WO2015128008A1 - Package für ein abstimmbares filter - Google Patents

Abstract

Es wird ein Package (P) für ein abstimm bares Filter vorgeschlagen, in dem die Komponenten des Filters auf und in einem Substrat (S) nach verschiedenen Kriterien getrent voneinander in zumindest zwei übereinander anegeordneten Komponentenebenen (KE1, KE2) realisiert sind. Weiter sind zumindest eine Verdrahtungsebene (SE1) im oder auf dem Substrat (S) vorgesehen sowie eine Dielektrikumsschicht (DS), die die erste Komponenentenebene (KE1) abdeckt.

Description

Beschreibung

Package für ein abstimmbares Filter Die Erfindung betrifft ein Package für ein abstimmbares Filter, wie es z. B. in nicht kabelgebundenen

Kommunikationsgeräten Verwendung finden kann.

Tragbare Kommunikationsgeräte, WLAN-Router usw. oder

allge-imeiner : 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.

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 . 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.

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. 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.

Aus dem Beitrag „A Novel Tunable Filter Enabling Both Center Frequency and Bandwidth Tunability", Inoue et al . ,

Proceed-iings Of The 42nd European Microwave Conference, 29. Oktober - 1. November 2012, Amsterdam, The Netherlands,

Seiten 269 - 272, sind HF-Filter mit abstimmbaren

Kondensatoren und ab-istimmbaren Induktivitäten bekannt.

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. 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 Veröf^¬ fentlichungsschrift WO2012/020613 ist die Verwendung von Iso-ilatoren 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 .

Die Vielzahl zusätzlich erforderlicher Komponenten für abstimmbare Filter führt außerdem zu einem erhöhten

Flächenbedarf .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Package für ein abstimmbares Filter anzugeben, welches in kompakter Bauweise realisierbar ist und störende Kopplungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Package nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Packages sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Grundlegende Idee der Erfindung ist es, ein Package mit SD- Integration vorzusehen und dabei bestimmte Komponenten höherer und niedrigerer Güte voneinander zu trennen. 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.

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 aus zeichnet .

Über der ersten Komponentenebene ist eine Dielektrikums- schicht angeordnet. Die Dielektrikumsschicht weist vorzugs^¬ weise eine zumindest weitgehend eingeebnete Oberfläche auf.

Über der Dielektrikumsschicht befindet sich eine zweite

Komponentenebene, in der mit dem Halbleiterbauelement

verschaltete, diskrete passive Bauelemente angeordnet sind.

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.

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.

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.

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.

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.

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. Varaktoren sind Halbleiterbauelemente, die eine spannungs^¬ abhängige Kapazität aufweisen. Das heißt, dass deren

Kapazität über eine Steuerspannung eingestellt werden kann. Varaktoren können daher zu 100 Prozent im Halbleiterbau- element realisiert sein. Sie können in verschiedenen

Technologien ausgeführt sein. Es sind Varaktoren auf der Basis von Silizium und auch auf der Basis von Verbindungs^¬ halbleitern 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 A1N 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. 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.

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.

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.

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. Weitere Kapazitäten dienen dazu, die serielle Signalleitung beiderseits endständig an eine äußere Schaltungsumgebung anzukoppeln, wobei über diese endständigen Koppel- kondensatoren von beiden Richtungen aus elektrische

Hochfrequenzsignale in die serielle Signalleitung eingespeist werden können. Auch diese Ein- und Auskoppelkondensatoren können abstimmbar ausgebildet sein. 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.

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 . 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.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das Reaktanzelement eine hochgütige abstimmbare Kapazität. Eine solche Filterschaltung ist als Tiefpass wirksam. 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. 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.

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.

Weiterhin können im Halbleiterbauelement neben den

hochgütigen Komponenten auch niedergütige passive Komponenten der Filterschaltung realisiert sein.

In einer weiteren Ausgestaltung können sämtliche niedergütigen passiven Komponenten, also die niedergütigen

Kondensatoren und Induktivitäten in einem weiteren Halb- leiterbauelement realisiert sein, welches beispielsweise ebenfalls in der ersten Komponentenebene angeordnet, direkt auf dem Substrat aufgebracht und elektrisch mit diesem verbunden ist. 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. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind

sämtliche abstimmbaren, hochgütigen passiven Komponenten, die Steuereinheit und die niedergütigen passiven Komponenten in einem einzigen Halbleiterbauelement realisiert.

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.

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.

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 Durch- kontaktierungen 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 . 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.

Im Package kann ein abstimmbares Filter mit einem akustischen Filter mit fest eingestellter Frequenz verschaltet sein, so dass auf diese Weise Duplexer mit unterschiedlichem Duplex- abstand realisiert werden können. Das Hochfrequenzhalbleiterbauelement kann eine Transceiverschaltung umfassen, die der weiteren Verarbeitung des durch das Filter gefilterten HF- Signals dient.

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.

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.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs- beispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.

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.

Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein Package für und mit einem abstimmbaren Filter.

Figuren 2A bis 2D zeigen vier Ausführungsformen von

abstimmbaren Filtern im Blockschaltbild. Figuren 3A und 3B zeigen eine mögliche Auftrennung von

Komponenten eines abstimmbaren Filters.

Figuren 4A bis 4C zeigen eine weitere mögliche Auftrennung von Komponenten eines abstimmbaren Filters.

Figur 5 zeigt ein Package mit einem abstimmbaren Filter im schematischen Querschnitt. Figur 6 zeigt ein Array von abstimmbaren Impedanzelementen und eine Steuerungseinheit.

Figur 7 zeigt ein Array von schaltbaren Kapazitäten bzw.

Kondensatoren .

Figur 8 zeigt eine Anordnung von induktiven Komponenten, die sich durch eine geringe Kopplung auszeichnet.

Figur 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 SEI aufweist. Die Verdrahtungsebene SEI kann auf der Oberfläche des Substrat S oder wie in der Figur 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 SEI 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. In dem Halbleiterbauelement HLB kann eine Steuereinheit integriert sein. Eine Steuereinheit kann auch als weiteres separates Halbleiterbauelement realisiert und in der ersten Komponentenebene KEl angeordnet sein.

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 KEl 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 KEl 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 KEl, KE2 eine zweite Verdrahtungsebene SE2 vorzusehen. Die Leitungsabschnitte der zweiten Verdrahtungs^¬ ebene 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.

An der Unterseite des Substrats S sind Außenkontakte AK vorgesehen, die über Durchkontaktierungen DK entweder direkt mit den Komponenten der ersten Komponentenebene KEl oder wie in der Figur dargestellt mit der ersten Verdrahtungsebene SEI verbunden sind. Nicht dargestellt in der Figur 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.

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. Figur 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen von abstimmbaren Filtern. Es sind nur beispielhafte Topologien dargestellt, so dass noch weitere Ausführungsformen denkbar sind. Figur 2A zeigt ein Bandpassfilter, welches mit einer seriellen Signalleitung SL einen ersten Anschluss Tl 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.

Für ein Bandpassfilter wie in Figur 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.

Die Anschlusskondensatoren AC dienen zum Einstellen einer Ein- oder Ausgangsimpedanz. So kann in einem Ausführungs- beispile 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 . Figur 2B zeigt ein Tiefpassfilter, welches wie das Bandpass^¬ filter von Figur 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.

Figur 2C zeigt im Blockschaltbild ein abstimmbares Filter, welches als Hochpassfilter ausgeführt ist. Im Unterschied zum Tiefpassfilter von Figur 2B weist das Hochpassfilter von

Figur 2C als Reaktanzelemente hochgütige Induktivitäten auf. Mit abstimmbaren hochgütigen Induktivitäten I kann auch das Hochpassfilter als abstimmbares Filter ausgebildet werden. Figur 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 abstimm^¬ bare Kapazität CT und dazu in Serie geschaltet eine hoch- gütige 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 auf^¬ spannen. In den übrigen Frequenzen beiderseits des Stoppbandes zeigt das Bandstoppfilter dann gutes Durchlass^¬ verhalten . Figur 2E zeigt ein Figur 2C zeigt im Blockschaltbild ein abstimmbares Hochpassfilter, welches unter Verwenduing von Admittanzinvertern AI realisiert ist. Im Unterschied zum Tiefpassfilter von Figur 2B weist das Hochpassfilter von Figur 2E als abstimmbares Reaktanzelemente jeweils eine

Serienschaltung eines Admittanzinverters AI und einer

abstimmbaren Kapazität CT auf. In den in Figuren 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 Figuren 2A, 2C und 2D sind hochgütig und sind insbesondere als diskrete passive

Bauelemente DP (siehe Figur 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 Figur 2E sind vorzugsweise einer Verschaltung hochgütiger passiver Komponenten ausgebildet. Wie bereits in Figur 1 angedeutet, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, niedergütige und hochgütige passive Komponenten voneinander zu trennen. Figuren 3A und 3B zeigen beispielsweise eine mögliche Auftrennung der Komponenten für ein Bandpassfilter wie in Figur 2A darge- stellt. In diesem Fall werden die abstimmbaren Kapazitäten CT in einer Gruppe zusammengefasst , auf einem Bauelement inte^¬ griert oder in einem gesonderten Bereich eines Halbleiterbauelements realisiert. Die niedergütigen passiven Kompo^¬ nenten 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 Figur 1 dargestellt, angeordnet sein kann. 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 Figur 4A. Die hochgütigen

Induktivitäten der Reaktanzelemente der Figuren 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 Figur 4B.

Niedergütige passive Komponenten sowie die abstimmbaren

Kondensatoren von Figur 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 Figur 4A und 4C in einem gemeinsamen Halbleiterbauelement realisiert sein. Weiterhin ist es möglich, die niedergütigen passiven Komponenten in einem mehrschichtigen Substrat S zu integrieren.

Figur 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 Figuren 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 MlPI-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.

Der MIPI Controller kann im Basisband Prozessor oder im HF Chipset des Handies realisert sein.

Eine Steuerungseinheit kann das digitale MIPI-RFFE Signal in konkrete Steuersignale z. B. in anloger oder digitaler Form umsetzen .

Figur 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 ΜΙΡΙ-Signal eine Ansteuerung für die abstimmbaren Kondensatoren.

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.

Figur 7 zeigt eine Möglichkeit, wie eine hochgütige abstimm- bare Kapazität als Array von schaltbaren Kondensatoren aus^¬ gebildet sein kann. Um einen beliebigen Kapazitätswert einzu^¬ stellen, 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 CO. Parallel dazu ist mithilfe eines Schalters SW1 ein erster Zusatzkondensator Cl zuschaltbar. Ein oder mehrere

zusätzliche Kondensatoren C_n sind über Schalter SW_n parallel mit den Kondensatoren CO und Cl 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, ver- deutlicht das rechts dargestellte Symbol einen beliebigen abstimmbaren Kondensator, der auch in einer anderen Technologie realisiert sein kann, beispielsweise als Varaktor.

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. Figur 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 Induk- tivitäten, 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.

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.

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.

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 Sehaltungsknoten

P Package

PL hochgütige Induktivität

S Substrat

SEI erste Verdrahtungsebene

SL serielle Signalleitung

Claims

Patentansprüche

1. Package für ein abstimmbares Filter,

- mit einem Substrat (S) , in dem eine erste

Verdrahtungsebene (SE) realisiert ist

- mit einem auf dem Substrat in einer ersten

Komponentenebene (KE1) montierten

Halbleiterbauelement (HLB) , das elektrisch mit der ersten Verdrahtungsebene verbunden ist und das hochgütige, abstimmbare passive Komponenten enthält

- mit einer Steuerungseinheit (CE) , die in der ersten Komponentenebene angeordnet ist

- mit einer über der ersten Komponentenebene

angeordneten Dielektrikumsschicht (DS) ,

- mit einer über der Dielektrikumsschicht angeordneten zweiten Komponentenebene (KE2)

- mit in der zweiten Komponentenebene angeordneten und mit dem Halbleiterbauelement verschalteten diskreten passiven Bauelementen (DP)

- wobei die abstimmbaren passiven Komponenten über die Steuereinheit (CE) abstimmbar sind

- wobei die abstimmbaren passiven Komponenten, die Steuereinheit und die diskreten passiven Bauelemente ein bezüglich seines Durchlassbereichs abstimmbares Filter realisieren.

2. Package nach Anspruch 1,

- bei dem die abstimmbaren passiven Komponenten

abstimmbare hochgütige Kondensatoren (CT) sind, die ausgewählt sind aus Varaktoren und schaltbaren

Kapazitäten, - bei dem diskreten passiven Bauelemente (DP) hochgütige Induktivitäten sind.

3. Package nach Anspruch 1 oder 2,

umfassend eine serielle Signalleitung (SL) , die zumindest 4 Schaltungsknoten aufweist, an die jeweils ein Parallzweig gegen Masse angekoppelt ist, in dem ein hochgütiges

abstimmbares Reaktanzelement angeordnet ist.

4. Package nach Anspruch 3,

bei dem in der seriellen Signalleitung zwischen je zwei benachbarten Schaltungsknoten (N) eine Koppelkapazität (KC) angeordnet ist.

5. Package nach einem der Ansprüche 3 oder 4,

bei dem die in der seriellen Signalleitung (SL) beiderseits endständig angeordneten Schaltungsknoten (N) über eine parallel zur seriellen Signalleitung geschaltete

Brückeninduktivität (BI) verbunden sind.

6. Package nach einem der Ansprüche 3 bis 5,

bei dem das Reaktanzelement ein Parallelresonanzkreis ist, wobei jeder Parallelresonanzkreis eine Parallelschaltung eines hochgütigen abstimmbaren Kondensators (CT) und einer hochgütigen Induktivität (PL) umfasst.

7. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

bei dem das Reaktanzelement eine Serieninduktivität ist.

8. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

bei dem das Reaktanzelement eine abstimmbare Kapazität ist.

9. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

bei dem das Reaktanzelement eine Serienschaltung einer abstimmbaren Kapazität (CT) und einer Induktivität ist.

10. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

bei dem das Reaktanzelement eine Serienschaltung eines Admittanzinverters einer abstimmbaren Kapazität (CT) ist.

11. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

- bei dem die hochgütigen Induktivitäten als SMD

Komponenten ausgebildet sind, die jeweils eine magnetische

Achse aufweisen,

bei dem die SMD Komponenten linear so angeordnet sind, dass die magnetischen Achsen je zweier nebeneinnader angeordneter SMD Komponenten gegeneinander um ca. 90° verdreht sind.

12. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

bei dem die Steuereinheit (CE) zusammen mit den abstimmbaren passiven Komponenten in dem Halbleiterbauelement (HLB) integriert ist.

13. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

bei dem die Koppelkapazitäten (KC) und die

Brückeninduktivität (BI) als ein integriertes passives Element - IPD - ausgebildet und in der ersten

Komponentenebene (KE1) angeordnet sind.

14. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

bei dem die Koppelkapazitäten (KC) und die

Brückeninduktivität (BI) im Halbleiterbauelement (HLB) integriert sind.

15. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 14,

bei dem das Substrat (S) und/oder das integrierte passive Element ausgewählt ist aus einer LTCC oder HTCC Keramik oder einem Laminat.

16. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 15,

bei dem auf der unteren von der ersten Komponentenebene (KE1) abgewandten Oberfläche des Substrats (S) sämtliche

Außenkontakte (AK) angeordnet sind, über die das abstimmbare Filter mittels Durchkontaktierungen (DK) und Leiterbahnen elektrisch kontaktiert ist.

17. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 16,

bei dem in das Substrat (S) passive Komponenten des

abstimmbaren Filters integriert sind.

18. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 17,

bei dem weitere Komponenten in dem Package (P)

integriert und in der ersten oder zweiten Komponentenebene (KE1,KE2) angeordnet sind

bei die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus

Leistungsverstärker, LNA, akustischem Filter, Duplexer,

Diplexer und HF Halbleiterbauelement.

19. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 18,

bei dem die abstimmbaren Kondensatoren (CT) als Array von schaltbaren MEMS Kondensatoren oder schaltbaren MIM

Kondensatoren ausgebildet sind.

20. Package nach einem der Ansprüche 5-19,

bei dem in der seriellen Signalleitung zwischen je zwei benachbarten Schaltungsknoten (N) anstelle der

Koppelkapazität eine Koppelinduktivität angeordnet ist.

21. Package nach einem der Ansprüche 5 oder 20, bei dem die in der seriellen Signalleitung (SL) beiderseits endständig angeordneten Schaltungsknoten (N) über eine parallel zur seriellen Signalleitung geschaltete

Brückenkapazität verbunden sind.