一种集成无源器件和声学机械波器件结合的高性能滤波器的制作方法

1.本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种集成无源器件和声学机械波器件结合的高性能滤波器。


背景技术：

2.近些年来，射频声波双工滤波器的在通讯市场占比飞速增长，包括声表面波(saw)器件与薄膜体声波器件(fbar)技术得到快速提升；同时，通讯技术的发展对滤波器的要求也越来越高，大带宽、高功率和高频率的需求对声波器件提出了很大的挑战。不仅要求滤波器的低插损和高矩形系数性能，还对线性度提出很高的要求，主要是对谐波抑制以及交调失真提出更高的标准，尤其是发射端的滤波器部分。
3.薄膜体声波(fbar)滤波器，采用mems工艺加工，利用压电特性，可实现低插损、高矩形系数的窄带器件。但因此特点，也存在一些性能缺点，包括：受限于有限的机电耦合系数，难以实现较宽带器件；受限于其频率特性，无法单独形成通带频率远处的抑制，需要结合外部电路设计；由于其薄膜及空气腔的结构特点，限制了其功率容量；由于压电材料固有的非线性特性使其在高功率输入条件下线性度较差，产生较高的谐波功率水平。
4.目前有多种技术手段来应对这些问题，包括：采用更高机电耦合系数的压电材料，如钪铝氮等，以实现相对宽带器件；使用层压多层基板来调整通带频率远处的抑制；通过增加谐振腔和芯片尺寸，串联谐振腔等方法提高功率容量；通过串联或交叉并联谐振腔等方式提高线性度。这些方式一定程度弥补了空腔体声波滤波器的缺点，但是仍旧存在fabr器件封装的尺寸较大，滤波器性能较低的问题。
5.由上所述，为此我们设计出了一种集成无源器件和声学机械波器件结合的高性能滤波器来解决以上问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种集成无源器件和声学机械波器件结合的高性能滤波器。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.一种集成无源器件和声学机械波器件结合的高性能滤波器，包括基板、fbar器件、ipd器件，所述fbar器件包括cap层和rdl层，所述fbar器件与ipd器件集成组装在基板上，所述fbar器件与ipd器件的集成方式包括部分布线以及电感走线集中在fbar器件的cap层和rdl层中或ipd器件集成于fbar器件的cap层中的一种。
9.优选的，所述ipd器件通过衬底穿孔工艺、衬底背面重布线工艺与fbar器件在基板上封装集成。
10.优选的，所述部分布线以及电感走线集中在fbar器件的cap层和rdl层中包括在在原衬底上形成fbar器件，在封装cap层上进行部分布线，通过tsv工艺进行双面金属的布线。
11.优选的，所述部分布线以及电感走线集中在fbar器件的cap层和rdl层中还包括再
次沉积介质增加布线的叠层以及可用空间，然后通过键合工艺实现fbar器件封装。
12.优选的，所述键合工艺包括共价键键合、熔融键合、金属键合以及粘结键合中的一种或多种。
13.优选的，所述cap层材料可以为高阻硅、氧化硅、氮化硅以及硅酸乙酯中的一种或多种。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将ipd器件通过衬底穿孔技术、衬底背面重布线技术(rdl)与fbar器件在基板上封装集成。其中部分布线以及电感走线可集中在fbar器件的cap层和rdl层，可以节省基板的空间大小；另一实施方法为将ipd集成于fbar器件的cap层中，节省器件的组合空间，有利于小型化器件的实施。fbar器件作用于形成低插损、高矩形系数的通带性能，ipd技术作用于带外的抑制分布，同时提高对由于fbar器件非线性特性带来的谐波信号的抑制，结合基板可以更加灵活的设计滤波器的带外性能。本发明可以较多的减少fbar级联级数，缩小fabr器件的尺寸，同时结合ipd器件相对的增加了整体的散热效果(提升功率容量)以及加强对寄生谐波的抑制。能够灵活实现不同频段、不同带宽、的低插损、高矩形系数、高功率、高谐波抑制的产品，适宜推广使用。
附图说明
15.图1为本发明提出的一种集成无源器件和声学机械波器件结合的高性能滤波器的结构示意图；
16.图2为fbar级联构成的带通滤波器电性能波形图；
17.图3为fbar+基板的电性能波形图；
18.图4为fbar+基板的近带边电性能波形图；
19.图5为ipd器件的电性能波形图；
20.图6为fbar滤波器+ipd器件电性能波形图；
21.图7为封装器件的最终电性能波形图；
22.图8为fbar+cap层结构示意图。
23.图中：1基板、2fbar器件、3ipd器件。
具体实施方式
24.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。
25.参照图1，一种集成无源器件和声学机械波器件结合的高性能滤波器，包括基板1、fbar器件2、ipd器件3，所述fbar器件2包括cap层和rdl层，所述fbar器件2与ipd器件3集成组装在基板上，所述fbar器件2与ipd器件3的集成方式包括部分布线以及电感走线集中在fbar器件2的cap层和rdl层中或ipd器件3集成于fbar器件2的cap层中的一种；
26.更加具体的是，所述ipd器件3通过衬底穿孔工艺、衬底背面重布线工艺与fbar器件2在基板上封装集成，所述部分布线以及电感走线集中在fbar器件2的cap层和rdl层中包括在在原衬底上形成fbar器件2，在封装cap层上进行部分布线，通过tsv工艺进行双面金属的布线，所述部分布线以及电感走线集中在fbar器件2的cap层和rdl层中还包括再次沉积介质增加布线的叠层以及可用空间，然后通过键合工艺实现fbar器件2封装，所述键合工艺
包括共价键键合、熔融键合、金属键合以及粘结键合中的一种或多种，所述cap层材料可以为高阻硅、氧化硅、氮化硅以及硅酸乙酯中的一种或多种。
27.实施例一
28.以n41滤波器为例：
29.通过mems加工工艺制备相应的n41频段的fbar滤波器,用于形成低插损、高矩形系数的窄带滤波器通带性能，同时减少了fbar器件的级联级数，缩小器件的尺寸，电性能如图2所示。传统的fbar器件是与基板相结合来设计通带外的抑制，而通带外的抑制深度则是通过fbar级联技术的增加或者并联/串联谐振器的面积比增大来实现的，这种方式会增加fbar芯片的面积。
30.本发明中采用极少级数的fbar器件来实现低插损、高带外抑制的性能。其中部分布线以及电感走线可集中在fbar器件的cap层和rdl层，可以节省基板的空间大小。具体实施可以为在原衬底上形成fbar器件，在封装cap层上进行部分布线，通过tsv工艺可进行双面金属的布线，或者可以再次沉积介质增加布线的叠层以及可用空间，然后通过键合工艺实现fbar器件封装；键合工艺可包括但不局限于以下几种：共价键键合、熔融键合、金属键合以及粘结键合等。键合cap层材料可以为高阻硅、氧化硅、氮化硅以及硅酸乙酯等。如图8所示。
31.需要说明的是，参照图3，为fbar器件+基板的电性能，可以看出虽然有带外的抑制零点设计，但整体抑制较差；图4为fbar器件+基板的近带边的电性能波形，引入了近带边的抑制零点。需要结合ipd来实现增强抑制的目的。在衬底上采用传统集成电路后道工序(beol)，通过光刻工艺、物理刻蚀工艺、化学沉积工艺、电镀工艺、化学研磨平整工艺，在衬底表面制作薄膜电阻、mim电容、平面螺旋电感以形成采用rlc拓扑结构实现滤波、匹配等不同功能的集成无源器件。本发明中主要用于形成n41滤波器的通带外抑制零点(如图5所示)，实现对其他通带的高抑制性能，如b3/b1/gps/wifi通带以及n41的谐波频段。结合fbar器件性能如图6所示，实现对通带外的抑制设计以及增强对谐波的抑制。
32.本发明通过基板封装技术将集ipd器件与fbar件封装集成，其中，对基板贴片面进行注塑成型，将fbar器件与ipd器件塑封保护起来，基板中可以增加相应的设计以形成特殊的带外零点，更加灵活的调控带外抑制性能。ipd器件用于形成高的带外抑制需求以及增强对谐波部分的抑制。封装器件的整体性能曲线如图7所示。且封装后的器件整体的尺寸不大于传统的fbar滤波器器件。
33.本发明提出的集成无源器件和空腔体声波滤波器结合的技术方式，可以更好的解决空腔体声波滤波器的缺点，实现高性能的滤波器。
34.需要说明的是，现有的集成无源器件(ipd)工艺，普遍采用半导体后道金属工艺实现绕线电感、mim电容和薄膜电阻等。得益于其灵活的设计方法和高加工精度，适合在较宽的频带范围内实现具有滤波、功率分配、阻抗变化、阻抗匹配等不同作用的集成无源器件。ipd滤波器可以实现大带宽以及高频率、高抑制的性能，但受限于电感、电容的q值，矩形系数较差，不利于制备高性能的窄带器件。但相对于fbar滤波器，ipd器件可以更加灵活的实现大带宽、高带外抑制的需求(较高的线性度)，同时在高阻硅片上制备，无空腔结构，其散热性能较好，可补偿fbar器件的功率能力。ipd器件本身仅涉及电磁无源器件，不涉及机械波传输，高功率线性度较好，可补偿fbar器件的非线性问题。ipd器件本身可以灵活高效的
实现低通滤波器，实现谐波的额外抑制，保证整体滤波器的谐波性能。
35.本发明采用先进封装技术，将ipd器件通过衬底穿孔技术、衬底背面重布线技术(rdl)与fbar器件在基板上封装集成。其中部分布线以及电感走线可集中在fbar器件的cap层和rdl层，可以节省基板的空间大小；另一实施方法为将ipd集成于fbar器件的cap层中，节省器件的组合空间，有利于小型化器件的实施。fbar器件作用于形成低插损、高矩形系数的通带性能，ipd技术作用于带外的抑制分布，同时提高对由于fbar器件非线性特性带来的谐波信号的抑制，结合基板可以更加灵活的设计滤波器的带外性能。本发明可以较多的减少fbar级联级数，缩小fabr器件的尺寸，同时结合ipd器件相对的增加了整体的散热效果(提升功率容量)以及加强对寄生谐波的抑制。从而结合各自优点，设计出更具竞争力的滤波器等不同功能的集成无源器件。能够灵活实现不同频段、不同带宽、的低插损、高矩形系数、高功率、高谐波抑制的产品。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.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。