Weiterhin ist es möglich, die niedergütigen passiven Komponenten in einem mehrschichtigen Substrat S zu integrieren.
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5 zeigt ein Package im schematischen Querschnitt, welches in der ersten Komponentenebene zumindest zwei Halbleiterbauelemente HLB1, HLB2 aufweist. Auf diese beiden Halbleiterbauelemente können die einzelnen Komponenten gemäß der 3B, 4C und 4A verteilt sein. In eines der beiden Halbleiterbauelemente kann zusätzlich die Steuereinheit integriert sein, welche als MIPI-RFFE Controller (= mobile industry processor interface-radio frequency front-end) ausgebildet sein kann. Der MIPI-Controller, also die Steuereinheit kann auch als separates Halbleiterbauelement in der ersten Komponentenebene KE1 ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform sind sämtliche passiven Komponenten mit Ausnahme der hochgütigen Induktivitäten zusammen mit der Steuerungseinheit, beispielsweise einem MIPI-RFFE Controller in einem einzigen Halbleiterbauelement HLB integriert. Der MIPI Controller kann alle bei mobilen Kommunikationsgeräten wichtigen Daten kontrollieren und die Komponenten steuern.
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Der MIPI Controller kann im Basisband Prozessor oder im HF Chipset des Handies realisert sein.
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Eine Steuerungseinheit kann das digitale MIPI-RFFE Signal in konkrete Steuersignale z. B. in anloger oder digitaler Form umsetzen.
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6 zeigt ein Array von vier abstimmbaren hochgütigen Impedanzelementen, die von einer gemeinsamen Steuereinheit CE kontrolliert werden. Die Anordnung kann auch eine höhere Anzahl abstimmbarer Impedanzelementen IET umfassen. Die abstimmbaren Impedanzelemente IET weisen eine abstimmbare Impedanz auf. Sie sind beispielsweise als abstimmbare Kapazitäten ausgebildet, die in ihrem Kapazitätswert abstimmbar sind. Die Information zur Abstimmung kann über ein MIPI-RFFE Signal (MIPI) an die Steuereinheit CE geschickt werden, die dann die entsprechende Abstimmung der einzelnen abstimmbaren Kondensatoren CT oder eben allgemeiner der Impedanzelemente IET vornimmt. Die abstimmbaren Impedanzelemente können in unterschiedlichen Technologien realisiert sein. Die gesamte Anordnung kann in einem Halbleiterbauelement realisiert sein. Die Steuereinheit CE generiert aus dem MIPI-Signal eine Ansteuerung für die abstimmbaren Kondensatoren.
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Jedes der abstimmbaren Impedanzelemente kann Teil eines abstimmbaren Reaktanzelements sein, welches wiederum eine Verschaltung eines abstimmbaren Impedanzelements mit einer oder mehr weiteren passiven Komponenten darstellen kann.
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7 zeigt eine Möglichkeit, wie eine hochgütige abstimmbare Kapazität als Array von schaltbaren Kondensatoren ausgebildet sein kann. Um einen beliebigen Kapazitätswert einzustellen, wird eine beliebige Anzahl von Kondensatoren in einem Array parallel miteinander verschaltet. Mögliche einstellbare, konkrete Kapazitätswerte ergeben sich aus verschiedenen (Teil-)summen der im Array verschaltbaren Kapazitäten. In der Figur dargestellt ist ein Kondensator C0. Parallel dazu ist mithilfe eines Schalters SW1 ein erster Zusatzkondensator C1 zuschaltbar. Ein oder mehrere zusätzliche Kondensatoren Cn sind über Schalter SWn parallel mit den Kondensatoren C0 und C1 verschaltbar. Durch geschickte Auswahl der Kapazitätswerte können so sehr genaue Feinabstufungen des resultierenden Gesamtkapazitätswerts erhalten werden. Während links das Ersatzschaltbild für ein solches schaltbares Kondensatorarray dargestellt ist, verdeutlicht das rechts dargestellte Symbol einen beliebigen abstimmbaren Kondensator, der auch in einer anderen Technologie realisiert sein kann, beispielsweise als Varaktor.
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Ein prinzipieller Unterschied besteht zwischen schaltbaren Kondensatoren und direkt abstimmbaren Kondensatoren wie Varaktoren, da die schaltbaren Kondensatoren digital geschaltet werden können, während ein abstimmbarer Kondensator wie ein Varaktor beispielsweise mit einem analogen Signal gesteuert wird, welches an den Varaktor als Spannung angelegt wird und proportional zum erreichbaren Kapazitätswert ist.
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8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der für die als hochgütige Induktivitäten ausgelegten diskreten Bauelemente PD der zweiten Komponentenebene KE2 die Kopplung zwischen benachbarten Bauelemente minimiert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass direkt benachbarte Induktivitäten, die beispielsweise als SMD-Bauelemente ausgebildet sind, gegeneinander um 90° in der zweiten Komponentenebene gedreht sind. In der Figur ist mit einem Sternchen eine virtuelle Position im Bauelement gekennzeichnet, um den Drehsinn aus der Figur ablesen zu können. Durch dreimaliges Drehen um jeweils 90° im gleichen Drehsinn lassen sich insgesamt vier verschiedene Positionen einstellen und so eine minimale Kopplung zwischen den Induktivitäten erzielen.
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In einem nicht dargestellten weiteren Package werden die passiven Komponenten des abstimmbaren Filters alle in der ersten Komponentenebene KE1 angeordnet und beispielsweise als in Flipchip-Bauweise auf dem Substrat SU montierte Bauelemente realisiert. Dabei können unterschiedliche Bauelemente montiert sein, in denen die passiven Komponenten und der Controller getrennt voneinander realisiert sind. Die niedergütigen passiven Elemente können im Substrat integriert sein, können aber auch mit anderen Komponenten zusammen in einem Bauelement der ersten Komponentenebene realisiert sein. Zumindest den niedergütigen passiven Komponenten können als integriertes passives Bauelement IPD realisiert sein.
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Auch die in Flipchip-Bauweise montierten Bauelemente können mit einer Passivierung, einer Abdeckung oder einem Gehäuse versehen werden, die im Prinzip wie bei den vorgenannten Ausführungen realisiert werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen näher beschriebenen Ausführungen beschränkt sondern allein durch den Wortlaut des Hauptanspruchs definiert. Als erfindungsgemäß werden auch einzelne neue Merkmale in den Ansprüchen angesehen, sowie Unterkombinationen davon. Liste der Bezugszeichen und der verwendeten Begriffe
AC | Anschlusskondensator |
AI | Admittanzinverter |
AK | Außenkontakte, angeordnet auf unterer Oberfläche des Substrats |
BI | Brückeninduktivität |
CE | Steuerungseinheit |
CT | Varaktoren und schaltbaren Kapazitäten |
DK | Durchkontaktierung |
DP | diskrete passive Bauelemente |
DS | Dielektrikumsschicht |
HLB | Halbleiterbauelement |
KC | Koppelkapazität |
KE1, KE2 | erste und zweite Komponentenebene |
N | Schaltungsknoten |
P | Package |
PL | hochgütige Induktivität |
S | Substrat |
SE1 | erste Verdrahtungsebene |
SL | serielle Signalleitung |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Tunable Filters Using Wideband Elastic (?) Resonators“, Kadota et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 60, Nr. 10, Oktober 2013, Seiten 2129–2136 [0006]
- „A Novel Tunable Filter Enabling Both Center Frequency and Bandwidth Tunability“, Inoue et al., Proceedings Of The 42nd European Microwave Conference, 29. Oktober–1. November 2012, Amsterdam, The Netherlands, Seiten 269–272 [0007]
- „RFMEMS-Based Tunable Filters“, Brank et al., 2001, John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave CAE11: Seiten 276–284, 2001 [0008]
- „Tunable Isolator Using Variable Capacitor for Multi-band System“, Wada et al., 978-1-4673-2141-9/13/$31.00, 2013 IEEE MTT-S Symposium [0009]
- L. K. Nanver et al., ”Improved RF Devices for Future Adaptive Wireless Systems Using Two Sided Contacting and AlN Cooling” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 44, NO. 9, SEPTEMBER 2009, Seiten 2322–2338 [0024]