一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片的制作方法

1.本发明涉及基本电气元件技术领域，具体涉及一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片。


背景技术：

2.为提升信息传输容量和码速率，现代电子通信系统正朝向微波高频段甚至太赫兹频段快速发展。为充分利用时间、频谱和空间资源，诸如5g基站、火箭测控通信、卫星通信和中继数传系统一般采用收发同时工作，天线共面或共口径设计。为抑制发射信号对接收通道的干扰，发射通道射频前端需集成低损耗收阻滤波器，接收通道射频前端需集成低损耗发阻滤波器。
3.随着工作频率的不断提高，常见的声表面波(saw)滤波器、薄膜腔体谐振(fba)滤波器、微带和siw等介质滤波器插入损耗越来越大。此外，由于温度、辐照等外界环境因素影响，各类介质滤波器在诸如箭载、星载等恶劣环境下应用受限。腔体滤波器虽具有高品质因素、低插入损耗、高功率容量和强环境适应能力，然而空间尺寸过大，难以实现与其它微波器件或集成电路、印制电路板等进行集成，特别是在单元间距受限的相控阵天线t/r组件中难以应用。
4.基于微同轴制备工艺的滤波器具有小型化、轻量化、高制备精度、电磁内部封闭、低损耗、适应频率高等优点。然而已公开的微同轴滤波器均需要介质支撑内导体，且滤波器的尺寸大、带外抑制度不高。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决现有微波滤波器难以兼具小型化、轻量化、低损耗、高带外抑制的问题，提供一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，本发明基于微同轴制备工艺，提供一种环境适应能力强，且兼具小型化、轻量化、高制备精度、电磁内部封闭、静电屏蔽、高带外抑制、低损耗、高功率容量优点的全金属化微同轴微波滤波器芯片。
6.本发明提供一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，包括：滤波器外导体、设置在滤波器外导体内部的微同轴内导体(2)和与滤波器外导体和内导体均相连的射频端口，射频端口与外部射频互连；
7.滤波器外导体包括谐振腔外导体和谐振腔耦合孔，谐振腔外导体的内部形成空腔，微同轴内导体设置在谐振腔外导体的空腔内，谐振腔耦合孔将谐振腔外导体的内部空腔连通；
8.微同轴内导体包括至少两个谐振腔内导体和与谐振腔内导体末端连接的耦合线，耦合线设置在谐振腔耦合孔的内部，耦合线用于微同轴谐振腔之间电磁信号的耦合；
9.谐振腔外导体和谐振腔内导体组成微同轴谐振腔，谐振腔耦合孔和耦合线组成微同轴耦合腔，微同轴耦合腔与多个微同轴谐振腔连通以引入零点提升滤波器的带外抑制。
10.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，
谐振腔内导体通过与谐振腔外导体空腔的长度向两端相连进行固定；
11.耦合线通过与谐振腔外导体空腔的宽度向两端相连进行固定。
12.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，微同轴谐振腔为矩形微同轴谐振腔；
13.滤波器外导体、微同轴内导体和射频端口均为多层铜质结构；
14.滤波器外导体为内部有空腔的长方体，滤波器外导体的长度与滤波器中心频点的半波长相近、宽度与射频端口宽度的n倍相近、高度与射频端口的高度相同，滤波器外导体的高度小于1mm，n为滤波器微同轴谐振腔的数量，谐振腔外导体的内部空腔为长条形、横截面高度小于1mm、宽度在毫米量级；
15.谐振腔内导体长度略小于滤波器中心频点的半波长，且粗细均匀；
16.谐振腔内导体为多层铜质长条形结构，横截面为矩形，几何中心与谐振腔外导体空腔的横截面几何中心重合；
17.耦合线为多层铜质长条形结构。
18.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，射频端口包括与谐振腔外导体相连的射频端口接地座和与谐振腔内导体相连的微同轴探针。
19.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，微同轴探针的截面与谐振腔内导体的截面尺寸相同，微同轴探针通过金丝键合等工艺与外部进行射频连接。
20.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，微同轴微波滤波器芯片的参数仿真调节方法为：通过调节微同轴谐振腔的数量改变滤波器的阶数，通过调节谐振腔内导体的长度调节谐振频率，通过调节谐振腔耦合孔和耦合线的位置、尺寸来调节耦合系数，通过调节微同轴探针的位置调节输入输出端口驻波比。
21.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，滤波器外导体还包括设置在谐振腔外导体外部的外导体开孔，外导体开孔用于微同轴制备工艺流程中光刻胶的去除。
22.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，外导体开孔为周期性排布的长方体开孔，外导体开孔的尺寸小于滤波器最高工作频率对应波长的0.03倍。
23.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，微同轴微波滤波器芯片的制备方法包括以下步骤：
24.s1、将微同轴微波滤波器芯片根据结构分为n层，制作每一层的光刻模板，在硅晶圆衬底背面通过光刻、刻蚀的方法制作对准标记，对准标记用于后续依次制作各层时的对准；
25.s2、在硅晶圆衬底的正面通过旋涂等方法覆盖第一层光刻胶，光刻胶的厚度根据每层的厚度确定，烘干后将第一层光刻模板贴紧光刻胶置于光刻机下曝光，曝光后进行显影，曝光部分被显影液腐蚀，剩余的图形与滤波器第一层图形形成互补；
26.s3、在硅晶圆衬底的正面进行电铸，生长一层金属铜，通过控制电流、时间等参数控制铜的厚度，铜的厚度不小于本层光刻胶的厚度；
27.s4、使用研磨、抛光等工艺对电铸后的硅晶圆衬底表面进行平坦化，使得晶圆片表面的起伏在10μm以下；
28.s5、返回步骤s2，继续制备下一层，直至完成n层制备；
29.s6、研磨去除硅晶圆衬底，并利用化学方法去除剩余的光刻胶，划片后得到微同轴微波滤波器芯片，制备完成。
30.本发明所述的一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，作为优选方式，步骤s3可使用其他薄膜生长工艺代替，其他薄膜生长工艺包括溅射、蒸镀和化学气相沉积；
31.还包括步骤s7、使用溅射或电子束蒸发或蒸镀对微同轴微波滤波器芯片的的表面镀金属膜，金属膜包括金膜或银膜。
32.本发明的技术方案为：一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，包括滤波器外导体、微同轴内导体、射频端口和外导体开孔。
33.滤波器外导体为多层铜质结构，由多个微同轴谐振腔的外导体连接构成。为实现多个谐振腔的耦合，在谐振腔之间设置谐振腔耦合孔。
34.微同轴内导体为多层铜质结构，由多个微同轴谐振腔的内导体及其之间的耦合线连接构成。
35.射频端口为多层铜质微同轴端口，由微同轴探针和射频端口接地座构成。
36.外导体开孔为周期性排布的长方体开孔。
37.微同轴谐振腔为矩形微同轴谐振腔，由谐振腔外导体和谐振腔内导体构成。腔体高度小于1mm，矩形截面积为平方毫米量级。由于传输主模为tem模，平方毫米截面下的矩形微同轴单模传输带宽超过数百ghz，因此基于微同轴谐振腔的滤波器芯片可设计的工作频段覆盖微波全频段。
38.该滤波器采用微同轴工艺分层制备，通过在硅晶圆衬底上多次反复运用旋涂光刻胶、匀胶、烘干、曝光、显影、电铸、研磨、抛光等微加工工艺，在完成各层制备后利用研磨工艺去除硅晶圆衬底，再去除光刻胶获得滤波器芯片。为了提高芯片的可焊性和抗氧化能力，同时减小阻抗损耗，滤波器内外表面镀金处理。
39.滤波器外导体为长方体准封闭空腔结构，长度约为滤波器中心频点的半波长，宽度约为射频端口的宽度w乘以微同轴谐振腔的数量n，高度与射频端口的高度相同，小于1mm。准封闭空腔结构的设计能够有效减少滤波器芯片的辐射损耗，提高品质因数，降低对外电磁干扰。
40.微同轴内导体的长度向尺寸略小于半波长，各处截面尺寸完全相同，且沿长度向所有端面与滤波器外导体相连。滤波器内外导体多点连通设计不仅有利于静电屏蔽，还可避免采用微同轴内导体介质支撑结构，实现了微同轴微波滤波器芯片的全金属化。滤波器芯片的全金属化有利于散热、降低损耗、提升功率容量和环境适应能力。为了降低滤波器的损耗，提升可焊性，可在其表面镀金。
41.射频端口为一对矩形微同轴输入输出射频口。其中，射频端口的微同轴探针与微同轴内导体相连，其横截面尺寸与微同轴内导体的截面尺寸完全相同。镀金后的微同轴探针可通过金丝键合对外连接，通过调节微同轴探针的位置可以调节输入输出端口驻波比。
42.外导体开孔位于滤波器外导体上，周期性排布的开孔有利于微同轴滤波器的制备，同时在一定程度上降低滤波器的重量。为减小电磁泄漏，开孔尺寸小于0.03倍最高工作
频率对应的波长。
43.多个微同轴谐振腔两两相互连通，通过公共外导体开孔实现电磁信号的相互耦合。调整谐振腔连通孔位置和尺寸能够调节腔体间的耦合系数。空间上不相邻的两个谐振腔之间也可相互连通，使得滤波器获得零点，带外抑制效果更佳。微同轴谐振腔的数量决定了滤波器的阶数，通过调整谐振腔数量可以改变滤波器的阶数。
44.谐振腔外导体构成长条形微同轴谐振腔的空腔，空腔的横截面高度小于1mm，宽度在毫米量级。
45.谐振腔内导体为多层铜质长条形结构，横截面为矩形，矩形的几何中心与谐振腔外导体横截面几何中心重合。通过调整谐振腔内导体的长度可以调节工作频率。
46.耦合线为多层铜质长条形结构，其两端分别与谐振腔内导体相连。通过调整耦合线的位置和横截面尺寸能够调节谐振腔之间的耦合系数。
47.谐振腔耦合孔位于相邻的谐振腔之间。通过调整孔的位置和尺寸能够调节谐振腔之间的耦合系数。
48.本发明具有以下优点：
49.(1)采用高度小于1mm，截面积在平方毫米量级的矩形微同轴传输线结构作为谐振腔，实现了滤波器芯片的小型化、电磁内部封闭。通过多个谐振腔的相互耦合设计，使得滤波器芯片具有零点，具备高带外抑制能力。同时，由于微同轴tem模主模的单模传输带宽达300ghz以上，因此可设计的滤波器工作频率覆盖微波全频段。
50.(2)利用微同轴传输线的双导体、准封闭结构，结合内外导体多点连通设计，避免采用微同轴内导体介质支撑结构，使得设计的滤波器芯片还具备全金属化、静电屏蔽的优点。相比常见的声表、体表、siw、微带等介质滤波器，全金属化的微同轴滤波器芯片具有更高的品质因数、更低的损耗、更高的功率容量和更强的环境适应能力。此外，全金属结果使得微同轴滤波器芯片易于实现表面镀金，从而进一步降低损耗。
51.(3)本发明滤波器芯片采用微同轴系列工艺进行制备，精度达微米量级，可制备覆盖微波全频段的微同轴滤波器芯片。芯片采用矩形微同轴输入输出接口，使得该滤波器可通过锡焊、金丝键合等工艺实现与其它微波器件或集成电路、印制电路板、tr组件、射频系统等进行高性能集成。
附图说明
52.图1为一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片的三维结构示意图；
53.图2为一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片的横剖视图；
54.图3为一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片的微同轴工艺制备流程图；
55.图4为一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片的微同轴滤波器芯片的s参数曲线。
56.附图标记：
57.1、滤波器外导体；11、谐振腔外导体；12、谐振腔耦合孔；13、外导体开孔；2、微同轴内导体；21、谐振腔内导体；22、耦合线；3、射频端口；31、射频端口接地座；32、微同轴探针。
具体实施方式
58.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
59.实施例1
60.如图1～2所示，一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片，包括：滤波器外导体1、设置在滤波器外导体1内部的微同轴内导体2和与滤波器外导体、内导体均相连的射频端口3，射频端口3与外部射频互连；
61.滤波器外导体1包括谐振腔外导体11和谐振腔耦合孔12，谐振腔外导体11的内部形成空腔，微同轴内导体2设置在空腔内，谐振腔耦合孔12将空腔连通；
62.微同轴内导体2包括至少两个谐振腔内导体21和与谐振腔内导体21末端连接的耦合线22，耦合线22设置在谐振腔耦合孔12的内部，耦合线22用于微同轴谐振腔之间电磁信号的耦合；
63.谐振腔外导体11和谐振腔内导体21组成微同轴谐振腔，谐振腔耦合孔12和耦合线22组成微同轴耦合腔，微同轴耦合腔与多个微同轴谐振腔连通以引入零点提升滤波器的带外抑制。
64.谐振腔内导体21通过与谐振腔外导体11空腔的长度向两端相连进行固定；
65.耦合线22通过与谐振腔外导体11空腔的宽度向两端相连进行固定。
66.射频端口3包括与谐振腔外导体11相连的射频端口接地座31和与谐振腔内导体21相连的微同轴探针32；
67.滤波器外导体1、微同轴内导体2和射频端口3均为多层铜质结构；
68.微同轴谐振腔为矩形微同轴谐振腔；
69.滤波器外导体1为内部有空腔的长方体，滤波器外导体1的长度与滤波器中心频点的半波长相近、宽度与射频端口3宽度的n倍相近、高度与射频端口的高度相同，滤波器外导体1的高度小于1mm，n为滤波器微同轴谐振腔的数量；
70.谐振腔外导体11的内部空腔为长条形、横截面高度小于1mm、宽度在毫米量级；
71.谐振腔内导体21为多层铜质长条形结构，横截面为矩形，几何中心与谐振腔外导体11空腔的横截面几何中心重合，谐振腔内导体21长度略小于滤波器中心频点的半波长，且粗细均匀；
72.耦合线22为多层铜质长条形结构；
73.微同轴探针32的截面与谐振腔内导体21的截面相同，微同轴探针32通过金丝键合与外部进行射频连接；
74.微同轴微波滤波器芯片的参数仿真调节方法为：通过调节微同轴谐振腔的数量改变滤波器的阶数，通过调节谐振腔内导体21的长度调节谐振频率，通过调节谐振腔耦合孔12和耦合线22的位置、尺寸来调节耦合系数，通过调节微同轴探针32的位置调节输入输出端口驻波比。
75.滤波器外导体1还包括外导体开孔13用于微同轴制备工艺流程中光刻胶的去除；
76.外导体开孔13为周期性排布的长方体开孔，外导体开孔13的尺寸小于滤波器最高工作频率对应波长的0.03倍；
77.微同轴微波滤波器芯片的制备方法包括以下步骤：
78.s1、将微同轴微波滤波器芯片根据结构分为n层，制作每一层的光刻模板，在硅晶圆衬底背面通过光刻、刻蚀的方法制作对准标记，对准标记用于后续依次制作各层时的对准；
79.s2、在硅晶圆衬底的正面通过旋涂等方法覆盖第一层光刻胶，光刻胶的厚度根据每层的厚度确定，烘干后将第一层光刻模板贴紧光刻胶置于光刻机下曝光，曝光后进行显影，曝光部分被显影液腐蚀，剩余的图形与滤波器第一层图形形成互补；
80.s3、在硅晶圆衬底的正面进行电铸，生长一层金属铜，通过控制电流、时间等参数控制铜的厚度，铜的厚度不小于本层光刻胶的厚度；步骤s3可使用其他薄膜生长工艺代替，其他薄膜生长工艺包括溅射、蒸镀和化学气相沉积；
81.s4、使用研磨、抛光等工艺对电铸后的硅晶圆衬底表面进行平坦化，使得晶圆片表面的起伏在10μm以下；
82.s5、返回步骤s2，继续制备下一层，直至完成n层制备；
83.s6、研磨去除硅晶圆衬底，并利用化学方法去除剩余的光刻胶，划片后得到微同轴微波滤波器芯片；
84.s7、使用溅射或电子束蒸发或蒸镀对微同轴微波滤波器芯片的的表面镀金属膜，金属膜包括金膜或银膜，制备完成。
85.实施例2
86.如图1～4所示，一种小型化全金属结构的微同轴微波滤波器芯片；
87.如图1所示为本发明滤波器芯片的三维结构示意图，图中可见芯片主要由滤波器外导体1、微同轴内导体2、射频端口3和外导体开孔13组成。
88.其中，滤波器外导体1由多个谐振腔外导体11和射频端口接地座31构成。滤波器外导体1表面周期性开孔，形成外导体开孔13。微同轴内导体2由谐振腔内导体21、耦合线12和微同轴探针32构成。滤波器外导体1和微同轴内导体2之间形成多个微同轴谐振腔，谐振腔的数量决定滤波器的阶数。谐振腔外导体11和谐振腔内导体21两端相连，从而使得谐振腔内导体21可以避免使用介质支撑。在谐振腔之间设置谐振腔耦合孔11，通过耦合线10实现多个谐振腔的电磁耦合。耦合线10与谐振腔内外导体相连，使得微同轴内导体不用介质支撑仍能够保持结构稳定。
89.射频端口3为微同轴端口，由微同轴探针32和射频端口接地座31构成。
90.微同轴谐振腔为矩形微同轴谐振腔，腔体高度小于1mm，矩形截面积为平方毫米量级。由于传输主模为tem模，平方毫米截面下的矩形微同轴单模传输带宽超过数百ghz，因此基于微同轴谐振腔的滤波器芯片可设计的工作频段覆盖微波全频段。
91.实施例1～2的微同轴微波滤波器的设计流程如下：
92.1、根据对通带、阻带、插损、抑制比等参数的需求，计算得到所需谐振腔的数量、各谐振腔的谐振频率、谐振腔之间的耦合系数以及谐振腔与射频端口之间的耦合系数；
93.2、然后基于微同轴传输线的基本结构形式，以数值模拟的方式计算和优化谐振腔、耦合线、射频端口、外导体开孔等参数；
94.3、最后利用微同轴工艺完成滤波器芯片的制备。
95.微同轴微波滤波器的制备工艺包括光刻、电铸、研磨、抛光等，其中电铸可使用其他薄膜生长工艺代替，例如溅射、蒸镀、化学气相沉积等。以图1所示三阶带通滤波器芯片为
例，滤波器包括三个微同轴谐振腔谐振腔的长度略小于半波长，各谐振腔之间通过耦合孔和耦合线实现电磁耦合，芯片剖视图如图2所示。
96.实施例1～2详细制备流程如下：
97.1、沿高度方向将滤波器模型划分为5层，每层的厚度为50～200μm。根据滤波器在各层的截面图形制作光刻模板负胶光刻则与截面图形相同，正胶光刻则为互补图形；在硅晶圆衬底背面通过光刻、刻蚀的方法制作对准标记此步骤为准备工作，未在图中画出，用于后续依次制作各层时的对准，然后开始制备滤波器各层结构；
98.2、在该硅晶圆衬底正面通过旋涂等方法覆盖第一层光刻胶，光刻胶的厚度根据每层的厚度而定。烘干后将第一层模版贴紧光刻胶置于光刻机下曝光，曝光后进行显影，曝光部分被显影液腐蚀，剩余的图形与滤波器第一层图形形成互补；
99.3、在硅晶圆衬底正面进行电铸，生长一层金属铜，通过控制电流、时间等参数控制铜的厚度，铜的厚度应不小于本层光刻胶的厚度；
100.4、利用研磨、抛光等工艺对电铸后的晶圆衬底表面进行平坦化，使得晶圆片表面的起伏在10μm以下；
101.5、如图3所示，便于进行下一层的制作。按照与第一层相同的方法，经过匀胶、烘干、曝光、显影、电铸、研磨、抛光等工艺依次制备第二、三、四、五层；
102.6、完成五层微同轴制备后，对芯片背面进行研磨去除硅晶圆衬底基片，并利用化学方法去除所得结构中剩余的光刻胶，即可获得本发明所述的滤波器，划片后即可得到完整的滤波器芯片；
103.7、为增强内、外导体的导电性，便于与其他微波电路、器件互连，利用溅射、电子束蒸发、蒸镀等方法对滤波器表面镀金或银等金属膜。
104.如图1所示，在本实施案例中，ka频段三阶微同轴滤波器芯片整体尺寸为6.7mm长
×
5.4mm宽
×
0.95mm高。其中，微同轴谐振腔的金属外壁截面尺寸为0.95mm高
×
0.92mm，谐振腔的内空腔截面尺寸为0.8mm高
×
0.72mm，微同轴内导体截面尺寸为0.3mm
×
0.3mm，外导体开孔尺寸为0.25mm
×
0.25mm
×
0.1mm，图4给出了微同轴滤波器芯片的仿真s参数曲线，坐标为线性，其中f1为滤波器通带内中心频率，f2为滤波器阻带零点对应的频率。
105.本实施例的滤波器芯片工作指标如下：
106.工作频段：ka频段；
107.通带带宽：3.2％；
108.带内驻波比：≤1.3；
109.通带插损：≤0.8db；
110.带外抑制：≥45db；
111.从上述指标可以看出，本发明在0.95mm的剖面高度下，实现了滤波器的长、宽尺寸小于半波长，插入损耗不大于0.8db，带外抑制不小于45db。设计的微同轴微波滤波器芯片具有小型化、轻量化、电磁内部封闭、静电屏蔽、高带外抑制、低损耗、全金属化的优点，微同轴固有的高功率容量和全金属化带来的强环境适应能力，使得本发明能够适用各类平台环境。此外，受益于芯片长、宽尺寸小于半波长，能够满足宽扫相控阵阵间距小于半波长的限制，使得设计的滤波器能在相控阵t/r组件中得到广泛的应用。
112.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。