CN111327296B

CN111327296B - 体声波滤波器元件及其形成方法、多工器及通讯设备

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Publication number: CN111327296B
Application number: CN202010123929.9A
Authority: CN
Inventors: 蔡华林; 庞慰
Original assignee: ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Current assignee: ROFS Microsystem Tianjin Co Ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: CN111327296A

Abstract

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种体声波滤波器元件及其形成方法、多工器及通讯设备，该方法包括：将一部分谐振器设于上晶圆，另一部分谐振器设于下晶圆；上晶圆和下晶圆叠加设置；上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合，使得上晶圆和下晶圆的谐振器连接形成滤波器。根据本发明的技术方案，在上晶圆和下晶圆上分别设置谐振器，两者上的谐振器通过对接管脚键合形成滤波器，因此，可有助于缩小上晶圆及下晶圆中的谐振器占据的平面面积，进而助于减小滤波器的体积。

Description

体声波滤波器元件及其形成方法、多工器及通讯设备

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种体声波滤波器元件及其形成方法、多工器及通讯设备。

背景技术

通信系统的小型化和高性能是未来的发展趋势，在通信系统中，体声波滤波器占据着很大部分的空间，因此体声波滤波器的小型化和高性能显得相当重要。体声波滤波器的尺寸主要取决于内部谐振器占据的面积，在频率和材料要求的限制下，单个谐振器的尺寸难以进一步缩小。当谐振器制造在硅衬底上时，一颗滤波器元件所占据的面积也随之固定。通过谐振器的设计可以尽量缩小滤波器中谐振器的使用面积，但这种方法会牺牲滤波器的性能。

目前，现有的体声波滤波器中，如图1所示，图1为现有的滤波器的剖视图，一片晶圆1用于制造谐振器，另有一片晶圆2用于制造通孔VIA及管脚PAD，晶圆1和晶圆2通过金-金键合连接组成滤波器。该滤波器中，串联谐振器和并联谐振器均设置在晶圆1上，多个并联谐振器和多个并联谐振器占用一定的平面面积，且该面积固定不可变，因此使得体声波滤波器的整体占用的空间难以缩小。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种体声波滤波器元件及其形成方法、多工器及通讯设备，在不影响滤波器性能的情况下具有较小的体积。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种形成体声波滤波器元件的方法。

本发明的形成体声波滤波器元件的方法包括：将一部分谐振器设于上晶圆，另一部分谐振器设于下晶圆；上晶圆和下晶圆叠加设置；上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合，使得上晶圆和下晶圆的谐振器连接形成滤波器，上晶圆的谐振器与下晶圆的谐振器之间的间距在1um至50um之间。

可选地，所述滤波器的串联谐振器设于上晶圆，并联谐振器设于下晶圆；或者，所述滤波器的串联谐振器设于下晶圆，并联谐振器设于上晶圆。

可选地，对于所述串联谐振器和并联谐振器的压电层，增加压电层厚度并且/或者提高压电层介电常数，以提高所述滤波器中的谐振器的机电耦合系数。

可选地，还包括：减小所述上晶圆的谐振器与所述下晶圆的谐振器之间的寄生电容以提高所述滤波器中的谐振器的机电耦合系数。

可选地，所述上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合之前，所述谐振器的机电耦合系数的范围是6.5％至9.5％；对于所述提高所述滤波器中的谐振器的机电耦合系数，提高后的该机电耦合系数的范围是6.5％至9.5％。

可选地，所述范围是7.5％至8.5％。

可选地，提高所述滤波器中谐振器的机电耦合系数的比例为1％至0.02％。

可选地，还包括：根据谐振器、管脚的形状以及二者的布置位置来调节对接管脚的形状。

可选地，调节上晶圆的谐振器图形与下晶圆的谐振器图形之间在水平方向的交错面积，以减小上晶圆和下晶圆的谐振器之间产生的寄生电容。

可选地，调整对接管脚的限定厚度，从而调节上晶圆的谐振器与下晶圆的谐振器之间的间距，以减小上晶圆和下晶圆的谐振器之间产生的寄生电容。

可选地，在滤波器版图上，将串联支路的前级电路和后级电路分区设置，以及将并联支路的前级电路和后级电路分区设置，并且使上晶圆上的前级电路与下晶圆的前级电路相对设置，上晶圆上的后级电路与下晶圆的后级电路相对设置，以减小所述前后级之间的寄生电容。

可选地，还包括：对所述串联谐振器调整机电耦合系数使其变小，并且小于并联谐振器的机电耦合系数，以改善所述滤波器通带右侧的滚降性能。

可选地，还包括：对所述并联谐振器调整机电耦合系数使其变小，并且小于串联谐振器的机电耦合系数，以改善所述滤波器通带左侧的滚降性能。

可选地，所述调整机电耦合系数使其变小的步骤包括：减小谐振器压电层的厚度。

可选地，所述调整机电耦合系数使其变小的步骤包括：降低谐振器压电层的介电常数。

根据本发明的第二方面，提供了一种体声波滤波器元件。

本发明的体声波滤波器元件包括上下叠加设置的上晶圆和下晶圆，且上晶圆和下晶圆上分别设有谐振器和对接管脚；上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合，使得上晶圆和下晶圆的谐振器连接形成滤波器，上晶圆的谐振器与下晶圆的谐振器之间的间距在1um至50um之间。

可选地，上晶圆的谐振器图形与下晶圆的谐振器图形之间在水平方向存在交错面积。

可选地，在滤波器版图上，串联支路的前级电路和后级电路分区设置，并联支路的前级电路和后级电路分区设置，上晶圆上的前级电路与下晶圆的后级电路相对设置，上晶圆上的后级电路与下晶圆的前级电路相对设置。

可选地，串联谐振器的压电层的厚度与并联谐振器的压电层的厚度不相同。

可选地，串联谐振器的压电层的介电常数与并联谐振器的压电层的介电常数不相同。

可选地，串联谐振器与并联谐振器之间，电极边缘、内部的图形、和/或结构参数不相同。

可选地，所述谐振器的机电耦合系数的范围是6.5％至9.5％。

可选地，所述谐振器的机电耦合系数的范围是7.5％至8.5％。

根据本发明的第三方面，提供了一种多工器，包括多个本发明的体声波滤波器元件。

根据本发明的第四方面，提供了一种通讯设备，包括本发明的体声波滤波器元件。

根据本发明的技术方案，在上晶圆和下晶圆上分别设置谐振器，两者上的谐振器通过对接管脚键合形成滤波器，因此，可有助于缩小上晶圆及下晶圆中的谐振器占据的平面面积，进而助于减小滤波器的体积。并且一方面，考虑到这种方式带来的上晶圆及下晶圆中的谐振器之间的寄生电容会对机电耦合系数造成影响，因此对该电容进行了抑制；另一方面对于串联谐振器或并联谐振器的内部结构再加以调整以形成结构差异，从而提高滤波器通带单侧的滚降性能。

附图说明

为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：

图1为现有的滤波器的剖视图；

图2是本发明实施例提供的体声波滤波器元件的剖视图；

图3为根据本发明实施方式的一种谐振器的设置方式；

图4为根据本发明实施方式的另一种谐振器的设置方式；

图5a为上晶圆各元件布置的示意图；

图5b为下晶圆各元件布置的示意图；

图6为上晶圆和下晶圆的谐振器之间产生电容的示意图；

图7为谐振器的简化模型图；

图8为拆分后的谐振器形成电容时的等效电路图；

图9为机电耦合系数降低对滤波器性能的影响示意图；

图10为机电耦合系数恢复到目标值之后，滤波器的性能示意图；

图11为上晶圆和下晶圆上的谐振器交错的示意图；

图12为改变压电材料的滤波器剖视图；

图13为部分谐振器设置凸台的滤波器剖视图；

图14a和图14b为部分谐振器机电耦合系数差异化带来滤波器的性能提升的示意图；

图15a为上晶圆的版图分区示意图；

图15b为下晶圆的版图分区示意图；

图16为采用新的版图排布方式后，对带外抑制的改善示意图。

具体实施方式

图2是本发明实施例提供的体声波滤波器元件的剖视图，图2中，在上晶圆(晶圆1)和下晶圆(晶圆2)上都制造谐振器resonator，晶圆1和晶圆2之间通过对接管脚PAD键合，从而形成滤波器。晶圆1上的谐振器和晶圆2上的谐振器需要满足一定的间距要求，以调节谐振器间的电容大小，从而实现谐振器等效kt的调节，继而保证一定的性能要求。具体的此间距D需要满足0<D≤50um(微米)，更具体的，D需要满足1um≤D≤10um。

图3为根据本发明实施方式的一种谐振器的设置方式，图3中，实线为串联谐振器，可以设置在晶圆1上，也可以设置在晶圆2上，相反的，虚线的并联谐振器则设置在晶圆2或晶圆1上。图4为根据本发明实施方式的另一种谐振器的设置方式，图4中，实线表示一部分串联谐振器和部分并联谐振器，该部分可设置在晶圆1上或晶圆2上，则虚线表示的另一部分串联谐振器和部分并联谐振器则设置在晶圆2或晶圆1上。实际结构中并不限于上图中的情况，可任意取串联和并联上的某些谐振器制造在一片晶圆上，其余谐振器制造在另一片晶圆上。

图5a为上晶圆各元件布置的示意图，图5b为下晶圆各元件布置的示意图，如图5a和图5b所示，串联谐振器制造在晶圆1上，并联谐振器制造在晶圆2上；其中晶圆1和晶圆2上都有输入管脚IN和输出管脚OUT，也就是晶圆1上的输入输出管脚通过键合线连接到晶圆2上，然后在晶圆2上打过孔VIA到晶圆2下方的PAD上从而与外部电路连接。对地管脚G1，G2，G3经由过孔VIA直接连接到晶圆2下方的PAD上。B1，B2，B3是串并联连接的对接管脚PAD，通过键合线将串并联谐振器连接起来。从图5a和5b可以看出，增加的对接管脚PAD占据了较大的晶圆面积，因此从节省面积的角度考虑，需要将B1，B2，B3的面积尽量缩小，因为B1，B2，B3作用只是电连接，其和IN，OUT以及G1，G2，G3上需要制作过孔的作用不同，因此缩小面积对电连接的可靠性不会有影响，一般的，B1，B2，B3的面积为其他PAD(例如IN、OUT、G1-G3等)的面积的20％～100％。

同时，B1，B2，B3作为接地管脚PAD，可以为任意形状，可根据谐振器、其他版图结构(例如IN、OUT、G1-G3等)的形状以及布置位置，来任意调整B1，B2，B3的形状，以此来进一步缩小面积。

图6为上晶圆和下晶圆的谐振器之间产生寄生电容(以下简称为电容)的示意图，如图6所示，拆分后布置的谐振器在晶圆1上和晶圆2上相对设置，因此该处的谐振器上会产生电容，如图6中的C1和C2。电容的大小C＝εS/d，其中ε为介质的介电常数，此结构中介质为空气，为固定值；S为交错的面积，d为上下电极的间距。因此产生电容的大小主要和交错面积S和间距d相关。

图7为谐振器的简化模型图，如图7所示，谐振器的串联谐振器频率由串联的的L和C1决定，并联谐振器频率由L，C1，C2共同决定；并联谐振频率Fp和串联谐振频率Fs的差值和机电耦合系数成正比。

图8为拆分后的谐振器形成电容时的等效电路图，如图8所示，图中的C3为拆分的谐振器上下相对设置而产生的电容，由等效电路图可知，并联电容增加，对于串联谐振频率Fs影响较小，而并联谐振频率Fp往低频移动，因此Fp和Fs差值减小，谐振器的机电耦合系数减小；当谐振器的机电耦合系数减小时，滤波器的带宽会变窄，导致滤波器通带两侧插损恶化。图9为机电耦合系数降低对滤波器性能的影响示意图。当机电耦合系数减小时，滤波器通带带宽变窄，滤波器通带左右两侧的插损会有恶化。上图中实线是机电耦合未减小的情况，虚线是机电耦合系数经过串并联堆叠之后减小的情况。

由于机电耦合系数的减小和电容C3直接相关，电容C3的大小又取决于晶圆1和晶圆2上谐振器之间的交错面积和间距，因此减小谐振器间的交错面积S或者增加上下谐振器的间距d，可以减小电容C3的大小；另一方面通过改变谐振器的压电层材料和层叠结构来提高谐振器自身的机电耦合系数也可避免插损的恶化。具体可以增加谐振器的压电层厚度，并且/或者提高谐振器的压电层的介电常数。图10为机电耦合系数恢复到目标值之后，滤波器的性能示意图。可以看出机电耦合系数只要增大，即可使通带恢复到原来的插损水平。上图中实线是机电耦合未减小的情况，虚线是机电耦合系数减小又恢复的情况。在上下晶圆未叠加设置时，上述寄生电容尚未产生，此时使谐振器的机电耦合系数的初始范围介于6.5％至9.5％之间，最好是在7.5％至8.5％之间。上述寄生电容会导致谐振器的机电耦合系数降低0.02％～1％。此时采用上述方式，使机电耦合系数以上述初始范围为目标值进行恢复。

减小交错面积的方式为在版图布局时，尽可能减小上下谐振器的正对面积，以此来减小S，该交错面积S越大，越有利于减小器件面积，但电容C3也相应增加。在该交错面积S为零的情况下，电容C3变得相当小，但此时整个滤波器面积大幅增加，在实现中并不十分有利。图11为上晶圆和下晶圆上的谐振器交错的示意图，其中1表示的是晶圆1上的谐振器，2表示晶圆2上的谐振器，1和2交错的面积S即为决定电容的面积，通过谐振器的排布，可以调节S的大小，以此来调节电容C的大小。

另一方面，通过增加对接管脚的金属厚度，使得在对接管脚键合时，可增大上下相对的谐振器之间的间距，以此来增大d。

图12为改变压电材料的滤波器剖视图，图12中，晶圆1和晶圆2上谐振器的压电层为不同的材料，通过改变压电材料以及层叠的结构，可以在原基础上提高谐振器本身的机电耦合系数，以此来弥补电容对机电耦合系数的降低。提高机电耦合系数的方法包括增加压电层，提高压电层的介电常数，以及改变谐振器的电极边缘、内部的图形、和/或结构参数。

由于滤波器滚降的要求，需要部分谐振器的机电耦合系数较小，其余谐振器的机电耦合系数较大，对于部分机电耦合系数的调节，可以通过此电容来调整。图13为部分谐振器设置凸台的滤波器剖视图，如图13所示，晶圆1的其中一个谐振器设置在凸台上，从而缩小了其与晶圆2上谐振器的间距。图14为部分谐振器机电耦合系数差异化带来滤波器的性能提升的示意图。其中串联谐振器的机电耦合系数减小，并联谐振器的机电耦合系数减小。实线是机电耦合系数无差异化的曲线，虚线是差异化的曲线。其中14a是滤波器的通带，14b是滤波器右侧滚降区域。可以看出，滤波器的串联机电耦合系数减小，使得右侧滚降变好，同时由于并联机电耦合系数增大，左侧插损也变好。因此机电耦合系数的差异化使插损和滚降都有改善。

由于上下谐振器正对，耦合直接通过电容形成，各个节点之间的耦合相比一般排布的滤波器耦合更大，耦合带来带外抑制的严重恶化。通过确定各个节点之间的耦合对带外抑制的影响，以及避免敏感节点的耦合，可以改善带外抑制。一般来说，需要避免滤波器的前级和后级的耦合。图15a为上晶圆的版图分区示意图，图15b为下晶圆的版图分区示意图；如图15a和15b所示，晶圆1上为串联谐振器S1-S4，晶圆2上为并联谐振器P1-P3，串联谐振器和并联谐振器各自分为两个区域，分别为区域1，2，3，4，晶圆1中串联谐振器S1和S2为串联支路的前级电路，串联谐振器S3和S4为串联支路的后级电路，晶圆2上并联谐振器P1和P2为并联支路的前级电路，并联谐振器P3为并联支路的后级电路。在版图的排布中，需要避免区域1和区域4中的谐振器正对，避免区域2和区域3中的谐振器正对；滤波器的前级和后级产生的耦合会导致滤波器的带外抑制恶化严重。图16为采用新的版图排布方式后，对带外抑制的改善示意图。

本实施例还提供一种多工器，将上述方法及产品扩展到任意多个滤波器做成的双工器或者多工器产品，包括相关的设备中。图16为多工器的结构示意图，其中F1，F2，Fn表示的是不同的频率，其中n≥2。

本实施例还提供一种通讯设备，该通讯设备包括上述体声波滤波器元件，由于体声波滤波器元件的体积明显减小，因此，该通讯设备可同样减小，利于产品的小型化。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种形成体声波滤波器元件的方法，其特征在于，包括：

将一部分谐振器设于上晶圆，另一部分谐振器设于下晶圆；上晶圆和下晶圆叠加设置；

上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合，使得上晶圆和下晶圆的谐振器连接形成滤波器；

上晶圆的谐振器与下晶圆的谐振器之间的间距在1um至50um之间；

所述滤波器的串联谐振器设于上晶圆，并联谐振器设于下晶圆；或者，所述滤波器的串联谐振器设于下晶圆，并联谐振器设于上晶圆；

对于所述串联谐振器和并联谐振器的压电层，增加压电层厚度并且/或者提高压电层介电常数，以提高所述滤波器中的谐振器的机电耦合系数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：减小所述上晶圆的谐振器与所述下晶圆的谐振器之间的寄生电容以提高所述滤波器中的谐振器的机电耦合系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合之前，所述谐振器的机电耦合系数的范围是6.5％至9.5％；

对于所述提高所述滤波器中的谐振器的机电耦合系数，提高后的该机电耦合系数的范围是6.5％至9.5％。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述范围是7.5％至8.5％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提高所述滤波器中的谐振器的机电耦合系数的比例为1％至0.02％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据谐振器、管脚的形状以及二者的布置位置来调节对接管脚的形状。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调节上晶圆的谐振器图形与下晶圆的谐振器图形之间在水平方向的交错面积，以减小上晶圆和下晶圆的谐振器之间产生的寄生电容。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，调整对接管脚的限定厚度，从而调节上晶圆的谐振器与下晶圆的谐振器之间的间距，以减小上晶圆和下晶圆的谐振器之间产生的寄生电容。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在滤波器版图上，将串联支路的前级电路和后级电路分区设置，以及将并联支路的前级电路和后级电路分区设置，并且使上晶圆上的前级电路与下晶圆的前级电路相对设置，上晶圆上的后级电路与下晶圆的后级电路相对设置，以减小所述前后级之间的寄生电容。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对所述串联谐振器调整机电耦合系数使其变小，并且小于并联谐振器的机电耦合系数，以改善所述滤波器通带右侧的滚降性能。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对所述并联谐振器调整机电耦合系数使其变小，并且小于串联谐振器的机电耦合系数，以改善所述滤波器通带左侧的滚降性能。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述调整机电耦合系数使其变小的步骤包括：减小谐振器压电层的厚度。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述调整机电耦合系数使其变小的步骤包括：降低谐振器压电层的介电常数。

14.一种体声波滤波器元件，其特征在于，

所述体声波滤波器元件包括上下叠加设置的上晶圆和下晶圆，且上晶圆和下晶圆上分别设有谐振器和对接管脚；

在滤波器版图上，串联支路的前级电路和后级电路分区设置，并联支路的前级电路和后级电路分区设置，上晶圆上的前级电路与下晶圆的前级电路相对设置，上晶圆上的后级电路与下晶圆的后级电路相对设置。

15.根据权利要求14所述的体声波滤波器元件，其特征在于，上晶圆的谐振器图形与下晶圆的谐振器图形之间在水平方向存在交错面积。

16.根据权利要求14所述的体声波滤波器元件，其特征在于，串联谐振器的压电层的厚度与并联谐振器的压电层的厚度不相同。

17.根据权利要求14所述的体声波滤波器元件，其特征在于，串联谐振器的压电层的介电常数与并联谐振器的压电层的介电常数不相同。

18.根据权利要求14所述的体声波滤波器元件，其特征在于，串联谐振器与并联谐振器之间，电极边缘、内部的图形、和/或结构参数不相同。

19.根据权利要求14所述的体声波滤波器元件，其特征在于，所述谐振器的机电耦合系数的范围是6.5％至9.5％。

20.根据权利要求19所述的体声波滤波器元件，其特征在于，所述谐振器的机电耦合系数的范围是7.5％至8.5％。

21.一种多工器，其特征在于，包括多个权利要求14至20中任一项所述的体声波滤波器元件。

22.一种通讯设备，其特征在于，包括如权利要求14至20中任一项所述的体声波滤波器元件。