DE10225202A1 - Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem Anpaßnetzwerk - Google Patents
Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem AnpaßnetzwerkInfo
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Abstract
Die Erfindung gibt ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement mit einem Mehrlagensubstrat (MS) an, wobei das Mehrlagensubstrat ein integriertes Anpaßnetzwerk und weitere Schaltungselemente (IE) zur Anpassung elektrischer Filtereigenschaften umfaßt und als Trägersubstrat für Dünnschicht-Resonatoren (AF), FBAR = Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator, dienen kann.
Description
- Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement, insbesondere ein Bandpaßfilter oder einen Duplexer mit elektronischem Anpaßnetzwerk.
- Unter mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen werden BAW-Bauelemente (Bulk Acoustic Wave Bauelemente) verstanden, welche einzelne Dünnschicht-Resonatoren (auch Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator oder FBAR genannt) umfassen. Diese Bauelemente können künftig große Bedeutung als Filter und Duplexer in Front-End-Modulen drahtloser Kommunikationssysteme erlangen.
- Ein Duplexer stellt ein elektrisches Dreitor dar, das die Antenne sowohl mit dem Sende- als auch mit dem Empfangspfad eines Endgerätes für mobile Kommunikation verbindet. Ein Duplexer besteht aus zwei, meist in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten, an eine Antenne anzuschließenden Bandpaßfiltern, wobei sich jeweils ein Filter im Sende- bzw. Empfangspfad befindet. Ein Duplexer sollte einerseits in jedem der Paßbänder auf der entsprechenden Seite des Dreitors eine gute Anpassung an die Umgebung aufweisen, um Signalverluste an der Schnittstelle zu minimieren, und andererseits eine hohe Unterdrückung der Empfangssignale im Sendepfad und vor allem der Sendesignale im Empfangspfad gewährleisten. Eine weitere Anforderung an einen Duplexer ist eine hohe Sendeleistungsverträglichkeit ohne Beeinträchtigung der Filterfunktion während einervorgegebenen Lebensdauer des Bauteils, und zwar bei möglichst geringem Platzbedarf.
- Bis heute sind beispielsweise Duplexer aus Mikrowellenkeramik bekannt, die eine hohe Leistungsverträglichkeit bei niedrigen Herstellungskosten aufweisen, die jedoch relativ groß sind, etwa im Vergleich zu auf der Basis der SAW-Technologie (SAW steht für Surface Acoustic Wave) aufgebauten Duplexern. Die SAW-Duplexer wiederum sind zwar klein, aber nicht besonders leistungsfest, was sich vor allem im Frequenzbereich oberhalb von 1 GHz bemerkbar macht.
- Weiterhin ist ein BAW-Duplexer aus US 6262637 bekannt, der aus zwei separaten Bandpaßfiltern für Sende- und Empfangsbereich besteht. Beide Filter sind auf einer Leiterplatte aufgelötet und mit einer ebenfalls auf der Leiterplatte angebrachten zusätzlichen Schaltung aus diskreten Elementen elektrisch verbunden, so daß der Gesamtaufbau als Dreitor betrachtet werden kann. Jedes der erwähnten BAW-Filter besteht aus einer Ladder-Type-Anordnung einzelner akustischer Resonatoren. Jeder Resonator enthält eine piezoelektrische Schicht, die beidseitig mit Elektrodenschichten versehen ist, wobei zwischen dem mehrschichtigen Resonator-Aufbau und einem darunter liegenden Trägersubstrat ein Hohlraum zur Reflexion einer akustischen Welle zurück in den Resonator angeordnet ist.
- Die genannten BAW-Bauelemente benötigen zur Anpassung an ihre Schaltungsumgebung, wie oben schon angedeutet, ein elektrisches Anpaßnetzwerk. Ein solches kann Induktivitäten, Kapazitäten und Verzögerungsleitungen umfassen und dient im wesentlichen dazu, die Impedanz eines Bauelements der äußeren Umgebung anzupassen.
- Es ist bekannt, daß ein BAW-Bauelement (beispielsweise ein aus BAW-Bauelementen aufgebauter Duplexer) mit einem auf einer Leiterplatte angeordneten Anpaßnetzwerk versehen werden kann, siehe Druckschrift US 6262637. Eine solche Anordnung ist jedoch wegen eines hohen Platzbedarfes und wegen hoher Herstellungkosten im Vergleich zu heutzutage angebotenen Duplexern von Nachteil. Außerdem sind die elektrischen Eigenschaften eines solchen Bauteils sehr empfindlich bezüglich der relativen gegenseitigen Anordnung der (für die Duplexerfunktion) erforderlichen Filter- und Anpaßelemente, die auf der Leiterplatte angeordnet werden.
- Es ist bekannt, daß bei SAW-Bauelementen Anpaßnetzwerke als integrierte Netzwerke ausgeführt werden, wobei die das Netzwerk bildenden Schaltungselemente zusammen in einem mehrlagigen Substrat integriert sind. Die integrierten Schaltungselemente können beispielsweise Bestandteil einer Duplexer- Schaltung sein.
- Es ist bekannt, daß ein SAW-Bauelement (Chip) mit einem mehrschichtigen Trägersubstrat (z. B. aus Keramik), welches integrierte Anpaßelemente umfaßt, mittels Flip-Chip-Anordnung oder mittels Drahtbonden befestigt und elektrisch verbunden sein kann. Ein Nachteil von SAW-Bauelementen besteht in ihrer geringen Lebensdauer bei in Endgeräten der mobilen Kommuniktaion angewendeten hohen Sendeleistungen. Ein weiterer Nachteil der SAW-Duplexer besteht darin, daß die Flanken der Paßbänder in der Übertragungsfunktion nicht ausreichend steil abfallen, weswegen SAW-Duplexer für Anwendungen mit geringem Abstand zwischen den Mittelfrequenzen der Sende- und Empfangsbereiche nicht in Frage kommen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit integrierten Schaltungselementen anzugeben, welches hohe Leistungsverträglichkeit und Zuverlässigkeit elektrischer Eigenschaften aufweist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
- Ein erfindunggemäßes elektronisches mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement (BAW-Bauelement) enthält a) zumindest einen Dünnschicht-Resonator, auch Volumenwellen- Resonator oder FBAR (Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator) genannt, der aus zumindest einer piezoelektrischen Schicht mit zumindest zwei schichtweise aufgetragenen Elektroden gebildet ist, und b) ein Mehrlagensubstrat mit zumindest einem integrierten passiven oder aktiven Schaltungselement.
- Unter integrierten Schaltungselementen versteht man im Sinne der Erfindung solche Schaltungselemente, die im Mehrlagensubstrat monolithisch integriert sind.
- Unter einem passiven oder aktiven Schaltungselement versteht man im Sinne der Erfindung insbesondere eine Induktivität, eine Kapazität, eine Verzögerungsleitung, einen Widerstand, eine Diode oder einen Transistor. Dabei sind die genannten Schaltungselemente vorzugsweise in an sich bekannter Weise als Leiterbahnen oder beliebig geformte Metallflächen zwischen den einzelnen Lagen des Mehrlagensubstrats (Substratlagen) oder als vertikale Durchkontaktierungen im Mehrlagensubstrat ausgebildet. Der zumindest eine Dünnschicht-Resonator ist auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats angeordnet und mit den im Mehrlagensubstrat integrierten Schaltungselementen elektrisch verbunden. Die genannten Schaltungselemente können verschiedene elektronische Schaltungen bilden, wobei diese Schaltungen auch zumindest einen Dünnschicht-Resonator enthalten können. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Filter-Schaltung mit Ladder-Type Anordnung handeln, welche integrierte Induktivitäten in Parallelzweigen enthält.
- Unter einem Chip-Bauelement versteht man einen "nackten" Chip mit elektronischen Strukturen oder einen eingehäusten Chip mit solchen Strukturen. Unter Filter versteht man im Sinne der Erfindung eine (beispielsweise auf einem Chip-Bauelement realisierte) Filter-Schaltung. Ein Filter-Chip ist ein Chip mit Filterteilstrukturen.
- Ein Duplexer ist ein Bauelement, das sowohl auf einem Chip realisierte Filterstrukturen als auch ein Mehrlagensubstrat mit integrierten Schaltungselementen umfaßt.
- Die Lösung mit in einem Mehrlagensubstrat integrierten Schaltungselementen gegenüber einer solchen mit auf einer Leiterplatte angebrachten Schaltungselementen, insbesondere Anpaßelementen, bietet besondere Vorteile nicht nur im Hinblick auf Reduzierung des Platzbedarfes, sondern auch im Hinblick auf eine besonders hohe Zuverlässigkeit elektrischer Eigenschaften des Bauelements aufgrund hoher Präzision (geringer Fertigungstoleranzen) bei Herstellung der Metallisierung zwischen Substratlagen.
- Der Vorteil des erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren gegenüber einem SAW-Bauelement mit in einem Mehrlagensubstrat integrierten Schaltungselementen liegt darin, daß das Erstere eine wesentlich höhere Leistungsverträglichkeit aufweist.
- Integrierte Schaltungselemente können zumindest einen Teil folgender Schaltungen bilden: Anpaßnetzwerk, Antennenschalter, Diodenschalter, Hochpaßfilter, Tiefpaßfilter, Bandpaßfilter, Bandsperrfilter, Leistungsverstärker, Diplexer, Duplexer, Koppler, Richtungskoppler, Speicherelemente, Balun, Mischer.
- Das Mehrlagensubstrat mit integrierten Schaltungselementen kann direkt als Trägersubstrat für den zumindest einen Dünnschicht-Resonator dienen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen oder mehrere Chips, welche aus einem Trägersubstrat mit darauf abgeschiedenen Dünnschicht-Resonatoren bestehen, mit dem Mehrlagensubstrat mittels Drahtbonden oder Flip-Chip-Technik elektrisch zu verbinden. Ein direktes Abscheiden von Dünnschicht-Resonatoren ist jedoch kostengünstiger, da in diesem Fall zusätzliche Prozeßschritte, d. h. Drahtbonden oder Flip-Chip-Bonden, entfallen.
- Das Mehrlagensubstrat weist sowohl interne elektrische Anschlüsse auf der Oberseite zum Kontaktieren mit den genannten Dünnschicht-Resonatoren und ggf. mit weiteren diskreten Schaltungselementen als auch Außenelektroden z. B. auf der Unterseite zur Herstellung einer elektrischen Verbindung des Bauteils mit einer externen Leiterplatte, beispielsweise derjenigen eines Endgeräts, auf.
- Die integrierten Schaltungselemente können beispielsweise elektrische Verbindungen zwischen einer Antenne und Bandpaßfiltern im Empfangs- bzw. Sendepfad eines erfindungsgemäßen, z. B. als Duplexer ausgebildeten Bauelements realisieren und zusätzlich der Verbesserung elektrischer Filtereigenschaften allgemein und insbesondere der Isolation von Empfangs- und Sendeports gegeneinander dienen.
- Bei Verbindung eines Empfangs- bzw. Sendefilters mit Antenne in einem Duplexer kann eine Phasenverschiebung der entsprechenden Signale notwendig sein. Die Phasenverschiebung kann durch eine Verzögerungsleitung oder durch eine Kombination der Induktivitäten und Kapazitäten erreicht werden. Diese Schaltungselemente können beispielsweise zwischen dem Antennenport und dem Empfangsfilter angeordnet sein, wobei das Sendefilter direkt mit dem Antennenport verbunden ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß diese Schaltungselemente zwischen dem Antennenport und dem Sendefilter liegen, wobei das Empfangsfilter direkt mit dem Antennenport verbunden ist. Außerdem ist es möglich, die genannten Schaltungselemente zwischen dem Sende- und dem Empfangsfilter anzuordnen.
- Der Wert einer z. B. durch eine Verzögerungsleitung zu erreichenden Phasenverschiebung hängt von Ein- bzw. Ausgangswiderstand am Empfangs- oder Sendeport (welcher einerseits an die Phasenverschiebungsschaltung und andererseits an den Antennenport angeschlossen ist) ab. Die Phase des (komplexen) Ein- bzw. Ausgangswiderstands eines Filters (z. B. mit Ladder- Type-Anordnung) hängt von der genauen Filtertopologie ab, das heißt, sie hängt davon ab, ob der erste Dünnschicht-Resonator vom entsprechenden Port aus gesehen in einem Serien- oder Parallelzweig angeordnet ist. Beispielsweise kann es von Vorteil sein, einen Resonator durch eine Kombination von zwei oder mehr in Serie geschalteten Resonatoren zu ersetzen, um die Leistungsfestigkeit des Bauelements in einem Signalpfad, an den im Betrieb hohe Leistungen angewendet werden, zu erhöhen.
- Die integrierten Schaltungselemente sind vorzugsweise auf, in und zwischen den Lagen einer mehrlagigen Keramik angeordnet, beispielsweise einer LTCC-Keramik (= low temperature cofired ceramics). Eine solche Keramik in LTCC-Ausführung erlaubt eine hohe Integration von Netzwerkelementen. Da bei dieser Technik eine hochwertige Keramik und verlustarme metallische Leiter bei gleichzeitig exakt reproduzierbarer Bauelementgeometrie bzw. Netzwerkgeometrie verwendet werden, weist die erfindungsgemäße Lösung - im Vergleich zu einem BAW-Bauelement mit extern aus diskreten Elementen aufgebautem Anpaßnetzwerk - geringere Variation elektrischer Eigenschaften der Anpaßelemente und folglich geringere Abweichungen der Übertragungsparameter des Gesamtbauteils auf.
- Alternativ dazu kann ein Mehrlagensubstrat aus HTCC (= high temperature cofired ceramics), Silizum oder organischen Materialien (z. B. Laminate, Kunststoff) bestehen, bzw. Einzellagen aus den genannten Materialien umfassen.
- Das genannte Mehrlagensubstrat kann gleichzeitig ein Teil eines das erfindungsgemäße Hauelement umschließenden Gehäuses sein.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements kann ein Dünnschicht-Resonator mit einem oder mehreren akustischen Spiegeln versehen sein. Die Verwendung eines akustischen Spiegels bietet zusätzliche Freiheitsgrade beim Filterdesign, da die Eigenschaften eines solchen Spiegels die Eigenschaften eines Dünnschicht-Resonators und die Charakteristika eines aus Dünnschicht-Resonatoren aufgebauten Filters beeinflussen.
- Durch die entsprechende Einstellung der Frequenzbereiche eines akustischen Spiegels können beispielsweise unerwünschte akustische Moden im Resonator unterdrückt werden. Die unerwünschten Moden werden dabei aus dem Resonator in Richtung Trägersubstrat herausgeleitet, ohne die Filter-Charakteristik zu beeinträchtigen.
- Das Reflexionsverhalten eines akustischen Spiegels kann durch eine geeignete Auswahl und/oder Anzahl von den akustischen Spiegel bildenden Schichten oder Schichtpaaren so angepaßt sein, daß die effektive Kopplungskonstante eines darüber angeordneten Dünnschicht-Resonators den gewünschten Wert annimmt. Mit einer kleineren Kopplungskonstante eines Dünnschicht-Resonators kann eine höhere Flankensteilheit eines Bandpaßfilters erreicht werden (hohe Flankensteilheit ist bei einigen Duplexer-Anwendungen mit geringem Abstand zwischen Empfangs- und Sendeband erforderlich). Jede einzelne Schicht eines akustischen Spiegels beeinflußt die Resonanzfrequenz des damit verbundenen Dünnschicht-Resonators. Deshalb können die Resonanzfrequenzen durch Veränderung der Schichtdicken einer oder mehrerer Schichten sowie durch Einfügung zusätzlicher oder Aufhebung schon existierender Schichten kontrolliert werden, was zur Anpassung der Resonanzfrequenzen einzelner Filter bzw. Resonatoren oder auch zu notwendiger Frequenzverschiebung zwischen Dünnschicht-Resonatoren in Serien- bzw. Parallelzweigen einer Filter-Anordnung von Nutzen sein kann.
- Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten BAW- Bauelementen, die keinen akustischen Spiegel zwischen dem Dünnschicht-Resonator und einem Trägersubstrat aufweisen, so daß der Dünnschicht-Resonator über dem Trägersubstrat freihängt, wird bei einem erfindungsgemäßen Bauelement ein direkter thermischer Kontakt zwischen dem Trägersubstrat und den Resonatorschichten durch einen akustischen Spiegel gewährleistet. Dadurch läßt sich die Erwärmung der Elektroden des Dünnschicht-Resonators bei Anwendung hoher Sendeleistungen wesentlich reduzieren.
- Verglichen mit schon auf dem Markt befindlichen Duplexern auf der Basis der BAW-Technologie bietet das erfindungsgemäße Bauelement mehr Design-Freiheitsgrade, eine höhere Leistungsverträglichkeit sowie eine höhere Güte akustischer Resonatoren, welche zu einer besseren Filterqualität, d. h. geringeren Verlusten und einer höheren Flankensteilheit der Übertragungsfunktion außerhalb des Paßbands, führt. Die Integration der Schaltungselemente in einem Mehrlagensubstrat bei einem erfindungsgemäßen BAW-Bauelement gewährleistet, wie oben schon erwähnt, geringere Fertigungstoleranzen und daher stabilere Übertragungsparameter des Gesamtfilters als schon existierende Lösungen. Die Erfindung erlaubt außerdem, kostengünstige BAW-Bauteile mit geringerem Platzbedarf herzustellen.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen dabei nur der Erläuterung und sind nur schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt
- Fig. 2 und 3 zeigen den Schichtaufbau vorteilhafter Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt
- Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Filters mit direkt auf dem Mehrlagensubstrat abgeschiedenen Dünnschicht-Resonatoren
- Fig. 5 bis 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Bauelementen im schematischen Querschnitt
- Fig. 9 zeigt eine Filter-Schaltung mit Ladder-Type Anordnung mit integrierten Induktivitäten
- Allgemeine Merkmale des Mehrschichtaufbaus eines erfindungsgemäßen BAW-Bauelements sollen anhand der Fig. 1 näher erläutert werden.
- Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement ist als Mehrschichtbauelement mit einem Mehrlagensubstrat MS aufgebaut, wobei auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats ein oder mehrere mit einem akustischen Spiegel AS versehene Dünnschicht- Resonatoren AF angeordnet sind. In der Figur sind z. B. zwei Dünnschicht-Resonatoren dargestellt. Jeder Dünnschicht- Resonator AF umfaßt eine piezoelektrische Schicht PS und zwei Elektroden E1 und E2 bzw. E2 und E3. In einer vorteilhaften Ausführung kann ein Bauelement mehrere piezoelektrische Schichten bzw. mehr als zwei Elektroden pro eine piezoelektrische Schicht aufweisen. Die Elektroden können wiederum einen Schichtaufbau aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien haben.
- Elektroden können im Prinzip aus beliebigen leitenden Materialien bestehen. Die wichtigsten Anforderungen an das Elektrodenmaterial sind a) gute elektrische Leitfähigkeit, um ohmsche Verluste zu reduzieren, sowie b) hohe Leistungsverträglichkeit. Außerdem sollte das Elektrodenmaterial als Unterlage für weitere darüber und darunter liegenden Schichten geeignet sein, um bessere Eigenschaften jener Schichten wie z. B. Textur, Schichtstreß, Oberflächenrauhigkeit, Kristallitgröße oder Dichte zu erreichen. Durch Verwendung von geeigneten Elektrodenmaterialien läßt sich der Kopplungskoeffizient einer piezoelektrischen Schicht erhöhen. Daher kann der Frequenzabstand zwischen Resonanz und Antiresonanz eines Dünnschicht-Resonators und folglich die Bandbreite eines erfindungsgemäßen Bandpaßfilters (z. B. mit Ladder-Type- Anordnung) erhöht werden. Um all diesen Anforderungen zu genügen, kann es nützlich sein, die Elektroden als Metallegierung oder aus mehreren, aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Schichten zu fertigen.
- Der akustische Spiegel AS ist zwischen einem Dünnschicht- Resonator AF und dem Mehrlagensubstrat MS angeordnet. Der akustische Spiegel besteht aus mehreren alternierenden Schichten mit hoher - HZ1, HZ2 - und niedriger - LZ1, LZ2 - akustischer Impedanz, wobei die Schichtdicke jeder der genannten Schichten HZ1, HZ2, LZ1, LZ2 ungefähr ein Viertel der Wellenlänge akustischer Welle im jeweiligen Material beträgt. Eine elektrisch leitende Schicht des akustischen Spiegels kann zugleich eine Elektrode des dazugehörigen Dünnschicht- Resonators darstellen, bzw. eine Elektrode geeigneter Dicke und Impedanz kann eine Teilschicht des akustischen Spiegels sein.
- Der akustische Spiegel verhindert im Sperrbereich das Austreten von im Dünnschicht-Resonator entstandenen akustischen Wellen in Richtung Mehrlagensubstrat, was unerwünschte Energieverluste hervorrufen würde.
- Die Zusammensetzung und der genaue Aufbau des akustischen Spiegels bestimmt, zusammen mit der Dicke und den Materialeigenschaften der piezoelektrischen Schicht bzw. der Elektroden eines Dünnschicht-Resonators, dessen statische Kapazität.
- Der Reflexionskoeffizient an der Grenzfläche zwischen zwei in einem akustischen Spiegel verwendeten Schichten mit einer niedrigen und einer hohen akustischen Impedanz ist hauptsächlich durch den Unterschied der Werte der genannten akustischen Impedanzen bestimmt.
- Der hohe Reflexionskoeffizient des gesamten akustischen Spiegels kann beispielsweise mit nur einem Paar der aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Schichten erreicht werden, wenn die erste Schicht einen sehr hohen und die zweite Schicht einen sehr niedrigen Impedanzwert aufweist. Als erste Schicht kann z. B. Wolfram genommen werden, als zweite Schicht kann ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, einer geringen Dichte und einem geringen Elastizitätsmodul dienen. Durch einen solchen Aufbau wird ein akustischer Spiegel mit einer breitbandigen Stopband- Charakteristik realisiert.
- Ein akustischer Spiegel mit schmalbandiger Stopband- Charakteristik wird hingegen mit mehreren alternierenden Schichten gebildet. Dabei müssen die jeweiligen Schichten eine nur in Maßen hohe bzw. niedrige akustische Impedanz aufweisen. Als erstes Material kann AlN, als zweites amorphes Siliziumoxid dienen. Um den erforderlichen Reflexionskoeffizienten und die erforderliche Bandbreite des akustischen Spiegels zu erreichen, kann man im Prinzip eine beliebige Kombination von Materialien mit einem hohen bzw. niedrigen Wert akustischer Impedanz in Zusammenhang mit der vorgegebenen Anzahl der Schichtpaare verwenden.
- Wenn im akustischen Spiegel elektrisch leitende Schichten, z. B. Wolfram, verwendet werden, dann sollte die genannte Schicht strukturiert, d. h. beschränkt auf die Fläche unterhalb eines jeden Dünnschicht-Resonators sein, um unerwünschte kapazitive Kopplung zwischen einzelnen Dünnschicht- Resonatoren eines Filters in Grenzen zu halten. Wenn der akustische Spiegel ausschließlich aus dielektrischen Schichten besteht, so können alle Schichten unstrukturiert bleiben.
- Bei akustischen Spiegeln mit einer breiten Stopband- Charakteristik kann derselbe Spiegel, der auf einem Wafer aufgebaut ist, sowohl für ein Bandpaßfilter im Empfangspfad als auch für ein solches im Sendepfad eines Duplexers verwendet werden. Die genannten Bandpaßfilter können im gleichen Prozeßschritt auf demselben Wafer abgeschieden werden, da ein akustischer Spiegel mit einer großen Bandbreite einen ausreichend hohen Reflexionskoeffizienten im Durchlaßbereich von beiden Bandpaßfiltern gewährleistet.
- Mehrere Dünnschicht-Resonatoren können beispielsweise ein Bandpaßfilter mit einer Ladder-Type- oder Lattice-Type- Anordnung bilden. Möglich ist außerdem eine Filteranordnung aus gestapelten Dünnschicht-Resonatoren, die sogenannte Stacked-Crystal-Filter (SCF) Filteranordnung, oder eine Filteranordnung aus gekoppelten Dünnschicht-Resonatoren: Coupled-Resonator-Filter (CRF) Filteranordnung. Eine Filteranordnung kann auch beliebige Kombinationen der genannten Filteranordnungen umfassen.
- Die Ladder-Type- bzw. Lattice-Type- Filteranordnungen werden nun am Beispiel eines Filters mit symmetrischem Ein- und Ausgang erläutert.
- Bei einem symmetrischen Ladder Type Filter werden die Reaktanzelemente, z. B. die erfindungsgemäßen Dünnschicht- Resonatoren, in zwei seriellen Zweigen angeordnet, welche leiterartig mit parallelen Zweigen überbrückt sind. Bei einem symmetrischen Lattice Filter werden die Reaktanzelemente in zwei seriellen Zweigen angeordnet, welche kreuzförmig mit parallelen Zweigen überbrückt sind. Jeder dieser beiden grundsätzlichen Filtertypen zeigt spezifische Filtereigenschaften. Das Ladder Type Filter weist als besonderen Vorteil steile Flanken im Übergangsbereich und tiefreichende Polstellen (Notches) auf, während ein Lattice Type Filter als besondere Vorteile eine niedrigere Einfügedämpfung und ein geringes Passband Ripple verbunden mit extrem hoher Stoppbandunterdrückung besitzt.
- In den Serien- und Parallelzweigen einer Filter-Anordnung zur Anpassung der Filtereigenschaften verwendete Induktivitäten oder Kapazitäten können im Mehrlagensubstrat MS integriert sein. Dabei können die genannten Schaltungselemente sowohl parallel als auch in Serie mit einzelnen Dünnschicht- Resonatoren verbunden sein.
- Eine serielle Verschaltung einer Induktivität, z. B. einer im Mehrlagensubstrat integriertem Induktivität, mit einem akustischen Resonator im Parallelzweig einer Ladder-Type- Anordnung schafft eine zusätzliche Polstelle (bzw. Nullstelle) in der Übertragungsfunktion eines Ladder-Type-Filters. Durch eine geeignete Auswahl der Anzahl und der Frequenzlage dieser Nullstellen läßt sich die Filter-Charakteristik im Sperrbereich wesentlich verbessern. Außerdem kann der Abstand zwischen Resonanz und Antiresonanz eines Dünnschicht- Resonators durch Verschiebung der Resonanz zu niedrigeren Frequenzen vergrößert werden, was für Realisierung einer höheren Filter-Bandbreite ausgenutzt werden kann. Zusätzliche Induktivitäten, die in Serie mit dem Filterein- oder ausgang verschaltet werden, können dazu dienen, die erforderliche Ein- oder Ausgangsimpedanz eines Filters (beispielsweise 50 Ohm) zu erreichen, weil dadurch kapazitive Eigenschaften eines aus Dünnschicht-Resonatoren aufgebauten Ladder-Type- Filters kompensiert werden können. Durch die Einfügung einer Induktivität zwischen zwei Resonatoren einer Ladder-Type- Anordnung läßt sich eine bessere interne Anpassung einzelner Glieder dieser Anordnung erreichen, wobei die Induktivitäten erfindungsgemäß als integrierte Schaltungselemente ausgebildet sein können.
- Ein einzelner Dünnschicht-Resonator bei der Ladder-Type- Anordnung kann durch eine Kaskade von n in Serie zusammengeschalteten Resonatoren ersetzt werden, wobei jeder der neuen Dünnschicht-Resonatoren eine ungefähr n mal so große akustische Fläche (verglichen mit der akustischen Fläche des zu ersetzenden Resonators) aufweist, so daß die ursprüngliche statische Kapazität erhalten bleibt. Diese Vorgehensweise kann aus Leistungsverträglichkeitsgründen oder zur Einhaltung der minimalen möglichen Resonatorgröße vorteilhaft sein.
- Neben Dünnschicht-Resonatoren können auch weitere passive oder aktive diskrete Schaltungselemente oder andere Strukturen, beispielsweise SAW-Filter, auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats angeordnet sein. Außerdem können die genannten Schaltungselemente Teile folgender Schaltungen bilden: Anpaßnetzwerk, Antennenschalter, Diodenschalter, Hochpaßfilter, Tiefpaßfilter, Bandpaßfilter, Bandsperrfilter, Leistungsverstärker, Diplexer, Duplexer, Koppler, Richtungskoppler, Speicherelemente, Balun, Mischer.
- Ein Mehrlagensubstrat MS umfaßt integrierte Schaltungselemente IE, welche mit Außenelektroden AE und mit einzelnen Dünnschicht-Resonatoren AF mittels Durchkontaktierungen DK, beispielsweise über Kontaktelektroden KE elektrisch verbunden sind. Das Mehrlagensubstrat kann beispielsweise aus Keramik, Silizium oder organischen Materialien bestehen.
- Zur Passivierung der Elektroden oder zur Frequenzabstimmung des Filters können in einem Dünnschicht-Resonator außerdem zusätzliche, in Patentschriften WO 0106646 und WO 0106647 beschriebene Passivierungsschichten vorgesehen sein.
- Es ist möglich, daß mehrere aus einzelnen Dünnschicht- Resonatoren aufgebaute Schaltungen, beispielsweise Filter, insbesondere Bandpaßfilter, direkt auf einem Mehrlagensubstrat realisiert sind.
- Es ist möglich, daß mehrere aus einzelnen Dünnschicht- Resonatoren aufgebaute Schaltungen, beispielsweise Filter, insbesondere Bandpaßfilter, auf einem gemeinsamen Trägersubstrat SU, wie in Fig. 6 und 7 angedeutet, realisiert sind. Das Trägersubstrat mit den Dünnschicht-Resonatoren bildet einen Chip, der mit dem Mehrlagensubstrat und den darin integrierten Schaltungselementen beispielsweise mittels Drahtbonden oder Flip-Chip-Technik verbunden sein kann.
- Das Trägersubstrat SU kann wiederum einen Vielschichtaufbau haben und ein oder mehrere integrierte Schaltungselemente, insbesondere Anpaßelemente, umfassen.
- Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, daß mehrere aus einzelnen Dünnschicht-Resonatoren aufgebaute Schaltungen, beispielsweise Filter, insbesondere Bandpaßfilter, separat - jedes auf einem eigenen Trägersubstrat SU1, SU2 - in einem gemeinsamen Gehäuse auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats MS angeordnet sind, wie in Fig. 8 angedeutet. Jedes Trägersubstrat mit den Dünnschicht-Resonatoren bildet einen Chip, der mit im Mehrlagensubstrat integrierten Schaltungselementen beispielsweise mittels Drahtbonden oder Flip-Chip-Technik verbunden sein kann.
- Es ist möglich, daß mehrere aus einzelnen Dünnschicht- Resonatoren aufgebaute Schaltungen, beispielsweise Filter, insbesondere Bandpaßfilter, separat - jedes auf einem eigenen Trägersubstrat und in einem eigenen Gehäuse - auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats angeordnet sind. Jedes Trägersubstrat mit Dünnschicht-Resonatoren bildet einen Chip, der mit im Mehrlagensubstrat integrierten Schaltungselementen beispielsweise mittels Drahtbonden oder Flip-Chip-Technik verbunden sein kann.
- In Fig. 2 ist eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements dargestellt. In diesem Fall sind Dünnschicht-Resonatoren AF auf dem Mehrlagensubstrat MS ohne einen akustischen Spiegel so angeordnet, daß zwischen der akustisch aktiven Fläche des Resonators und dem Mehrlagensubstrat ein Hohlraum HR besteht. Jedoch bietet die Lösung mit einem akustischen Spiegel eine höhere Leistungsverträglichkeit aufgrund eines besseren thermischen Kontakts mit dem Mehrlagensubstrat sowie mehr Designfreiheitsgrade.
- Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie ein Dünnschicht- Resonator auf einem Mehrlagensubstrat ohne akustischen Spiegel angeordnet werden kann. Im Unterschied zu dem in Fig. 2 beschriebenen Bauelement weist ein Mehrlagensubstrat eine zusätzliche Substratschicht SS, die beispielsweise aus einem anderen Material bestehen kann, auf, wobei diese Schicht zwischen dem Mehrlagensubstrat MS und Dünnschicht-Resonatoren AF liegt.
- In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes Bauelement mit direkt auf dem multifunktionellen Mehrlagensubstrat MS abgeschiedenen Dünnschicht-Resonatoren AF im schematischen Querschnitt gezeigt. Dabei dient das Mehrlagensubstrat als Trägersubstrat für Dünnschicht-Resonatoren. Möglichst ist es auch, auf diese Weise einen Duplexer auszubilden.
- Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie Dünnschicht- Resonatoren AF auf einem Mehrlagensubstrat MS mit integrierten Schaltungselementen IE angeordnet werden können. Einzelne Dünnschicht-Resonatoren AF sind schichtweise auf einem Trägersubstrat SU abgeschieden, dessen Unterseite auf der Oberseite eines Mehrlagensubstrats MS aufliegt. Die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Dünnschicht-Resonatoren AF und den im Mehrlagensubstrat vorhandenen integrierten Schaltungselementen kommen durch Bonddrähte BD zustande.
- Einzelne Dünnschicht-Resonatoren sind in der Regel so angeordnet, daß sie ein oder mehrere Bandpaßfilter bilden. Dabei können die Induktivitäten der Bonddrähte beispielsweise in den Serien- oder Parallelzweigen einer Ladder-Type-Anordnung der Dünnschicht-Resonatoren als Induktivitätselemente verwendet werden.
- Fig. 6 zeigt eine weitere Befestigungsmöglichkeit von auf der Unterseite eines Trägersubstrats SU abgeschiedenen einzelnen Dünnschicht-Resonatoren auf einem Mehrlagensubstrat MS mittels Flip-Chip-Technik. Das Trägersubstrat mit akustischen Strukturen ist mittels Bumps BU auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats MS mechanisch befestigt und mit im Mehrlagensubstrat integrierten Schaltungselementen IE elektrisch verbunden. Die Bumps können beispielsweise aus Lot bestehen.
- In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Duplexers dargestellt. Einzelne Dünnschicht- Resonatoren AF bilden zwei Bandpaßfilter, wie in Fig. 6 dargestellt und erläutert. Dabei sind die Bandpaßfilter im Empfangs- und Sendepfad des Duplexers nebeneinander auf einem Trägersubstrat SU angeordnet und durch mittlere Bump-Reihen voneinander getrennt. Eine räumliche Trennung von Empfangs- und Sendepfad dient einer besseren Signalunterdrückung des Gegenbands. Es ist jedoch möglich, auf die mittleren Bump- Reihen zu verzichten.
- Ein in Fig. 8 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen als Duplexer ausgebildeten Bauelements unterscheidet sich von dem zuletzt erwähnten Bauelement insofern, als die Bandpaßfilter im Empfangs- und Sendepfad des Duplexers auf verschiedenen Trägersubstraten SU1 bzw. SU2 angeordnet sind. Die auf Trägersubstraten SU1 und SU2 aufgebauten Filter können entweder gemeinsam oder getrennt eingehäust sein.
- Fig. 9 zeigt eine beispielhafte Ersatzschaltung eines mehrere Dünnschicht-Resonatoren umfassenden Filters mit Ladder- Type Anordnung mit im Mehrlagensubstrat integrierten Induktivitäten L1, L2 und L3 in den Parallelzweigen des Filters. Es können außerdem sowohl in den Parallel- als auch in den Serienzweigen des Filters andere im Mehrlagensubstrat integrierte Schaltungselemente vorhanden sein.
- In Fig. 4 bis 8 sind die Dünnschicht-Resonatoren AF ohne einen akustischen Spiegel gezeigt. Eine weitere Variationsmöglichkeit besteht darin, zwischen den Dünnschicht- Resonatoren und dem Mehrlagensubstrat MS oder dem Trägersubstrat SU einen akustischen Spiegel anzuordnen.
- Es ist möglich, daß mehrere, Dünnschicht-Resonatoren umfassende Schaltungen, beispielsweise Filter-Schaltungen, insbesondere Bandpaßfilter, auf einem gemeinsamen Trägersubstrat oder direkt auf einem Mehrlagensubstrat realisiert sind.
- Es ist möglich, daß mehrere, Dünnschicht-Resonatoren umfassende Schaltungen, beispielsweise Filter-Schaltungen, insbesondere Bandpaßfilter, separat - jedes auf einem eigenen Trägersubstrat - in einem gemeinsamen Gehäuse auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats angeordnet sind.
- Es ist möglich, daß mehrere, Dünnschicht-Resonatoren umfassende Schaltungen, beispielsweise Filter-Schaltungen, insbesondere Bandpaßfilter, separat - jedes auf einem eigenen Trägersubstrat und in einem eigenen Gehäuse - auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats angeordnet sind.
Claims (27)
1. Mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement,
enthaltend:
wobei der zumindest eine Dünnschicht-Resonator (AF) auf
der Oberseite des Mehrlagensubstrats angeordnet und mit
dem zumindest einen integrierten Schaltungselement (IE)
elektrisch verbunden ist.
- zumindest einen Dünnschicht-Resonator (AF), der aus
zumindest einer piezoelektrischen Schicht (PS) mit zumindest
zwei schichtweise aufgetragenen Elektroden (E1, E2, E3)
gebildet ist, und
- ein Mehrlagensubstrat (MS) mit Außenelektroden (AE) und
zumindest einem integrierten passiven oder aktiven
Schaltungselement (IE),
2. Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem das zumindest eine integrierte Schaltungselement
(IE) zumindest einen Teil eines Anpaßnetzwerks bildet.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem ein Teil der im Mehrlagensubstrat integrierten
Schaltungselemente (IE) als Leiterbahnen auf der Oberseite
des Mehrlagensubstrats angeordnet ist.
4. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem zumindest ein diskretes passives oder aktives
Schaltungselement auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats
(MS) angeordnet ist.
5. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem neben dem zumindest einen Dünnschicht-Resonator
zumindest ein Chip-Bauelement auf der Oberseite des
Mehrlagensubstrats (MS) angeordnet ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5,
bei dem das zumindest eine Chip-Bauelement ein Filter-Chip
ist.
7. Bauelement nach Anspruch 6,
bei dem zumindest das zumindest eine Filter-Chip ein SAW-
Bauelement ist.
8. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das Mehrlagensubstrat (MS) keramische Lagen
enthält.
9. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das Mehrlagensubstrat (MS) Lagen aus Silizium
enthält.
10. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das Mehrlagensubstrat (MS) Lagen aus einem
organischen Material, beispielsweise Kunststoff oder Laminat,
enthält.
11. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10,
bei dem die Schichten von Dünnschicht-Resonatoren auf
einem Trägersubstrat (SU) abgeschieden sind.
12. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem die Schichten des zumindest einen Dünnschicht-
Resonators unmittelbar auf einem Mehrlagensubstrat mit den
integrierten Schaltungselementen abgeschieden sind.
13. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem zwischen dem aktiven Bereich des zumindest einen
Dünnschicht-Resonators (AF) und dem Mehrlagensubstrat (MS)
ein Hohlraum vorhanden ist.
14. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem der zumindest eine auf dem Trägersubstrat (SU)
abgeschiede Dünnschicht-Resonator (AF) mit dem zumindest
einen im Mehrlagensubstrat (MS) integrierten
Schaltungselement mittels Bonddrähte (BD) elektrisch verbunden ist,
wobei das Trägersubstrat (SU) auf der Oberseite des
Mehrlagensubstrats (MS) angeordnet ist.
15. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem der zumindest eine auf einem Trägersubstrat (SU)
abgeschiedene Dünnschicht-Resonator (AF) und das zumindest
eine im Mehrlagensubstrat (MS) integrierte
Schaltungselement mittels Flip-Chip-Technik miteinander elektrisch
verbunden sind.
16. Bauelement nach Anspruch 14 oder 15,
bei dem das Trägersubstrat (SU) einen Vielschichtaufbau
aufweist.
17. Bauelement nach Anspruch 16,
bei dem das Trägersubstrat mit Vielschichtaufbau zumindest
ein integriertes Schaltungselement umfaßt.
18. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17,
bei dem mehrere Dünnschicht-Resonatoren (AF) Bandpaßfilter
mit Ladder-Type-Anordnung bilden.
19. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18,
bei dem der zumindest eine Dünnschicht-Resonator mit
zumindest einem akustischen Spiegel (AS) versehen ist, wobei
der akustische Spiegel mehrere alternierende Schichten mit
hoher und niedriger akustischer Impedanz (LZ1, HZ1, LZ2,
HZ2) enthält.
20. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19,
bei dem mehrere im Mehrlagensubstrat (MS) integrierte
Schaltungselemente einen Teil einer Duplexer-Schaltung
bilden.
21. Bauelement nach Anspruch 20,
bei dem aus mehreren Dünnschicht-Resonatoren aufgebaute
Bandpaßfilter im Empfangs- und Sendepfad des Duplexers auf
einem Trägersubstrat (SU) oder direkt auf dem
Mehrlagensubstrat (MS) realisiert sind.
22. Bauelement nach Anspruch 20,
bei dem aus mehreren Dünnschicht-Resonatoren (AF)
aufgebaute Bandpaßfilter im Empfangs- und Sendepfad des
Duplexers auf zwei getrennten Trägersubstraten (SU1, SU2) in
einem gemeinsamen Gehäuse auf der Oberseite des
Mehrlagensubstrats (MS) angeordnet sind.
23. Bauelement nach Anspruch 20,
bei dem aus mehreren Dünnschicht-Resonatoren (AF)
aufgebaute Bandpaßfilter im Empfangs- und Sendepfad des
Duplexers auf zwei getrennten Trägersubstraten (SU1, SU2) in
zwei getrennten Gehäusen auf der Oberseite des
Mehrlagensubstrats (MS) angeordnet sind.
24. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 23,
bei dem die Elektroden (E1, E2, E3) des zumindest einen
Dünnschicht-Resonators (AF) aus mehreren Schichten
aufgebaut sind.
25. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 24,
bei dem mehrere Dünnschicht-Resonatoren zur Gewährleistung
einer höheren Leistungsverträglichkeit des Bauelements
eine serielle Kaskadenschaltung von mehreren Dünnschicht-
Resonatoren bilden.
26. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 25,
das einen unsymmetrischen Eingang oder Ausgang aufweist.
27. Bauelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 26,
das einen symmetrischen Eingang oder Ausgang aufweist.
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8125 | Change of the main classification |
Ipc: H03H 9/15 AFI20051017BHDE |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SNAPTRACK, INC., SAN DIEGO, US Free format text: FORMER OWNER: EPCOS AG, 81669 MUENCHEN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: BARDEHLE PAGENBERG PARTNERSCHAFT MBB PATENTANW, DE |
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R020 | Patent grant now final | ||
R071 | Expiry of right |