CN207753006U - 一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器 - Google Patents

一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开的基于硅通孔技术的三维带通滤波器包括平行板电容器单元、平面螺旋电感器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和软磁铁氧体材料单元，该三维带通滤波器采用片上冗余硅通孔实现三维螺线管电感器，通过垂直设置的硅通孔和水平设置的金属互连层显著降低了三维螺线管电感器所占面积，并在三维螺线管电感器的结构中加入具有高磁导率的软磁铁氧体材料，进一步提高了三维螺线管电感器的磁导率与电感密度，该三维带通滤波器的高频阻带抑制特性和频率选择性好，其相对带宽比率高达31.6%，其电感器的电感密度高达100 nH/mm2。该三维带通滤波器具有占用面积小、损耗低和外形尺寸紧凑的优点，适用于高性能射频电路设计应用。

Description

一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器
技术领域
本实用新型涉及微波电路中的滤波器设计技术领域，具体是一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器。
背景技术
现代无线通信设备与通信***具有小型化、高速和多功能优点，通常支持不同通信协议。为了研发此类通信设备与通信***，业界提出了***级封装、片内封装与三维集成等一系列先进封装技术。但因电感器和电容器的尺寸太大，这些封装技术仍无法将滤波器、耦合器与天线等射频无源单元集成于***内部。为此CN106158835A提出一种基于硅通孔技术的低通滤波器，采用垂直同轴硅通孔电容器代替传统平面电容器，结合平面螺旋电感，设计一种二阶低通滤波器。尽管该设计方法能够缩小电容器与低通滤波器的尺寸，但也存在一些不足：第一，该专利所用的同轴硅通孔属于非标准硅通孔结构，其结构包含了第一介质层、外金属层、第二介质层和金属芯层，通过在硅衬底与外金属层间填充第一介质层、在外金属层与金属芯层间填充第二介质层实现电隔离，外金属层须接地，在作为电容器设计应用时，金属芯层作为电容上极板电极，外金属层作为电容下极板电极，该结构决定了同轴硅通孔电容器仅适用于接地电容设计，无法应用于耦合电容及包含耦合电容的带通滤波器设计；第二，虽然该低通滤波器的同轴硅通孔电磁特性出色，但其结构复杂，工艺制备成本较高，因此并未在主流硅通孔封装技术中广泛采用；第三，电感器的电感密度与尺寸是影响滤波器尺寸大小的关键因素，但该低通滤波器仍采用传统的平面电感器结构，其电感密度较低，已有的实验(N.Sturcken,et al.,A 2.5D integrated voltage regulator usingcoupled magnetic-core inductors on silicon interposers,IEEE J.Solid-StateCircuit,vol.48,no.1,pp.244-254,Jan.2013.)与仿真数据均表明平面螺旋电感器的电感密度仅为40～50nH/mm2。
三维封装技术通过硅通孔实现不同芯片的垂直互连通信，但硅通孔的尺寸普遍较大，32nm工艺节点下，单个硅通孔大小约为片上标准单元尺寸的5～10倍。此外，除了用于信号、电源与热传导的硅通孔，芯片内部还存在大量的冗余硅通孔。工艺制造厂家为了提高三维封装技术的良率，设置了单位硅片面积内最小硅通孔数目的设计规则。这些冗余硅通孔就是为满足这些设计规则***的，它们并未用于片内有效电热传导，但却造成了硅片面积的额外开销。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器，采用片上冗余硅通孔实现三维螺线管电感器，通过垂直设置的硅通孔和水平设置的金属互连层显著降低了三维螺线管电感器所占面积，并在三维螺线管电感器的结构中加入具有高磁导率的软磁铁氧体材料，进一步提高了三维螺线管电感器的磁导率与电感密度，该三维带通滤波器的高频阻带抑制特性和频率选择性好，其相对带宽比率高达31.6％，其三维螺线管电感器的电感密度高达100nH/mm2。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器，包括平行板电容器单元、平面螺旋电感器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和软磁铁氧体材料单元，所述的平行板电容器单元包括第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器，所述的平面螺旋电感器单元包括第一平面螺旋电感器和第二平面螺旋电感器，所述的重新布线层包括输入端、输出端、接地金属线以及水平设置的第一金属互连层、第二金属互连层、第三金属互连层、第四金属互连层、第五金属互连层、第六金属互连层、第七金属互连层、第八金属互连层、第九金属互连层和第十金属互连层，所述的三维螺线管电感器单元包括第一螺线管电感器和第二螺线管电感器，所述的第一螺线管电感器和所述的第二螺线管电感器分别包括硅衬底和并行设置在所述的硅衬底内的八个垂直设置的硅通孔，每个所述的硅通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的隔离介质层，八个所述的硅通孔的金属芯分别经金属线依次首尾相连，所述的软磁铁氧体材料单元包括四片软磁铁氧体片，所述的第一螺线管电感器和所述的第二螺线管电感器的硅衬底的顶部和底部各填充有一片所述的软磁铁氧体片，所述的金属线均设置在所述的软磁铁氧体片的外侧；
所述的第一电容器的下极板通过所述的第七金属互连层与所述的第一平面螺旋电感器的中心端连接，所述的第一平面螺旋电感器的末端通过所述的第八金属互连层与所述的接地金属线连接，所述的第一螺线管电感器的一端通过所述的第一金属互连层与所述的第二电容器的下极板连接，所述的第一螺线管电感器的一端同时通过所述的第二金属互连层与所述的第一电容器的上极板连接，所述的第一螺线管电感器的另一端与所述的接地金属线连接，所述的第二电容器的上极板与所述的输入端连接，所述的第二电容器的下极板通过所述的第三金属互连层与所述的第三电容器的一端连接，所述的第三电容器的另一端通过所述的第四金属互连层与所述的第四电容器的下极板连接，所述的第四电容器的下极板通过第五金属互连层与所述的第二螺线管电感器的一端连接，所述的第四电容器的上极板与所述的输出端连接，所述的第二螺线管电感器的另一端与所述的接地金属线连接，所述的第五电容器的上极板通过所述的第六金属互连层与所述的第二螺线管电感器的一端连接，所述的第五电容器的下极板通过所述的第九金属互连层与所述的第二平面螺旋电感器的中心端连接，所述的第二平面螺旋电感器的末端通过所述的第十金属互连层与所述的接地金属线连接。
作为优选，所述的隔离介质层为二氧化硅介质层，所述的金属芯为铜芯。
作为优选，所述的四片软磁铁氧体片均为镍锌铁氧体片、锰锌铁氧体片、镍铁合金片或硅钢片。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
(1)本实用新型通过平行板电容器单元、平面螺旋电感器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和软磁铁氧体材料单元构建了一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器，平面螺旋电感器单元的作用是在本实用新型带通滤波器的上限阻带引入一个额外的高频的传输零点，以改善带通滤波器的高频阻带抑制特性，并大幅增加带通滤波器的频率选择性，使其相对带宽比率高达31.6％；软磁铁氧体材料单元的作用是大幅提升三维螺线管电感器单元的磁导率与电感密度，仿真结果表明，本实用新型中三维螺线管电感器的电感密度高达100nH/mm2。
(2)本实用新型对片上冗余硅通孔进行有效利用，采用了仅包含金属芯的标准硅通孔结构，每个硅通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的隔离介质层，通过在金属芯与硅衬底间填充的隔离介质层实现电隔离，结构简单，与标准硅通孔制备技术兼容，实现了片上冗余硅通孔的有效利用。
(3)硅衬底的作用是降低第一螺线管电感器和第二螺线管电感器的损耗，提高第一螺线管电感器和第二螺线管电感器的品质因数。
(4)相对于传统普通的平面螺旋结构电感器，本实用新型采用片上冗余硅通孔实现三维螺线管电感器，通过垂直设置的硅通孔和水平设置的金属互连层显著降低了三维螺线管电感器所占面积，将传统的体积尺寸为毫米量级的滤波器，缩小至微米量级，大幅减少了器件的体积，在提高电路集成度的同时可保证滤波器的滤波性能，而软磁铁氧体材料则能够进一步提升本实用新型中螺线管电感器的单位面积电感值，即电感密度。
(5)本实用新型三维带通滤波器具有占用面积小、损耗低和外形尺寸紧凑的优点，适用于高性能射频电路设计应用。例如，中心频率约2.4GHz时，本实用新型三维带通滤波器的通带***损耗与回波损耗分别为-2.4dB与-15dB，面积约为0.44×0.33mm2，相对于传统的微带线带通滤波器18.5×18.5mm2的面积及低温共烧陶瓷(LTCC)带通滤波器2.6×2.6mm2的面积，改善非常显著，该三维带通滤波器适用于2.4GHz无线局域网应用。
附图说明
图1为本实用新型三维带通滤波器的结构示意图；
图2为本实用新型中第一螺线管电感器或第二螺线管电感器的结构示意图；
图3为本实用新型中第一螺线管电感器或第二螺线管电感器填充软磁铁氧体片前后的电感值比较图；
图4为本实用新型中第一平面螺旋电感器或第二平面螺旋电感器的结构示意图；
图5为本实用新型中单个硅通孔的结构示意图；
图6为本实用新型三维带通滤波器的等效电路结构图。
具体实施方式
以下结合实施例对本实用新型作进一步详细描述。
实施例1的基于硅通孔技术的三维带通滤波器，如图1所示，包括平行板电容器单元、平面螺旋电感器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和软磁铁氧体材料单元。
平行板电容器单元包括第一电容器1、第二电容器2、第三电容器3、第四电容器4和第五电容器5，平面螺旋电感器单元包括第一平面螺旋电感器6和第二平面螺旋电感器7(如图4所示)，重新布线层包括输入端8、输出端9、接地金属线10以及水平设置的第一金属互连层11、第二金属互连层12、第三金属互连层13、第四金属互连层14、第五金属互连层15、第六金属互连层16、第七金属互连层17、第八金属互连层18、第九金属互连层19和第十金属互连层20，三维螺线管电感器单元包括第一螺线管电感器21和第二螺线管电感器22，如图2所示，第一螺线管电感器21和第二螺线管电感器22分别包括硅衬底23和并行设置在硅衬底23内的八个垂直设置的硅通孔24，如图5所示，每个硅通孔24包括金属芯25和设置在金属芯25外侧的隔离介质层26，本实施例中，隔离介质层26为二氧化硅介质层，金属芯25为铜芯，八个硅通孔24的金属芯25分别经金属线27依次首尾相连，软磁铁氧体材料单元包括四片软磁铁氧体片28，本实施例中，四片软磁铁氧体片28均采用镍锌铁氧体片，在实际应用中，也可以采用锰锌铁氧体片、镍铁合金片或硅钢片等其他软磁铁氧体片。
第一螺线管电感器21和第二螺线管电感器22的硅衬底23的顶部和底部各填充有一片软磁铁氧体片28，金属线27均设置在软磁铁氧体片28的外侧；第一电容器1的下极板通过第七金属互连层17与第一平面螺旋电感器6的中心端连接，第一平面螺旋电感器6的末端通过第八金属互连层18与接地金属线10连接，第一螺线管电感器21的一端通过第一金属互连层11与第二电容器2的下极板连接，第一螺线管电感器21的一端同时通过第二金属互连层12与第一电容器1的上极板连接，第一螺线管电感器21的另一端与接地金属线10连接，第二电容器2的上极板与输入端8连接，第二电容器2的下极板通过第三金属互连层13与第三电容器3的一端连接，第三电容器3的另一端通过第四金属互连层14与第四电容器4的下极板连接，第四电容器4的下极板通过第五金属互连层15与第二螺线管电感器22的一端连接，第四电容器4的上极板与输出端9连接，第二螺线管电感器22的另一端与接地金属线10连接，第五电容器5的上极板通过第六金属互连层16与第二螺线管电感器22的一端连接，第五电容器5的下极板通过第九金属互连层19与第二平面螺旋电感器7的中心端连接，第二平面螺旋电感器7的末端通过第十金属互连层20与接地金属线10连接。
第一螺线管电感器21或第二螺线管电感器22填充软磁铁氧体片28前后的电感值比较图见图3。从图3可见，填充有软磁铁氧体片28的螺线管电感器在0.1～20GHz频率范围内的平均电感密度约为102nH/mm2，相对于普通螺线管电感器提升了155％左右。
图6为本实用新型三维带通滤波器的等效电路结构图。其中Cr1为第一电容器1的等效电容，C01为第二电容器2的等效电容，C12为第三电容器3的等效电容，C23为第四电容器4的等效电容，Cr2为第五电容器5的等效电容；Lr1为第一螺线管电感器21的等效电感，Lr2为第二螺线管电感器22的等效电感；Ls1为第一平面螺旋电感器6的等效电感，Ls2为第二平面螺旋电感器7的等效电感。如图6所示，C01和C23分别与输入端Port 1、输出端Port 2相连。Cr1与Lr1、Cr2与Lr2分别构成了谐振器，C12为两个谐振器之间的耦合电容。

Claims (3)

1.一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器，其特征在于包括平行板电容器单元、平面螺旋电感器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和软磁铁氧体材料单元，所述的平行板电容器单元包括第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器，所述的平面螺旋电感器单元包括第一平面螺旋电感器和第二平面螺旋电感器，所述的重新布线层包括输入端、输出端、接地金属线以及水平设置的第一金属互连层、第二金属互连层、第三金属互连层、第四金属互连层、第五金属互连层、第六金属互连层、第七金属互连层、第八金属互连层、第九金属互连层和第十金属互连层，所述的三维螺线管电感器单元包括第一螺线管电感器和第二螺线管电感器，所述的第一螺线管电感器和所述的第二螺线管电感器分别包括硅衬底和并行设置在所述的硅衬底内的八个垂直设置的硅通孔，每个所述的硅通孔包括金属芯和设置在金属芯外侧的隔离介质层，八个所述的硅通孔的金属芯分别经金属线依次首尾相连，所述的软磁铁氧体材料单元包括四片软磁铁氧体片，所述的第一螺线管电感器和所述的第二螺线管电感器的硅衬底的顶部和底部各填充有一片所述的软磁铁氧体片，所述的金属线均设置在所述的软磁铁氧体片的外侧；
所述的第一电容器的下极板通过所述的第七金属互连层与所述的第一平面螺旋电感器的中心端连接，所述的第一平面螺旋电感器的末端通过所述的第八金属互连层与所述的接地金属线连接，所述的第一螺线管电感器的一端通过所述的第一金属互连层与所述的第二电容器的下极板连接，所述的第一螺线管电感器的一端同时通过所述的第二金属互连层与所述的第一电容器的上极板连接，所述的第一螺线管电感器的另一端与所述的接地金属线连接，所述的第二电容器的上极板与所述的输入端连接，所述的第二电容器的下极板通过所述的第三金属互连层与所述的第三电容器的一端连接，所述的第三电容器的另一端通过所述的第四金属互连层与所述的第四电容器的下极板连接，所述的第四电容器的下极板通过第五金属互连层与所述的第二螺线管电感器的一端连接，所述的第四电容器的上极板与所述的输出端连接，所述的第二螺线管电感器的另一端与所述的接地金属线连接，所述的第五电容器的上极板通过所述的第六金属互连层与所述的第二螺线管电感器的一端连接，所述的第五电容器的下极板通过所述的第九金属互连层与所述的第二平面螺旋电感器的中心端连接，所述的第二平面螺旋电感器的末端通过所述的第十金属互连层与所述的接地金属线连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器，其特征在于所述的隔离介质层为二氧化硅介质层，所述的金属芯为铜芯。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器，其特征在于所述的四片软磁铁氧体片均为镍锌铁氧体片、锰锌铁氧体片、镍铁合金片或硅钢片。
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