用于表面安装用途的毫米波滤波器的制作方法

专利名称：用于表面安装用途的毫米波滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及毫米波滤波器，更具体地，本发明涉及例如平行耦合的线路滤波器(line filter)的毫米波滤波器。
背景技术：
藉助对本技术领域的那些熟练人员已知的技术、使用薄膜工艺通常已设计和制造了高性能毫米波(MMW)滤波器。使用薄膜工艺的任何制造技术要求紧密的设计容限实现在各种毫米波频率下的一所需的滤波器响应。这些容限包括有关材料厚度、表面粗糙度、介电常数、金属化厚度以及传送线宽度和间距的必需的和关键的尺寸。
在这些现有技术薄膜滤波器设计中，滤波器长度和滤波器宽度通常因为波长变化而以频带的一函数而变化。在滤波器长度中的任何变化都难于设计跨越多个频率的一共用的射频组件方案。因为这些高频的薄膜工艺，滤波器是昂贵的，通常单独地制造它们，然后作为一无屏蔽的半导体小硅片附连于一载体板或用环氧树脂或焊料直接附连于一壳体。
当毫米波生产紧密地向实现高容量表面安装制造技术靠拢时，需要有能用在高频的低成本表面安装滤波器。如果利用一层或多层厚膜、带有相关联的低制造容限的低温共焙烧(co-fired)陶瓷工艺(LTCC)能够制造低成本、高性能毫米波滤波器将是有利的。使用这工艺的任何毫米波滤波器将必须在小空间内实现高“Q”滤波器。微带和条带接口方法(microstrip and stripline interface method)是可行的方法。使用这些低温共焙烧的陶瓷材料制造的任何滤波器应该被钝化(desensitized)到与薄膜工艺相关联的传统的临界容限和补偿任何带宽和由与厚膜工艺相关联的较宽容限所引起的回波损耗(return loss)下降。优点是将可以薄膜滤波器的成本的一部分制出一滤波器。
发明概要本发明有利地提供用低温共焙烧的陶瓷厚薄工艺提供一高性能毫米波滤波器。它通过在一多层低温共焙烧的陶瓷薄膜中垂直堆叠诸谐振器(resonator)在一小空间内实现高“Q”滤波器。这些谐振器能够形成诸平行耦合的线路滤波器，包括一发夹式滤波器(hairpin filter)。利用诸微带和条带接口连接在诸低温共焙烧的陶瓷中堆叠诸滤波器，使该结构被作为标准的表面安装单元。诸滤波器被钝化至与薄膜工艺相关联的传统的临界容限，并补偿带宽和由与厚膜工艺相关联的较宽容限所引起的回波损耗下降。能够以薄膜滤波器的成本的一部分将这些类型的滤波器制造成为高性能。此外，这些滤波器，包括发夹式滤波器，能够消除对于频率的滤波器尺寸变化和缩小滤波器尺寸百分之五十。
按照本发明的一个方面，关于表面安装用途的毫米波滤波器包括具有相对表面的一绝缘基片。一磨平层形成在绝缘基片的一表面上。至少一低温共焙烧的陶瓷层位于磨平层之上和形成一外滤波器表面。多个耦合的线路毫米波长谐振器(linemillimeter wavelength resonator)，例如诸平行耦合的谐振器，包括发夹式谐振器，形成为条带或微带，以及位于外滤波器表面上。
诸射频接线端触点位于绝缘基片的、与至少一低温共焙烧的陶瓷层相对的表面上。诸导电通路延伸通过至少一低温共焙烧的陶瓷层、磨平层和绝缘基片，以及各自互连射频接线端触点和至少一耦合的线路谐振器。
在本发明的另一方面中，一下方磨平层位于绝缘基片的、与磨平层和陶瓷层相对的表面上，以及与射频接线端触点分开。许多绝缘路径延伸通过低温共焙烧的陶瓷层和绝缘基片和结合下方磨平层。
在本发明的又一方面中，许多低温共焙烧的陶瓷层和插入的诸磨平层形成一多层低温共焙烧的陶瓷基板。许多毫米波长条带谐振器形成在外滤波器表面与绝缘基片之间和被诸插入的磨平层(ground plane layer)分开的诸陶瓷层上。在一非限制的例子中，这些谐振器是诸发夹式谐振器。诸导电通路互连形成在诸陶瓷层上的诸谐振器和外滤波器表面。谐振器能够形成两极发夹式滤波器和可以是约四分之一波长长度。一绝缘盖子位于外滤波器表面之上和具有一金属化内表面，金属化内表面与诸发夹式谐振器分开，用于产生一预定的切断频率(cutoff frequency)。这绝缘的盖子离开形成在上滤波器表面上的诸谐振器约15至约25密耳距离。形成在外滤波器表面上的诸谐振器可以形成为微带。
在本发明的再一方面中，绝缘基片由一陶瓷材料形成，例如氧化铝，它约为10至35密耳厚。
附图简述在参阅附图、阅读以下本发明的详细叙述后本发明的其它目的、特征和优点将变得很明显，在附图中

图1A和1B分别示出了以24千兆赫工作的典型的薄膜三极带通平行耦合的线路滤波器(thin film three-pole bandpass parallel-coupled line filter)，以及示出了正比于射频波长变化的滤波器的长度差异。
图2A和2B示出了作为与LTCC工艺相关联的间距的一例子的、由厚膜低温共焙烧的陶瓷材料(LTCC)制造的三极滤波器。
图3是示出用于本发明的一示例性的低温共焙烧的陶瓷三极过滤响应的一滤波器响应的一曲线图。
图4是能用于一表面安装单元结构中的本发明的一LTCC滤波器的断开的平面图。
图5是图4中所示的滤波器的断开的剖视图，该滤波器由一示例性的铝载体片、一层低温共焙烧的陶瓷带和一磨平层形成。
图6是图4中所示的滤波器的一不完全的底部平面图。
图7是通过在不同的LTCC层中串联三个两极滤波器所产生的一多层六极滤波器的一断开的平面图。
图8是图7中所示的滤波器的和定位在诸堆叠层中的低温共焙烧的陶瓷材料的断开的剖视图。
图9是图7中所示的滤波器的一不完全的底部平面图。
最佳实施例的详细说明以下将参照附图较详细地叙述本发明，在附图中示出了本发明的较佳实施例。但是，可以按许多不同形式体现本发明和不应该认为本发明被限制于在此所提出的实施例。反之，提供这些实施例，从而对本技术领域的那些熟练人员来说，这些揭示内容将是详尽的和完全的和将完全复盖本发明的范围。在全部中附图相同的标号表示相同的部分。
本发明是优越的和提供了在传统的高频毫米波滤波器方面的改进，传统的该滤波器是采用要求紧密设计容限、在毫米波频率下实现一所需的过滤响应的薄膜工艺制造的。本发明允许低成本、高性能、包括一所需的平行耦合的线路滤波器的毫米波滤波器的生产，该线路滤波器包括一发夹式滤波器，该发夹式滤波器使用允许较松的容限的传统的厚膜低温共焙烧的陶瓷工艺设计和制造。这优越于有紧密的容限的现有技术薄膜工艺，该紧密的容限包括关于材料厚度、表面粗糙度、介电常数、金属化厚度和传送线宽度和间距的容限。本发明允许使用低温共焙烧的陶瓷工艺的发夹式的和类似的平行耦合线路滤波器生产。本发明被钝化到与现有技术的薄膜工艺相关联的传统的临界容限和为了易于装配和试验能够易于被装配在小型表面安装单元内。
本发明使用标准的低温共焙烧的陶瓷厚膜工艺实现了高性能毫米波滤波器和通过在一多层、低温共焙烧的陶瓷薄膜中垂直堆叠诸谐振器在一小空间内实现了高“Q”滤波器。微带和条带接口电路和相关联的制造方法是优越的和被使用于在低温共焙烧的陶瓷诸层中堆叠诸滤波器，用作为标准的表面安装单元。毫米波滤波器能够被设计和制造以及钝化至传统的情况。这些临界容限与较普通的薄膜工艺相关联。能够补偿带宽和回波损耗下降。能够以薄膜滤波器的成本的一部分获得这些高性能低温共焙烧的陶瓷薄膜。任何滤波器设计，例如非限制的发夹式滤波器，能够消除对于频率的滤波器尺寸变化和缩小滤波器尺寸的百分之五十。
图1A和1B示出了制造成为在那些相应频率下工作的传统的薄膜三极带通、平行耦合线路滤波器的相应的28千兆赫和38千兆赫带通滤波器10、12。滤波器长度差异正比于射频波长变化。如本技术领域中那些熟练人员所已知的那样，为了实现较宽的带宽，这些形式的薄膜滤波器要求大电容值和要求在诸谐振器之间的极小的、约一密耳的一间隙，如图1A和1B中尺寸“Y”所示。因为与薄膜材料和加工相关联的高成本，这些滤波器的制造是很花钱的。图1B中标明为“X”的尺寸如在该薄膜滤波器例子中所述那样为0.001英寸(一密耳)间距。
图2A和2B示出了为本发明的非限制的例子，三极发夹式滤波器14、16用于相应的28千兆赫和38千兆赫带通滤波器，并带有与现有技术尺寸“X”相比较的有代表性的谐振器间距尺寸“Y”，示出了由于用厚膜低温共焙烧的陶瓷材料制造而产生在关于本发明的滤波器设计中的差异。虽然示出和叙述了发夹式滤波器，但是本发明可应用于采用低温共焙烧的陶瓷材料的垂直堆叠的大多数平行耦合线路滤波器。如图所示，间距“Y”不像在图1A和1B中所示的较传统的薄膜带通滤波器中尺寸“X”那样窄。如图2A和2B所示，低温共焙烧的陶瓷带通滤波器中的间距约0.003英寸(3密耳)，可与用于薄膜工艺的0.001英寸(1密耳)比较。因为本发明能够采用诸谐振器的低成本丝网印刷，与使用薄膜工艺实现1密耳容隙的金属蚀刻的高成本形成对比，所以在诸谐振器之间的较宽的间距的能力(3密耳对1密耳)是优越的。在某些加工中，3密耳间距约为丝网印刷能力的极限。
发夹式带通滤波器使用诸电容耦合谐振器，类似于广泛使用的平行耦合线路带通滤波器(BPF)。如本技术领域那些熟练人员所知的，使用两种发夹式滤波器(1)耦合线路输入滤波器，如主要使用于窄带应用之中；以及(2)分接的输入发夹式滤波器，如主要使用于宽带应用之中。一发夹式滤波器能够被看成在自身上向后折叠的一平行耦合线路滤波器，如本技术领域的那些熟练人员已知的那样。当折叠平行耦合的线路时，结果是因为形成发夹弯曲的线路之间的附加的耦合，从而对于相同等级的滤波器有较大数量的耦合的线路。
在厚膜低温共焙烧的陶瓷材料中的这些滤波器的设计中必须确定和说明的某些关键参数包括单元或谐振器的数量、所要求的带外排出、基体介质、材料高度、金属化厚度、损耗角正切和金属损耗系数。在获得该设计中的一步骤是将低通原型值转换成为偶数和奇数模式阻抗，然后将相应的阻抗转换成关于线路宽度和微带的间隙的实际尺寸。
使用低温共焙烧的陶瓷材料设计和制造的任何滤波器，例如发夹式滤波器能够制造成为由较传统的方法制造的平行耦合线路滤波器的尺寸的一半。一个三极滤波器能够制造成小于100密耳×100密耳的面积。对于全部频率任何滤波器能够具有相同的长度和没有如使用薄膜工艺设计和制造的滤波器中的紧密的容限。由与厚膜工艺加工相关联的较宽的容限所产生的任何所期待的性能下降被滤波器的增加的内阻抗和线路宽度和诸谐振器的间隙的变化所补偿。
在设计频率下，在滤波器中耦合的诸线路段，如在该一个非限制的示例的发夹式滤波器中所示的，是四分之一波长。这类滤波器较常规的滤波器采取多次进行合成和通常要求先进的射频设计软件。如以上所指出的，能够在厚膜低温共焙烧的陶瓷材料上设计和制造这些滤波器，并在毫米波频率下带有极佳性能。
图3示了了关于带有3％带宽的一28千兆赫滤波器的一滤波器响应曲线和在垂直轴线上示出了关于在28千兆赫可工作的一低温共焙烧的陶瓷带通滤波器的插入损失(insertion loss)(分贝)和回波损耗(分贝)。一开始数字(start figure)被示出在22千兆赫处和一停止数字(stop figure)被示出在32千兆赫处，示出了低温共焙烧的陶瓷三极滤波器的响应曲线。
现在参阅图4-6，示出了利用通过使用厚膜、低温共焙烧的陶瓷材料产生用作一表面安装单元结构的发夹式滤波器的本发明的方法生产的基本发夹式滤波器结构。当然，本发明不局限于发夹式滤波器，而是可应用于其它平行耦合线路滤波器。叙述将参考所示出、非限制性的发夹式滤波器的例子进行。图4示出了如图2A和2B所示的一示例性的发夹式滤波器，以及形成为带有诸单个发夹式谐振器22的一个两极滤波器20。在这具体实施例中用约25密耳厚的一铝载体片24制造该滤波器，在一非限制性例子中，它起到具有相对表面的一绝缘基片的作用。一磨平层26形成在绝缘基片24的一表面上。一低温共焙烧的陶瓷层28位于磨平层26上和形成一外滤波器表面30。在所示实施例中由一层低温共焙烧的陶瓷带28形成这低温共焙烧的陶瓷层28，该带还能是形成为未加工带子的低温传送带(LTTT)。它被形成为约5至约7密耳，用一磨平层分开绝缘基片和未加工带层(green tapelayer)。
多个耦合的线路毫米波长发夹式谐波器22被形成为条带或微带以及定位在外滤波器表面30上。射频接线端触点32定位在绝缘基片的与未加工带形成的低温共焙烧的陶瓷层28相对的表面上。如图所示，诸导电的通路34通过低温共焙烧的陶瓷层28、磨平层26和绝缘基片、即载体片24延伸，以及各自互连射频接线端触点32和形成在外滤波器表面30上的端部定位的耦合的诸线路谐振器22a。
在本发明的一个方面中，绝缘基片形成为约10至约35密耳厚(以及在一个方面中较佳地为约25密耳厚)和由矾土形成，还已知为氧化铝，即一大家所知的陶瓷介电材料。如本技术领域的那些熟练人员所建议的，能够使用其它绝缘材料。
如图6所示，一下方磨平层35定位在绝缘基片24的、与上方定位的磨平层26和未加工带层28相对的表面上，并如由两平行形成的线路所示的、与诸射频接线端触点相绝缘。多个绝缘的路径36通过低温共焙烧的陶瓷(未加工带)层28和绝缘基片24延伸和基本结合形成下方磨平层35的平行的条带。如图4所示，绝缘的路径36对所形成的发夹式滤波器绝缘。一绝缘盖子38可以定位在外滤波器表面30之上。该盖子38具有金属化内表面40，例如由金属或类似材料形成，它与诸发夹式谐振器22分开，用于产生一预定的切断频率。这盖子38还为所形成的滤波器遮蔽外部的干扰。微带和盖子的顶部的距离为约20密耳，但是能够根据本技术领域的那些熟练人员所要求的进行改变。如果滤波器仅由条带制成，通常将不需要一盖子38。
图7-9示出了本发明的另一实施例，其许多未加工带层50形成为低温共焙烧的诸陶瓷层和定位在第一磨平层上。诸插入的磨平层52位于诸未加工带层50之间。形成为未加工带的多个低温共焙烧的陶瓷层50和诸插入的磨平层52形成了一多层低温共焙烧的陶瓷基板。多个毫米波长条带发夹式谐振器54形成在外滤波器表面30与绝缘基片(载体)24之间、被诸插入的磨平层52隔开的诸陶瓷层50上。如图所示，导电的通路57互连形成在诸陶瓷层和外滤波器表面上的发夹式谐振器56。这结构示出了一多层、六极滤波器58，它通过串联在三个不同层中三个两极滤波器产生，并带有一微带滤波器52和两个条带滤波器64，如图所示。
这些滤波器能够具有约100密耳×约100密耳的一额定尺寸和能够被制造在大的六英寸单层和多层晶片上以及用一适合的激光器切割尺寸。具有金属化内表面的铝盖38可以用导电的银环氧树脂附着至滤波器。在诸顶部滤波谐振器(top filterresonator)仅由条带制造的场合，将不要求一盖子。
显然本发明是优越的和提供了优越于现有技术的一表面安装的毫米波厚膜低温共焙烧的陶瓷滤波器。它可以用单或多层未加工带或类似的绝缘的陶瓷层、并带有适当的诸磨平层形成。
本技术领域的那些熟练的人们将会认识到对本发明可以进行具有上述说明和关联的附图中所显示的揭示内容的优点的许多修改和其它实施例。因此，应该理解本发明不局限于所提示的实施例，以及修改和实施例都被包含在所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于表面安装用途的毫米波滤波器，它包括具有相对表面的一绝缘基片；形成在绝缘基片的一表面上的一磨平层；位于磨平层上的至少一低温共焙烧陶瓷层，该层形成一外滤波器表面；形成为条带或微带的、和位于外滤波器表面上的多个耦合线路毫米波长谐振器；位于绝缘基片的、与该至少一低温共焙烧陶瓷层相对的表面上的射频接线端触点；以及通过该至少一低温共焙烧陶瓷层、磨平层和绝缘基片延伸的诸导电通路，各导电通路互连所述射频接线端触点和一耦合线路谐振器。
2.按照权利要求1的毫米波滤波器，其特征在于，还包括位于绝缘基片的、与磨平层和至少一低温共焙烧陶瓷层相对的表面上的一下方磨平层，该下方磨平层与所述射频接线端触点绝缘；以及，通过所述低温烘焙烧的陶瓷层和绝缘基片延伸并结合所述下方磨平层的多个绝缘路径。
3.按照权利要求1的毫米波滤波器，其特征在于，还包括多层低温共焙烧陶瓷层和插入的多层磨平层，从而形成一多层低温共焙烧的陶瓷基板；以及，形成在所述外滤波器表面与绝缘的基片之间的和被所述插入的诸磨平层隔开的诸陶瓷层上的许多毫米波长条带谐振器；以及，互连形成在所述诸陶瓷层上的所述诸谐振器和外滤波器表面上的诸导电通路。
4.按照权利要求3的毫米波滤波器，其特征在于诸所述谐振器形成诸两极平行耦合发夹式滤波器。
5.按照权利要求4的毫米波滤波器，其特征在于诸所述发夹式谐振器为约四分之一波长长度。
6.按照权利要求1的毫米波滤波器，其特征在于，还包括位于所述外滤波器表面上方的和具有一金属化内表面的一绝缘盖，该金属化内表面与所述诸谐振器分开，用于产生一预定的切断频率。
7.按照权利要求6的毫米波滤波器，其特征在于所述绝缘盖离开形成在外滤波器表面上的诸谐振器约15至约25密耳的距离。
8.按照权利要求6的毫米波滤波器，其特征在于形成在所述外滤波器表面上的诸所述谐振器包括形成为微带的诸谐振器。
9.按照权利要求1的毫米波滤波器，其特征在于所述绝缘基片由一陶瓷材料形成。
10.按照权利要求9的毫米波滤波器，其特征在于所述绝缘基片由氧化铝形成。
11.按照权利要求9的毫米波滤波器，其特征在于所述绝缘基片形成为约10至约35密耳厚。
12.按照权利要求1的毫米波滤波器，其特征在于所述至少一低温共焙烧陶瓷层形成为约5至约7密耳厚。
13.一种用于表面安装用途的毫米波滤波器它包括具有相对表面的一绝缘基片；形成在绝缘基片的一表面上的一磨平层；位于磨平层之上和形成一外滤波器表面的至少一低温共焙烧的陶瓷层；形成为微带的和位于外滤波器表面上的多个耦合线路毫米波长谐振器；位于绝缘基片的、与至少一低温共焙烧陶瓷层相对的表面上的诸射频接线端触点；通过至少一低温共焙烧陶瓷层、磨平层和绝缘基片延伸的诸导电通路，各通路互连所述射频接线端触点和一耦合线路谐振器；位于绝缘基片的、与低温共焙烧的陶瓷层相对的表面上的一下方磨平层，该下方磨平层与所述射频接线端触点绝缘，多个绝缘路径通过至少一所述低温共焙烧陶瓷层和绝缘基片延伸和所述下方磨平层结合；以及位于所述外滤波器表面之上和具有一金属化内表面的一绝缘盖，金属化内表面与所述毫米波诸谐振器分开，用于产生一预定的切断频率。
14.按照权利要求13的毫米波滤波器，其特征在于，还包括多层低温共焙烧陶瓷层和插入的诸磨平层，从而形成一多层低温共焙烧的陶瓷基板；以及，在所述外滤波器表面与绝缘基片之间的和被所述插入的诸磨平层隔开的诸陶瓷层上形成的多个毫米波长条带谐振器；以及，互连形成在所述诸陶瓷层上的诸谐振器和外滤波器表面上的多条导电通路。
15.按照权利要求13的毫米波滤波器，其特征在于诸所述谐振器形成诸两极发夹式滤波器。
16.按照权利要求15的毫米波滤波器，其特征在于诸所述发夹式谐振器为约四分之一波长长度。
17.按照权利要求16的一毫米波滤波器，其特征在于所述绝缘盖离开成形在外滤波器表面上的诸谐振器约15至25密耳距离。
18.一种用于表面安装用途的毫米波滤波器，它包括具有相对表面的一绝缘基片；形成在绝缘基片的一表面上的磨平层；位于绝缘基片的一表面上的、由多层低温共焙烧陶瓷层和位于该低温共焙烧陶瓷多层之间的诸磨平层形成的一多层基板，所述多层基板形成一外滤波器表面；多个形成为条带或微带的耦合线路毫米波长发夹式谐振器位于外滤波器表面上；多个形成为条带的耦合线路毫米波长发夹式谐振器位于诸所述陶瓷层上；互连形成在所述诸陶瓷层和外滤波器表面的每一个上的至少一个所述发夹式谐振器的多个导电通路；位于绝缘基片的、与多层基板相对的表面上的射频接线端触点；以及诸导电通路，它们通过多层基板和绝缘基板延伸，各导电通路互连所述射频接线端触点和至少一个耦合线路发夹式谐振器。
19.按照权利要求18的一毫米波滤波器，其特征在于在各层和外滤波器表面处的诸所述发夹式谐振器各自形成一双极发夹式滤波器。
20.按照权利要求18的毫米波滤波器，其特征在于，还包括位于绝缘基片的、相对于多层基板的表面上的和射频接线端触点分开的一下方磨平层；以及，通过所述基板和绝缘基片延伸并结合所述下方磨平层的多个绝缘路径。
21.按照权利要求18的一毫米波滤波器，其特征在于，所述毫米波长发夹式谐振器约四分之一波长长度。
22.按照权利要求18的毫米波滤波器，其特征在于，还包括位于所述外滤波器表面之上的和具有一金属化内表面的一绝缘盖，该金属化内表面与所述诸发夹式谐振器分开，用于产生一预定的断开频率。
23.按照权利要求22的毫米波滤波器，其特征在于所述绝缘盖与形成在外滤波器表面上的诸谐振器分开约15至约25密耳距离。
24.按照权利要求22的毫米波滤波器，其特征在于形成在所述外滤波器表面上的诸所述发夹式谐振器包括形成为微带的诸谐振器。
25.按照权利要求18的毫米波滤波器，其特征在于在各陶瓷层处和在所述外滤波器表面上的诸所述耦合线路发夹式谐振器各自构成一两极滤波器。
全文摘要
一种用于表面安装用途的一个毫米波滤波器包括具有相对表面的一绝缘基片。一磨平层形成在绝缘基片的一表面上。至少一低温共焙烧陶瓷层位于磨平层之上和形成一外滤波器表面。形成为条带或微带的多个耦合线路毫米波长谐振器位于外滤波器表面上。这些谐振器可以是平行耦合线路滤波器，包括发夹式谐振器。射频接线端触点位于绝缘基片的、与至少一低温共焙烧陶瓷层相对的表面上。诸导电通路通过至少一低温共焙烧陶瓷层、磨平层和绝缘基片延伸，并互连射频接线端触点和耦合的线路谐振器。
文档编号H01P1/203GK1543688SQ02816239
公开日2004年11月3日 申请日期2002年7月9日 优先权日2001年8月20日
发明者D·F·埃玛, E·菲舍尔, D F 埃玛, 岫 申请人:柴川斯股份有限公司