CN111934071B - 一种基于tsv的脊状基片集成波导带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，包括高阻硅衬底，高阻硅衬底内部设置有两个矩形金属槽A，金属槽A内两侧设置有多对膜片，膜片和金属槽A的侧壁均由硅通孔排列组成，高阻硅衬底顶部设置有顶面绝缘层，顶面绝缘层内部嵌入有矩形金属槽B，顶面绝缘层底部中间设置有脊背面金属层，两个矩形金属槽A的相邻侧壁通过脊背面金属层连接，另外两个侧壁通过矩形金属槽B连接。本发明基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器制作工艺与CMOS工艺兼容，制作成本低；体积小，便于将其集成在小型化芯片中，实现堆叠芯片互连，缩短互连线长度，大幅提高芯片性能；带宽大，可实现应用于微波/射频领域的超宽带滤波。

Description

一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，涉及一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器。
背景技术
5G时代，在微波、毫米波***，要求滤波器具有高Q值和低损耗系数，因而波导滤波器得到广泛应用。矩形波导滤波器是一种被广泛应用的微波信号导引和处理的传统传输线形式。科技飞速发展的同时对电路***必然向着体积小型化和功能高集成化的方向发展，矩形波导滤波器庞大的体积使得其无法集成在平面电路中且电磁兼容以及电磁干扰的问题也不容忽视。与传统矩形波导滤波器相比，基片集成波导滤波器结构兼有辐射损耗低、抗干扰特性强等性能优势，更重要的是集成度高且价格低，使得其成为微波毫米波频段的宠儿，得到了广泛的关注和研究。
在传统矩形基片集成波导带通滤波器的基础上，宽边中间***形成背脊，用导体柱代替波导侧壁就形成了脊状基片集成波导带通滤波器。相对于普通的基片集成波导带通滤波器，脊状基片集成波导带通滤波器具有频带宽、等效阻抗低和同频率下尺寸小的优势，在带宽和紧凑性两个方面都有提升。传统基片集成波导带通滤波器虽然以其高的品质因数和低的损耗替代了矩形滤波器，但是对于体积小型化的追求没有尽头。滤波器的体积小型化主要指减小垂直于传播方向的尺寸，等效为一定宽度的情况下降低基片集成波导带通的截止频率，脊状基片集成波导带通滤波器在波导尺寸不变的情况下仅通过调整背脊宽度和高度就可以改变截止频率。
随着半导体产业的发展，特征尺寸接近物理极限，传统减小芯片体积的方法已经不能满足芯片小型化的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，解决了现有集成波导带通滤波器体积大，基于TSV的普通结构基片集成波导带通滤波器的带宽小的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，包括高阻硅衬底，高阻硅衬底内部设置有两个矩形金属槽A，金属槽A内两侧设置有多对一一相对的膜片，膜片和金属槽A的侧壁均由硅通孔排列组成，高阻硅衬底顶部设置有顶面绝缘层，顶面绝缘层内部嵌入有矩形金属槽B，顶面绝缘层底部中间设置有脊背面金属层，两个矩形金属槽A的相邻侧壁通过脊背面金属层连接，两个矩形金属槽A的另外两个侧壁通过矩形金属槽B连接。
本发明的技术特征还在于，
金属槽A由底面金属层、侧面金属层和脊侧壁金属层连接组成，侧面金属和脊侧壁金属层相对设置。
高阻硅衬底底部设置有底面绝缘层，底面金属层嵌入在底面绝缘层顶部。
金属槽B由顶面金属层和两侧的侧壁金属层连接组成。
底面金属层、顶面金属层和脊背面金属层均采用重布线层RDL技术制作而成。
侧面金属层和脊侧壁金属层均是由多个并排的硅通孔组成，硅通孔采用TSV技术制作而成。
每个TSV膜片均由至少两个并排的硅通孔组成，硅通孔嵌入在高阻硅衬底中，膜片中硅通孔的排列方向与侧面金属层中硅通孔的排列方向相垂直。
TSV膜片中硅通孔的顶部与顶面绝缘层相接，底部与底面金属层相接，TSV膜片一侧与侧面金属层相接。
每个金属槽A内至少设置有两对TSV膜片。
顶面绝缘层和底面绝缘层均采用二氧化硅制作而成。
本发明的有益效果是，采用TSV技术制作膜片和侧壁金属，极大的减小了滤波器的体积，便于将其集成在小型化芯片中，实现堆叠芯片互连，缩短互连线长度，大幅提高芯片性能；使用硅通孔TSV技术及重新布线层RDL技术制作金属层和膜片的过程通过刻蚀和淀积工艺就可以实现，制造过程与CMOS工艺兼容，成本低廉；滤波器内相邻膜片之间构成谐振器，电磁波在腔体内传播的过程中通过多次反射得到更大的截止频率，对于高频电磁波，损耗降低，而低频电磁波很快衰减实现了滤波器的高频滤波；通过使用脊状结构，增加了滤波器的带宽。
附图说明
图1是本发明基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器的立体结构示意图；
图2是本发明基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器的纵截面示意图；
图3是本发明基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器中硅通孔的分布示意图。
图中，1.高阻硅衬底，2.侧面金属层，3.侧壁金属层，4.脊侧壁金属层，5.顶面金属层，6.底面金属层，7.脊背面金属层，8.顶面绝缘层，9.底面绝缘层，10.膜片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，参照图1和图2，包括高阻硅衬底1，高阻硅衬底1内部嵌入有两个矩形金属槽A，金属槽A内两侧设置有八对一一相对的矩形膜片10，膜片和金属槽A的侧壁均由硅通孔排列组成，相邻膜片之间构成谐振器，电磁波在腔体内传播的过程中通过多次反射得到更大的截止频率；对于高频电磁波，损耗降低，而低频电磁波很快衰减实现了滤波器的高频滤波。膜片10越多，电磁波在腔体内的反射次数也会越多。
高阻硅衬底1顶部设置有顶面绝缘层8，顶面绝缘层8内部嵌入有矩形金属槽B，顶面绝缘层8底部中间设置有脊背面金属层7，两个矩形金属槽A的相邻侧壁通过脊背面金属层7连接，两个矩形金属槽A的另外两个侧壁通过矩形金属槽B连接。
金属槽A由底面金属层6、侧面金属层2和脊侧壁金属层4连接组成，侧面金属层2和脊侧壁金属层4相对设置。
高阻硅衬底1底部设置有底面绝缘层9，底面金属层6嵌入在底面绝缘层9顶部。金属槽B由顶面金属层5和两侧的侧壁金属层3连接组成。顶面绝缘层8和底面绝缘层9均采用氧化硅制作而成。
顶面金属层5、底面金属层6和脊背面金属层7相当于传统矩形波导的侧壁用于传输电磁波。
底面金属层6、顶面金属层5和脊背面金属层7均采用重布线层RDL技术制作而成，所采用的金属为铜。侧壁金属层3的形成，是先在顶面绝缘层8内相对位置刻槽，然后用金属铜填充。
参照图3，侧面金属层2和脊侧壁金属层4均是由内部41个并排的圆柱形硅通孔和外侧高阻硅衬底组成，每个膜片10均由两个并排的圆柱形硅通孔组成，膜片10中硅通孔的排列方向与侧面金属层2中硅通孔的排列方向相垂直。
硅通孔嵌入在高阻硅衬底1中，采用TSV技术制作而成。每个膜片10中相邻硅通孔之间的间距小于每对膜片之间的间距。在整个滤波器体积不变的情况下，通过改变每对膜片之间的间距或膜片高度就能够改变滤板频率。
膜片10中硅通孔的顶部与顶面绝缘层8相接，膜片10中硅通孔的底部与底面金属层6相接，膜片10一侧与侧面金属层2相接。硅通孔由内部金属柱和包裹在金属柱外面的绝缘层组成，本实施例中，组成硅通孔的金属柱均为铜柱，绝缘层均为二氧化硅层。

Claims (6)

1.一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，其特征在于，包括高阻硅衬底(1)，高阻硅衬底(1)内部嵌入有两个矩形金属槽A，金属槽A内两侧设置有多对一一相对的膜片(10)，膜片(10)和金属槽A的侧壁均由硅通孔排列组成，高阻硅衬底(1)顶部设置有顶面绝缘层(8)，顶面绝缘层(8)内部嵌入有矩形金属槽B，顶面绝缘层(8)底部中间设置有脊背面金属层(7)，两个矩形金属槽A的相邻侧壁通过脊背面金属层(7)连接，两个矩形金属槽A的另外两个侧壁通过矩形金属槽B连接；
所述金属槽A由底面金属层(6)、侧面金属层(2)和脊侧壁金属层(4)连接组成，侧面金属层(2)和脊侧壁金属层(4)相对设置，所述高阻硅衬底(1)底部设置有底面绝缘层(9)，底面金属层(6)嵌入在底面绝缘层(9)顶部，所述金属槽B由顶面金属层(5)和两侧的侧壁金属层(3)连接组成，所述顶面绝缘层(8)和底面绝缘层(9)均采用二氧化硅制作而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，其特征在于，所述底面金属层(6)、顶面金属层(5)和脊背面金属层(7)均采用重布线层RDL技术制作而成。
3.根据权利要求1所述的一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，其特征在于，所述侧面金属层(2)和脊侧壁金属层(4)均是由多个并排的硅通孔组成，硅通孔采用TSV技术制作而成。
4.根据权利要求3所述的一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，其特征在于，每个所述膜片(10)均由至少两个并排的硅通孔组成，硅通孔嵌入在高阻硅衬底(1)中，膜片(10)中硅通孔的排列方向与侧面金属层(2)中硅通孔的排列方向相垂直。
5.根据权利要求4所述的一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，其特征在于，所述膜片(10)中硅通孔的顶部与顶面绝缘层(8)相接，底部与底面金属层(6)相接，膜片(10)一侧与侧面金属层(2)相接。
6.根据权利要求1所述的一种基于TSV的脊状基片集成波导带通滤波器，其特征在于，每个所述金属槽A内至少设置有两对膜片(10)。
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