BAW梯形滤波器的布局设计方法与流程

本发明属于微电子机械系统器件领域，具体涉及体声波（baw，bulkacousticwave）梯形滤波器的布局设计方法。

背景技术：

随着无线通讯设备的快速普及以及用户需求的不断扩展，手持移动通信产品正在往小型化和轻便化发展，而随着产品尺寸的减小，产品价格不断降低，对其功能的要求却逐渐增强。在手持移动通信产品中，射频滤波器已成为电子系统小型化和集成化的瓶颈之一。

目前，baw滤波器已经广泛地被市场所接受，baw滤波器主要由多个baw谐振器（bawr，bulkacousticwaveresonators）串、并联构建而成。baw滤波器相比于传统的声表面波（saw，surfaceacousticwave）滤波器和介质陶瓷滤波器，具有工作频率高、体积小、品质因数高、生产成本低、便于集成等优势。为进一步减小滤波器尺寸，除了使用体积小的baw滤波器，还可以使bawr在布局上排列更加紧凑。但随着滤波器布局的减小，会产生例如电磁耦合等干扰，从而影响滤波器性能。如何在保证滤波器性能的前提下，最大限度地减小滤波器布局面积，提高布局的面积利用率。

现有公开的中国专利文献中，公开号为cn103455683a，公开日是2013年12月18日的中国发明专利文献，申请人是诺思（天津）微系统有限公司，该文献公开的“一种压电声波滤波器的设计和布局方法”，该技术方案提出了一种串联级中的谐振器的布局方式；其中，该滤波器包括：串联的多个串联级，每个串联级包括至少一个谐振器；位于每两个相邻的串联级之间的并联级，其中，每个并联级包括至少一个谐振器；其中，每个串联级中的谐振器与非相邻串联级中的谐振器之间存在分布电容，与该串联级相差级数较大的谐振器之间的分布电容小于与该串联级相差级数较小的谐振器之间的分布电容。该方案是通过压电声波滤波器中串联级的级数差来确定不同串联级中谐振器之间的分布电容的相对大小，以此设计压电声波滤波器中谐振器的版图布局，但该方案只设计了滤波器中串联谐振器的布局方式，没有设计并联谐振器和整个滤波器的布局方法。

技术实现要素：

本发明为了解决上述技术缺陷，提供了一种baw梯形滤波器的布局设计方法，该方法提出了设计准则和设计流程，能够在保证滤波器性能的前提下，有效地设计baw梯形滤波器的布局，最大限度地减小布局面积，提高滤波器布局的面积利用率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

baw梯形滤波器的布局设计方法，其特征在于包括步骤：

第一步，根据每个bawr的有效面积，预设每个bawr形状；

第二步，根据baw梯形滤波器电路结构，排列bawr；

第三步，压缩布局，主要是通过减小baw梯形滤波器的布局面积来实现压缩布局；

第四步，对bawr进行调整；调整方式包括切趾、微调、旋转中的一种、或两种，或三种，也就是根据布局的设计准则，确定对bawr进行切趾，还是微调，还是进行旋转，也可能同时需要进行切趾、微调，或其他调整组合方式；

第五步，对bawr和g-s-g焊盘布线；

第六步，检测布局是否满足设计准则；

第七步，对baw梯形滤波器进行声-电磁联合仿真，检测布局设计结果。

所述设计准则是为保证baw梯形滤波器性能，减少电磁耦合等干扰，分别限制单个baw谐振器（bawr）的形状、位置，bawr之间的距离参数，bawr与焊盘的距离参数和互连线。

上述布局设计的流程为了简化，提高baw梯形滤波器布局的设计效率，分为7个步骤并结合设计准则，最大限度地优化baw梯形滤波器布局面积。

对于布局设计准则，进一步包括：

所述每个bawr的任意两边均不平行，应为不规则凸四边形、或任意凸五边形、或其他凸多边形。因为bawr受到纵波激励的同时，会激励出横向波。横向波在电极内来回反射，产生寄生谐振，此时若bawr边缘处任意两点的横向波有相同的谐振频率，bawr寄生谐振会增强，使得构成的滤波器带内插损增大。因此使用不规则四边形代替规则四边形，可以减小寄生谐振。

所述每个bawr的形状均接近正四边形或正五边形，应避免出现过小的锐角或过大的钝角。因为在凸四边形中，过大的钝角会使得其中一个锐角过小；过小的锐角会导致横向波在电极内来回反射时，入射路径和反射路径太短，使得bawr寄生谐振频率过高，影响滤波器性能。

当单个bawr的面积相对较大时，尽量采用五边形；当单个bawr的面积较小时，尽量采用四边形。因为在相同周长情况下，五边形的面积大于四边形的面积，面积相对较大的bawr采用五边形，可以使设计的布局更加紧凑。

在电路上相连的bawr，在布局上相邻。因为较短的连线能够减少信号传输损耗和电磁干扰。

电路上相连的bawr，在布局上对应的两个bawr的相对两边的夹角为θ，且0≤θ≤15º。使相邻两个bawr的相对两边尽量平行却不平行。由于相对两边平行，可以节省布局面积，但相对两边平行会增大电磁耦合等干扰。

电路上相连的bawr，在布局上对应的与g-s-g焊盘相邻的bawr的相对边的夹角为θ，且0≤θ≤15º。使得与g-s-g焊盘相邻的bawr的相对边，尽量与g-s-g焊盘边缘接近平行。由于相对两边平行，可以节省布局面积，但相对两边平行会增大电磁耦合等干扰。

所述相邻的bawr之间的距离应大于gneighboring，gneighboring为相邻bawr的最小间距。非相邻的bawrseries（bawrseries为串联的bawr）的之间距离应大于gnonadjacent，gnonadjacent为非相邻bawrseries的最小间距。

在电路中，位于输入端的bawrseries与输出端的bawrseries之间最小距离为gfirst-last（一般gfirst-last≥gnonadjacent≥gneighboring）。

所述bawr与g-s-g焊盘之间的间距应大于gbawr-pad，gbawr-pad为bawr与g-s-g焊盘的最小间距。

在布局设计中，bawrseries的排列方式对滤波器的性能有着重要的影响，特别是位于输入端的bawrseries与输出端的bawrseries之间的距离对滤波器的影响起着决定性作用。为减小电磁耦合等干扰，需要规定非相邻bawrseries之间、相邻bawr之间、输入端的bawrseries与输出端的bawrseries之间和bawr与g-s-g焊盘之间的最小距离。对于不同的性能指标和不同的电路设计，间距参数可以根据实际自行调整。

各个bawr之间的互连线、bawr与焊盘之间的互连线的宽度至少大于所连接bawr的一条边长；因为可以增大传输信号的功率。

所述baw梯形滤波器的布局为矩形（不含g-s-g焊盘）且尽量接近正方形；在制造过程中，方便切割晶圆。

本发明的有益效果如下：

本发明对于不同的baw梯形滤波器布局设计，只需修改设计准则的参数，增强通用性，减少重复劳动；同时，本发明能够保证baw梯形滤波器性能，最大限度地优化布局面积，提高晶圆上baw梯形滤波器芯片的数量。

附图说明

图1为本发明的设计流程图。

图2为本发明5阶baw梯形滤波器的电路原理图。

图3（a）-3（b）为本发明5阶baw梯形滤波器中bawr外接圆。

图4（a）-4（d）为本发明5阶baw梯形滤波器的布局设计步骤。

图5（a）-5（b）为本发明5阶baw梯形滤波器的布局仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明：

如图1所示，设计流程为简化设计过程，提高baw梯形滤波器布局的设计效率，分为7个步骤并结合设计准则，最大限度地优化baw梯形滤波器布局面积。

案例1：以一个5阶baw梯形滤波器的应用为例，图2为本发明中5阶baw梯形滤波器电路原理图，该5阶baw梯形滤波器包括：五个bawrseries和五个bawrparallel。五个bawrseries结构均相同，五个bawrparallel结构均相同。从输入端口1向输出端口6看过去，baw滤波器中的bawr的连接关系为：第一bawrparallel8、第一bawrseries2、第二bawrparallel9、第二bawrseries2、第三bawrparallel10、第三bawrseries3、第四bawrparallel11、第四bawrseries4、第五bawrparallel12和第五bawrseries5。

表1为本发明中各个bawr的面积，其中bawrseries2在串联的bawr中面积最小，bawrseries2、3、4、5和bawrparallel8的面积基本相当，面积小于bawrseries2面积的1.5倍；bawrseries6和bawrparallel9、10、11、12的面积基本相当，面积大于bawrseries2面积的1.5倍。

表1各bawr的面积与预设形状

第一步，根据设计准则二，bawr的形状尽量接近正四边形或正五边形，应避免出现过小的锐角或过大的钝角；设计准则三，面积大于bawrseries2面积1.5倍的bawrseries106和bawrparallel9、10、11、12采用五边形，面积小于bawrseries2面积1.5倍的bawrseries2、3、4、5和bawrparallel8采用四边形；所以预设bawrseries106和bawrparallel9、10、11、12采用正五边形，bawrseries2、3、4、5和bawrparallel8采用正四边形。

图3（a）为给正四边形的bawr加上外接圆，半径为r1；并且可以适当调整外接圆的半径大小，例如，当两相邻bawr的间距小于设计准则的间距参数时，可以将外接圆半径扩大为r2，其中r1-r2=1/2gneighboring。

图3（b）为给正五边形的bawr加上外接圆，半径为r；并且可以适当调整外接圆的半径大小，例如，当两相邻bawr的间距小于设计准则的间距参数时，可以将外接圆半径扩大为r4，其中r3-r4=1/2gneighboring。

第二步，图4（a）为5阶baw梯形滤波器的bawrseries直线形排列，bawrseries2-3-4-5-6排列成一条直线；baw滤波器的布局沿x轴方向的边长为79.84μm，沿y轴方向的边长为61.13μm；根据设计准则四，电路上相连的bawr应在布局上相邻，bawrparallel分为两列，bawrparallel8-10-12和bawrparallel9-11，分别排列在bawrseries2-3-4-5-6两侧。

第三步，根据设计准则六，所述的相邻的bawr之间的距离应大于gneighboring，gneighboring为相邻bawr的最小间距，非相邻的bawrseries（bawrseries为串联的bawr）的之间距离应大于gnonadjacent，gnonadjacent为非相邻bawrseries的最小间距；设计准则七，所述的在电路中，位于输入端的bawrseries与输出端的bawrseries之间最小距离为gfirst-last（一般gfirst-last≥gnonadjacent≥gneighboring）；设计准则九，bawr与g-s-g焊盘之间的间距应大于gbawr-pad，gbawr-pad为bawr与g-s-g焊盘的最小间距；设置间距参数gneighboring=gbawr-pad=20μm，gnonadjacent=25μm，gfirst-last=30μm；根据间距参数适当调整外接圆大小。

同时为了使整个布局面积最小，根据设计准则十一，baw梯形滤波器的布局为矩形（不含g-s-g焊盘）且尽量接近正方形；逐步“压缩”布局，调整各个bawr位置；图4（b）为5阶baw梯形滤波器的bawrseries折线形排列，bawrseries2-3-4-5-6排列成一条折线。在图3（a）中，baw滤波器的布局沿x轴方向的边长大于沿y轴方向的边长。而在该5阶baw滤波器中，沿x轴方向的边长主要由bawrseries2-3-4-5-6决定，因此压缩沿x轴方向的边长，调整bawrseries2-3-4-5-6的位置，使其变为折线形排列。

第四步，图4（c）为5阶baw梯形滤波器旋转调整后的布局；根据设计准则一，单个bawr任意两边不平行，应为不规则凸四边形、任意凸五边形或其他凸多边形；设计准则二，单个bawr的形状均类似正n边形（正整数n≥4），在四边形中内角应大于80º，在（n+1）边形中内角应全为钝角；设计准则五，相邻bawr的相对两边的夹角为θ，且0≤θ≤15º；设计准则八，与g-s-g焊盘相邻的bawr的相对边的夹角为θ，且0≤θ≤15º；去掉各个bawr外接圆后，对每个bawr切趾，使各个bawr为不规则形状，并微调bawr的位置，以各个bawr外接圆圆心旋转bawr，使相邻bawr的相对边、与g-s-g焊盘相邻的相对边满足设计准则。

第五步，图4(d)为5阶baw梯形滤波器的布局设计结果；根据设计准则10，各个bawr之间的互连线、bawr与焊盘之间的互连线的宽度至少大于所连接bawr的一条边长；按5阶baw梯形滤波器的电路结构连接bawr和焊盘，并计算baw滤波器布局的面积利用率，计算公式为：

得到该5阶梯形滤波器的布局面积利用率约为44％。

第六步，检验该布局设计，保证该布局设计符合设计准则。

第七步，使用声-电磁联合仿真，验证该5阶baw梯形滤波器的性能是否达到设计指标；仿真结果如图5所示，图5（a）为布局优化后的5阶baw梯形滤波器与布局未优化的5阶baw梯形滤波器的带内插损（2400-2480mhz）比较，图5（b）为布局优化后的5阶baw梯形滤波器与布局未优化的5阶baw梯形滤波器的s21参数（100-7500mhz）比较。可以看出，相比布局未优化的5阶baw梯形滤波器，布局优化后的5阶梯形滤波器的插入损耗和带外抑制不仅没有下降，反而有所提高。