薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法及电子设备与流程

1.本技术涉及射频技术与滤波器技术，特别是涉及一种薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法及电子设备。


背景技术：

2.无线通讯终端的多功能化发展对射频器件提出了微型化、高频率、高性能、低功耗、低成本等高技术要求。传统的声表面波滤波器(saw)在2.4ghz以上的高频段插入损耗大，介质滤波器有很好的性能但是体积太大。薄膜体声波谐振(fbar)滤波器技术是近年来随着加工工艺技术水平的提高和现代无线通信技术的快速发展而出现的一种性能更加优越的射频器件。它具有极高的品质因数q值(1000以上)和可集成于ic芯片上的优点，并能与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)工艺兼容，有效地避免了声表面波谐振滤波器和介质谐振滤波器无法与cmos工艺兼容的缺点。
3.目前在fbar滤波器的研究和设计制造中，通常是在硅衬底上采用引线键合的方式实现fbar滤波器电学连接。然而，引线键合对fbar滤波器带外滤波性能，例如抑制某特定干扰信号的传输零点频率有影响，目前在fbar滤波器引线键合封装时，往往是根据历史经验不断调试来得到目标性能，存在调试工作量大、调试效率低、不可设计而难以达到最优性能针对不同滤波器设计需要重复调试等缺点，因此，亟需一种能够达到指定滤波性能而指导引线键合封装参数的fbar滤波器装配使用方法。
4.申请内容
5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法及电子设备，用于解决现有技术中fbar滤波器在装配使用时，存在调试工作量大、调试效率低、不可设计而难以达到最优性能、针对不同滤波器设计需要重复调试等问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本技术的第一方面提供一种薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法，包括：
7.步骤s1，根据薄膜体声波谐振滤波器芯片电路模型和接地电路构建出滤波器装配之后的等效电路模型；其中，所述滤波器芯片电路模型由多个谐振器通过不同架构设计仿真所得所述接地电路包括滤波器芯片表面的接地焊盘的寄生电容、寄生电感及接地键合线的寄生电感构成，所述接地键合线键合接地的谐振器接地电路相同，所述接地电路由接地焊盘的寄生电容与寄生电感串联后和接地键合线的寄生电感并联构成；
8.步骤s2，利用三维电磁仿真软件对滤波器的接地电路进行建模、仿真、计算，分别提取出接地电路中接地焊盘以及接地键合线所对应的寄生参数；
9.步骤s3，将所述接地电路寄生参数反馈至所述滤波器装配之后的等效电路模型中，利用仿真软件得到滤波器的s参数；
10.步骤s4，通过调节接地电路的寄生参数来优化滤波器的s参数性能，所述s参数性能包括滤波器带外抑制和通带带宽；
11.步骤s5，通过对比不同装配方式下滤波器的性能得到薄膜体声波谐振滤波器最佳的装配方式，以指导滤波器的装配。
12.本发明的另一目的在于提供一种电子器件，该电子器件包括使用上述薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法所得的薄膜体声波谐振滤波器。
13.如上所述，本技术的薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法及电子器件，具有以下有益效果：
14.本技术建立关于带有接地电路的寄生电感和寄生电容的薄膜体声波谐振滤波器的等效模型，通过模拟不同配置的接地键合线的滤波器；来调节接地键合线的寄生电感使得薄膜体声波谐振滤波器达到指定带外抑制或通带带宽优化，从而得到指定波形的薄膜体声波谐振滤波器，提高了薄膜体声波谐振滤波器的装配效率与性能；同时，针对fbar的性能模拟和仿真工作，为实现器件的装配提供了重要的理论依据。
附图说明
15.图1显示为本技术提供的一种薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法流程图；
16.图2显示为本技术提供的一种基于梯形拓扑架构的薄膜体声波谐振滤波器结构示意图；
17.图3
‑
a、图3
‑
b、图3
‑
c显示为本技术提供的一种薄膜体声波谐振滤波器连接接地键合线后的原理示意图；
18.图4
‑
a、图4
‑
b、图4
‑
c、图4
‑
d分别显示为本技术提供的一种薄膜体声波谐振滤波器连接接地键合线后的仿真模型图；
19.图5显示为本技术提供的一种薄膜体声波谐振滤波器连接不同接地键合线的仿真图；
20.图6显示为本技术提供的一种薄膜体声波谐振滤波器连接不同接地键合线的仿真图。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
22.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，遂图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
23.fbar是具有压电效应材料和能够形成(逆)压电效应结构的所构造的元器件，使用硅底板、借助mems(micro electromechanical system，微机电系统)技术以及薄膜技术而制造出来的。fbar的工作原理是，在电极
‑
压电材料
‑
电极组成的“三明治”结构构成的核心部分中，通过在电极施加电压，压电材料产生形变，而当施加的是交变电压时，此时结构会
产生逆压电效应。这个过程中，电能转化成机械能，通过声波在结构中传播，而在引起振动的同时，振动也会产生电信号，即通过压电效应，把机械能转化成电能，信号输出来。压电效应和逆压电效应同时存在，相互作用，并在相互作用的过程能够产生谐振，从而把信号选择出来。
24.ads(advanced design system)是agilent公司专门开发的eda工具，为一种射频微波电路和通信系统仿真软件，可借助ads强大的电路仿真功能，方便用户快捷地对fbar进行模拟。
25.hfss(high frequency structure simulator)是ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，其中，hfss提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的s参数和全波电磁场。
26.请参阅图1，为本技术提供的一种薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法流程图，包括：
27.步骤s1，根据薄膜体声波谐振滤波器芯片电路模型和接地电路构建出滤波器装配之后的等效电路模型；其中，所述滤波器芯片电路模型由多个谐振器通过不同架构设计仿真所得所述接地电路由滤波器芯片表面的接地焊盘的寄生电容、寄生电感及接地键合线的寄生电感构成，所述接地键合线键合接地的谐振器接地电路相同，所述接地电路由接地焊盘的寄生电容与寄生电感串联后和接地键合线的寄生电感并联构成；
28.步骤s2，利用三维电磁仿真软件对滤波器的接地电路进行建模、仿真、计算，分别提取出接地电路中接地焊盘以及接地键合线所对应的寄生参数；
29.步骤s3，将所述接地电路寄生参数反馈至所述滤波器装配之后的等效电路模型中，利用仿真软件得到滤波器的s参数；
30.步骤s4，通过调节接地电路的寄生参数来优化滤波器的s参数性能，所述s参数性能包括滤波器带外抑制和通带带宽；
31.步骤s5，通过对比不同装配方式下滤波器的性能得到薄膜体声波谐振滤波器最佳的装配方式，以指导滤波器的装配。
32.具体地，接地焊盘的寄生电容和寄生电感是固定的，通过改变接地键合线的材质、直径数量及键合弧度等方式可以调节接地键合线的寄生电感，将不同装配方式下的寄生电感分别带入滤波器的等效电路中，可以通过仿真得到不同装配方式下滤波器的带外抑制和通带带宽通过对比得到的滤波器性能，得到最佳的滤波器装配方式，从而缩短了薄膜体声波谐振滤波器的调试时间，以指导滤波器的装配，从而提高了薄膜体声波谐振滤波器的装配效率。
33.其中，需要说明的是，利用平板电容公式计算所述接地焊盘的寄生电容；
34.其中，需要说明的是，利用仿真软件对接地焊盘进行建模仿真得到接地焊盘的谐振频率。
35.其中，需要说明的是，通过计算得到接地焊盘的寄生电容与仿真得到的谐振频率，利用lc谐振频率计算公式其中f为频率，单位为赫兹(hz)；l为电感，单位为亨利(h)；c为电容，单位为法拉(f)，利用该计算公式来确定所述接地焊盘的寄生电感。
36.其中，还需要说明的是，利用电磁场仿真软件hfss构建接地电路的三维电磁仿真
模型，通过电磁场仿真得到接地电路的谐振频率f0。在电路仿真软件ads中构建接地电路的等效计算模型，将所述接地焊盘的寄生电容值和寄生电感值输入等效计算模型中，通过调节所述等效计算模型中接地键合线的寄生电感值，使得所述等效计算模型所得的谐振频率f1逐渐逼近所述三维电磁仿真模型仿真得到的接地电路谐振频率f0，当f1与f0的差值收敛至预设精度值时(例如两个谐振频率差值小于1khz)，所述等效计算模型的对应电感值即为所述接地键合线的寄生电感。
37.在本实施例中，通过选择不同根数的接地键合线来连接所述接地焊盘与硅基衬底，例如通过并联的方式每多增加一根接地键合线，相当于，增加了接地键合线的直径，即，更改接地键合线的寄生电感，其中，还需要说明的是，为了量化寄生电感值，每根接地键合线的材质、尺寸、形状、长度、键合弧度与直径都是固定不变的。通过上述方式来调节接地键合线的寄生电感提高薄膜体声波谐振滤波器达到对指定带外频率的抑制或滤波器通带相对带宽，从而迅速得到性能优化的薄膜体声波谐振滤波器，提高了薄膜体声波谐振滤波器的装配效率及性能。
38.在此，还需要说明的是，在上述实施例基础上，通过控制每个所述fbar单元的接地键合线数量、长度、直径、键合弧度和材质中任一种或几种方式来调整所述薄膜体声波谐振滤波器的寄生电感。
39.例如，当接地键合线的数量、长度、键合弧度、直径等参数不变，选择不同材质的接地键合线作为调节fbar单元的接地键合线的寄生电感；又例如，当接地键合线的数量、长度、键合弧度、材质等参数不变，选择不同直径的接地键合线作为调节fbar单元的键合线的寄生电感；又例如，当接地键合线的数量、直径、键合弧度、材质等参数不变，选择不同长度的接地键合线作为调节fbar单元的接地键合线的寄生电感；或者，通过控制每个所述fbar单元的接地键合线数量和长度、数量和直径、数量和材质、键合弧度与键合线数量、键合弧度与直径、长度、数量和直径等多种控制参数来确定所述薄膜体声波谐振滤波器的寄生电感，使得仿真软件所得的谐振频率逐渐逼近带有接地键合线的接地焊盘的仿真谐振频率当仿真谐振频率收敛至预设精度值时，得到所述接地键合线的寄生电感，从而使得所述薄膜体声波谐振滤波器的寄生电感达到更为精确的控制。
40.如图2所示，为本技术提供的一种典型的基于梯形拓扑架构的fbar滤波器，由电极，压电薄膜谐振器和硅基衬底组成，fbar滤波器的并联谐振器通过接地键合线连接到地，接地焊盘的等效模型是串联的电阻、电容和电感，而接地键合线的等效模型是串联的电阻和电感，在此不再赘述；另外，fbar滤波器除了采用传统的梯形拓扑架构以外，还可以为其他拓扑架构。
41.在另一些实施例中，所述薄膜体声波谐振滤波器包括制备在衬底上的信号输入端rfin(rf input)、信号输出端rfout(rf output)、结点n1至nn 1和依次互连的m个串联的fbar单元、n个并联的fbar单元，其中，m为大于n的正整数；所述fbar单元包括制备在衬底上的自下而上依次沉积的支撑层、底电极、压电层、顶电极；所述信号输入端rfin与第一个串联fbar单元之间的结点为结点n1，第n个串联fbar单元与所述信号输出端rfout之间的结点为结点nn 1，所述第二个串联的fbar单元到第n
‑
1个串联的fbar单元之间，每相邻两个串联fbar单元之间的结点分别连接一个所述并联的fbar单元的一端，每个并联的fbar单元的另一端通过接地键合线接地。
42.其中，底电极的材料为pt，压电层为aln，顶电极为al，支撑层为sio2，支撑层为si3n4。在fbar滤波器中，支撑层的sio2厚度为300nm，支撑层的si3n4厚度为200nm，底电极的厚度为80nm，压电层的厚度为1μm。
43.例如，如图3
‑
a所示，串联的fbar单元的个数m为5，并联的fbar单元的个数n为4；如图3
‑
b所示，由于寄生电阻阻值非常小，并且不影响fbar的谐振频率，在这种情况下，通过忽略电阻的影响，寄生参数的等效电路模型由串联的c
p
与l
p
、以及并联的l
w
构成。
44.如图4
‑
a所示，使用hfss中的标准键合线模型；提取寄生参数，例如，接地焊盘的寄生电容可通过经典公式计算，通过平板电容公式计算所述接地焊盘的寄生电容。例如，接地焊盘的寄生电感通过计算得到的接地焊盘的寄生电容与仿真得到的谐振频率，利用lc谐振频率计算公式来确定所述接地焊盘的寄生电感，所述谐振频率利用hfss仿真软件进行仿真计算所得，例如，所述接地键合线连接所述接地焊盘和衬底后呈梯形，该接地键合线的模型采用hfss仿真软件所得4点标准模型，接地键合线的尺寸如下：h1＝0.1mm，h2＝0.35mm，d＝0.7mm，φ＝0.025mm，相邻接地键合线之间的间距为0.06mm。
45.为了研究不同数量的键合线接地时，产生的寄生电感对fbar滤波器的电气性能影响，例如，通过在不同的fbar单元的接地焊盘上分别使用一根接地键合线、两根接地键合线和三根接地键合线。例如，如图4
‑
b，在每个接地焊盘上都带有一根焊线的模型；如图4
‑
c所示，在每个接地焊盘上带有两条接合线的模型；图4
‑
d所示，每个接地焊盘上带有三根接合线的模型，其中，模型中只键合了一根键合线的焊盘为射频传输焊盘，不会对fbar滤波器的接地性能造成影响；在上述实施例中，单个接地焊盘的面积为0.0844mm2。通过仿真和计算，获得接地焊盘的寄生电容(c
p
)和寄生电感(l
p
)(c
p
＝0.0254pf，l
p
＝0.337nh)。为了提取接地键合线(l
w
)的寄生电感，对图4
‑
b图4
‑
d所示的不同接地方式模型在hfss中进行了仿真，得到了不同接地装配方式下的接地电路谐振频率。接下来，使用安捷伦ads软件创建了等效于图3
‑
c中的寄生参数模型，将hfss仿真所获得的寄生参数(c
p
和l
p
)带入寄生参数模型，通过更改接地键合线(l
w
)的寄生电感值，使得ads中获得的谐振频率逐渐逼近hfss中获得的仿真谐振频率。最后，当两个谐振频率的差值收敛至预设精度值时(例如两个谐振频率差值小于1khz)，确定不同接地装配方式下接地键合线各自的寄生参数l
w
。
46.表1为采用不同接地装配方式下接地键合线提取的寄生电感的结果，其中，寄生电感随着每个焊盘上接地键合线数量的增加而减小。
47.表1
48.键合线数量谐振频率(ghz)寄生电感l
w
(nh)136.690.401241.850.232344.250.172
49.如图5所示，为本技术提供了不同配置的接地键合线的仿真结果图，通过接地键合线使得谐振器直接接地。对于具有键合线接地的滤波器，第一个传输零点频率(即最接近滤波器低频段中心频率的传输零点)为3.6ghz，第二个传输零点频率为3.52ghz。对于如图4
‑
b，如图4
‑
c和如图4
‑
d所示的滤波器，第一传输零点频率分别为3.595ghz，3.59ghz和3.58ghz，第二传输零点频率分别为3.508ghz，3.505ghz和3.48ghz。从上可知，随着键合线数量的增加(即，寄生电感lw减小)，低频边缘处的传输零点移到了更高的频率。
50.如图6所示，为本技术提供了不同配置的接地键合线的仿真结果图，其中，两个已组装的fbar滤波器样本，分别在每个接地焊盘上键合了一条接地键合线和两条接地键合线。使用一对gsg探针来测量电路板上滤波器的s参数。测量结果包括滤波器芯片晶圆上的测试数据，如图6所示，从曲线的测量结果表明，随着键合数量的增加，滤波器在低频边缘的传输零点移到了更高的频率。接地键合线根数的增加，与图5中的仿真结果一致，在晶圆测试中，低频带中的传输零点频率为3.514ghz。
51.考虑接地键合线不同配置的fbar滤波器的仿真建模和分析。在一些实际应用中，发现滤波器的电气性能受滤波器接地设计的影响，为了优化滤波器的性能，建立了考虑寄生电感和电容的滤波器模型。在建模过程中，对接地焊盘和接地键合线的谐振频率进行了仿真，以提取寄生参数。然后，模拟了具有不同配置的接地键合线的滤波器。从仿真结果表明，随着接地键合线数量的增加，低频边缘的传输零点移向更高的频率。为了验证有效性，组装并测量了两个滤波器样品，例如，将一根接地键合线键合在每个接地焊盘上的滤波器一，将两根接地键合线键合在每个接地焊盘上的滤波器二。测量数据表明，滤波器的低频传输零点分布与接地线的配置有关，与仿真结果相符；还有，接地键合线的不同配置对fbar滤波器的电气性能产生的影响有助于通过fbar滤波器的装配设计来改善滤波器的性能。
52.在另一些实施例中，通过更改所述薄膜体声波谐振滤波器的串联、并联fbar面积之比，以串联的fbar面积为优化变量，以指定波形参数为优化目标，使用梯度优化算法进行优化。
53.具体地，串联的fbar面积为w1*w1～w5*w5，并联的fbar与串联的fbar面积比为a1～a4，设定w1*w1～w5*w5、a1～a4为优化变量，设定优化目标为：滤波器s参数中的传输系数s，一般要尽可能地将优化目标设置得更为严苛一些，这样才能增加设计的健壮性。例如，a1～a4的取值为1～8，设定s参数中的传输系数s在预设的频段内损耗到达预设范围，通过优化变量(w1,w2,w3,w4,w5)与(a1,a2,a3,a4)，w1～w5的单位为μm2，使用梯度优化方法仿真能够得到性能更佳的fbar滤波器。
54.藉由上述各示例，本技术还有一种电子设备(例如，电子器件)，包括：使用上述薄膜体声波谐振滤波器装配使用方法所得的薄膜体声波谐振滤波器。
55.综上所述，本技术建立关于寄生电感和寄生电容的薄膜体声波谐振滤波器的等效模型，通过模拟不同配置的接地键合线的滤波器；来调节接地键合线的寄生电感使得薄膜体声波谐振滤波器达到指定带外抑制或通带带宽优化，从而迅速得到指定波形的薄膜体声波谐振滤波器，提高了薄膜体声波谐振滤波器的装配效率与性能；同时，针对fbar的性能模拟和仿真工作，为实现器件的装配提供了重要的理论依据。所以，本技术有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
56.上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。