TWI792567B - 具有可調諧濾波之射頻系統、可調諧濾波器、以及可調諧濾波之方法 - Google Patents

具有可調諧濾波之射頻系統、可調諧濾波器、以及可調諧濾波之方法 Download PDF

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聖托西 安尼爾 克德塔克
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伯浩 葉
克里斯托弗 Ｐ 奧尼爾
克里斯托夫 馬克西米利安 斯坦布雷徹
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Abstract

本申請提供用於可調諧濾波之設備及方法。在某些實施例中，使用形成於半導體晶粒上之一或多個可控電容器及使用形成於次級電路板上之一或多個被屏蔽之積體電感器來實施可調諧濾波器，此次級電路板附接至載波電路板。另外，被屏蔽之積體電感器由次級電路板之圖案化的金屬化層形成，並且在次級電路板及/或載波電路板上提供屏蔽作用以從半導體晶粒及/或其他組件屏蔽電感器。

Description

具有可調諧濾波之射頻系統、可調諧濾波器、以及可調諧濾 波之方法
本發明之實施例係關於電子系統，且更特定言之，係關於用於射頻電子設備之可調諧濾波器。
電子系統可使用可調諧濾波器以調節訊號鏈內過濾之頻率。可調諧濾波器可用於許多不同的應用，包含但不限於基站、移動裝置、測量儀器、工業電子產品、軍用電子產品、膝上電腦、平板、專業寬頻數位無線電、以及緊湊型及/或可擕式儀器。與固定濾波器相反，可調諧濾波器藉由對過濾後的特定頻率提供控制來針對一給定應用允許額外靈活性。
本申請提供用於可調諧濾波之設備及方法。在某些實施例中，使用形成於半導體晶粒上之一或多個可控電容器及使用形成於次級電路板上之一或多個被屏蔽之積體電感器來實施可調諧濾波器，此次級電路板附接至載波電路板。另外，被屏蔽之積體電感器由次級電路板之圖案化金屬化層所形成，並且在次級電路板及/或載波電路板上提供屏蔽作用以從半導體晶粒及/或其他組 件屏蔽電感器。藉由以此方式實施可調諧濾波器，實現了許多優勢，包含高品質因數(Q-factor)、超寬頻效能，及/或快速調諧之能力。
在一個態樣中，提供一種具有可調諧濾波之射頻(radio frequency，RF)系統。RF系統包含一半導體晶粒，此半導體晶粒包含在在該半導體晶粒上形成之第一可控電容器。RF系統進一步包含配置以附接至第二電路板的第一電路板。第一電路板包含在該第一電路板中由第一電路板之金屬化形成的第一電感器結構，並且第一電感器結構經配置以與第一可控電容器諧振以提供可調諧濾波器。藉由至少部分地由第一電路板之金屬化形成的電感器屏蔽結構，第一電感器結構被屏蔽於半導體晶粒。
在另一態樣中，提供一種可調諧濾波之方法。方法包含以下步驟：控制形成於半導體晶粒上之可控電容器的電容，使可控電容器與電感器結構諧振，電感器結構係在第一電路板中由此第一電路板之金屬化而形成，其中，第一電路板附接至第二電路板，以及藉由使用至少部分地由第一電路板之金屬化形成的電感器屏蔽結構，使電感器結構被屏蔽於半導體晶粒。
在另一態樣中，提供一種可調諧濾波器。可調諧濾波器包含形成於半導體晶粒上之可控電容器，在第一電路板中由此第一電路板之金屬化形成的電感器結構。第一電路板附接至第二電路板，以及電感器結構與可控電容器諧振。可調諧濾波器進一步包含一電感器屏蔽結構，此電感器屏蔽結構至少部分地由第一電路板之金屬化形成並封閉電感器結構。
1:半導體晶粒
2:載波電路板
3:次級電路板
4a:第一側
4b:第二側
5a:可控電容器
5b:可控電容器
5n:可控電容器
6a:積體電感器(被屏蔽的積體電感器)
6b:積體電感器(被屏蔽的積體電感器)
6n:積體電感器(被屏蔽的積體電感器)
10:可調諧濾波器
20:可調諧濾波器
21:半導體晶粒
22:次級電路板
22':次級電路板
23:載波電路板
23':載波電路板
24a:第一多纏繞電感器/第一多匝電感器
24b:第二多纏繞電感器/第二多匝電感器
25a:第一金屬連接件
25b:第二金屬連接件
26:電感器屏蔽結構
26':電感器屏蔽結構
27:前側組件
28:後側組件
30:焊球
31:銅柱
32:RF遮罩
32':RF遮罩
41:底部接地平面
41':底部接地平面
42:接地壁體
42':接地壁體
43:頂部接地平面
48a:第一側
48b:第二側
50:RF系統
60:RF系統
101:第一匝
101':第一匝
102:第二匝
102':第二匝
103:第三匝
103':第三匝
104:第四匝
104':第四匝
111:第一柱
111':第一柱
112:第二柱
112':第二柱
113:第三柱
113':第三柱
114:第四柱
114':第四柱
115:第五柱
115':第五柱
120:多匝電感器
120a:第一多匝電感器
120b:第二多匝電感器
130:多匝電感器
151:柱
152:柱
170:一對多匝電感器
180:一對多匝電感器
181a:第一多匝電感器
181b:第二多匝電感器
182:柱
183:環
190:一對多匝電感器
201a:第一梳型電感器
201b:第二梳型電感器
202a:第三梳型電感器
202b:第四梳型電感器
204:接地平面
211:第一端子
212:第二端子
213:第三端子
214:第四端子
215:第五端子
216:第六端子
220:梳型電感器結構
231a:第一梳型電感器
231b:第二梳型電感器
232:柱
233:頂部接地板
240:一對梳型電感器
241a:第一梳型電感器
241b:第二梳型電感器
241c:第三梳型電感器
241d:第四梳型電感器
244:柱
250:交叉耦合電感器結構
251a:第一電感器
251b:第二電感器
251c:第三電感器
251d:第四電感器
252a:第一電容器
252b:第二電容器
252c:第三電容器
252d:第四電容器
252e:第五電容器
252f:第六電容器
252g:第七電容器
252h:第八電容器
252i:第九電容器
260:交叉耦合濾波器
271:第一可控電容器
272:第二可控電容器
273:第三可控電容器
274:第四可控電容器
280:雙模式濾波器
901A:串聯電感器
901B:串聯電感器
902A:並聯電容器
902B:並聯電容器
901N:串聯電感器
902N:並聯電容器
910:可調諧濾波器
911A:串聯電容器
911B:串聯電容器
911N:串聯電容器
912A:並聯電感器
912B:並聯電感器
912N:並聯電感器
920:可調諧濾波器
1001:基帶處理器
1002:I/Q調製器
1003:I/Q解調器
1005A:第一可調諧濾波器
1005B:第二可調諧濾波器
1005C:第三可調諧濾波器
1006:功率放大器(PA)
1007:傳輸/接收開關(T/R開關)
1008:低雜訊放大器(LNA)
1009:天線
1010:RF通信系統
1101a-1101n:第一組場效電晶體
1102a-1102n:第二組FET
1104a-1104n:第二組電容器
1103a-1103n:第一組電容器
1105:控制電路(控制)
1106:記憶體
1107:儲存查找表(LUT)
1108:介面
1111a~1111n:第一組閘極電阻器
1112a~1112n:第二組閘極電阻器
1140:可控電容器
1141:FET及電容器組(FET+電容器)
1142:PIN二極體及電容器組(PIN二極體+電容器)
1143:二極體變容器
1144:微型機電系統電容器(MEMS)
1145:鈦酸鍶鋇電容器(BST)
1150:半導體晶粒
H1:高度
IN:輸入端子
OUT:輸出端子
RF1:第一RF端子
RF2:第二RF端子
圖1A根據一個實施例為可調諧濾波器之示意圖。
圖1B根據另一實施例為可調諧濾波器之示意圖。
圖2A根據一個實施例為射頻(radio frequency，RF)系統之橫截面的示意圖。
圖2B根據另一實施例為RF系統之橫截面的示意圖。
圖3A根據一個實施例為多匝電感器之透視圖。
圖3B根據另一實施例為多匝電感器之透視圖。
圖4A根據一個實施例為一對多匝電感器之透視圖。
圖4B根據另一實施例為一對多匝電感器之透視圖。
圖5根據另一實施例為一對多匝電感器之透視圖。
圖6根據一個實施例為梳型(comb-type)電感器結構之透視圖。
圖7A為一對梳型電感器之另一實施例的透視圖，其中省略了頂部接地平面。
圖7B為圖7A之此對梳型電感器之透視圖，其中包含了頂部接地板。
圖8A根據一個實施例為交叉耦合電感器結構之透視圖。
圖8B為包含圖8A之交叉耦合電感器的交叉耦合濾波器之一個實施例的示意圖。
圖8C為圖8B之交叉耦合濾波器的增益與頻率關係圖的一個實例。
圖9A根據一個實施例為雙模式濾波器之一個實施例的透視圖。
圖9B為圖9A之雙模式濾波器之增益與頻率關係圖的一個實例。
圖10A根據一個實施例為可調諧濾波器之示意圖。
圖10B根據另一實施例為可調諧濾波器之示意圖。
圖11根據本文教示為可包含一或多個可調諧濾波器之RF通信系統的一個實例的示意圖。
圖12根據一個實施例為可控電容器之示意圖。
圖13根據一個實施例為半導體晶粒之示意圖。
以下實施例的詳細描述呈現了本發明特定實施例的各種描述。在本描述中，參考此些附圖，其中相同元件符號可以指示相同或功能類似的元件。應理解，圖式中圖示之元件並不一定按比例繪製。此外，應理解，某些實施例可以包含多於附圖中圖示的元件及/或附圖中圖示之元件子集。此外，一些實施例可以包含來自兩個或更多個附圖之特徵的任何適當組合。
射頻(radio frequency，RF)濾波器可在多種應用中用於過濾RF訊號之頻率內容。例如，在無線通信系統中，RF濾波器可以使用帶通頻率響應來實施，以將RF訊號之頻率內容限制於特定頻率範圍或頻帶。此類RF濾波器可在無線通信系統之傳輸及/或接收路徑中使用。為了提供額外靈活性，期望實施可調諧之RF濾波器。
本文提供用於可調諧濾波之設備及方法。在某些實施例中，使用形成於半導體晶粒上之一或多個可控電容器及使用形成於次級電路板上之一或多個被屏蔽之積體電感器來實施可調諧濾波器，此次級電路板附接至載波電路板。另外，被屏蔽之積體電感器由次級電路板之圖案化金屬化層所形成，並且在次級電路板及/或載波電路板上提供屏蔽作用以使電感器被屏蔽於半導體晶粒及/或其他組件。
藉由以此方式實施可調諧濾波器，實現了許多優勢，包含高品質因數(Q-factor)、超寬頻效能，及/或快速調諧之能力。相反，使用集成電感器實施的可調諧濾波器體積大、成本高及/或需要進行調節及校準的組件變化。
在某些實施方式中，半導體晶粒被安裝至載波電路板之第一側，同時次級電路板被安裝至載波電路板與第一側相對的第二側。因而，半導體晶粒上之可控電容器可透過載波電路板連接至次級電路板的電感器。在其他實施方式中，半導體晶粒被安裝至次級電路板，其進而被安裝至載波電路板。
被屏蔽之積體電感器可以各種方式實施，包含但不限於使用多纏繞(multi-wound)電感器結構及/或梳型(comb)電感器結構。當在次級電路板中形成多個電感器時，在電感器之間提供屏蔽或者在電感器之間可省略屏蔽，例如，以形成交叉耦合的濾波器結構及/或雙模式濾波器。
本文之可調諧濾波器可對各種訊號頻率之RF訊號提供濾波作用，包含但不限於極高頻(VHF)範圍(30兆赫茲(MHz)至300MHz)或超高頻(UHF)範圍(300MHz至3千兆赫茲(GHz))中的訊號。
圖1A根據一個實施例為可調諧濾波器10之示意圖。在此實施例中，使用半導體晶粒1、載波電路板2、以及次級電路板3實施可調諧濾波器10。
如圖1A圖示，半導體晶粒1包含可控電容器5a、5b……5n。儘管描繪了三個可控電容器，但半導體晶粒1可以包含更多或更少可控電容器。半導體晶粒1附接至載波電路板2之第一側4a。諸如圖1A之半導體晶粒1的半導體晶粒此處也稱為積體電路(IC)。
在某些實施方式中，載波電路板2為多層電路板，諸如印刷電路板(print circuit board，PCB)。儘管在圖1A中未描繪，但其他組件可附接至載波電路板2，諸如一或多個其他半導體晶粒、機體被動元件(integrated passive device，IPD)，或表面安裝裝置(surface mount device，SMD)。此類組件可附接至載波電路板2之任一側或兩側。
繼續參考圖1A，次級電路板3附接至載波電路板2的第二側4b，使得次級電路板3及半導體晶粒1位於載波電路板2之相對兩側上。次級電路板3包含多個導電層(例如，藉由介電質彼此隔離的銅金屬層)，電感結構由此些導電層形成。特別地，次級電路板3包含藉由對板之導電層進行圖案化而形成的被屏蔽之積體電感器6a、6b……6n。儘管描繪了三種被屏蔽之積體電感器，但可包含更多或更少被屏蔽之積體電感器。
被屏蔽之積體電感器6a、6b……6n是被屏蔽於半導體晶粒1。因而，阻止來自電感器6a、6b……6n之電磁干擾到達半導體晶粒2。在某些實施方式中，一電路板之一金屬層用於形成在被屏蔽之積體電感器6a、6b……6n與半導體晶粒1之間***的接地平面，從而允許半導體晶粒直接位於一或多個電感器上方。此類接地平面可形成在載波電路板2之一層上或在次級電路板3之一層(例如，頂部或最外層)上形成，此層在電感器6a、6b……6n與半導體晶粒1之間。
在某些實施方式中，次級電路板3之導電層被圖案化以形成圍繞被屏蔽之積體電感器6a、6b……6n的籠罩(cage)。保持架可接地。因而，在一些實施例中，被屏蔽之積體電感器6a、6b……6n在所有側上可被接地金屬圍繞。
可控電容器5a、5b……5n與被屏蔽之積體電感器6a、6b……6n連接以形成電感器-電容器(inductor-capacitor，LC)諧振器。此類LC諧振器可連接在一起以提供一或多個可調諧濾波器，用於過濾RF訊號之訊號內容。LC諧振器可連接在一起以形成多種濾波電路。儘管圖示為在可控電容器與電感器之間具有一對一的對應關係，但其他實施方式為可能的。因此，可控電容器及電感器的數目不一定相同。
藉由改變LC諧振器之電容，可至少部分地控制可調諧濾波器。在一個實例中，可控電容器5a、5b……5n的每一者均包含一組可選電容器單元，並且從半導體晶粒1之介面所接收的資料可用於選擇這些組的電容值，從而提供調諧。在第二實例中，可控電容器5a、5b……5n的每一者均包含具有類比調諧之變容器。儘管提供了兩個調諧實例，但本文教示適用於多種調諧之實施方式。在某些實施方式中，LC諧振器之電感亦可調諧，例如，藉由使用開關改變電感之長度及/或控制串聯或並聯之電感器的數目。
圖1B根據另一實施例為可調諧濾波器20之示意圖。圖1B之可調諧濾波器20類似於圖1A之可調諧濾波器10，不同之處在於可調諧濾波器20中，次級電路板3***在半導體晶粒1與載波電路板2之間。特別地，半導體晶粒1附接至次級電路板3之第一側，同時次級電路板3之第二側附接至載波電路板2之第一側4a。
為了在被屏蔽之電感器結構6a、6b……6n與半導體晶粒1之間提供屏蔽作用，次級電路板3可在電感器6a、6b……6n與半導體晶粒1之間的一金屬層上包含接地平面。例如，次級電路板3之頂部或最外導電層可用於形成此類接地平面。次級電路板3亦可包含複數壁體，用於形成接地籠罩之部分， 用以使電感器6a、6b……6n被屏蔽於半導體晶粒1。底部接地平面亦可包含在次級電路板3或載波電路板2上。
圖2A根據一個實施例為RF系統50之橫截面的示意圖。RF系統50包含半導體晶粒21(包含在其上形成的至少一個可控電容器)、次級電路板22、載波電路板23、第一多纏繞電感器24a、第二多纏繞電感器24b、第一金屬連接件25a、第二金屬連接件25b、電感器屏蔽結構26、多個前側組件27、多個後側組件28、多個焊球30、多個銅柱31、以及RF遮罩32。
在圖示實施例中，次級電路板22包含兩個被屏蔽之電感器結構，對應於第一多纏繞電感器24a及第二多纏繞電感器24b，這些被屏蔽之電感器結構由次級電路板22之多個導電層(例如，由介電質隔離之經圖案化的金屬化層)所形成。儘管描繪了兩個被屏蔽之電感器結構，但次級電路板22可適於包含更多或更少的被屏蔽之電感器結構。此外，儘管描繪了具有多纏繞電感器的實例，但可實施次級電路板22以包含其他類型的電感器。多纏繞電感器此處亦被稱為多匝電感器。
次級電路板22可對應於多種類型之多層電路板，諸如PCB。在某些實施方式中，次級電路板22對應於具有單個疊層步驟(lamination step)之PCB。因而，次級電路板22可用低成本處理來實施，以幫助實現低成本且可縮放之整個RF系統。
在某些實施方式中，PCB包含至少三個導電層。在某些實施方式中，這些導電層為銅，諸如低電阻之厚銅。
使用PCB技術來形成電感器24a及24b也提供了相對於集成技術的緊密容差及受控重複性的優勢。
如圖2A圖示，半導體晶粒21附接至載波電路板23之第一側48a。在此實例中，半導體晶粒21使用銅柱31以覆晶配置(flip-chip configuration)方式連接。使用具有銅柱31之覆晶配置了提供低電感及低電阻，以幫助實現高品質因數(Q-factor)、寬頻操作及/或高頻操作。此外，覆晶配置可與低輻射及寄生相關聯。然而，其他實施方式也是可能的，諸如使用電線接合之配置。
在圖示實施例中，次級電路板22附接至載波電路板23之第二側48b。在此實例中，焊球30用於在次級電路板22與載波電路板23之間提供連接性，例如，使用球狀柵格陣列(ball grid array，BGA)。然而，其他實施方式也是可能的，諸如使用平面柵格陣列(land grid array，LGA)。
儘管為了圖式清晰在圖2A中未描繪，但半導體晶粒21包含至少一個可控電容器。另外，透過載波電路板23提供金屬連接件，以在半導體晶粒21上之可控電容器與在次級電路板22中形成之被屏蔽之積體電感器之間提供期望的電連接。
例如，在圖示實施例中，提供了第一金屬連接件25a，用於將第一多匝電感器24a之第一端連接至半導體晶粒21之第一接腳(或並聯連接至第一組接腳以降低電感)，同時提供了第二金屬連接件25b，用於將第二多匝電感器24b之第一端連接至半導體晶粒21之第二接腳(或連接至第二組接腳)。
在圖示實施例中，第一多匝電感器24a之第二端及第二多匝電感器24b之第二端連接至電感器屏蔽結構26，其為接地的。然而，其他實施方式也為可能的，諸如其中亦可包含透過載波電路板23之金屬連接件，以用於將電感器24a及24b之第二端連接至半導體晶粒21之對應接腳(或接腳組)的配置。
載波電路板23亦可包含用於半導體晶粒21及/或次級電路板22之輸入/輸出連接件。在某些實施方式中，載波電路板23為客製電路板，其可針對特定應用進行變更。因此，半導體晶粒21及次級電路板22可部署在大量應用中，並且可以對客製電路板之形狀及適合性進行小的變更，以適應特定的RF頻率範圍，及/或保持RF操作頻率的機密性。
如圖2A中圖示，電感器屏蔽結構26在整合進次級電路板22中之電感器與其他組件(包含半導體晶粒21)之間提供屏蔽作用。電感器屏蔽結構26作為在所有側面上圍繞電感器24a及24b的接地金屬。
在圖示實施例中，電感器屏蔽結構26包含底部接地平面41、多個接地壁體42及頂部接地平面43，頂部接地平面43***在半導體晶粒21與電感器24a及24b之間。在頂部接地板43中提供開口，以允許半導體晶粒21與在次級電路板22中形成之電感器24a及24b之間的電連接的通路。
然而，電感器屏蔽結構之其他實施例為可能的。在一個實例中，接地壁體被包含在電感器24a與24b之間，透過BGA從底部接地板41運行至接地板43。以此方式實施電感器屏蔽結構在電感器之間提供電隔離。然而，此類接地壁體可以省略或者以變更形式包含在內，以在次級電路板22內的多個電感器之間提供磁耦合。
頂部接地平面43亦用於限制電磁輻射從半導體晶粒21到達其他組件。
在圖示實施例中，頂部接地平面43及壁體42之一部分在載波電路板23中形成，而底部接地平面41及壁體42之另一部分在次級電路板22中形成。因而，電感器所在之諧振腔在載波電路板23與次級電路板22兩者上實施。 藉由在次級電路板22及載波電路板23上實施電感器屏蔽結構26，相對於完全在次級電路板22上實施屏蔽，實現了諧振組件之較小高度H1。
在某些實施方式中，電感器屏蔽結構26為電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)及電磁相容性(electromagnetic copatibility，EMC)兩者提供屏蔽。
在圖示實施例中，電感器屏蔽結構26屏蔽多個電感器。因而，相對於每個電感線圈使用單獨的EMI/EMC屏蔽的大型習用線圈，實現了更緊湊區域。
如圖2A圖示，半導體晶粒21及前側組件27附接至載波電路板23之第一側48a。另外，RF遮罩32亦附接至載波電路板23之第一側48a，以將半導體晶粒21及前側組件27封閉在一腔體中。由於半導體晶粒21之低輪廓或高度，載波電路板23之前側也具有低輪廓。在某些實施方式中，前側組件27包含多個RF組件，其可透過載波電路板23藉由連接件連接至半導體晶粒21。前側組件27之實例包含其他半導體晶粒、IPD、及/或SMD。
繼續參考圖2A，後側組件28連接至載波電路板23之第二側48b。在某些實施方式中，後側組件28包含多個低頻或DC組件，其可例如包含其他半導體晶粒、連接器，及/或其他組件。由於後側組件28可為高的，因此，在載波電路板23之第二側48b上包含次級電路板22對系統之總高度幾乎無影響。電感器屏蔽結構26幫助防止由電感器24a及24b所產生之電磁場到達後側組件28。
圖2B根據另一實施例為RF系統60之橫截面的示意圖。RF系統60包含半導體晶粒21(其上包含至少一個可控電容器)、次級電路板22'、 載波電路板23'、第一多匝電感器24a、第二多匝電感器24b、第一金屬連接件25a、第二金屬連接件25b、電感器屏蔽結構26'、多個前側組件27、多個後側組件28、多個焊球30、多個銅柱31及RF遮罩32'。
相比於圖2A之RF系統50，圖2B之RF系統60包含半導體晶粒21、次級電路板22'及載波電路板23'之不同佈置。特別地，半導體晶粒21附接至次級電路板22'之第一側，以及次級電路板22'之第二側附接至載波電路板23'之第一側48a。另外，RF遮罩32'附接至載波電路板23'之第一側48a，並將半導體晶粒21、次級電路板22'、及前側組件27封閉在一腔體中。
在圖示實施例中，次級電路板22'包含第一多匝電感器24a及第二多匝電感器24b，此些多匝電感器在次級電路板22'中由次級電路板22'之經圖案化的導電層形成。儘管描繪了具有兩個多匝電感器的實例，但可用更多或更少電感器及/或不同類型之電感器來實施次級電路板22'。
電感器24a及24b由電感器屏蔽結構26'屏蔽。相比於圖2A之電感器屏蔽結構26，圖2B之電感器屏蔽結構26'整個形成在次級電路板22'上。因而，圖2B之諧振組件之高度H2大於圖2A之諧振組件的高度H1。
如圖2B圖示，電感器屏蔽結構26'包含底部接地平面41'、多個壁體42'、及頂部接地平面43。頂部接地平面43包含用於在半導體晶粒21之接腳與電感器25a及25b之第一端之間的電連接25a及25b之通路的開口。另外，在此實例中，電感器25a及25b之第二端藉由連接件接地至底部接地平面41'。
儘管圖示了電感器24a與24b之間沒有屏蔽的實例，但在其他實施方式中電感器之間包含接地壁體。
圖3A根據一個實施例為多匝電感器120之透視圖。多匝電感器120包含第一匝101、第二匝102、第三匝103、第四匝104、第一柱111、第二柱112、第三柱113、第四柱114及第五柱115。
多匝電感器120圖示可在次級電路板中形成的電感器結構之一個實施例。然而，本文教示適用於以其他方式實現的電感器結構。
在圖示實施例中，第一匝101在次級電路板之第一圖案化金屬化層中形成，第二匝102在次級電路板之第二圖案化金屬化層中形成，第三匝103在次級電路板之第三圖案化金屬化層中形成，以及第四匝104在次級電路板之第四圖案化金屬化層中形成。為了圖式清晰，圖3A中未描繪金屬化層之間的介電質。
第一柱111連接至第一匝101之一端，並作為多匝電感器120之第一端子。第二柱112連接至第四匝104之一端，並作為多匝電感器120之第二端子。
第三柱113將第一匝101連接至第二匝102。另外，第四柱114將第二匝102連接至第三匝103，同時第五柱115將第三匝103連接至第四匝104。在某些實施方式中，柱113、114或115中之一或多個做為用於抽頭多匝電感器120之端子。例如，柱114可作為多匝電感器120之中間抽頭。此類抽頭可連接至半導體晶粒之接腳，以幫助實現利用被抽頭電感器之可調諧濾波器拓撲。
圖3B根據另一實施例為多匝電感器130之透視圖。多匝電感器130包含第一匝101'、第二匝102'、第三匝103'、第四匝104'、第一柱111'、第二柱112'、第三柱113'、第四柱114'及第五柱115'。
多匝電感器130圖示可在次級電路板中形成的電感器結構之另一實施例。然而，本文教示適用於以其他方式實現的電感器結構。
圖3B之多匝電感器130類似於圖3A之多匝電感器120，不同之處在於圖3B之多匝電感器130用更緊密匝數實現。
藉由調節匝數及/或長度，可以實現多匝電感器之期望總電感。
圖4A根據一個實施例為一對多匝電感器170之透視圖。此對多匝電感器170包含第一多匝電感器120a、第二多匝電感器120b、及複數個柱151。
此對多匝電感器170圖示可在次級電路板中形成的電感器結構之另一實施例。然而，本文教示適用於以其他方式實現的電感器結構。
在圖示實施例中，根據圖3A之多匝電感器120，各自實施第一多匝電感器120a及第二多匝電感器120b。
如圖4A圖示，柱151形成圍繞此對多匝電感器170之側面的多個壁體。在某些實施方式中，柱151為接地的。
圖4B根據另一實施例為一對多匝電感器180之透視圖。此對多匝電感器180包含第一多匝電感器120a、第二多匝電感器120b、第一複數個柱151、及第二複數個柱152。這些柱152的數目可以增加或減小，以便控制電感器120a與120b之間磁耦合的量。
此對多匝電感器180圖示可在次級電路板中形成的電感器結構之另一實施例。然而，本文教示適用於以其他方式實現的電感器結構。
圖4B之此對多匝電感器180類似於圖4A之此對多匝電感器170，不同之處在於此對多匝電感器180進一步包含在第一多匝電感器120a與第二多 匝電感器120b之間提供屏蔽的多個柱152。在某些實施方式中，柱151及柱152兩者為接地的。
圖5根據另一實施例為一對多匝電感器190之透視圖。此對多匝電感器190包含第一多匝電感器181a、第二多匝電感器181b、複數個柱182、及環183。儘管環183被描述為實心，但環不必為連續的。例如，環183可由用於電感器181a及181b之相同金屬層形成。
此對多匝電感器190圖示可在次級電路板中形成的電感器結構之另一實施例。然而，本文教示適用於以其他方式實現的電感器結構。
如圖5圖示，第一多匝電感器181a及第二多匝電感器181b由柱182圍繞，其作為沿外部周邊屏蔽電感器之側面的壁體。另外，環183併入此些壁體中以進一步增強屏蔽作用。在某些實施方式中，柱182及環183為接地的。
圖6根據一個實施例為梳型電感器結構220之透視圖。梳型電感器結構220包含第一梳型電感器201a、第二梳型電感器201b、第三梳型電感器202a、第四梳型電感器202b及接地平面204。儘管在圖6中僅示出了接地平面204之底部分，但接地平面204亦可圍繞所有四個側壁上的電感器及/或位於電感器上方。
梳型電感器結構220圖示可在次級電路板中形成的電感器結構之另一實施例。然而，本文教示適用於以其他方式實現的電感器結構。
如圖6圖示，描繪了第一端子211、第二端子212、第三端子213、第四端子214、第五端子215及第六端子216。在某些實施方式中，第一端子211、第二端子212、第三端子213及第四端子214中之每一者連接至形成於半導體晶 粒上之可控電容器，從而形成諧振結構。在某些實施方式中，第五端子215及第六端子216作為輸入/輸出端子。
圖7A為一對梳型電感器240之另一實施例的透視圖，其中省略了頂部接地平面233。圖7B為圖7A之此對梳型電感器240之透視圖，其中包含了頂部接地板233。
此對梳型電感器240包含第一梳型電感器231a、第二梳型電感器231b、及圍繞每個梳型電感器之多個柱232，從而柱232圍繞梳型電感器231a及231b兩者且在其之間充當壁。
圖8A根據一個實施例為交叉耦合電感器結構250之透視圖。交叉耦合電感器結構250包含第一梳型電感器241a、第二梳型電感器241b、第三梳型電感器241c、第四梳型電感器241d、及多個柱244。為了圖式清晰，結構上方及下方之接地平面已經從附圖省略。
交叉耦合電感器結構250圖示可在次級電路板中形成的電感器結構之另一實施例。然而，本文教示適用於以其他方式實現的電感器結構。
如圖8A圖示，由於省略了這些電感器之間的柱244，第一梳型電感器241a交叉耦合至第二梳型電感器241b。柱244作為以其他方式將電感器被屏蔽於另一電感器及一外部組件的壁體。藉由控制梳型電感器之間柱244的數目及位置，可實現期望的交叉耦合。
藉由提供交叉耦合，可提供帶止(bandstop)特徵。例如，此類帶止特徵可透過接地通孔或柱的調節從第一諧振器至最後諧振器均為磁性的。儘管描繪了具有梳型電感器之交叉耦合，但其他類型之電感器也可為交叉耦合。
圖8B為包含圖8A之交叉耦合電感器結構250的交叉耦合濾波器260之一個實施例的示意圖。交叉耦合濾波器260包含第一電感器251a、第二電感器251b、第三電感器251c、及第四電感器251d，其可使用圖8A之交叉耦合電感器結構250來實施。交叉耦合濾波器260進一步包含第一電容器252a、第二電容器252b、第三電容器252c、第四電容器252d、第五電容器252e、第六電容器252f、第七電容器252g、第八電容器252h、及第九電容器252i，其中任一者或所有可為可控的。
圖8C為圖8B之交叉耦合濾波器260的增益與頻率關係圖的一個實例。此圖描繪了恆定3dB帶寬及提供帶止響應之交叉耦合的示例效能。
圖9A根據一個實施例為雙模式濾波器280之一個實施例的透視圖。圖9A之雙模式濾波器280類似於圖6之梳型電感器結構220，不同之處在於雙模式濾波器280進一步包含如圖所示連接的第一可控電容器271、第二可控電容器272、第三可控電容器273、及第四可控電容器274。所描繪之可控電容器在半導體晶粒上形成(現在圖9A中示出)。
圖9B為圖9A之雙模式濾波器280之增益與頻率關係圖的一個實例。
參考圖9A及圖9B，圖示實例利用具有多於一種諧振模式的複雜諧振器。添加的諧振模式允許可調帶止響應(例如，陷波(notch))。此類可調陷波亦允許更尖銳的帶止響應，而不會對帶通***損耗產生顯著影響。在某些實施方式中，諧振模式包含至少一個差動或奇數模式諧振及至少一個共模或偶數模式諧振。
圖10A根據一個實施例為可調諧濾波器910之示意圖。可調諧濾波器210包含電連接在輸入端子(IN)與輸出端子(OUT)之間的串聯電感器901A、901B……901N及並聯電容器902A、902B……902N，如圖所示。可以包含任意數目的電感器及/或電容器，並且可以控制組件之任意組合。
控制電路(在圖10A中未示出)可調節可控組件之分量值以實現調諧。
圖10B根據另一實施例為可調諧濾波器920之示意圖。可調諧濾波器920包含電連接在輸入(IN)與輸出(OUT)之間的串聯電容器911A、911B……911N及並聯電感器912A、912B……912N，如圖所示。可以包含任意數目的電感器及/或電容器，並且可以控制組件之任意組合。
控制電路(在圖10B中未示出)可調節可控組件之分量值以實現調諧。
在一個實施例中，圖10B之可調諧濾波器920與圖10A之可調諧濾波器910串接佈置(以任一順序或序列)，以提供可調諧帶通濾波器。
在某些實施方式中，可調諧濾波器，諸如圖10A之可調諧濾波器910或圖10B之可調諧濾波器920，用低阻抗實施以在存在AC電壓擺動之情況下增大線性效能。
圖11根據本文教示為可包含一或多個可調諧濾波器之RF通信系統1010的一個實例的示意圖。
儘管，RF通信系統1010圖示電子系統可包含本文描述之一或多個可調諧濾波器的一個實例，但可調諧濾波器亦可在電子系統之其他配置中使用。
此外，儘管圖11中圖示了組件之特定配置，但RF通信系統1010可以各種方式調適及變更。例如，RF通信系統1010可包含更多或更少接收路徑及/或傳輸路徑。另外，RF通信系統1010可經變更以包含更多或更少組件及/或組件之不同佈置，包含例如RF切換電路、放大器及/或濾波器之不同佈置。
在圖示配置中，RF通信系統1010包含基帶處理器1001、I/Q調製器1002、I/Q解調器1003、第一可調諧濾波器1005A、功率放大器1006、傳輸/接收(T/R)開關1007、低雜訊放大器(low noise amplifier，LNA)1008、天線1009、第二可調諧濾波器1005B及第三可調諧濾波器1005C。儘管第一至第三可調諧濾波器1005A-1005C為可調諧濾波器之示例用途，但RF通信系統1010之傳輸及/或接收路徑中可調諧濾波器之其他放置也為可能的。
如圖11圖示，基帶處理器1001產生提供給I/Q調製器1002之同相(I)傳輸訊號及正交相位(Q)傳輸訊號。另外地，基帶處理器1001從I/Q解調器1003接收I接收訊號及Q接收訊號。I及Q傳輸訊號對應於特定振幅、頻率、及相位之一傳輸訊號的訊號分量。例如，I傳輸訊號及Q傳輸訊號分別表示同相正弦分量及正交相位正弦分量，並且可為傳輸訊號之等效表示。另外地，I及Q接收訊號對應於特定振幅、頻率、及相位之接收訊號的訊號分量。
在某些實施方式中，I傳輸訊號、Q傳輸訊號、I接收訊號及Q接收訊號為數位訊號。另外地，基帶處理器1001可包含用於處理數位訊號之數位訊號處理器、微處理器、或上述組合。
I/Q調製器1002從基帶處理器1001接收I及Q傳輸訊號並對其進行處理，以產生調製RF訊號。在某些配置中，I/Q調製器1002可以包含配置以將I及Q傳輸訊號轉換成類比格式的DAC、用於將I及Q傳輸訊號上轉換為 射頻的混頻器，以及用於將上轉換後的I及Q訊號組合成調製RF訊號的訊號組合器。
第一可調諧濾波器1005A從I/Q調製器1002接收調製後的RF訊號，並將過濾後的RF訊號提供給功率放大器1006之輸入。在某些配置中，第一可調諧濾波器1005A可實施配置以提供帶濾波之帶通濾波器，其中，帶通之下限及上限截止頻率基於第一可調諧濾波器1005A所接收到的輸入控制訊號可調諧。在一些實施方式中，第一可調諧濾波器1005A亦可經配置以基於輸入控制訊號，實施低通濾波器、帶通濾波器、陷波濾波器、高通濾波器、或上述組合。因而，可以使用應用至第一可調諧濾波器1005A之輸入控制訊號，調節藉由第一可調諧濾波器1005A過濾之特定頻率組。
功率放大器1006可放大過濾後的RF訊號以產生放大的RF訊號，其提供給傳輸/接收開關1007。傳輸/接收開關1007進一步電連接至第二可調諧濾波器1005B及低雜訊放大器1008之輸入。第二可調諧濾波器1005B連接至天線1009。因而，在此實例中，功率放大器1006藉由傳輸/接收開關1007及第二可調諧濾波器1005B提供放大RF訊號至天線1009。然而，其他實施方式為可能的，諸如其中省略第二可調諧濾波器1005B的配置。
在某些配置中，第二可調諧濾波器1005B可經配置以與第一可調諧濾波器1005A類似地操作，例如，基於第二可調諧濾波器1005B處接收的控制輸入訊號，藉由選擇性地實施帶通濾波器、低通濾波器、陷波濾波器、高通濾波器、或上述組合。因而，可以使用應用至第二可調諧濾波器1005B之一輸入控制訊號，調節藉由第二可調諧濾波器1005B過濾之特定頻率組。
傳輸/接收開關1007可用於選擇性地將天線1009(經由第二可調諧濾波器1005B)連接至功率放大器1006之輸出或低雜訊放大器1008之輸入。在某些實施方式中，傳輸/接收開關1007可提供許多其他功能，包含但不限於頻帶切換及/或不同功率模式之間的切換。
LNA 1008從傳輸/接收開關1007接收天線接收訊號，並產生提供至第四可調諧濾波器1005C的放大天線接收訊號，第三可調諧濾波器經配置以過濾接收訊號並將所過濾之接收訊號提供至I/Q解調器1003。
在某些配置中，第三可調諧濾波器1005C可經配置以與第一可調諧濾波器1005A類似地操作，例如，基於第三可調諧濾波器1005C處接收的輸入訊號，藉由選擇性地實施帶通濾波器、低通濾波器、陷波濾波器、高通濾波器、或上述組合。
此I/Q解調器1003可用於產生I接收訊號及Q接收訊號，如上文描述。在某些配置中，I/Q解調器1003可包含一對混頻器，用於衰減接收訊號與約90度異相之一對時脈訊號的混合。另外地，混頻器可產生下轉換訊號，其可提供給用於產生I及Q接收訊號之ADC。
圖12根據一個實施例為可控電容器1140之示意圖。可控電容器1140包含第一組場效電晶體(FET)1101a、1101b……1101n、第二組FET 1102a、1102b……1102n、第一組電容器1103a、1103b……1103n、第二組電容器1104a、1104b……1104n、控制電路1105、第一組閘極電阻器1111a、1111b……1111n、及第二組閘極電阻器1112a、1112b……1112n。
可控電容器1140圖示一可控電容器之一個實施例，此可控電容器可包含在半導體晶粒上並在可調諧濾波器中使用。然而，本文教示適用於可 控電容器之其他實施方式。此外，儘管描繪了一個可控電容器，但在半導體晶粒上可包含多個可控電容器。
對半導體晶粒實施可控電容器可提供許多優勢，諸如低等效串聯電阻(ESR)、小尺寸、低成本及/或低電抗。
在圖示實施例中，可控電路1140使用在第一RF端子RF1與第二RF端子RF2之間並聯的多個電路支路來實施，其在某些實施方式中連接至半導體晶粒之接腳。另外地，在此實施例中，每條電路支路包含一對FET與一對電容器之一串聯組合。例如，圖12之最左支路包含FET 1101a、電容器1103a、電容器1104a、及FET 1102a之串聯組合。
在某些實施方式中，可控電容器用多指陣列饋電(例如，至端子RF1及/或RF2之饋電及/或至單獨支路之餽電)實現，以幫助提供具有低ESR的低電抗電容器。
如圖12圖示，控制電路1105基於從介面1108接收到的資料而選擇性地賦能任意期望數目的支路，此介面1108對應於半導體晶粒之任意介面，包含但不限於串列介面或匯流排。藉由賦能期望數目之支路，控制在第一RF端子RF1與第二RF端子RF2之間存在的電容量。
控制電路1105藉由在彼支路中打開或關閉FET來選擇特定支路。如圖12圖示，控制電路1105透過提供隔離之閘極電阻器將控制訊號提供至每條支路。儘管圖示了每條支路具有兩個FET之實例，但可包含更多或更少FET以實現期望功率處理能力。FET可以各種方式實施，包含但不限於金屬氧化物半導體FET(MOSFET)，諸如使用絕緣體上矽(silicon-on-insulator，SOI)製程製造的彼等。
在某些實施方式中，當存在多個可控電容器時使用共用控制電路。另外地，控制電路可使用單個控制或使用聯合(公共)調諧來控制多個可控電容器。
在圖示實施例中，每條支路包含一對電容器。藉由包含串聯之多個電容器，相對於每條支路中具有單個電容器之實施方式，可實現增強的線性及/或更小的電容步長。儘管圖示了每條支路具有兩個電容器之實例，但可包含更多或更少電容器。電容器可以各種方式實施，包含但不限於金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器。
每條支路中FET及電容器可具有任何期望大小。在某些實施方式中，每條支路中電容器根據期望加權方案來加權。藉由對電容器進行加權，相對於每條支路具有固定權重之實施方式，可實現更廣的電容調諧範圍。電容器大小可基於實施方式進行加權或不加權。
在圖示實施例中，控制電路1105包含儲存查找表(look-up table，LUT)1107之記憶體1106。記憶體1106可用於儲存可控電容器1140之電容設定，從而允許濾波器狀態之間的快速切換。例如，LUT 1107可用於將電容設定(例如，選擇哪個支路組合)與期望輸入頻率映射。在某些實施方式中，介面1108用於寫入記憶體1105及/或用於使用者指示可調諧濾波器之期望中心頻率範圍及/或帶寬。
圖13根據一個實施例為半導體晶粒1150之示意圖。半導體晶粒1150包含各種可控電容器，包含FET及電容器組1141(其可例如使用圖12之配置來實施)、PIN二極體及電容器組1142、二極體變容器1143、微型機電系 統(microelectromechanical system，MEMS)電容器1144、及鈦酸鍶鋇(barium strontium titanate，BST)電容器1145。
儘管示出了可控電容器之五個實例，但本文教示適用於廣泛的可控電容器。特別地，可根據本文中可調諧濾波器使用任何適當的可控電容器。
應用
採用上述方案之裝置可以實現為各種電子裝置。電子裝置之實例包含但不限於RF通信系統、消費電子產品、電子測試設備、通信基礎設施等。例如，可調諧濾波器可用於廣泛的RF通信系統，包含但不限於基站、移動裝置、測量儀器、工業電子產品、軍用電子產品、膝上電腦、平板、專業寬頻數位無線電以及緊湊型及/或可擕式儀器。本文教示適用於在廣泛頻率及頻帶上操作的RF通信系統，包含使用分時雙工(TDD)及/或分頻雙工(FDD)之彼等。
結論
前述描述可指「連接」或「耦合」在一起之元件或特徵。如本文所用，除非另有明確說明，「連接」是指一個元件/特徵直接或間接連接到另一元件/特徵，並且不一定為機械連接。同樣地，除非另有明確說明，「耦合」是指一個元件/特徵直接或間接耦合至另一元件/特徵，並且不一定為機械耦合。因此，儘管圖式中所示的各種示意圖描繪了元件及組件的示例佈置，但在實際實施例中可能存在額外的中間元件、裝置、特徵或組件(假設所描繪電路之功能性沒有受到不利影響)。
儘管本發明已經根據某些實施例進行了描述，但對熟習本領域者而言顯而易見之其他實施例，包含提供此處闡述之部分特徵及優勢的實施例，也落在本發明之範疇內。此外，上述各種實施例可組合以提供進一步實施例。 另外，在一個實施例之上下文中示出之某些特徵也可以被結合到其他實施例中。因此，本發明之範疇僅參考隨附申請專利範圍來界定。
1:半導體晶粒
2:載波電路板
3:次級電路板
4a:第一側
4b:第二側
5a:可控電容器
5b:可控電容器
5n:可控電容器
6a:積體電感器(被屏蔽的積體電感器)
6b:積體電感器(被屏蔽的積體電感器)
6n:積體電感器(被屏蔽的積體電感器)
10:可調諧濾波器

Claims (20)

  1. 一種具有可調諧濾波之射頻(radio frequency，RF)系統，該RF系統包括：一半導體晶粒，包含在該半導體晶粒上形成的一第一可控電容器；以及一第一電路板，經配置以附接至一第二電路板，其中，該第一電路板包含在該第一電路板中由該第一電路板之一金屬化所形成的一第一電感器結構，該第一電感器結構經配置以與該第一可控電容器諧振以提供一可調諧濾波器，其中，該第一電感器結構藉由一電感器屏蔽結構而被屏蔽於該半導體晶粒，該電感器屏蔽結構至少部分地由該第一電路板之該金屬化而形成。
  2. 如請求項1之RF系統，其中，該第一電感器結構之每個側面藉由該電感器屏蔽結構而被屏蔽。
  3. 如請求項1之RF系統，進一步包括該第二電路板。
  4. 如請求項3之RF系統，其中，該電感器屏蔽結構之一第一部分形成於該第一電路板上，以及該電感器屏蔽結構之一第二部分形成於該第二電路板上。
  5. 如請求項3之RF系統，其中，該半導體晶粒附接至該第二電路板之一第一側，以及該第一電路板附接至該第二電路板與該第一側相對的一第二側。
  6. 如請求項5之RF系統，進一步包括一RF遮罩，該RF遮罩位於該第二電路板之該第一側上並將該半導體晶粒封閉在一腔體中。
  7. 如請求項3之RF系統，其中，該半導體晶粒附接至該第一電路板之一第一側，以及該第二電路板附接至該第一電路板與該第一側相對的一第二側。
  8. 如請求項1之RF系統，其中，該半導體晶粒進一步包含一第二可控電容器，以及該第一電路板進一步包含在該第一電路板中由該第一電路板之該金屬化所形成的一第二電感器結構，其中，該第二可控電容器及該第二電感器結構在該可調諧濾波器中運作。
  9. 如請求項8之RF系統，其中，該電感器屏蔽結構包含***在該第一電感器結構與該第二電感器結構之間的一部分。
  10. 如請求項8之RF系統，其中，該第一電感器結構及該第二電感器結構在該電感器屏蔽結構內電磁耦合，並且其中，該可調諧濾波器對應於一雙模式濾波器或一耦合濾波器。
  11. 如請求項1之RF系統，其中，該第一電感器結構對應於一多匝電感器或一梳型電感器。
  12. 如請求項1之RF系統，其中，該第一可控電容器包含在一第一RF端子與一第二RF端子之間彼此並聯的複數個可選電路支路，其中，該等可選電路支路中的每一者包含至少一個場效電晶體(FET)與至少一個電容器的一串聯組合。
  13. 如請求項1之RF系統，其中，該半導體晶粒進一步包含一控制電路，該控制電路包含一記憶體，該記憶體耦合至一串列介面並經配置以儲存該第一可控電容器之設定的一表格。
  14. 如請求項1之RF系統，其中，該第一電感器結構包含連接至該半導體晶粒之一接腳的至少一個端子，以及連接至該電感器屏蔽結構的至少一個端子。
  15. 如請求項1之RF系統，其中，該第一電路板對應於一使用一單個疊層步驟(lamination step)形成的多層印刷電路板(printed circuit board，PCB)。
  16. 一種可調諧濾波之方法，該方法包括以下步驟：控制形成於一半導體晶粒上之一可控電容器的一電容；使該可控電容器與一電感器結構諧振，該電感器結構在一第一電路板中由該第一電路板之一金屬化而形成，其中，該第一電路板附接至一第二電路板；以及藉由使用至少部分地由該第一電路板之該金屬化形成的一電感器屏蔽結構，使該電感器結構被屏蔽於該半導體晶粒。
  17. 如請求項16之可調諧濾波之方法，其中，使該電感器結構被屏蔽之步驟包括以該電感器屏蔽結構屏蔽該電感器結構之每個側面。
  18. 如請求項16之可調諧濾波之方法，其中，使該電感器結構被屏蔽之步驟包括使用形成於該第一電路板上的該電感器屏蔽結構之一第一部分，及使用形成於該第二電路板上的該電感器屏蔽結構之一第二部分，屏蔽該電感器結構。
  19. 一種可調諧濾波器，包括：一可控電容器，形成於一半導體晶粒上；一電感器結構，在一第一電路板中由該第一電路板之一金屬化而形成，該第一電路板經配置以附接至一第二電路板，其中，該電感器結構與該可控電容器諧振；以及一電感器屏蔽結構，至少部分地由該第一電路板之該金屬化形成並將該電感器結構封閉在一腔體中。
  20. 如請求項19之可調諧濾波器，進一步包括該第二電路板，其中，該電感器屏蔽結構之一第一部分形成於該第一電路板上，以及該電感器屏蔽結構之一第二部分形成於該第二電路板上。
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