CN113411069A - 一种体声波滤波器装置及提升带外抑制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种体声波滤波器装置及提升带外抑制的方法，其中，体声波滤波器装置包括基板、保护帽晶圆以及滤波器晶圆，所述滤波器晶圆上设置有薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器的***形成有金属密封环，金属密封环通过保护帽晶圆的金属化过孔以倒装焊的方式与基板的接地平面连接。进一步的，将滤波器中的并联谐振臂对应连接金属层上的一个电感后与接地金属连接，且相邻两个电感之间均通过接地金属相隔开。本发明提供的体声波滤波器以及提升带外抑制的方法，在不增加滤波器级数以及结构复杂度的情况下，提升了滤波器的带外抑制，且未造成滤波器插损的恶化，同时更有利于滤波器小型化的设计。
Description
技术领域
本发明涉及微波通信技术领域，具体涉及一种体声波滤波器装置及提升体声波滤波器带外抑制的方法。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，手机终端上会需要大量的射频滤波器，主要用来滤除不需要的射频信号，改善通信质量，提高用户体验。通信***随着业务的拓展除了对滤波器性能上有较高的要求外，还对滤波器的体积尺寸提出较高的要求，而体声波滤波器刚好可以满足其要求。体声波滤波器利用压电晶体的压电效应产生谐振。由于其谐振由机械波(体声波)产生，而非电磁波作为谐振来源，机械波的波长比电磁波波长短很多。因此，体声波谐振器及其组成的滤波器体积相对传统的电磁滤波器尺寸大幅度减小。另一方面，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，谐振器的损耗极小，品质因数高，能够应对陡峭过渡带和低***损耗等复杂设计要求。由于体声波滤波器具有的尺寸小、高滚降、低插损等特性，以此为核心的滤波器在通讯***中得到了广泛的应用。目前通信***向着多频段、多体制、多模式方向发展，使用的频段越来越密集，为了提高通信质量，减少各频段之间的干扰，势必对滤波器的带外抑制提出了更高的要求，通常采用增加滤波器的级数来提高带外抑制，但其带来的弊端是会恶化带内插损，增加滤波器的尺寸，因此在不恶化滤波器插损且不增加滤波器尺寸的情况下，如何提高体声波滤波器的带外抑制仍是亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种可提高带外抑制的体声波滤波器以及提升带外抑制的方法，以解决上述的技术问题。
本发明的一方面在于提供一种体声波滤波器装置，其包括基板、保护帽晶圆以及滤波器晶圆，所述滤波器晶圆上设置有薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器的***形成有金属密封环，金属密封环通过保护帽晶圆的金属化过孔以倒装焊的方式与基板的接地平面连接。
作为优选的，所述金属密封环是通过晶圆级封装将滤波器晶圆和保护帽晶圆进行金属键合而形成。
作为优选的，所述金属密封环的宽度小于等于20um。
作为优选的，所述薄膜体声波滤波器包括信号输入端口、信号输出端口以及连接在所述信号输入端口和信号输出端口之间的多个串联谐振臂，在信号输入端与串联谐振臂之间、相邻两个串联谐振臂之间、信号输出端与串联谐振臂之间均连接有并联谐振臂，每个串联谐振臂和并联谐振臂均包括至少一个薄膜体声波谐振器；并联谐振臂的一端通过保护帽晶圆的金属化过孔以倒装焊的方式与基板电性连接。
作为优选的，所述基板为多层基板，所述并联谐振臂连接到基板的一个金属层，每个并联谐振臂对应连接金属层上的一个电感后进行接地连接，且相邻两个电感之间均通过接地金属相隔开。
作为优选的，所述体声波滤波器包括顺次连接的串联谐振臂S1-S4，串联谐振臂S1的一端连接所述信号输入端口，串联谐振臂S4的一端连接所述信号输出端口，串联谐振臂S1和S2均包括2个薄膜体声波谐振器；
还包括并联谐振臂P1-P4，并联谐振臂P1的一端连接于信号输入端与串联谐振臂S1之间，并联谐振臂P2的一端连接于串联谐振臂S1与S2之间，并联谐振臂P3的一端连接于串联谐振臂S2和S3之间，并联谐振臂P4的一端连接于串联谐振臂S3和S4之间；并联谐振臂P1的另一端通过电感L1接地，并联谐振臂P2的另一端通过电感L2接地，并联谐振臂P3的另一端通过电感L3接地，并联谐振臂P4的另一端通过电感L4接地。
本发明的另一方面在于提供一种提升体声波滤波器带外抑制的方法，体声波滤波器包括基板和薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器的***形成有金属密封环；
将金属密封环与基板的接地平面进行连接，引入寄生电感，使得所述寄生电感和金属密封环与薄膜体声波滤波器的谐振器之间的寄生电容形成谐振电路，以提升滤波器通带右侧的抑制；
将构成薄膜体声波滤波器的谐振器的接地端与基板金属层的接地电感连接后进行接地，在相邻两个接地电感之间设置接地金属以减小接地电感之间的互耦，以提升滤波器通带左侧的抑制。
作为优选的，调节所述寄生电感的感值，从而调节滤波器通带右侧的抑制水平。
本发明至少具有以下技术效果：
本发明提供的体声波滤波器以及提升带外抑制的方法，在不增加滤波器级数以及结构复杂度的情况下，提升了滤波器的带外抑制，且未造成滤波器插损的恶化，同时更有利于滤波器小型化的设计。
附图说明
图1为本发明实施例的体声波滤波器的结构示意图；
图2为本发明实施例的体声波滤波器的封装的结构示意图；
图3为本发明一种实施例的体声波滤波器等效电路示意图；
图4为本发明实施例的基板金属层的电感布置结构示意图；
图5为本发明一种实施例与对比例的通带性能测试曲线图；
图6为本发明实施例中不同密封环宽度设置下的通带性能测试曲线；
图7为本发明另一实施例与对比例的通带性能测试曲线。
附图标记：
1-滤波器晶圆、2-金属密封环、3-保护帽晶圆、4-金属化过孔、5-薄膜体声波谐振器、6-焊盘、7-金球、8-基板、9-接地金属。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
结合附图1-7，本发明提供如下实施例：
参阅图1-2所示，本实施例提供的一种体声波滤波器装置，其包括基板8、保护帽晶圆3以及滤波器晶圆1，所述滤波器晶圆上设置有体声波滤波器，所述体声波滤波器的***形成有金属密封环2，金属密封环2通过保护帽晶圆的金属化过孔4以倒装焊的方式与基板8的接地平面连接。可以理解的是，上述方案中，所述金属密封环2对构成体声波滤波器的薄膜体声波谐振器5形成包围保护，以防气体、液体等污染滤波器，在实际应用中，为减小滤波器装置的封装尺寸，通常会使得金属密封环尽量的靠近谐振器进行布置，从而使得各谐振器与金属密封环之间的间隔减小。然而，申请人发现，各谐振器与金属密封环的间距减小到一定程度时，会导致谐振器与金属密封环之间互相耦合从而在滤波器输入输出端产生寄生电容，从而使得滤波器通带的带外抑制有不同程度的恶化。基于此，提出上述解决方案，通过将金属密封环与基板的接地平面连接，从而引入一个寄生电感，该寄生电感与滤波器输入输出端之间的寄生电容可形成谐振电路，通过调整寄生电感的大小，可在滤波器通带右侧形成谐振来抑制所述寄生电容产生的不利影响，从而提高滤波器通带右侧的抑制水平。进一步可以理解的是，可通过改变金属密封环的截面宽度以调整寄生电感的大小，和/或，在多层基板中的相应金属层(即与金属密封环所连接的基板上的接地平面)通过绕线的方式引入额外的电感，即通过调整绕线的电感从而调整所述寄生电感的大小。
作为一种优选的实施方式，所述金属密封环是通过晶圆级封装(WLP)将滤波器晶圆和保护帽晶圆进行金属键合而形成。由此，可确保金属密封环对滤波器的密封性以及结构的稳定性。
作为一种可选择的实施方式，所述薄膜体声波谐振器的基本结构包含衬底，所述衬底的材料为高阻硅，衬底的上表面设置底电极，底电极和衬底之间形成有用于反射体声波能量的空气腔；压电层生长在底电极上表面，顶电极生长在压电层的上表面。为进一步提高谐振器的可靠度，在顶电极的上表面设置一层保护层。优选的，所述压电层的材料选用氮化铝，底电极和顶电极的材料选用钼，保护层的材料选通氮化硅。
在一些实施例中，所述体声波滤波器包括信号输入端口(port1)、信号输出端口(port2)以及连接在所述信号输入端口和信号输出端口之间的多个串联谐振臂，在信号输入端与串联谐振臂之间、相邻两个串联谐振臂之间、信号输出端与串联谐振臂之间均连接有并联谐振臂，每个串联谐振臂和并联谐振臂均包括至少一个薄膜体声波谐振器；并联谐振臂的一端通过保护帽晶圆的金属化过孔以倒装焊的方式与基板电性连接。作为一种具体的实施方式，参阅图3所示，所述体声波滤波器包括顺次连接的串联谐振臂S1-S4，串联谐振臂S1的一端连接所述信号输入端口，串联谐振臂S4的一端连接所述信号输出端口；具有并联谐振臂P1-P4，并联谐振臂P1的一端连接于信号输入端与串联谐振臂S1之间，并联谐振臂P2的一端连接于串联谐振臂S1与S2之间，并联谐振臂P3的一端连接于串联谐振臂S2和S3之间，并联谐振臂P4的一端连接于串联谐振臂S3和S4之间；并联谐振臂P1的另一端通过电感L1接地，并联谐振臂P2的另一端通过电感L2接地，并联谐振臂P3的另一端通过电感L3接地，并联谐振臂P4的另一端通过电感L4接地。可选择的，为增加体声波滤波器的功率，所述串联谐振臂S1包括薄膜体声波谐振器S1a和S1b，串联谐振臂S2包括薄膜体声波谐振器S2a和S2b，并联谐振臂P1包括薄膜体声波谐振器P1a和P1b，并联谐振臂P2包括薄膜体声波谐振器P2a和P2b。可在该滤波器的并联谐振臂P1、P2、P3、P4加载质量负载，使其并联谐振频率和串联谐振臂S1、S2、S3、S4的串联谐振频率接近，由此形成一个带通滤波器，电感L1、L2、L3、L4可起到控制该滤波器传输零点的作用，进而优化滤波器的带外抑制。如图3中所示，Cr1和Cr2为金属密封环与谐振器之间耦合产生的寄生电容，Lr为将金属密封环与基板的接地平面连接而引入的寄生电感，该寄生电感Lr与寄生电容(Cr1和Cr2)可形成谐振电路，通过调整寄生电感Lr的大小，可在滤波器通带右侧形成谐振来抑制寄生电容产生的不利影响。进一步的，以金属密封环未进行接地作为对比例1，将本实施例1与对比例1进行性能测试，参阅图5示出了本实施例1与对比例1的通带性能测试曲线(传输曲线)，从图中可以看出，相比于对比例1，本实施例1将滤波器通带右侧的带外抑制提高了5dB左右，并且对滤波器通带左侧的带外抑制以及通带内的插损几乎没有影响。
作为优选的实施方式，所述金属密封环的截面宽度小于等于20um。图6为不同金属密封环截面宽度的性能曲线，实线为密封环截面宽度Wsr＝20um的性能曲线；虚线为密封环截面宽度Wsr＝40um的性能曲线；长虚线为密封环截面宽度Wsr＝60um的性能曲线。从图中可以看出，随着密封环截面宽度Wsr增加，靠近体声波滤波器通带左侧一部分频段的带外抑制变差，同时滤波器通带右侧的带外抑制以及通带内的插损几乎没有影响。其中Wsr＝20um比Wsr＝60um带外抑制提高了6dB左右，因此，在保证封装可靠性的条件下，建议将金属密封环截面宽度设置为尽量可能小。
作为一种优选的实施方式，所述基板为由多层金属层和介质层交叉堆叠而成的多层基板，所述并联谐振臂连接到基板的一个金属层，每个并联谐振臂对应连接金属层上的一个电感后与进行接地连接，且相邻两个电感之间均通过接地金属相隔开。一种可选择的，参阅图2所示，多层基板包括M1、M2、M3和M4四个金属层，金属密封环2和滤波器晶圆上的薄膜体声波谐振器5与多层基板的M1层相对应的图案进行电性连接，M2层和M3层主要用来提供并联谐振臂的接地电感，M4层为分布引脚，以便与其它器件相连。作为一种具体的，参阅图4所示为基板一个金属层(M2或M3)的电感布置结构示意图，并联谐振臂P1、P2、P3、P4对应连接电感L1、L2、L3和L4，相邻两个电感之间通过接地金属9隔开。应该说明的是，在实际应用中，体声波滤波器通常在梯型结构并联支路中并联谐振臂与地之间通常设置有电感，用于调整传输零点的位置，以获得更好的带外抑制性能。申请人发现，并联支路中的电感之间容易形成电磁耦合，并且会导致传输零点的偏移，从而造成体声波滤波器带外抑制恶化。基于此，提出以上解决方案，本实施例中，通过在基板金属层的电感之间设置了接地金属9，以减小电感之间的互耦，由此，使得传输零点的位置在通带左侧需要抑制的频段内，进而优化了体声波滤波器通带左侧的带外抑制。以金属层的电感之间未设置接地金属进行隔离作为对比例2，并将本实施例2与对比例进行性能测试，参阅图7示出了本实施例2与对比例2的通带性能测试曲线，从图中可以看出，在电感之间设置接地金属进行隔离后，传输零点Z1向高频方向移动,传输零点Z2和Z3略微向低频移动，这使得滤波器通带左侧需要抑制的频段带外抑制水平整体提高了5dB左右，并且对滤波器通带右侧的带外抑制以及通带内的插损几乎没有影响。
可以理解的是，图5、图6和图7测试曲线中，纵坐标IL表示的是插损。
本发明实施例还提供一种提升体声波滤波器带外抑制的方法，体声波滤波器包括基板和薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器的***形成有金属密封环；
将金属密封环与基板的接地平面进行连接，引入寄生电感，使得所述寄生电感和金属密封环与薄膜体声波滤波器的谐振器之间的寄生电容形成谐振电路，以提升滤波器通带右侧的抑制；
将构成薄膜体声波滤波器的谐振器的接地端与基板金属层的接地电感连接后进行接地，在相邻两个接地电感之间设置接地金属以减小接地电感之间的互耦，以提升滤波器通带左侧的抑制。
作为优选的，调节所述寄生电感的感值，从而调节滤波器通带右侧的抑制水平。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种体声波滤波器装置，其特征在于，包括基板、保护帽晶圆以及滤波器晶圆，所述滤波器晶圆上设置有薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器的***形成有金属密封环，金属密封环通过保护帽晶圆的金属化过孔以倒装焊的方式与基板的接地平面连接。
2.根据权利要求1所述的体声波滤波器装置，其特征在于：所述金属密封环是通过晶圆级封装将滤波器晶圆和保护帽晶圆进行金属键合而形成。
3.根据权利要求1所述的体声波滤波器装置，其特征在于：所述金属密封环的截面宽度小于等于20um。
4.根据权利要求1所述的体声波滤波器装置，其特征在于：所述薄膜体声波滤波器包括信号输入端口、信号输出端口以及连接在所述信号输入端口和信号输出端口之间的多个串联谐振臂，在信号输入端与串联谐振臂之间、相邻两个串联谐振臂之间、信号输出端与串联谐振臂之间均连接有并联谐振臂，每个串联谐振臂和并联谐振臂均包括至少一个薄膜体声波谐振器；并联谐振臂的一端通过保护帽晶圆的金属化过孔以倒装焊的方式与基板电性连接。
5.根据权利要求4所述的体声波滤波器装置，其特征在于：所述基板为多层基板，所述并联谐振臂连接到基板的一个金属层，每个并联谐振臂对应连接金属层上的一个电感后进行接地连接，且相邻两个电感之间均通过接地金属相隔开。
6.根据权利要求4所述的体声波滤波器装置，其特征在于：所述体声波滤波器包括顺次连接的串联谐振臂S1-S4，串联谐振臂S1的一端连接所述信号输入端口，串联谐振臂S4的一端连接所述信号输出端口，串联谐振臂S1和S2均包括2个薄膜体声波谐振器；
还包括并联谐振臂P1-P4，并联谐振臂P1的一端连接于信号输入端与串联谐振臂S1之间，并联谐振臂P2的一端连接于串联谐振臂S1与S2之间，并联谐振臂P3的一端连接于串联谐振臂S2和S3之间，并联谐振臂P4的一端连接于串联谐振臂S3和S4之间；并联谐振臂P1的另一端通过电感L1接地，并联谐振臂P2的另一端通过电感L2接地，并联谐振臂P3的另一端通过电感L3接地，并联谐振臂P4的另一端通过电感L4接地。
7.一种提升体声波滤波器带外抑制的方法，体声波滤波器包括基板和薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器的***形成有金属密封环，其特征在于：
将金属密封环与基板的接地平面进行连接，引入寄生电感，使得所述寄生电感和金属密封环与薄膜体声波滤波器的谐振器之间的寄生电容形成谐振电路，以提升滤波器通带右侧的抑制；
将构成薄膜体声波滤波器的谐振器的接地端与基板金属层的接地电感连接后进行接地，在相邻两个接地电感之间设置接地金属以减小接地电感之间的互耦，以提升滤波器通带左侧的抑制。
8.根据权利要求7所述的提升体声波滤波器带外抑制的方法，其特征在于：调节所述寄生电感的感值，从而调节滤波器通带右侧的抑制水平。
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