凋零模式结构微机械滤波器的制作方法

1.本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种凋零模式结构微机械滤波器。


背景技术：

2.随着5g通信技术的发展，系统整机对微波滤波器的要求越来越高(因为滤波器作为核心器件起到选频滤波的作用)，所以需要一种结构形式既能实现窄带宽，必要时又能实现超宽带宽，而且其具备体积小、q值高、相位一致性高、谐波抑制远等优点，并且作为批量应用产品，必须具备易生产和成本低的特点；而目前大量使用的传统介质腔滤波器、lc滤波器、金属腔滤波器、mems微带滤波器、ltcc滤波器和体声滤波器等难以满足要求，所以实现上述特点的滤波器将是未来通信技术发展的重点。
3.半导体工艺有精度高，重复性好的优点，但是一直以来用其制作的微带线滤波器q值低，结构简单，矩形度低等缺点，限制了其使用范畴，也没有发挥半导体工艺的优势。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种凋零模式结构微机械滤波器，旨在解决现有技术提出的缺陷，实现具备窄带宽和超宽带全面覆盖、体积小、相位一致性高、谐波抑制远、q值高的特点。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种凋零模式结构微机械滤波器，包括：
6.上介质层，设有上层接地金属化通孔、信号馈入部分和信号馈出部分；以及
7.下介质层，层叠且键合于所述上介质层的下面，所述下介质层设有下层接地金属化通孔和下层电磁屏蔽金属化通孔，所述下层电磁屏蔽金属化通孔作为凋零模式谐振柱；所述信号馈入部分和所述信号馈出部分与所述凋零模式谐振柱之间不通过物理连通；
8.所述上介质层和所述下介质层通过所述上层接地金属化通孔和所述下层接地金属化通孔实现共地；
9.微波信号沿位于所述上介质层的所述信号馈入部分输入，经所述下介质层的所述凋零模式谐振柱谐振滤波，再从所述上介质层的所述信号馈出部分传出。
10.在一种可能的实现方式中，所述上介质层包括上层晶圆硅片以及设于其上表面和下表面的上层上表面金属化图形和上层下表面金属化图形，所述上层上表面金属化图形包括所述信号馈入部分、屏蔽金属层和所述信号馈出部分，所述屏蔽金属层连接于所述信号馈入部分和信号馈出部分之间；所述上层下表面金属化图形包括上层下表面电磁屏蔽金属化框及与所述上层下表面电磁屏蔽金属化框隔离设置的上层下表面容性加载片；所述上层接地金属化通孔贯穿所述上层晶圆硅片、所述上层上表面金属化图形和所述上层下表面金属化图形；
11.所述下介质层包括下层晶圆硅片以及设置于其上表面和下表面的下层上表面金属化图形和下层下表面金属化图形，所述下层上表面金属化图形包括下层上表面电磁屏蔽金属化框以及与所述下层上表面电磁屏蔽金属化框隔离的下层上表面容性加载片；所述上
层下表面电磁屏蔽金属化框匹配所述下层上表面电磁屏蔽金属化框，所述上层下表面容性加载片匹配所述下层上表面容性加载片，所述下层上表面金属化图形与所述上层下表面金属化图形键合，以使所述上介质层与所述下介质层实现键合；所述下层接地金属化通孔和所述凋零模式谐振柱均贯穿所述下层晶圆硅片、所述下层上表面金属化图形和所述下层下表面金属化图形。
12.在一种可能的实现方式中，所述上层上表面金属化图形还包括分别匹配所述信号馈入部分和所述信号馈出部分的匹配枝节；
13.所述信号馈入部分包括信号馈入线和沿第一方向对称设置于所述信号馈入线两侧的第一接地线部分；
14.所述信号馈出部分包括信号馈出线和沿所述第一方向对称设置于所述信号馈出线两侧的第二接地线部分；
15.所述微波信号从所述信号馈入线输入，经对应的所述匹配枝节、所述屏蔽金属层后，经所述下介质层的所述凋零模式谐振柱电磁耦合，再经对侧的所述匹配枝节匹配，从所述信号馈出线输出。
16.在一种可能的实现方式中，所述下介质层设有多组谐振单元，多组所述谐振单元沿所述下介质层的第二方向对称，每组所述谐振单元包括多个凋零模式谐振柱，其中，每组所述谐振单元对应一个所述下层上表面容性加载片。
17.在一种可能的实现方式中，各组所述谐振单元之间的间距大小，可根据端口匹配以及带宽要求调整。
18.在一种可能的实现方式中，各组所述谐振单元中所述凋零模式谐振柱数量相同。
19.在一种可能的实现方式中，各组所述谐振单元中凋零模式谐振柱的数量，至少有一组的数量与其他组的数量不同。
20.在一种可能的实现方式中，各组所述谐振单元中，所述凋零模式谐振柱的间距不同，对称设置的所述谐振单元中的所述凋零模式谐振柱的数量及布局相同。
21.在一种可能的实现方式中，各组所述谐振单元在所述下介质层所处的水平面内，均具有360
°
旋转的自由度。
22.在一种可能的实现方式中，各所述下层上表面容性加载片的尺寸，根据对应的不同组所述凋零模式谐振柱的间距及数量的不同，具有不同的外形尺寸。
23.本发明提供的凋零模式结构微机械滤波器，与现有技术相比，有益效果在于：上层馈电部分与下层凋零模式谐振柱之间没有物理连通，也即不是通过结构直接连通，而是通过电磁凋零模式的谐振原理，使上层微波信号的传输路径改变，传输到下层电磁凋零模式谐振柱，经谐振滤波后，再改变传输路径，上传到上层馈电部分，进而完成滤波功能。
24.其中，通过调整凋零模式谐振柱的数量、之间间距、排列方向等，调整凋零模式谐振柱之间的耦合量，从而实现滤波器的极窄和极宽的性能，能够实现高性能微波尤其是微机械滤波器，并且有利于5g通信系统的小型化、模块化，降低了系统成本。
25.本发明是将凋零模式结构与微机械滤波器相结合，将mems工艺应用到凋零模式结构中，并将谐振耦合结构进行变形和重构，能够提升产品的性能；凋零模式结构的微机械滤波器具备窄带宽和超宽带全面覆盖、体积小、相位一致性高、谐波抑制远、q值高的特点。
附图说明
26.图1为本发明实施例提供的凋零模式结构微机械滤波器的爆炸结构示意图；
27.图2为本发明实施例提供的凋零模式结构微机械滤波器的立体结构示意图；
28.图3为图2提供的凋零模式结构微机械滤波器的局部结构示意图；
29.图4为本发明实施例提供的上层上表面金属化图形的结构示意图；
30.图5为本发明实施例所采用的上层晶圆硅片的结构示意图；
31.图6为本发明实施例所采用的上层下表面金属化图形的结构示意图；
32.图7为本发明实施例所采用的下层上表面金属化图形的结构示意图；
33.图8为本发明实施例所采用的下层晶圆硅片的结构示意图；
34.图9为本发明实施例所采用的下层下表面金属化图形的结构示意图；
35.附图标记说明：
36.1、上介质层；
37.11、上层上表面金属化图形；111、信号馈入部分；1111、信号馈入线；1112、第一接地线部分；112、屏蔽金属层；113、信号馈出部分；1131、信号馈出线；1132、第二接地线部分；114、匹配枝节；
38.12、上层晶圆硅片；
39.13、上层下表面金属化图形；131、上层下表面电磁屏蔽金属化框；132、上层下表面容性加载片；
40.14、上层接地金属化通孔；
41.2、下介质层；
42.21、下层上表面金属化图形；211、下层上表面电磁屏蔽金属化框；212、下层上表面容性加载片；
43.22、下层晶圆硅片；23、下层下表面金属化图形；24、下层接地金属化通孔；25、凋零模式谐振柱；26、谐振单元。
具体实施方式
44.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位或位置关系的术语，其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装置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。
46.请一并参阅图1至图9，现对本发明提供的凋零模式结构微机械滤波器进行说明。所述凋零模式结构微机械滤波器，包括：上介质层1以及下介质层2，上介质层1设有上层接地金属化通孔14、信号馈入部分111和信号馈出部分113；下介质层2层叠且键合于上介质层1的下面，下介质层2设有下层接地金属化通孔24和下层电磁屏蔽金属化通孔，下层电磁屏蔽金属化通孔作为凋零模式谐振柱25；信号馈入部分111和信号馈出部分113与凋零模式谐振柱25之间不通过物理连通；上介质层1和下介质层2通过上层接地金属化通孔14和下层接
地金属化通孔24实现共地；微波信号沿位于上介质层1的信号馈入部分111输入，经下介质层的凋零模式谐振柱25谐振滤波，再从上介质层1的信号馈出部分113传出。
47.本实施例提供的凋零模式结构微机械滤波器，与现有技术相比，上层馈电部分与下层凋零模式谐振柱25之间没有物理连通，也即不是通过结构直接连通，而是通过电磁凋零模式的谐振原理，使上层微波信号的传输路径改变，传输到下层电磁凋零模式谐振柱25，经谐振滤波后，再改变传输路径，上传到上层馈电部分，进而完成滤波功能。
48.其中，通过调整凋零模式谐振柱25的数量、之间间距、排列方向等，调整凋零模式谐振柱25之间的耦合量，从而实现滤波器的极窄和极宽的性能，能够实现高性能微波尤其是微机械滤波器，并且有利于5g通信系统的小型化、模块化，降低了系统成本。
49.本发明是将凋零模式结构与微机械滤波器相结合，将mems工艺应用到凋零模式结构中，并将谐振耦合结构进行变形和重构，能够提升产品的性能；凋零模式结构的微机械滤波器具备窄带宽和超宽带全面覆盖、体积小、相位一致性高、谐波抑制远、q值高的特点。
50.作为本实施例提供的凋零模式结构微机械滤波器的具体实施方式，参见图1至图6，上介质层1包括上层晶圆硅片12以及设于其上表面和下表面的上层上表面金属化图形11和上层下表面金属化图形13，上层上表面金属化图形11包括信号馈入部分111、屏蔽金属层112和信号馈出部分113，屏蔽金属层112连接于信号馈入部分111和信号馈出部分113之间；上层下表面金属化图形13包括上层下表面电磁屏蔽金属化框131及与上层下表面电磁屏蔽金属化框131隔离设置的上层下表面容性加载片132；上层接地金属化通孔14贯穿上层晶圆硅片12、上层上表面金属化图形11和上层下表面金属化图形13。
51.参见图7至图9，下介质层2包括下层晶圆硅片22以及设置于其上表面和下表面的下层上表面金属化图形21和下层下表面金属化图形23，下层上表面金属化图形21包括下层上表面电磁屏蔽金属化框211以及与下层上表面电磁屏蔽金属化框211隔离的下层上表面容性加载片212；上层下表面电磁屏蔽金属化框131匹配下层上表面电磁屏蔽金属化框211，上层下表面容性加载片132匹配下层上表面容性加载片212，下层上表面金属化图形21与上层下表面金属化图形13键合，以使上介质层1与下介质层2实现键合；下层接地金属化通孔24和凋零模式谐振柱25均贯穿下层晶圆硅片22、下层上表面金属化图形21和下层下表面金属化图形23。
52.本实施例中，上介质层1和下介质层2均为高阻硅介质。具体示例如下：上层晶圆硅片12厚100μm，由标准的250μm厚晶圆硅片，通过抛光、减薄以及表面态的处理后制成而成；下层晶圆硅片22厚400μm，也由标准晶圆硅片，通过抛光、减薄以及表面态的处理后制成而成。上介质层1和下介质层2之间通过上层下表面金属化图形13和下层上表面金属化图形21之间通过金金键合技术封装，实现产品具备全密封盒电磁屏蔽的优点。
53.本实施例的上介质层1与下介质层2通过金金键合工艺实现，使上下层介质共融在一起，上述工艺完成后，采用划片工艺，将上述晶圆切割成小片，即可完成了凋零模式结构微机械滤波器。
54.本发明实施例以凋零模式结构为基础，在晶圆上制作出微机械滤波器，该方法不仅的结构上进行了创新，而且兼顾了半导体工艺的优势，其能够实现窄带宽和超宽带全面覆盖，而且体积小、相位一致性高、谐波抑制远、q值高等特点。
55.其中，上层上表面金属化图形11、上层下表面金属化图形13、下层上表面金属化图
形21以及下层下表面金属化图形23的厚度均为3.5微米。
56.作为本实施例提供的上层上表面金属化图形11的一种具体实施方式，参见图4所示，上层上表面金属化图形11还包括分别匹配信号馈入部分111和信号馈出部分113的匹配枝节114；信号馈入部分111包括信号馈入线1111和沿第一方向对称设置于信号馈入线1111两侧的第一接地线部分1112；信号馈出部分113包括信号馈出线1131和沿第一方向对称设置于信号馈出线1131两侧的第二接地线部分1132。信号馈入部分111和信号馈出部分113均采用共面波形式，由信号馈入线1111部分和两个接地线部分，接地线通过接地金属化通孔与下介质层2接地，达到接地效果。信号馈入线1111和信号馈出线1131相连的匹配枝节114，实现不同频率和带宽滤波器的阻抗匹配，同时匹配枝节114与下层的凋零模式谐振柱25达到电磁耦合的效果，形成能量的传输。其中，匹配枝节114直接与上层屏蔽金属层112相连接，屏蔽金属层112通过上介质层1左右两端的金属化通孔与下介质层2的接地层连接，达到共地的效果。
57.微波信号的传输过程如下：微波信号从信号馈入线1111输入，经对应的匹配枝节114、屏蔽金属层112后，改变传输方向向下传输，经下介质层2的凋零模式谐振柱25电磁耦合，再改变传输方向向上传输，再经上介质层1对侧的匹配枝节114匹配，从信号馈出线1131输出。进而完成滤波功能。
58.作为本实施例提供的下介质层2的具体实施方式，参见图7至图9，下介质层2设有多组谐振单元26，多组谐振单元26沿下介质层2的第二方向对称，每组谐振单元26包括多个凋零模式谐振柱25，其中，每组谐振单元对应一个下层上表面容性加载片212。图7中虚线圈为一个谐振单元，设有四组谐振单元。
59.本实施例以图1为例，定义第一方向为上介质层1和下介质层2的左右方向，定义第二方向为上介质层1和下介质层2的前后方向。
60.本实施例提供的凋零模式结构微机械滤波器的设计构思如下：参见图7至图9，下介质层2上设有一定数量的金属化通孔，而这些通孔在电磁应用上分两种，一种是电磁屏蔽金属化通孔，另外一种则是参与产品性能的谐振功能的通孔。本技术巧妙利用金属化通孔作为凋零模式谐振柱25，其关于第二方向，或者称沿下介质层2左右方向的中心线左右对称分布，对孔的数量和位置进行控制。
61.参见图7至图9，谐振单元的布局具有多种方式，设置实施例如下：例如，数量的变化，可以根据具体指标设置至少两个前后方向并列的凋零模式谐振柱25，凋零模式谐振柱25无论数量多少，在同一列上共同起到一个谐振单元26的作用；距离的变化，并且同一列等效凋零模式谐振柱25之间的距离可变，也即可根据端口匹配以及带宽要求调整，灵活性较强；不同谐振单元数量及距离的变化，不同排的谐振器都等效为谐振单元，谐振单元之间可以通过调整凋零模式谐振柱25的数量、排列方向等方法，在相同间距的情况下调整谐振单元之间的耦合量，基于此项变化，能够实现滤波器的极窄和极宽带宽的性能，并且滤波器的总体尺寸还可以统一，打破了以往传统滤波体积受限的限制，能够在统一小尺寸的条件下实现产品的多样性。
62.本实施例参见图7至图9，设有四组谐振单元，沿下介质层2第一方向排列，每组谐振单元26前后并列两个凋零模式谐振柱25，谐振单元左右称对称分布。微波信号传输过程如下：上层信号馈入线1111与下层凋零模式谐振杆没有物理连通，而是通过电磁凋零模式
的谐振原理，使上层微波信号的传输路径改变，传输到下层电磁凋零模式谐振柱25，通过4级谐振杆滤波后，再改变传输路径，上传到上层信号馈出线1131，进而完成滤波功能。
63.作为谐振单元的布局结构的一种实施方式，参见图7至图9，各组谐振单元之间的间距大小，可根据端口匹配以及带宽要求调整。例如，下介质层2左侧的两组谐振单元之间的距离大小可以调整。
64.作为谐振单元的布局结构的另一种实施方式，参见图7至图9，各组谐振单元中凋零模式谐振柱25数量相同。每组谐振单元中并列两个凋零模式谐振柱25，在其他的实施例中，一组谐振单元可以并列三个、四个等数量的凋零模式谐振柱25，其中，每组谐振单元中的凋零模式谐振柱25的数量相同，但间距可以相同也可以不同。
65.作为谐振单元的布局结构的另一种实施方式，参见图7至图9，各组谐振单元中凋零模式谐振柱25的数量，至少有一组的数量与其他组的数量不同。例如，左侧的两组谐振单元，最左侧的一组谐振单元中凋零模式谐振柱25的数量为两个，靠近中心的一组谐振单元中的凋零模式谐振柱25为三个；谐振单元左右对称。本实施例可以结合谐振单元之间间距的调整设计滤波器。
66.作为谐振单元的布局结构的另一种实施方式，参见图7至图9，各组谐振单元26中，凋零模式谐振柱25的间距不同，对称设置的谐振单元中的凋零模式谐振柱25的数量及布局相同。
67.作为谐振单元的布局结构的另一种实施方式，各组谐振单元26在下介质层2所处的水平面内，均具有360
°
旋转的自由度。例如，每组谐振单元26在图7所示的角度逆时针或顺时针旋转90
°
。再例如，也可以顺时针或逆时针旋转45
°
等。
68.上述各谐振单元26的布局实施例均有所侧重，在实际设计时，可以单独使用，也可以结合使用。
69.由于各谐振单元26中，凋零模式谐振柱25的数量、间距等可能有所不同，因此作为一种具体的实现方式，参见图1至图3、图6及图7，各下层上表面容性加载片212的尺寸，根据对应的不同组凋零模式谐振柱25的间距及数量的不同，具有不同的外形尺寸。本实施例对应四组谐振单元，对应的每层均设有四个容性加载片。通过对应的金属框及对应的容性加载片的键合，提高上下介质层2键合的可靠性，降低剥离的风险。
70.作为本实施例提供的上层上表面金属化图形11的一种具体实施方式，参见图1至图9，上介质层1的前后及左右对称设有多个上层接地金属化通孔14，其中，前后设置的上层接地金属化通孔14贯穿屏蔽金属层112，左右设置的上层接地金属化通孔14对应的贯穿第一接地线部分1112和第二接地线部分1132；下介质层2的前后两侧对称设有多个下层接地金属化通孔24，上层接地金属化通孔14与下层接地金属化通孔24不完全垂直互通。也即可以有部分金属化通孔垂直，也可以部分金属化通孔不垂直。
71.其中，上层接地金属化通孔14为圆孔，下层接地金属化通孔24和作为谐振柱的下层电磁屏蔽金属化通孔为长圆孔。
72.综上所述，本例中利用了两个接地孔等效谐振单元的方式，通过控制两个接地孔的相对位置(也即凋零模式谐振柱)，能够调整相邻谐振单元之间的耦合量，馈入端的凋零模式谐振柱与馈出端的凋零模式谐振柱的间距较大，分别处于金属化框围成的腔的边缘。在实际设计中，凋零模式谐振柱的方向还可旋转角度，即在目前的角度旋转至90
°
，这样可
以实现更宽带宽。
73.本实施例的凋零模式谐振柱采用刻蚀工艺实现，下层电磁屏蔽金属化通孔的大小为250
×
120
×
400mm，本技术利用了标准化的接地孔设计电磁屏蔽金属化通孔，降低制作成本和工艺难度；其次，与微机械工艺相结合，能够精确的制作出图形，实现了产品的性能稳定和批量产品的相位一致性；再次，谐振单元的灵活排布，使得滤波器寄生通带的耦合较难实现，具备超远寄生的特点，也就具备了实现远谐波抑制的特点。
74.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。