一种FBAR陷波器的宽带POC集成结构的制作方法

一种fbar陷波器的宽带poc集成结构
技术领域
1.本发明涉及微波电路领域，特别涉及一种fbar陷波器的宽带poc集成结构。


背景技术：

2.无源滤波器的尺寸是制约射频前端高密度集成的重要因素之一，因此小型化一直是滤波器发展的重要趋势，电子装备减重、低剖面等硬性要求对无源滤波器提出了小型化的同时也保持了高性能的要求。传统微波陷波器，以电磁波为传输载质，一般采用悬置线结构，谐振器间的间隔约为四分之一波长，频率越低，器件尺寸越大，尤其在p波段、l波段，传统电学陷波器尺寸更大，集成难度较大。ltcc滤波器同样以电磁波作为传输载质，虽然设计尺寸在研究者的探究下已经降低至毫米量级，可以满足普通集成应用要求，但仍不能满足sip级高密度集成应用要求。另外在射频、微波频段应用较广泛的平面微带滤波器，虽然将尺寸降低至毫米量级，但是在p/l波段，尺寸达到十几毫米，依旧难以满足日益强烈的高密度集成需求。
3.不同于传统微波陷波器，fbar技术为声学陷波器技术，以声波谐振方式，可以将同频点下的尺寸直接缩减数十倍，甚至高频裸芯片可达到百微米量级。由于fbar陷波器的阻带抑制和高低端驻波呈现相互制约的特点，阻带抑制越大，通带远端插损的陡降点会越来越趋近阻带位置，因此难以在宽带领域应用。
4.为了增大fbar陷波器的通带带宽，需要外加匹配电路来实现，通常采用匹配电感增加谐振点的方式来达到优化目的。由于匹配电感的感值较高，甚至达到10nh量级，常用的电感匹配方式是在组件中采用漆包线线圈电感装配，该电感需要通过垫块焊接到地，虽然装配较简单，但是垫块在振动等环境实验验证中容易脱落，导致工艺可靠性低。另外，该装配方式对电感精度和电感与射频接口的匹配距离较敏感，如图1所示，为不同匹配电感和同匹配电感不同匹配距离获得的陷波器性能结果，可以看到fbar陷波性能对电感线圈圈数的依赖很明显；另外当匹配相同圈数的电感，而匹配距离变化时，fbar陷波器的性能也会随之变化，可知该匹配电感方式获得的fbar陷波性能和一致性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，提供了一种fbar陷波器的宽带poc(passive on ceramics)集成结构，该结构可以通过灵活调节宽带匹配电路中匹配电感的数量、位置和感值(可达十几nh)来调整传输极点的位置，能够有效解决fbar陷波器通带插损驻波和阻带抑制之间的矛盾，在保证阻带抑制的同时优化通带插损和驻波，大幅提高fbar陷波器的应用通带带宽。
6.本发明采用的技术方案如下：一种fbar陷波器的宽带poc集成结构，包括fbar陷波器芯片与宽带匹配电路结构，所述宽带匹配电路结构包括一介质基板，介质基板表面设有一用于粘接fbar器件的金属图形区域、两个射频接口、至少一个接地焊盘以及至少两个二维平面螺旋形式的匹配电感；所述fbar陷波器芯片安装在金属图形区域，其射频端口分别
对应与射频接口连接，其接地端口与接地焊盘连接；所述两个射频接口均分别通过匹配电感接至接地焊盘。
7.进一步的，所述fbar陷波器芯片的射频端口通过金丝键合的方式与射频接口连接，fbar陷波器芯片的接地端口通过金丝键合的方式与接地焊盘连接；所述射频接口通过金丝键合的方式与匹配电感连接。
8.进一步的，所述fbar陷波器芯片的接地端口同样通过匹配电感接至接地焊盘，匹配电感的一端通过金丝键合方式连接接地端口，另一端接至接地焊盘。
9.进一步的，所述射频接口上设有过渡结构，通过过渡结构与匹配电感的一端连接。
10.进一步的，所述匹配电感以一端为中心，另一端围绕中心螺旋缠绕，形成二维平面螺旋形式的匹配电感，整体呈方形、圆形或正多边形；匹配电感中心端设有金属焊盘，通过金属焊盘与过渡结构连接，另一端与接地焊盘连接。
11.进一步的，所述匹配电感的线宽、线距以及线圈螺旋匝数根据实际需求调整，以获取需要的感值。
12.进一步的，所述接地焊盘中设有接地通孔连接至介质基板背面，介质基板背面为整面金属地；所述接地通孔内壁做金属化处理。
13.进一步的，所述射频接口采用阻抗匹配的微带线结构实现。
14.进一步的，所述金属图形区域尺寸由fbar陷波器尺寸单边外扩0～0.2mm实现，其材质适用于粘接导电胶或红胶，通过导电胶或红胶将陷波器芯片粘接在金属图形区域。
15.进一步的，所述介质基板为适用于薄膜工艺的介质基板，采用氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、普通玻璃或石英玻璃实现。
16.与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本技术的结构在fbar陷波器的通带远端引入一对传输极点，同时可以更加灵活地调整传输极点的位置，使其更大程度远离阻带，不仅有效解决了阻带抑制与通带驻波相互矛盾的问题，还优化了插损驻波特性，大幅提高了通带带宽，实现了小型化、低插损、低驻波、3.5倍频宽通带的fbar陷波性能。该结构体积小，应用的工艺可靠性高，不仅适用于射频混合集成电路等，更适用于射频微模组、三维堆叠重构等高密度集成应用领域，相较于现有方案，在性能上，宽带性能更好，一致性更高；在体积上，小型化、集成密度更高；在应用上，结构实现简单，工艺可靠性稳定性更高。
附图说明
17.图1为现有方案中不同匹配感值和同匹配感值不同匹配距离获得的fbar陷波器性能结果示意图。
18.图2为本发明一实施例中的fbar陷波器的宽带poc集成结构图。
19.图3为本发明一实施例中宽带匹配电路结构中器件粘接和互联结构示意图。
20.图4为本发明一实施例中匹配电感示意图。
21.图5为本发明一实施例中宽带匹配电路结构示意图。
22.图6为本发明一实施例中无匹配电路结构的fbar陷波器性能图。
23.图7为本发明一实施例中宽带poc集成结构的fbar陷波器性能图。
24.图8为本发明一实施例中宽带poc集成结构的fbar陷波器驻波特性图。
25.附图标记：10-介质基板，100-fbar器件粘接和互联结构，200-匹配电感，300-fbar陷波器芯片，101-金属图形区域，102-射频接口，103-接地焊盘，104-接地通孔，105-过渡结构，106-方形电感，107-金属焊盘，108-金丝键合。
具体实施方式
26.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
27.本实施例提出了一种fbar陷波器的宽带poc集成结构，该poc集成结构中的宽带匹配电路结构简单，与传统薄膜工艺及微组装工艺兼容，制备的宽带poc结构尺寸小、通带带宽大、阻带抑制高、高低端驻波优异，有效解决了fbar陷波器阻带抑制与高低端驻波相矛盾而导致难应用、通带带宽窄的问题。具体方案如下：
28.一种fbar陷波器的宽带poc集成结构，包括fbar陷波器芯片与宽带匹配电路结构，所述宽带匹配电路结构包括一介质基板，介质基板表面设有一用于粘接fbar器件的金属图形区域、两个射频接口、至少一个接地焊盘以及至少两个二维平面螺旋形式的匹配电感；所述fbar陷波器芯片安装在金属图形区域，其射频端口分别对应与射频接口连接，其接地端口与接地焊盘连接；所述两个射频接口均分别通过匹配电感接至接地焊盘。
29.在本实施例中，所述fbar陷波器芯片的射频端口通过金丝键合的方式与宽带匹配电路结构的射频接口连接，fbar陷波器芯片的接地端口通过金丝键合的方式与宽带匹配电路结构的接地焊盘连接；所述射频接口通过金丝键合的方式与匹配电感连接。金丝作为小的匹配电感，能够与螺旋匹配电感共同调节陷波器传输极点位置。
30.在实际应用中，所述两个射频接口必须通过匹配电感接至接地焊盘；同时，可以根据设计需求选择在fbar陷波器芯片的接地端口与接地焊盘之间增加匹配电感，匹配电感的一端通过金丝键合方式连接接地端口，另一端接至接地焊盘。其中，匹配电感的数量根据需求选取。
31.在本实施例中，所述射频接口上设有过渡结构，通过过渡结构与匹配电感的一端连接。在一个优选实施例中，所述射频接口采用50欧姆阻抗匹配的微带线结构实现，过渡结构尺寸为100μm
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500μm，用于后续与电感进行金丝键合。
32.具体的，所述匹配电感以一端为中心，另一端围绕中心螺旋缠绕，形成二维平面螺旋形式的匹配电感，整体呈方形、圆形或正多边形；匹配电感中心端设有金属焊盘，通过金属焊盘与过渡结构连接，另一端与接地焊盘连接；而需要在fbar陷波器芯片的接地端口与接地焊盘之间设置匹配电感时，匹配电感中心端的金属焊盘通过金丝键合方式接至fbar陷波器芯片的接地端口，另一端接至接地焊盘。在实际应用中，可通过调整线宽、线距和线圈匝数来调整匹配电感的感值，从而灵活调整传输极点的位置。
33.所述接地焊盘中设有接地通孔连接至介质基板背面，介质基板背面为整面金属地；接地焊盘可采用为方形、圆形或其他不规则形，所述接地通孔直径为100μm～500μm，内壁做金属化处理。
34.在本实施例中，所述金属图形区域尺寸由fbar陷波器尺寸单边外扩0～0.2mm实现，其材质适用于粘接导电胶或红胶，fbar陷波器芯片通过导电胶或红胶粘接在金属图形区域。
35.在一个优选实施例中，介质基板为适用于薄膜工艺的介质基板，采用氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、普通玻璃或石英玻璃实现。
36.进一步的，本实施例中针对该fbar陷波器的宽带poc集成结构以一具体场景做具体说明：
37.为实现上述fbar陷波器的宽带poc集成结构，首先要实现宽带匹配电路结构，该宽带匹配电路结构需要满足fbar陷波器裸芯片可以集成在基板上，同时要实现fbar器件与基板间能够完成互联，如射频端口间的互联和地焊盘间的互联。
38.如图3所示，采用平面金属结构实现fbar器件粘接和互联结构100，该结构整体设置在介质基板10表面，由1个fbar器件粘接金属图形区域101、2个射频接口102、4个接地焊盘103、4个圆形通孔104和2个过渡结构105构成，介质基板10背面为整面金属地，在本应用场景中，仅在射频接口与接地焊盘之间设置匹配电感，fbar陷波器芯片的接地端口与接地焊盘之间并未设置，若需要设置只需更改布局，并在接地端口与接地焊盘之间设置匹配电感即可。
39.其中金属图形区域101整体尺寸为1.3mm
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1.3mm，需要将fbar器件包围，可根据器件大小进行调整；射频接口102采用50ω阻抗匹配微带线结构实现；接地焊盘103通过内部直径为100～500μm的接地通孔104与介质基板10背面金属地连接，接地焊盘103尺寸大于接地通孔104直径，且可以根据布局灵活调整位置；过渡结构105尺寸为100μm
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500μm，用于后续与电感进行金丝键合。
40.进一步的，要实现该宽带匹配电路结构，还需要高精度且易集成的电感，在本实施例中，采用方形螺旋形式的匹配电感200实现，匹配电感结构由平面螺旋形式的方形电感106、金属焊盘107构成，平面螺旋形式方形电感106的中心端与金属焊盘107连接，另一端与接地焊盘103连接，如图4、图5所示。其中金属焊盘107用于后续金丝键合，方形电感106可根据匹配参数灵活调整感值，另外其和接地焊盘103的相对位置可根据电路布局灵活调整。
41.最后，将fbar陷波器芯片安装在介质基板上并完成互联，实现fbar陷波器宽带poc集成结构，如图2所示，fbar陷波器芯片300通过导电胶粘接到介质基板表面的金属图形区域101；通过金丝键合108，将过渡结构105与匹配电感的金属焊盘107进行连接，实现在射频接口位置引入匹配电感，再通过金丝键合108实现fbar陷波器射频端口和介质基板10表面射频接口102间互联。通过金丝键合108，实现fbar陷波器接地端口和介质基板10表面接地焊盘103间互联。
42.本实施例提出的fbar陷波器的匹配电感结构主要分为2个部分，结构1为2个平面螺旋电感，相较于常用的漆包线线圈电感，不仅陷波性能和一致性上优势明显，还具有较高的工艺可靠性；结构2为金丝键合结构，金丝可等效为小感值电感，该等效电感对插损和驻波影响明显，但可调范围极小，因此工艺稳定性高。通过增加电感结构2和调整电感结构1，能够灵活调整传输极点的位置，可以有效解决fbar陷波器阻带抑制和通带驻波插损相矛盾的问题，有效增大fbar陷波器的应用带宽。
43.在射频系统中，通常要求陷波器对特定频点进行陷波，同时要求避免正常信号被
衰减，保证工作信号不受影响，因此通常要求陷波器具有低插损、低驻波、高阻带抑制及宽通带特性。首先通过电路仿真获得没有外围电路匹配的fbar陷波器性能如图6所示，可以看到插损较大，回波损耗较差，而且越远离阻带，插损和驻波恶化越严重。采用上述技术，在0.381mm厚的氧化铝陶瓷基板上实现fbar陷波器宽带匹配电路结构，如图3所示，面积为3mm
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2.1mm。通过电路仿真结合半实物电磁仿真获得频率响应曲线，如图7、图8所示，可以看到最大插损为1.2db，通带驻波＜2，阻带抑制达到33dbc，通带带宽达到3.5倍频以上，有效满足了低插损、低驻波、高阻带抑制及宽带应用的要求，在尺寸和性能上都优于现有技术。
44.插损和驻波的优化及带宽的大幅提升，得益于平面匹配电感和金丝等效电感的双重匹配作用，使得在通带的高端和低端能够分别产生一个传输极点，本实施例中，主要产生在1.2ghz和2.4ghz附近，在保证阻带抑制的同时，大幅优化了通带驻波和插损，有效解决了fbar陷波器阻带抑制和通带插损驻波相矛盾的问题，使其应用带宽达到3.5倍频以上。
45.需要说明的是，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
46.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。