一种体声波双工器的制作方法

1.本发明涉及滤波器器件技术领域，具体涉及一种体声波双工器。


背景技术：

2.随着第五代移动通信(5th-generation,5g)商用化的确立，将推动移动终端射频前端器件需求和价值的提升，对高性能的双工器的需求也随之增多。市场需求是推动技术创新和发展的动力，5g的来临除了会使双工器需求量增长，还会不断提高对其性能要求，而目前能实现该高性能要求的技术主要有两种，即体声波(bulk acoustic wave,baw)和表面声波(surface acoustic wave，saw)。而其中基于体声波技术的器件主要利用压电晶体的压电效应产生谐振，由于压电晶体的晶向生长目前能够良好控制，其能以更低的插入损耗，提供出众的性能(更高质量因子)，能够应对陡峭过渡带和低插入损耗等复杂设计要求。以此为核心的滤波器/双工器，在通讯系统中得到了广泛的应用。目前通信系统向着多频段、多体制、多模式方向发展，使用的频段越来越密集，为了提高通信质量，减少各频段之间的干扰，势必对滤波器/双工器等频率选择性器件的相邻频带抑制水平提出更高的要求，既要提高临带抑制及隔离度，又不能造成插损恶化。通常采用增加滤波器/双工器的级数或在并联支路上串联电感来提高带外抑制，但其带来的弊端是会恶化带内插损，增加器件尺寸，因此在不恶化器件插损且不增加其尺寸的情况下，同时具有较好的临带抑制及隔离度仍是亟待解决的问题。
3.通常体声波器件会在梯型结构并联支路中并联谐振器与地之间还设置有串联电感(通常设置在基板中)，通过改变谐振器的谐振频率来调整传输零点的位置，以获得更好的带外抑制性能。或者通过在某些谐振器上增加额外的电容或电感的方式来改善临带抑制。通常采用的方式为在基板中通过绕线的方式实现及在芯片外增加分立元件实现，由于绕线/分立元件的存在除了会增大损耗，也会增加芯片尺寸。此外由于基板中电感电磁耦合的存在也会造成传输零点偏移导致体声波器件带外抑制恶化。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种体声波双工器，以提高体声波双工器的临带抑制及隔离度。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种体声波双工器，包括：
7.封装基板，其上表面设有金属层；
8.发送滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，包括至少两个谐振器；所述发送滤波器晶圆的谐振器与封装基板的上表面金属层之间形成第一mim电容；
9.接收滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，且与所述发送滤波器晶圆共面，包括至少两个谐振器；所述接收滤波器晶圆的谐振器与封装基板的上表面金属层之间形成第二mim电容，且第二mim电容通过封装基板的上表面金属层与第一mim电容电性连接。
10.进一步地，所述封装基板的上表面金属层具体包括：
11.呈十字型排列的第一金属层和第二金属层，以及设置在第一金属层和第二金属层外侧的多个第三金属层；
12.所述第一金属层分别与发送滤波器晶圆的谐振器和接收滤波器晶圆的谐振器形成第一mim电容和第二mim电容，且将第一mim电容与第二mim电容电性连接；
13.所述第二金属层与第一金属层不接触的设置在发送滤波器晶圆与接收滤波器晶圆之间；
14.所述第三金属层与发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆的接地端电性连接。
15.进一步地，所述发送滤波器晶圆具体包括：
16.由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的发送滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极、压电层和顶电极。
17.进一步地，所述发送滤波器中，
18.天线端口与相邻的串联谐振器的顶电极相连，该串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连，该相邻的串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连；
19.或天线端口与相邻的串联谐振器的底电极相连，该串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连，该相邻的串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连。
20.进一步地，所述接收滤波器晶圆具体包括：
21.由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的接收滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极和顶电极。
22.进一步地，所述接收滤波器中，
23.天线端口与相邻的串联谐振器的顶电极相连，该串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连，该相邻的串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连；
24.或天线端口与相邻的串联谐振器的底电极相连，该串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连，该相邻的串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连。
25.进一步地，所述并联谐振器的顶电极或底电极通过焊球与封装基板的上表面的第三金属层电性连接。
26.进一步地，所述封装基板的上表面的第三金属层通过封装基板中的通孔或绕线电感连接到封装基板的下表面金属层。
27.本发明具有以下有益效果：
28.本发明通过在谐振器顶电极与封装基板之间形成mim电容，通过调整mim电容c1及c2的大小及位置，从而在不增加更多层基板也不引入分立元件的情况下，改变发送滤波器和接收滤波器的带外抑制点，将其移动到所需位置，以改善双工器的隔离度。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的一种体声波双工器的结构示意图；
30.图2为本发明实施例提供的一种体声波双工器的俯视图；
31.图3为本发明实施例提供的一种体声波双工器和对比例的性能曲线示意图。
具体实施方式
32.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
33.如图1所示，本发明实施例提供了一种体声波双工器，包括：
34.封装基板，其上表面设有金属层；
35.发送滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，包括至少两个谐振器；发送滤波器晶圆的谐振器与封装基板的上表面金属层之间形成第一mim电容；
36.接收滤波器晶圆，其设置在封装基板的上方，且与发送滤波器晶圆共面，包括至少两个谐振器；接收滤波器晶圆的谐振器与封装基板的上表面金属层之间形成第二mim电容，且第二mim电容通过封装基板的上表面金属层与第一mim电容电性连接。
37.在本领域中，现有双工器通常是采用金属密封环通过晶圆级封装(wlp)将滤波器晶圆和封装晶圆(cap wafer)金属键合到一起，金属密封环和滤波器晶圆上的谐振器fbar通过封装晶圆的过孔以倒装焊的方式与封装基板的金属层上表面相对应的图案实现电气连接。
38.本发明通过采用去掉晶圆级封装(wlp)的封装方式，直接将滤波器晶圆通过焊球以倒装焊的方式焊接到封装基板的上表面，再通过封装基板中的通孔或者绕线电感连接到封装基板的下表面。本发明所采用的封装方式，由于去掉用于晶圆级封装的封装晶圆，能够减少封装环节，缩短研发周期，同时也大大降低了研发成本；其次由于减少封装晶圆，并且将发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆共面焊接到封装基板的上表面，使器件在高度上大大降低，缩小了芯片体积；最后由于直接将滤波器晶圆通过焊球以倒装焊的方式焊接到封装基板的上表面，去掉了封装晶圆上的金属过孔，使器件损耗得以优化。
39.并且，本发明在谐振器与封装基板之间形成mim(metal-insulator-metal，金属-绝缘体-金属)电容，通过特定的连接方式使其集成在梯形结构的双工器特定位置，从而在不增加更多层基板也不引入分立元件的情况下，在发送滤波器的并联谐振器和接收滤波器的并联谐振器之间实现耦合电容，改变发送滤波器和接收滤波器的带外抑制点，将其移动到所需位置，以改善双工器的隔离度。
40.在本发明的一个可选实施例中，如图2所示，本发明设置在封装基板的上表面的金属层具体包括：
41.呈十字型排列的第一金属层和第二金属层，以及设置在第一金属层和第二金属层外侧的多个第三金属层；
42.第一金属层分别与发送滤波器晶圆的谐振器和接收滤波器晶圆的谐振器形成第一mim电容和第二mim电容，且将第一mim电容与第二mim电容电性连接；
43.第二金属层与第一金属层不接触的设置在发送滤波器晶圆与接收滤波器晶圆之间；
44.第三金属层与发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆的接地端电性连接。
45.具体而言，本发明的封装基板的上表面的第一金属层横向设置在发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆之间，且两端部分分别与发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆重叠；第一金属层的两端重叠部分分别与发送滤波器晶圆的谐振器和接收滤波器晶圆的谐振器形成第一mim电容和第二mim电容，并通过第一金属层的中间部分将第一mim电容与第二mim电容串联连接，从而使电容集成在梯形结构的双工器接入点之间，在不增加更多层基板也不引入分立元件的情况下，能够在发送滤波器的并联谐振器和接收滤波器的并联谐振器之间实现耦合电容，改变发送滤波器和接收滤波器的带外抑制点，将其移动到所需位置，以改善双工器的隔离度。
46.本发明的封装基板的上表面的第二金属层纵向设置在发送滤波器晶圆与接收滤波器晶圆之间，其包括分列在第一金属层上下两侧的两部分金属层，从而能够将双工器发送滤波器和接收滤波器隔开，并且将发送滤波器和接收滤波器的输入输出和ant隔开，减小其之间的耦合，从而进一步改善双工器的隔离度。
47.本发明的封装基板的上表面的第三金属层设置为多个，排布在第一金属层和第二金属层的外侧。第三金属层的设置数据根据天线端口、发送端口、接收端口及谐振器数量确定，即为天线端口数量、发送端口数量、发送滤波器晶圆中并联谐振器数量的总和。各个第三金属层通过封装基板中的通孔或绕线电感连接到封装基板的下表面金属层进行接地。
48.在本发明的一个可选实施例中，本发明的发送滤波器晶圆具体包括：
49.由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的发送滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极和顶电极。
50.具体而言，在天线端口和发送端口之间由多个串联连接的串联谐振器、以及分别并联于相邻两个串联谐振器之间的并联谐振器构成梯形结构的发送滤波器。其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及依次设置在衬底上方的底电极、压电层、顶电极和保护层。
51.在发送滤波器中，
52.天线端口与相邻的串联谐振器的顶电极相连，该串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连，该相邻的串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连；
53.或天线端口与相邻的串联谐振器的底电极相连，该串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连，该相邻的串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连。
54.具体而言，如图2所示，天线端口1与相邻的串联谐振器ts1的顶电极(如图2中较稀疏的上对角线网格所示)相连，串联谐振器ts1的底电极(如图2中较密集的下对角线网格所示)与其相邻的串联谐振器ts2和并联谐振器tp1的底电极相连，并联谐振器tp1的顶电极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接，串联谐振器ts2的顶电极与其相邻的串联谐振器ts3和并联谐振器tp2的顶电极相连，并联谐振器tp2的顶电极与封装基板的上表面的第一金属层的一端重叠形成第二mim电容(如图2中圆圈示出c2)，并联谐振器tp2的底电极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接，串联谐振器ts3的底电极与其相邻的串联谐振器ts4和并联谐振器tp3的底电极相连，并联谐振器tp3的顶电
极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接，串联谐振器ts4的顶电极与其相邻的并联谐振器tp4的顶电极相连，并通过焊球与封装基板的上表面的发送端口电性连接，并联谐振器tp4的底电极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接。
55.本发明的接收滤波器晶圆具体包括：
56.由多个串联谐振器和并联谐振器构成梯形结构的接收滤波器；其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及设置在衬底上方的底电极和顶电极。
57.具体而言，在天线端口和发送端口之间由多个串联连接的串联谐振器、以及分别并联于相邻两个串联谐振器之间的并联谐振器构成梯形结构的接收滤波器。其中各个串联谐振器和并联谐振器均包括衬底、以及依次设置在衬底上方的底电极、压电层、顶电极和保护层。
58.在接收滤波器中，
59.天线端口与相邻的串联谐振器的顶电极相连，该串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连，该相邻的串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连；
60.或天线端口与相邻的串联谐振器的底电极相连，该串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连，该相邻的串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连。
61.具体而言，如图2所示，天线端口1与相邻的串联谐振器rs1的顶电极(如图2中较稀疏的上对角线网格所示)相连，串联谐振器rs1的底电极(如图2中较密集的下对角线网格所示)与其相邻的串联谐振器rs2和并联谐振器rp1的底电极相连，并联谐振器rp1的顶电极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接，串联谐振器rs2的顶电极与其相邻的串联谐振器rs3和并联谐振器rp2的顶电极相连，并联谐振器rp2的顶电极与封装基板的上表面的第一金属层的另一端重叠形成第一mim电容(如图2中圆圈示出c1)，并联谐振器rp2的底电极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接，串联谐振器rs3的底电极与其相邻的串联谐振器rs4和并联谐振器rp3的底电极相连，并联谐振器rp3的顶电极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接，串联谐振器rs4的顶电极与其相邻的并联谐振器rp4的顶电极相连，并通过焊球与封装基板的上表面的接收端口电性连接，并联谐振器rp4的底电极通过焊球与封装基板的上表面的对应第三金属层电性连接。
62.本发明在布局串并联的滤波器时，采用从输入端口与相邻的串联谐振器的顶电极相连，该串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连，该相邻的串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连；或输入端口与相邻的串联谐振器的底电极相连，该串联谐振器的顶电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的顶电极相连，该相邻的串联谐振器的底电极与其相邻的串联谐振器和并联谐振器的底电极相连两种连接方式，实现相邻谐振器全部通过顶电极或者全部通过底电极在同一平面直接连接的方式，避免某一谐振器需要顶电极与其他相邻谐振器底电极连接的方式(顶电极与底电极不在一个平面，且中间有不导电的压电层将上下两层金属隔开，若出现顶电极与底电极连接，则需要将中间的压电层镂空，使沉积顶电极的时候陷入压电层镂空区域，而与底电极连接，此时电极之间的连接由于不在一个平面，会由于寄生效应而导致性能受损)，同时进一步减小了器件尺寸，实现了器件小型化。
63.在本发明的一个可选实施例中，本发明的发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆与封装之间，通过发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆中并联谐振器的顶电极或底电极，通过焊球与封装基板的上表面的第三金属层电性连接。
64.并且，封装基板的上表面的第三金属层通过封装基板中的通孔或绕线电感连接到封装基板的下表面金属层。
65.本发明通过直接将发送滤波器晶圆和接收滤波器晶圆通过焊球以倒装焊的方式焊接到封装基板的上表面，去掉了封装晶圆上的金属过孔，使器件损耗得以优化。
66.实施例和比较例的性能曲线如图3所示。虚线是实施例的性能曲线，实线是对比例的性能曲线。实施例通过在谐振器顶电极与封装基板之间形成mim电容，通过调整mim电容c1及c2的大小及位置，从而在不增加更多层基板也不引入分立元件的情况下，在发送滤波器的并联谐振器和接收滤波器的并联谐振器之间实现耦合电容，改变发送滤波器和接收滤波器的带外抑制点，将其移动到所需位置，以改善双工器的隔离度。如本实施例中电容c1、c2分别接在接收滤波器第二个并联支路rp2的远地端以及发送滤波器第一个并联支路tp 1的远地端，将tx滤波器和rx滤波器的带外抑制点移动到合适的位置，从而提高双工器的隔离度。从仿真结果可以看出，双工器的rx对tx的隔离度在改善较小，tx对rx的隔离度在1.74ghz-1.77ghz改善明显，最大约3db。
67.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
68.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。