专利名称：使用电感-电容谐振器的薄膜带通滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带通滤波器，更具体地涉及一种薄膜带通滤波器。本发明的带通滤波器尤其适用于蓝牙2.4GHz应用场合和其它较低GHz的应用场合。根据一个实施例，此带通滤波器包括一个或多个金属层，每个金属层具有第 一区和第二区。该滤波器还包括两个或多个LC谐振器以及用来并联连接这两个或 多个LC谐振器的一个或多个耦合网络。这两个或多个LC谐振器包含在这一个或 多个金属层的第一区内，而这一个或多个耦合网络包含在这一个或多个金属层的第 二区内。
图1描绘了根据本发明一个实施例的带通滤波器的物理布局的等轴测图。带 通滤波器100包括电感-电容("LC")谐振器130和耦合网络140。如图1中所 示，采用了三个LC谐振器。然而，也可根据合需的应用场合和频率响应而采用两 个谐振器或更多的谐振器。如图1中所示，谐振器130和耦合网络140两者皆优选 被构造在两个金属层中；第一金属层200和第二金属层300。本发明不局限于具有 两个金属层的滤波器结构。也可根据某些应用场合的需要采用更多的金属层。尤其， 对于具有三个以上谐振器并因此具有更复杂的耦合网络的应用场合可采用更多的金属层oLC谐振器130包含在滤波器封装的第一区110内，而耦合网络140包含在滤 波器封装的第二区120内。此封装还可纳入输入端子150、输出端子160、以及接 地端子170和180。如图1中所示，该耦合网络的两个金属层均被构造在与其中构 造了谐振器的两个金属层的另一区分开的区内。通过使用这种布置，本发明1)使 得作为谐振器组件的电感器和电容器能具有被实现在两个金属层上的灵活性，2) 有助于避免出现会使谐振器Q值劣化的金属交越谐振器(即，来自其它非谐振器 结构的金属)，以及3)允许使用附加的电感器(例如图1中的L51和L52)来调 节滤波器的带外抑制性能而不会显著地降低谐振器的性能。在图1到3中所示的滤波器布局图中，Ll和Cl形成第一谐振器130， L2和 C2形成第二谐振器130，而L3和C3形成第三谐振器130。 C51和L51是第一与 第二谐振器之间的互连(耦合)电路。C52和L52是第二与第三谐振器之间的互连 (耦合)电路。C4和L4是滤波器输入150端口与输出160端口之间以及第一与第 三谐振器之间的耦合电路。由C51与L51、 C52与L52、以及C4与L4形成的耦 合电路一起构成耦合网络140。这一耦合网络可以任何可能的方式布置以产生带通滤波器的理想频率响应特征。L6表示对地面170的终端电感。图1中所示的布局是要构造成具有侧壁封装的、具有lmmX0.5mm形状因数 的带通滤波器。然而，可采用任何尺寸或类型的封装。优选地，可实现如图1中所 示的三谐振结构。谐振器可构造为集总电感和电容谐振器。对于相同的电感值，线 圈式电感器比一段传输线式的电感器占据的空间要少，这是因为磁通由每匝线圈共 享并因此增大了单位面积的电感密度。图2描绘了图1中所示带通滤波器的顶层200的物理布局。图3描绘了图1 中所示带通滤波器的底层300的物理布局。应当注意，图2和图3中描绘的顶层和 底层可以颠倒和/或以另一方式布局，只要滤波器包括两个或多个LC谐振器以及 用于并联连接这两个或多个LC谐振器的一个或多个耦合网络、并且这两个或多个 LC谐振器包含在这一个或多个金属层的第一区内而这一个或多个耦合网络包含在 这一个或多个金属层的第二区内即可。如图2中所示，第一 (Ll、 Lll和Cl)谐振器、第二 (L2、 L21和C2)谐振 器、和第三(L3、 L31和C3)谐振器部分形成在区110内的顶层200里。金属区 203形成金属-绝缘体-金属(MIM)电容器Cl的顶板。金属区203 (Cl)经由金 属区205 (L11)连接于金属区207 (Ll)。金属区207 (Ll)通过通孔209连接 于电感器L1在底层300上的剩余部分。从功能上说，金属区203和205 —起形成 与由金属区203形成的电容器Cl串联的电感器Lll。该串联LC电路(即Cl和 Lll)与电感L1并联以形成LC谐振器。金属区207 (Ll)连接于金属区215 (L21)以将第一 LC谐振器(Ll、 Lll 和Cl)连接于第二 LC谐振器(L2、 L21和C2)。金属区213形成MIM电容器 C2的顶板。金属区213 (C2)经由金属区215 (L21)连接于金属区217 (L2)。 金属区217 (L2)通过通孔219连接于电感器L2在底层300上的剩余部分。从功 能上说，金属区213和215 —起形成与由金属区213形成的电感器C2串联的电感 L21。该串联LC电路(即C2和L21)与电感器L2并联以形成LC谐振器。金属区217 (L2)被连接于金属区225 (L31)以将第二 LC谐振器(L2、 L21 和C2)连接于第三LC谐振器(L3、 L31和C3)。金属区223形成MIM电容器 C3的顶板。金属区223 (C3)经由金属区225 (L31)连接于金属区227 (L3)。 金属区227 (L3)通过通孔229连接于电感器L3在底层300上的剩余部分。从功 能上说，金属区223和225 —起形成与由金属区223形成的电容器C3串联的电感 器L31。该串联LC电路(即C3和L31)与电感L3并联以形成LC谐振器。个均通过金属区247 (L6)接地270 (这里是侧壁端 接)。金属区247 (L6)连接于金属区217 (L2)，金属区217 (L2)进而通过金 属区215 (L21)连接于金属区207 (Ll)和金属区205 (L11).金属区247 (L6) 还通过金属区225 (L31)连接于金属区227 (L3)和金属区223 (C3)。耦合网络140部分包含在区120的顶层200中。金属区239既形成MIM电容 器C51的顶板又形成电感器L51。同样，金属区241既形成MIM电容器C52的顶 板又形成电感器L52。金属区239和241通过通孔233连接于耦合网络在底层300 上的剩余部分。另外，金属区243形成MIM电容器C4的顶板。该电容器通过通 孔237连接于耦合网络在底层300上的剩余部分。现在转到图3中所示的底层300，金属区350 (输入端子)连接于金属区303 (Cl)。金属区303形成MIM电容器C1的底板。金属区303连接于形成MIM电 容器C51的底板的金属区339。注意，金属区303 (Cl)位于第一区110中(由于 它是谐振器的一部分)而金属区339 (C51)位于第二区中(由于它是耦合网络的 一部分)。金属区339 (C51)还连接于金属区307，金属区307形成电感器Ll在 底层300中的另一部分。电感器L1的这一部分通过通孔209连接于该电感在顶层 中的剩余部分。金属区313形成MIM电容器C2的底板。金属区313连接于金属区390，金 属区390进而通过通孔233将第二谐振器(即L2、L21和C2)连接于耦合网络140。 注意，金属区313 (C2)位于第一区110中(由于它是谐振器的一部分)而金属区 390位于第二区中(由于它是耦合网络的一部分)。金属区390还连接于金属区317， 金属区317形成电感器L2在底层300中的另一部分。电感器L2的这一部分通过 通孔219连接于该电感器在顶层中的剩余部分。金属区323形成MIM电容器C3的底板。金属区323连接于形成MIM电容 器C52的底板的金属区341。注意金属区323 (C3)位于第一区110中(由于它是 谐振器的一部分)而金属区341 (C52)位于第二区中(由于它是耦合网络的一部 分)。金属区341 (C52)还连接于金属区327，金属区327形成电感器L3在底层 300中的另一部分。电感器L3的这一部分通过通孔229连接于该电感器在顶层中 的剩余部分。金属区327 (L3)还连接于金属区360 (输出端口)。现在转到耦合网络140包含在区120中的剩余部分，金属区339 (C51)连接 于金属区346，金属区346形成MIM电容器C4的底板以及电感器L4的一部分。 金属区341 (C52)连接于金属区345 (形成电感器L4的另一部分)。金属区34510则通过通孔237连接于耦合网络的剩余部分，具体而言是金属区243 (电容器C4 的顶板)。如图1到3中所示，谐振器电容(即Cl、 C2和C3)已被定位在与之相连的 电感器(即分别为Ll、 L2和L3)的自然绕制方向上。在这种情形中，自然绕制 方向被定义为信号流从顶层去往底层的方向。因而，对于第一谐振器(Ll、 Lll 和Cl)，信号将从金属区203以逆时针方式通过金属区205和207,通过通孔209， 并且继续在逆时针方向上通过金属区307。如在图2和图3中可见，金属区203和 303 (电容器Cl的极板)沿与逆时针线圈相同的方向被置于该线圈的始端和末端 处。这种布置起到节省空间并提高谐振器Q值的作用。另外，图l和图3中所示的本发明的另一方面是，所使用的这两个或多个LC 谐振器中的每一个均具有相同的绕制方向。这允许在任何两个相邻的电感器或电容 器之间有等间距并因此在任何两个相邻的电感器之间产生相近量的互耦。这有助于 产生平衡的和均一的滤波器结构。图4描绘了图1到图3中所示的带通滤波器的示意图。第一 LC谐振器431 包括与含电容器403 (Cl)和电感器405 (L11)的LC串联电路并联的电感器407 (Ll) 。 LC谐振器431通过电感器447 (L6)连接于地470。 LC谐振器431还连 接于输入端口 450。另外，LC谐振器431通过包括电容器439 (C51)和电感器440 (L51)的LC串联电路连接于LC谐振器433。第二 LC谐振器433包括与含电容器413 (C2)和电感器415 (L21)的LC 串联电路并联的电感器417 (L2) 。 LC谐振器433通过电感器447 (L6)连接于 地470。如上所述，LC谐振器433通过含电容器439 (C51)和电感器440 (L51) 的LC串联电路连接于LC谐振器431 。另外，LC谐振器433通过含电容器441 (C52) 和电感器442 (L52)的LC串联电路连接于LC谐振器434。第三LC谐振器434包括与含电容器423 (C3)和电感器425 (L31)的LC 串联电路并联的电感器427 (L3) 。 LC谐振器434通过电感器447 (L6)连接于 地470。如上所述，LC谐振器434通过含电容器441 (C52)和电感器442 (L52) 的LC串联电路连接于LC谐振器433。另外，LC谐振器434连接于输出端口 460。最后，LC谐振器431通过含电容器443 (C4)和电感器445 (L4)的LC串 联电路连接于LC谐振器434。同样，输入端口 450通过含电容器443 (C4)和电 感器445 (L4)的LC串联电路连接于输出端口 460。优选地，为了适应在2.4GHz应用场合中使用，图4中所示的电路组件大致具有下面的值Cl=1.8pFLll=0.5nHLl=l.lnHC2=l,8pFL21=0.5nHL2=l.lnHC3=l,8pFL31=0.5nHL3=0.5nHC4=0.2pFL4=0.6nHC51=0.6pFL51=0.3nHC52=0.6pFL52=0.3nHL6=0.15nH请注意这些值仅为示例性的。可将此滤波器中诸组件的值改为任何值以适合 于在任何通带范围内的应用。图5描绘了具有图1到3的布局和图4的组件值的带通滤波器的频率响应。 在这种配置中，频率响应500在将近2.3到3.0GHz之间具有通带510。频率响应 500在通带510的低侧具有两个传输零点520并在通带510的高侧具有两个传输零 点520。图5中所示的频率响应仅为示例。可通过改变LC谐振器和耦合网络的形状、 尺寸和组件值来获得不同的通带和频率响应。所需要的只是这样一种滤波器，该滤 波器包括两个或多个LC谐振器以及用于并联连接这两个或多个LC谐振器的一个 或多个耦合网络，其中这两个或多个LC谐振器包含在一个或多个层的第一区中， 而这一个或多个耦合网络包含在这一个或多个金属层的第二区中。图6和图7描绘了分别示出电感器在顶层和在底层上的带通滤波器结构的横 截面。带通滤波器结构600和700包括衬底601、第一金属层603、第二金属层605、 绝缘层607、电容器电介质层609、侧壁端接612、和钝化层613。12衬底优选地由低耗散损耗材料制成，诸如陶瓷、蓝宝石、石英、砷化镓(GaAs)、 或高阻性硅，但也可以是诸如玻璃或低阻性硅等的其它材料。第一和第二金属层优 选地由铜制成，但也可以是金、铝或具有适宜导电性质的其它材料。绝缘体优选地 由聚酰亚胺形成，但也可以是其它材料，诸如氧化硅、光阻材料、或具有适当绝缘 性质的其它材料。电容器电介质优选地由氮化硅(Si3N4)制成，但也可以是用来 制作金属-绝缘体-金属(MIM)电容器的任何类型的电介质，包括铝、二氧化硅、 氧化钽等。优选地，钝化层由氮化硅或氧化铝(A1203)制成，但也可以是适合对 电子芯片的顶部提供保护的任何材料。侧壁端接可由诸如锡、镍、铜、或镍/铜/锡 夹层等的任何适宜导体制成。侧壁端接被敷设于带通滤波器封装的各个侧面，以使 它们可直接结合于电路板上的焊盘。这允许带通滤波器在装置中占据较小的空间。金属、绝缘体和电介质层优选地采用任何常规薄膜工艺来向衬底敷设。这些 工艺的实例包括镀、化学汽相沉积、等离子体增强型化学汽相沉积、热蒸发、电子 束蒸发器、溅射、脉冲激光沉积、分子束外延生长、反应溅射、化学蚀刻和干法蚀 刻。然而，可采用任何用于形成薄膜的技术。图8A-C描绘了根据本发明一个实施 例的电感器在底层上的带通滤波器的制造方法。如前面提到的，本发明的带通滤波 器优选地采用薄膜工艺来制造。在不需要或想要非常小尺寸的情况下也可采用其它 工艺。薄膜工艺较之其它方法尤其允许通过采用光掩模和化学蚀刻来产生细致的金 属图案。相比一般只有大约几十微米图案分辨率的低温共烧陶瓷工艺(LTCC)， 薄膜工艺能达到微米级或甚至亚微米级的分辨率。现在转到图8A-C和步骤S801，第一金属层603被沉积在衬底601上。该衬 底的起始厚度取决于工艺设备可以是从0.5mm至5mm的任何厚度。优选地，成品 衬底的厚度在背面制程之后为100到500li m。金属层优选为1到20n m厚。可使 用任何薄膜技术来沉积金属，但优选地通过溅射或镀来沉积。在步骤S802中，图 案被敷设于第一金属层上并且第一金属层被蚀刻掉以形成想要的布局。接着，在步 骤S803，电容器电介质层609被溅射到衬底和第一金属层上。优选地，此电介质 层厚度在0.06到0.3 um之间。在步骤S804，将图案置于此电介质层上并且对此 层进行蚀刻以获得想要的布局。接着，在步骤S805，绝缘体607被旋涂到到基板、第一金属层、和电容器电 介质层上。优选地，此绝缘体的厚度在3到10^m之间。在步骤S806，将图案置 于绝缘体607上并且绝缘体被蚀刻掉以形成想要的布局。步骤S806还可包括固化绝缘体的工艺。接着，在步骤S807，第二金属层605被沉积在第一金属层、电容 器电介质层、和绝缘体上。第二金属层优选为l-20um厚。然后，在步骤S808， 将图案置于第二金属层605上并且第二金属层被蚀刻掉以形成想要的图案。在步骤 S809,向此滤波器添加钝化层613。钝化层613以20um到50um的优选厚度被 敷设于第二金属层605和绝缘体607之上。最后，在步骤S810，向此滤波器封装 添加侧壁端接。前述厚度范围不是绝对要求，而是仅表示制造在较低的千兆赫范围内工作的 滤波器的优选范围。对于在其它应用场合下使用可采用更大或更小的厚度。图9A-C示出与图8A-C中的方法相比除了令典型带通滤波器具有电感器在顶 层上的这一不同的图案布局外其他完全相同的制造方法。图1到3中所示的布局决不受到关于可用来形成根据本发明的带通滤波器的 金属区的形状和尺寸的限定。下面的附图示出几种可能的替换方案。例如，图IO描绘了绕制电感器在耦合网络中的带通滤波器的物理布局的等轴 测图。由于耦合网络140位于谐振器区所在区域以外的另一区域内，因此本发明提 供了改变每个区的布局以在该滤波器中获得不同频率响应的更大的灵活性。具体地 说，电感器L51和L52可实现为绕制电感器，而不是图1到图3中所示的直线电 感器。通过对电感器L51和L52使用线圈，这两个电感器的电感值就能被增大。 在频率响应的较高通带(例如图5中的5GHz到8GHz)处的带外性能就可得以提 高。图1示出LC谐振器130的电感器线圈是带圆角的矩形的带通滤波器实施例。 然而，LC谐振器130的线圈电感器可采用不同的形状。例如，图11描绘了具有矩 形电感器线圈的带通滤波器的物理布局的等轴测图。除圆角外，这些线圈可具有方 角。又如，除了如图1和图11中所示的一般对称线圈外，图13描绘了一种具有发 夹形电感器的带通滤波器的物理布局的等轴测图。其它电感形状也是可行的，包括 三角形、椭圆形、圆形或多边形。此外，本发明的带通滤波器的封装布局不限于如图1所示的形式。可以任何 方式设置输入、输出和接地端子。作为一个实例，图12描绘了输入和输出端子在 滤波器封装的较长侧上而不是如图1所示地在较短侧上的带通滤波器的物理布局 的等轴测图。同样，接地端子已被翻转至较短侧。本领域内技术人员通过考虑本文公开的说明书和实施例将理解本发明的其它 实施例。因此，说明书和实例仅为示例性的，本发明真正的范围和精神在所附权利要求书及其合法的等效方案中阐明。
权利要求
1.一种带通滤波器，包括一个或多个金属层，每个金属层具有第一区和第二区；两个或多个LC谐振器，所述两个或多个LC谐振器包含在所述一个或多个金属层的所述第一区内；以及一个或多个耦合网络，用于并联连接所述两个或多个LC谐振器，所述一个或多个耦合网络包含在所述一个或多个金属层的所述第二区内。
2. 如权利要求l所述的带通滤波器，其特征在于，包括两个薄膜金属层和三 个LC谐振器。
3. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐振 器中的每一个包括电容器和电感器，所述电容器设置于其各自在每个LC谐振器中 的电感器的自然绕制方向上。
4. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐振 器中的每一个包括电感器，并且所述两个或多个LC谐振器中的每一个电感器具有 相同的绕制方向。
5. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐振 器以及所述一个或多个耦合网络被构造在衬底的一侧上。
6. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述一个或多个耦合网络 包括微带线结构。
7. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述一个或多个耦合网络 包括线圈电感器。
8. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐振 器中的每一个包括电感器，并且所述两个或多个LC谐振器中的每个电感器为带圆 角的矩形线圈的形状。
9. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐振 器中的每一个包括电感器，并且所述两个或多个LC谐振器中的每个电感器为矩形 线圈的形状。
10. 如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一区和所述第二 区彼此不交迭。
11. 一种带通滤波器，包括一个或多个金属层，每个金属层具有第一区和第二区；两个或多个LC谐振器，所述两个或多个LC谐振器包含在所述一个或多个金 属层的所述第一区内；用于并联连接所述两个或多个LC谐振器的一个或多个耦合网络，所述一个或 多个耦合网络包含在所述一个或多个金属层的所述第二区内；输入端子和输出端子，所述输入端子和输出端子设置于包含所述带通滤波器 的封装的相对侧上；以及包括第一和第二接地电极在内的两个或多个接地电极，所述第一和第二接地 电极被设置于包含所述带通滤波器的所述封装的相对侧上。
12. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，包括两个薄膜金属层和 三个LC谐振器。
13. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐 振器中的每一个包括电容器和电感器，所述电容器设置于其各自在每个LC谐振器 中的电感器的自然绕制方向上。
14. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐 振器中的每一个包括电感器，并且所述两个或多个LC谐振器中的每个电感器具有 相同的绕制方向。
15. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐 振器以及所述一个或多个耦合网络被构造在衬底的一侧上。
16. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述一个或多个耦合网 络包括微带线结构。
17. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述一个或多个耦合网 络包括线圈电感器。
18. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐 振器中的每一个包括电感器，并且所述两个或多个LC谐振器中的每个电感器为带 圆角的矩形线圈的形状。
19. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述两个或多个LC谐 振器中的每一个包括电感器，并且所述两个或多个LC谐振器中的每个电感器为矩 形线圈的形状。
20. 如权利要求ll所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一区和所述第二区彼此不交迭。
21. —种带通滤波器，包括第一薄膜层和第二薄膜金属层，每个金属层具有第一区和第二区，其中所述 第一区和所述第二区不交迭；第一、第二和第三LC谐振器，其中每个LC谐振器包含在所述第一和第二薄 膜金属层的所述第一区内，并且每个LC谐振器包括具有相同绕制方向的电感器；用于并联连接所述三个LC谐振器的耦合网络，所述耦合网络包含在所述第一 和第二薄膜金属层的所述第二区内；连接于所述第一 LC谐振器的输入端子和连接于所述第三LC谐振器的输出端 子，所述输入端子和输出端子设置于包含所述带通滤波器的封装的相对侧上；以及第一和第二接地电极，所述第一和第二接地电极设置于包含所述带通滤波器 的封装的相对侧上。
全文摘要
一种带通滤波器，包括一个或多个金属层，每层具有第一区(110)和第二区(120)。该滤波器还包括两个或多个LC谐振器(431、433、434)以及用于并联连接这两个或多个LC谐振器的一个或多个耦合网络(140)。这两个或多个LC谐振器包含在这一个或多个层的第一区内并且这一个或多个耦合网络包含在这一个或多个层的第二区内。
文档编号H03H7/01GK101326713SQ200680046184
公开日2008年12月17日 申请日期2006年11月29日 优先权日2005年12月6日
发明者R·C·强 申请人:Tdk股份有限公司