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WO2015128008A1 - Package für ein abstimmbares filter - Google Patents

Package für ein abstimmbares filter Download PDF

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WO2015128008A1
WO2015128008A1 PCT/EP2014/062009 EP2014062009W WO2015128008A1 WO 2015128008 A1 WO2015128008 A1 WO 2015128008A1 EP 2014062009 W EP2014062009 W EP 2014062009W WO 2015128008 A1 WO2015128008 A1 WO 2015128008A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tunable
package according
components
filter
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/062009
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juha Ellä
Edgar Schmidhammer
Christian Block
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Priority to US15/118,853 priority Critical patent/US10079586B2/en
Priority to JP2016554245A priority patent/JP6382331B2/ja
Publication of WO2015128008A1 publication Critical patent/WO2015128008A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H03H7/01—Frequency selective two-port networks
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
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    • H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
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    • H03H7/1741—Comprising typical LC combinations, irrespective of presence and location of additional resistors
    • H03H7/1758—Series LC in shunt or branch path
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    • H03H7/17—Structural details of sub-circuits of frequency selective networks
    • H03H7/1741—Comprising typical LC combinations, irrespective of presence and location of additional resistors
    • H03H7/1775—Parallel LC in shunt or branch path

Definitions

  • the invention relates to a package for a tunable filter, such as. B. in non-wired
  • Portable communication devices Portable communication devices, wireless routers, etc. or
  • transceivers which communicate by means of RF signals require RF filters to separate wanted from unwanted signals.
  • filters can, for. B. in front-end circuits, z.
  • duplexers In duplexers,
  • the filter should have the task of distributing the
  • Perceive signals between a chipset and, if appropriate, still existing filters The circuit complexity should be as low as possible.
  • the filter should be compatible with a variety of different filter technologies of other filters, a small size of a corresponding
  • Tunable filter to use different frequency bands with the same filter.
  • filter circuits are known in which tunable capacitors are added to RF filters with acoustic resonators.
  • Pages 269 - 272 are RF filters with tunable
  • Object of the present invention is therefore to provide a package for a tunable filter, which is feasible in a compact design and avoids interference couplings.
  • a package according to the invention has a substrate which serves as a carrier for the tunable filter and also has at least one wiring plane.
  • a semiconductor device is mounted in a first component plane and electrically connected to the first wiring plane.
  • the semiconductor device has high quality tunable passive components that allow for frequency tuning of the filter.
  • control unit is arranged in the first component level.
  • the control unit is designed to be the
  • a dielectric layer is arranged above the first component level.
  • the dielectric layer have preferably ⁇ , on an at least substantially leveled surface.
  • dielectric layer is a second one
  • the discrete passive components and optionally other components is a respect to its cutoff frequency or his
  • Filter can be designed as a bandpass filter. However, it is also possible to execute the filter as a high pass or as a low pass.
  • a band stop filter can also be implemented as a tunable filter.
  • the tunable passive components in the semiconductor device can be manufactured integrated and interconnected with each other. In the semiconductor device, these can
  • Contact surfaces of the semiconductor device may be provided so that the shortest possible electrical connections between the circuit node of the semiconductor device and the discrete passive components can be realized. Short electrical connections have a magnitude only small parasitic coating, so that between the
  • Another advantage is that the 3D integration of the components of the filter or the package itself requires only a small footprint.
  • the fact that long connecting lines are saved, the package of the invention also has a lower volume in
  • Tuning factor up to 4: 1 have. This corresponds to the frequency converted by a factor of 2 between the lowest and highest limit frequency or frequency range to be set.
  • the tunable passive components are tunable high-quality capacitors
  • Such high quality tunable capacitors may be varactors or switchable capacitors and in the
  • the discrete passive components are designed as high quality inductors.
  • Varactors are semiconductor devices having a voltage dependent capacitance ⁇ . That means that theirs
  • Capacity can be adjusted via a control voltage. Varactors can therefore be realized 100 percent in the semiconductor component. You can in different
  • varactors based on silicon and also on the basis of connection ⁇ semiconductors such as gallium arsenide in particular known.
  • switchable capacitors can be adjusted beyond a frequency with high accuracy.
  • High-quality discrete inductors are usually formed in the form of coils. These can be printed coils. It is also possible to use three-dimensionally folded or even wound coils. Furthermore, it is possible to integrate several high-quality inductors in one component.
  • a discrete filter circuit capable of obtaining a tunable filter comprises a serial filter Signal line having at least four circuit nodes. To each circuit node, a parallel branch is coupled to ground, in each of which a high-quality tunable reactance element is arranged. Depending on the type of tunable reactance element, this can be arranged in the first or in the second component level.
  • a coupling capacitance or a coupling inductance is arranged between each two adjacent circuit nodes. This does not require high quality, as it does not significantly affect the filter behavior.
  • Coupling inductance can therefore be designed as an integrated component.
  • the semiconductor device offers.
  • the coupling capacitance or coupling inductance in the substrate can also be designed.
  • High frequency signals can be fed into the serial signal line. These input and output capacitors can be tuned.
  • the terminal nodes in the signal line are connected to each other via a bridge inductor connected in parallel with the serial signal line or a bridge capacitance. This bridge inductance or
  • Bridge capacitance may be implemented as a low-resistance component and be embodied, for example, in the semiconductor component, in the substrate or in another wiring plane.
  • the respective reactance element arranged in the parallel branches may be a parallel resonant circuit, which in each case comprises a parallel connection of a high-quality tunable capacitor and a high-grade inductor.
  • the reactance element may be in the parallel branches of a series inductance. This, too, is of high quality and, in particular, arranged as a discrete passive component in the second component level.
  • the associated filter circuit is effective as a high pass.
  • the reactance element is a high quality tunable capacitance. Such a filter circuit is effective as a low pass. In another embodiment, the reactance element is a series circuit of a tunable high-quality
  • a filter circuit is effective as a band stop.
  • a band stop filter is characterized by a stopband ranging from a narrow band notch frequency to a wide stop band of, for example, fifty percent relative bandwidth.
  • Inductive components can have an inductive coupling which acts over the space and thus has a relatively long range. In order to minimize the coupling of the high-order discrete inductances arranged in the second component plane, according to one embodiment, the
  • Inductors designed as SMD components arranged in a linear orientation and aligned so that the
  • Magnetic axes of each two juxtaposed SMD components are rotated by approximately 90 ° to each other. Since maximum inductive coupling only occurs with parallel alignment of the axes, any deviation from the parallel orientation results in a reduction in coupling that approaches zero at 90 ° mutual orientation. If similar, high-quality discrete inductances are provided, then it makes sense to rotate in the linear arrangement of the components relative to one another the respectively adjacent components in the same direction of rotation at an angle of 90 ° to the preceding one. In this way, four are different
  • control unit and all the components required for the filter circuit can, as required, technology, desired quality and not last combinability can be combined.
  • the control unit can integrate the control unit together with the tunable passive components in the semiconductor device. It is also possible to provide the control unit separately from the tunable passive components in a further semiconductor device.
  • high-grade components can also be realized low-temperate passive components of the filter circuit.
  • all low-content passive components that is, the low-humored ones, can be used
  • Capacitors and inductors can be realized in a further semiconductor component, which, for example, likewise arranged in the first component plane, is applied directly to the substrate and is electrically connected thereto.
  • the components of the second component level can be connected directly to the semiconductor component (s) in the first component level via vias through the
  • Partial layers of a dielectric layer can be realized. About such a wiring level succeeds
  • IPD Integrated Passive Device
  • LTCC Low Temperature Co-Fired Ceramic
  • HTCC High Temperature Co-Fired Ceramic
  • the package according to the invention has external contacts on the underside, that is to say the surface of the substrate facing away from the component plane, via which the tunable filter
  • the tunable filter circuit is electrically connected or connectable to an external circuit environment.
  • the external contacts are over
  • the components of the first component level can be connected directly to the wiring level, for example by direct soldering or bumps.
  • Packages is intended to integrate further components in the package that can be interconnected with the tunable filter to realize larger and more complex circuits.
  • Such other components may be selected from power amplifier, LNA, acoustic filter,
  • Duplexers diplexers and general high-frequency semiconductor devices.
  • In the package can be two or more
  • tunable filters that are interconnected to form a diplexer, duplexer or, in general, a multiplexer
  • the additional passive components typically required for a multiplexer to separate the multiplexed outputs may also be integrated in the package.
  • the package can also realize a filter bank, the various possibly tunable filter
  • a tunable filter can be interconnected with an acoustic filter with fixed frequency so that duplexers with different duplex spacing can be realized in this way.
  • the high frequency semiconductor device may include a transceiver circuit for further processing the RF filtered signal through the filter.
  • the tunables are tunable
  • MEMS capacitors can be formed in a semiconductor substrate by microstructuring and share the same substrate with semiconductor circuits. MIM capacitors can also be found in the Semiconductor device may be integrated, for example in the form of alternating metal and insulator layers deposited on the surface of the semiconductor device and
  • capacitors are structured accordingly. Furthermore, it is possible to form capacitors similar to semiconductor memories and, for example, as metal-filled or disguised
  • the array of switchable capacitors is in one
  • the resonant frequency of resonant circuits, in particular of series and parallel resonant circuits is set and so the
  • Filter tuned to a desired cutoff frequency or a desired frequency band.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a package for and with a tunable filter.
  • FIGS. 2A to 2D show four embodiments of FIG
  • FIGS. 3A and 3B show a possible separation of
  • Figures 4A to 4C show another possible separation of components of a tunable filter.
  • FIG. 5 shows a package with a tunable filter in schematic cross section.
  • FIG. 6 shows an array of tunable impedance elements and a control unit.
  • FIG. 7 shows an array of switchable capacities
  • Figure 8 shows an arrangement of inductive components, which is characterized by a low coupling.
  • FIG. 1 shows a simple embodiment of a package according to the invention.
  • the package is constructed on a substrate S, which is a single-layered or multi-layered substrate and has at least one wiring plane SEI.
  • the wiring plane SEI may be on the surface of the substrate S or, as shown in FIG.
  • Wiring level SEI electrically connected.
  • Semiconductor device HLB further discrete, integrated or other components may be arranged (not shown in the figure).
  • the semiconductor device HLB comprises at least high-quality tunable passive components.
  • a control unit may be integrated in the semiconductor component HLB.
  • a control unit can also be realized as a further separate semiconductor component and arranged in the first component level KEI.
  • the components of the first component level are covered with a dielectric layer DS or in a
  • a second component level KE2 is provided in the first component level KEl .
  • discrete high-quality passive components DP are arranged.
  • the discrete high-quality passive components DP are electrically connected to the components of the first component level KEl. This can be done directly via plated-through holes from the components of the second component level to the contacts of the semiconductor components HLB in the first
  • Component level KEl, KE2 provide a second wiring level SE2.
  • the lead portions of the second wiring planar ⁇ SE2 are connected to the corresponding contacts of the discrete passive components, and also to contacts of the DP
  • the second wiring level SE2 may be embedded between two layers of a dielectric.
  • External contacts AK are provided on the underside of the substrate S and are connected via plated-through holes DK either directly to the components of the first component plane KE1 or as shown in the figure to the first wiring level SEI.
  • a passivation can be, for example, at least one layer deposited or applied directly to the surface of the discrete passive components DP, in particular a thin layer.
  • the passivation may also include a layer sequence of deposited or deposited layers. For example, it is possible to have a first form-fitting cover on the
  • discrete passive devices DP terminating with the surface of the dielectric layer DS may be, for example, a thermoplastic film.
  • This film can then be provided with a metallization, which can optionally be galvanically or electrolessly amplified.
  • FIG. 2A shows a bandpass filter which has a serial Signal line SL connects a first terminal Tl with a second terminal T2.
  • the serial signal line SL at least four circuit nodes N are provided, are coupled to the reactance elements. Between every two
  • Circuit node N is a coupling capacitor KC connected, via which the reactance elements are coupled together.
  • a bridge inductance BI is parallel to the serial
  • the reactance element is designed, for example, as a parallel resonant circuit, in which the high-quality tunable capacitance CT is connected to a
  • high-grade parallel coil PL is connected to ground.
  • the four parallel resonant circuits generate together with the
  • Bridge inductance BI a filter with a
  • Transmittance behavior which has two poles, which span a pass band of the bandpass filter between them. It is also possible in a bandpass filter more
  • connection capacitors AC are used to set an input or output impedance.
  • connection capacitor AC having a capacitance of 5 pF
  • FIG. 2B shows a low-pass filter having as the bandpass filter of Figure 2A ⁇ a serial signal line SL, four circuit nodes with interposed coupling capacitors and two terminal connection capacities AC. To the circuit nodes are connected as reactance high-quality tunable capacitors to ground.
  • Figure 2C shows a block diagram of a tunable filter, which is designed as a high-pass filter.
  • the high-pass filter of FIG. 2B In contrast to the low-pass filter of FIG. 2B, the high-pass filter of FIG.
  • FIG. 2C shows high-inductance inductances as reactance elements.
  • the high-pass filter can also be designed as a tunable filter.
  • FIG. 2D shows a block diagram of a tunable filter designed as a bandstop filter. As reactance elements are here to the circuit node N of the serial line SL
  • FIG. 2E shows a FIG. 2C shows in block diagram form a tunable high-pass filter realized using admittance inverters AI.
  • the high-pass filter of FIG Figure 2E as tunable reactance elements each one
  • the components of the reactance elements are designed as high-quality components.
  • the tunable high-quality capacitors CT are in one
  • Components DP (see Figure 1) formed.
  • the remaining passive components within the serial signal line SL as well as the bridge inductor BI can be humored
  • the admittance inverters AI of the circuit of FIG. 2E are also preferably designed for interconnecting high-quality passive components.
  • an advantageous embodiment of the invention consists of separating low-quality and high-quality passive components from one another.
  • FIGS. 3A and 3B show a possible separation of the components for a bandpass filter, as shown in FIG. 2A.
  • the tunable capacitances CT to be grouped together, implemented on a device inte grated ⁇ or in a separate region of a semiconductor device.
  • the low kind passive compo nents can ⁇ can be implemented on an integrated passive component which may be a discrete component as in the first or second component level KE1, KE2 of the package P, as shown in Figure 1, is arranged.
  • the passive components are further divided.
  • a first group of passive components comprises the coupling capacitors and the bridge inductance as in FIG. 4A.
  • Inductances of the reactance elements of FIGS. 2A, 2C, 2D and 2E form a further group of passive components which are implemented separately, for example as passive discrete components PD.
  • Embodiments 2A, 2B, 2D and 2E form another group of separately realized passive components integrated in the semiconductor device HLB. Totally separated and preferably as individual discrete components
  • Capacitors of Figure 4C may be implemented separately, for example the tunable capacitors as a semiconductor device and the low-end components as an integrated passive device. Alternatively, however, the tunable capacitors as a semiconductor device and the low-end components as an integrated passive device. Alternatively, however, the tunable capacitors as a semiconductor device and the low-end components as an integrated passive device. Alternatively, however, the tunable capacitors as a semiconductor device and the low-end components as an integrated passive device. Alternatively, however, the
  • Components of Figure 4A and 4C be realized in a common semiconductor device. Furthermore, it is possible to integrate the low-noise passive components in a multilayer substrate S.
  • FIG. 5 shows a package in schematic cross section, which in the first component plane at least two
  • Semiconductor devices HLB1, HLB2 has.
  • the individual components according to FIGS. 3B, 4C and 4A can be distributed to these two semiconductor components.
  • MIPI-RFFE controller mobile industry processor interface - radio frequency front-end
  • Control unit can also be designed as a separate semiconductor component in the first component level KE1.
  • all passive components with the exception of the high-grade inductors, are integrated together with the control unit, for example a MIPI-RFFE controller, in a single semiconductor component HLB.
  • the MIPI controller can control all data important to mobile communication devices and control the components.
  • the MIPI controller can be implemented in the baseband processor or in the HF chipset of the mobile phone.
  • a control unit may convert the digital MIPI-RFFE signal into concrete control signals e.g. B. in anloger or digital form.
  • Figure 6 shows an array of four tunable high-quality impedance elements controlled by a common control unit CE.
  • the arrangement may also include a higher number of tunable impedance elements IET.
  • the tunable impedance elements IET have a tunable impedance. They are for example as tunable
  • the information for tuning can be sent via a MIPI-RFFE signal (MIPI) to the control unit CE, which then makes the corresponding tuning of the individual tunable capacitors CT or just more generally the impedance elements IET.
  • MIPI MIPI-RFFE signal
  • Impedance elements can be realized in different technologies. The whole arrangement can be in one
  • the control unit CE generates a control for the tunable capacitors from the ⁇ signal.
  • Each of the tunable impedance elements may be part of a tunable reactance element, which may in turn constitute an interconnection of a tunable impedance element with one or more other passive components.
  • Figure 7 shows one way in which a highly kind tuning bare capacity as an array of switchable capacitors can be formed from ⁇ . To Consuance any capacitance value provide ⁇ , any number of capacitors is connected in an array in parallel. Possible adjustable, concrete capacitance values result from different (partial) sums of the interconnectable in the array
  • Capacities Shown in the figure is a capacitor CO.
  • a first additional capacitor C1 can be connected by means of a switch SW1.
  • additional capacitors C n are connected in parallel with the capacitors CO and Cl via switches SW n .
  • Capacitor like a varactor, for example with a analog signal which is applied to the varactor as a voltage and is proportional to the achievable capacitance value.
  • Figure 8 shows a further embodiment of the invention, in which designed for the high-quality inductors
  • Sense of rotation can be read from the figure. By turning three times through 90 ° in the same direction of rotation, a total of four different positions can be set, thus achieving a minimum coupling between the inductors.
  • the passive components of the tunable filter are all arranged in the first component level KE1 and mounted, for example, as a flip-chip on the substrate SU
  • the low-level passive elements can be integrated in the substrate, but can also be realized together with other components in a component of the first component level. At least the low-noise passive components can be realized as an integrated passive component IPD.
  • the components mounted in flip-chip design can also be provided with a passivation, a cover or a housing be provided, which can be realized in principle as in the aforementioned embodiments.
  • AK external contacts arranged on the lower surface of the substrate

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Abstract

Es wird ein Package (P) für ein abstimm bares Filter vorgeschlagen, in dem die Komponenten des Filters auf und in einem Substrat (S) nach verschiedenen Kriterien getrent voneinander in zumindest zwei übereinander anegeordneten Komponentenebenen (KE1, KE2) realisiert sind. Weiter sind zumindest eine Verdrahtungsebene (SE1) im oder auf dem Substrat (S) vorgesehen sowie eine Dielektrikumsschicht (DS), die die erste Komponenentenebene (KE1) abdeckt.

Description

Beschreibung
Package für ein abstimmbares Filter Die Erfindung betrifft ein Package für ein abstimmbares Filter, wie es z. B. in nicht kabelgebundenen
Kommunikationsgeräten Verwendung finden kann.
Tragbare Kommunikationsgeräte, WLAN-Router usw. oder
allge-imeiner : Sende-/Empfangseinrichtungen, die mittels HF- Signalen kommunizieren, benötigen HF-Filter, um erwünschte von unerwünschten Signalen zu trennen. Solche Filter können z. B. in Frontend-Schaltungen, z. B. in Duplexern,
verschaltet werden.
Das Filter sollte dabei die Aufgabe der Verteilung der
Signale zwischen einem Chipsatz und gegebenenfalls weiterhin vorhandenen Filtern wahrnehmen. Der Schaltungsaufwand sollte möglichst gering sein. Das Filter sollte kompatibel mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Filtertechnologien weiterer Filter sein, eine geringe Baugröße eines entsprechenden
Bauelements ermöglichen und insbesondere eine hohe Selektion erlauben . Der Trend zu Kommunikationsgeräten, die immer mehr
Frequenzbänder bedienen können, führt zu komplexen
Verschaltungen verschiedener Filter für die verschiedenen Frequenzbänder. Es entsteht deshalb der Bedarf an
abstimmbaren Filter, um verschiedene Frequenzbänder mit demselben Filter nutzen zu können.
Bisherige Lösungen dieser Anforderungen basieren im
Wesentlichen darauf, bekannte Filterschaltungen um abstimmbare Impedanzelemente zu erweitern, oder auf der
Verwendung von Schaltern, mittels derer Filterelemente zu einer Filtertopologie hinzuschaltbar sind. Aus dem Beitrag „Tunable Filters Using Wideband Elastic (?) Resonators", Kadota et al . , IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 60, Nr. 10,
Oktober 2013, Seiten 2129 - 2136, sind Filterschaltungen bekannt, bei denen abstimmbare Kondensatoren zu HF-Filtern mit akustischen Resonatoren hinzugefügt werden.
Aus dem Beitrag „A Novel Tunable Filter Enabling Both Center Frequency and Bandwidth Tunability", Inoue et al . ,
Proceed-iings Of The 42nd European Microwave Conference, 29. Oktober - 1. November 2012, Amsterdam, The Netherlands,
Seiten 269 - 272, sind HF-Filter mit abstimmbaren
Kondensatoren und ab-istimmbaren Induktivitäten bekannt.
Auch aus dem Beitrag „RFMEMS-Based Tunable Filters", Brank et al . , 2001, John Wiley & Sons, Inc. Int J RF and Microwave
CAE11: Seiten 276 - 284, 2001, sind Verschaltungen aus L und C Elementen bekannt, wobei die Kapazitäten der kapazitiven Elemente einstellbar sind. Aus dem Beitrag „Tunable Isolator Using Variable Capacitor for Multi-band System", Wada et al . , 978-1-4673-2141- 9/13/$31.00, 2013 IEEE MTT-S Symposium bzw. aus der Veröf¬ fentlichungsschrift WO2012/020613 ist die Verwendung von Iso-ilatoren in HF-Filtern bekannt. Allgemein benötigen abstimmbare Filter eine Vielzahl von Komponenten, die größer ist als die herkömmlicher auf ein Frequenzband abgestimmter bekannter Filter. Hinzu kommt eine komplexere Verschaltung, die weitere Probleme bereitet, da Leiterbahnkreuzungen und die damit verbundenen Kopplungen praktisch nicht zu vermeiden sind .
Die Vielzahl zusätzlich erforderlicher Komponenten für abstimmbare Filter führt außerdem zu einem erhöhten
Flächenbedarf .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Package für ein abstimmbares Filter anzugeben, welches in kompakter Bauweise realisierbar ist und störende Kopplungen vermeidet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Package nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Packages sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Grundlegende Idee der Erfindung ist es, ein Package mit SD- Integration vorzusehen und dabei bestimmte Komponenten höherer und niedrigerer Güte voneinander zu trennen. So weist ein erfindungsgemäßes Package ein Substrat auf, welches als Träger für das abstimmbare Filter dient und außerdem zumindest eine Verdrahtungsebene aufweist. Auf der Oberseite des Substrats ist in einer ersten Komponentenebene ein Halbleiterbauelement montiert und elektrisch mit der ersten Verdrahtungsebene verbunden. Das Halbleiterbauelement weist hochgütige abstimmbare passive Komponenten auf, die eine Frequenzabstimmung des Filters ermöglichen.
Weiter ist in der ersten Komponentenebene eine Steuereinheit angeordnet. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, die
abstimmbaren Komponenten anzusteuern und auf diese Weise einen Schaltzustand herzustellen, der sich durch eine gewünschte Grenzfrequenz oder ein gewünschtes Frequenzband aus zeichnet .
Über der ersten Komponentenebene ist eine Dielektrikums- schicht angeordnet. Die Dielektrikumsschicht weist vorzugs¬ weise eine zumindest weitgehend eingeebnete Oberfläche auf.
Über der Dielektrikumsschicht befindet sich eine zweite
Komponentenebene, in der mit dem Halbleiterbauelement
verschaltete, diskrete passive Bauelemente angeordnet sind.
Aus den abstimmbaren passiven Komponenten, den diskreten passiven Bauelementen und gegebenenfalls weiteren Komponenten ist ein bezüglich seiner Grenzfrequenz oder seines
Frequenzbands abstimmbares Filter realisiert. Ein solches
Filter kann als Bandpassfilter ausgebildet sein. Möglich ist es jedoch auch, das Filter als Hochpass oder als Tiefpass auszuführen. Auch ein Bandstoppfilter ist als abstimmbares Filter realisierbar.
Die abstimmbaren passiven Komponenten im Halbleiterbauelement können integriert gefertigt und integriert miteinander verschaltet sein. Im Halbleiterbauelement können diese
Komponenten über die Fläche des Halbleiterbauelements verteilt sein.
Die in der zweiten Komponentenebene, also über dem
Halbleiterbauelement angeordneten, hochgütigen diskreten Bauelemente können dann in optimal geringer Entfernung beziehungsweise direkt über Schaltungsknoten bzw.
Kontaktflächen des Halbleiterbauelements vorgesehen werden, so dass kürzest mögliche elektrische Verbindungen zwischen den Schaltungsknoten des Halbleiterbauelements und den diskreten passiven Bauelementen realisiert werden können. Kurze elektrische Verbindungen haben einen betragsmäßig nur geringen parasitären Belag, so dass zwischen den
Verbindungsleitungen zwischen den diskreten passiven
Bauelementen und dem Halbleiterbauelement beziehungsweise zwischen den Verbindungen dieser Komponenten untereinander nur geringfügige Kopplungen auftreten können. Geringe
Kopplungen haben den Vorteil, dass das Filter eine hohe
Frequenzgenauigkeit, eine hohe Flankensteilheit und wenig elektrische Verluste aufweist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die 3D-Integration der Komponenten des Filters beziehungsweise das Package selbst eine nur geringe Grundfläche benötigt. Dadurch, dass lange Verbindungsleitungen eingespart werden, weist das erfindungsgemäße Package auch ein geringeres Volumen im
Package auf als herkömmliche abstimmbare Filter.
Werden für die hochgütigen Komponenten, also für die
diskreten Bauelemente und die hochgütigen abstimmbaren
Komponenten solche mit einer Güte von zumindest 100
ausgewählt, so können Filter erhalten werden, die einen
Abstimmfaktor bis 4:1 aufweisen. Dies entspricht auf die Frequenz umgerechnet einem Faktor 2 zwischen niedrigster und höchster einzustellender Grenzfrequenz oder Frequenzbereich.
Gemäß einer Ausführungsform sind die abstimmbaren passiven Komponenten als abstimmbare hochgütige Kondensatoren
ausgelegt. Solche hochgütigen abstimmbaren Kondensatoren können Varaktoren oder schaltbare Kapazitäten sein und im
Halbleiterbauelement integriert sein. Dementsprechend sind in dieser Ausführung die diskreten passiven Bauelemente als hochgütige Induktivitäten ausgelegt. Varaktoren sind Halbleiterbauelemente, die eine spannungs¬ abhängige Kapazität aufweisen. Das heißt, dass deren
Kapazität über eine Steuerspannung eingestellt werden kann. Varaktoren können daher zu 100 Prozent im Halbleiterbau- element realisiert sein. Sie können in verschiedenen
Technologien ausgeführt sein. Es sind Varaktoren auf der Basis von Silizium und auch auf der Basis von Verbindungs¬ halbleitern wie insbesondere Galliumarsenid bekannt.
Hochgütige Varaktoren sind z. B. in L. K. Nanver et al . , "Improved RF Devices for Future Adaptive Wireless Systems
Using Two Sided Contacting and A1N Cooling" IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 44, NO. 9, SEPTEMBER 2009, Seiten 2322-2338 beschrieben. Möglich ist es jedoch auch, die schaltbaren Kapazitäten als Dünnschichtkondensatoren (MIM Kondensator = metal isolator metal) auszubilden und mittels Halbleiterschaltern wie beispielsweise Transistoren oder Dioden zu einer Schaltung hinzu zu schalten oder diese von der Schaltung zu trennen. Durch Parallelschaltung mehrerer zuschaltbarer Dünnschichtkondensatoren kann ein gewünschter Kapazitätswert eingestellt werden. Über Anzahl und
Größenverteilung der für eine abstimmbare Kapazität
vorgesehenen zuschaltbaren Kondensatoren lässt sich darüber hinaus eine Frequenz mit hoher Genauigkeit einstellen. Hochgütige diskrete Induktivitäten sind üblicherweise in Form von Spulen ausgebildet. Dies können gedruckte Spulen sein. Möglich ist es auch, dreidimensional gefaltete oder gar gewickelte Spulen einzusetzen. Weiterhin ist es möglich, mehrere hochgütige Induktivitäten in einem Bauelement zu integrieren.
Eine diskrete Filterschaltung, mit der ein abstimmbares Filter erhalten werden kann, umfasst eine serielle Signalleitung, die zumindest vier Schaltungsknoten aufweist. An jeden Schaltungsknoten ist ein Parallelzweig gegen Masse angekoppelt, in dem jeweils ein hochgütiges abstimmbares Reaktanzelement angeordnet ist. Je nach Art des abstimmbaren Reaktanzelements kann dieses in der ersten oder in der zweiten Komponentenebene angeordnet sein.
In der seriellen Signalleitung der abstimmbaren Filterschaltung ist zwischen je zwei benachbarten Schaltungsknoten eine Koppelkapazität oder eine Koppelinduktivität angeordnet. Diese benötigt keine hohe Güte, da sie das Filterverhalten nicht wesentlich beeinflusst. Die Koppelkapazität oder
Koppelinduktivität kann daher als integrierte Komponente ausgeführt sein. Als Ort der Integration bietet sich das Halbleiterbauelement an. Möglich ist es jedoch auch, die Koppelkapazität oder Koppelinduktivität im Substrat
vorzusehen, welches dann als Mehrlagensubstrat ausgebildet ist, in dem die Koppelkapazität oder die Koppelinduktivität zusammen mit weiteren niedergütigen passiven Komponenten integriert ist. Möglich ist es auch, die Reaktanzelemente passiv, also ohne Dazwischenschaltung eines Kondensators allein über parasitäre Kopplungen miteinander zu verkoppeln, was insbesondere durch Anordnung in räumlicher Nähe bewerkstelligt werden kann.
Beisseitig endständig in der seriellen Signalleitung ist jeweils ein Kondensator zur Einstellung der Abschluss- und Eingangsimpedanz angeordnet. Ein- und Ausgangsimpedanz sind überlicherweise konstant, können aber auch variabel sein und mit Hilfe von abstimmbaren Kondensatoren gesteuert werden. In einem Ausführungsbeispiel lässt sich beispielsweise die
Eingangsimpedanz allein durch Variation der eingangsseitigen Kapazität von 50Ω auf 5Ω ändern. Weitere Kapazitäten dienen dazu, die serielle Signalleitung beiderseits endständig an eine äußere Schaltungsumgebung anzukoppeln, wobei über diese endständigen Koppel- kondensatoren von beiden Richtungen aus elektrische
Hochfrequenzsignale in die serielle Signalleitung eingespeist werden können. Auch diese Ein- und Auskoppelkondensatoren können abstimmbar ausgebildet sein. Die in der Signalleitung endständigen Schaltungsknoten sind über eine parallel zur seriellen Signalleitung geschaltete Brückeninduktivität oder eine Brückenkapazität miteinander verbunden. Auch diese Brückeninduktivität oder
Brückenkapazität kann als niedergütige Komponente ausgeführt sein und beispielsweise im Halbleiterbauelement, im Substrat oder in einer anderen Verdrahtungsebene ausgeführt sein.
Das jeweils in den Parallelzweigen angeordnete Reaktanzelement kann ein Parallelresonanzkreis sein, der jeweils eine Parallelschaltung eines hochgütigen abstimmbaren Kondensators und einer hochgütigen Induktivität umfasst. In dieser
Ausführung ist die Filterschaltung als Bandpassfilter
wirksam . Weiterhin kann das Reaktanzelement in den Parallelzweigen einer Serieninduktivität sein. Auch diese ist hochgütig ausgeführt und insbesondere als diskrete passive Komponente in der zweiten Komponentenebene angeordnet. Die dazugehörige Filterschaltung ist als Hochpass wirksam.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Reaktanzelement eine hochgütige abstimmbare Kapazität. Eine solche Filterschaltung ist als Tiefpass wirksam. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Reaktanzelement als eine Serienschaltung aus einer abstimmbaren hochgütigen
Kapazität und einer hochgütigen Induktivität ausgebildet. Eine solche Filterschaltung ist als Bandstopp wirksam. Ein Bandstoppfilter zeichnet sich durch einen Sperrbereich aus, der von einer schmalbandigen Notch-Frequenz bis zu einem breiten Sperrbereich von beispielsweise fünfzig Prozent relativer Bandbreite reicht. Induktive Komponenten können eine über den Raum wirkende und damit relativ weit reichende induktive Kopplung untereinander aufweisen. Um die Kopplung der in der zweiten Komponentenebene angeordneten, hochgütigen diskreten Induktivitäten zu minimieren, sind gemäß einer Ausführungsform die
Induktivitäten als SMD-Komponenten ausgeführt, in linearer Ausrichtung angeordnet und so ausgerichtet, dass die
magnetischen Achsen je zweier nebeneinander angeordneter SMD- Komponenten um circa 90° gegeneinander verdreht sind. Da eine maximale induktive Kopplung nur bei paralleler Ausrichtung der Achsen auftritt, führt jede Abweichung von der parallelen Ausrichtung zu einer Verminderung der Kopplung, die bei einer gegenseitigen Ausrichtung im Winkel von 90° gegen Null geht. Werden gleichartige, hochgütige diskrete Induktivitäten vorgesehen, so ist es sinnvoll, in der linearen Anordnung der Komponenten zueinander die jeweils benachbarte Komponenten im gleichen Drehsinn im Winkel von 90° zur vorhergehenden zu verdrehen. Auf diese Weise sind vier unterschiedliche
Anordnungen pro Bauelement möglich, mit denen die Kopplung weiter reduziert wird.
Im erfindungsgemäßen Package können die Steuereinheit und sämtliche für die Filterschaltung erforderlichen Komponenten je nach Bedarf, Technologie, gewünschter Güte und nicht zuletzt Kombinierbarkeit kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, die Steuereinheit zusammen mit den abstimmbaren passiven Komponenten in dem Halbleiterbauelement zu integrieren. Möglich ist es auch, die Steuereinheit getrennt von den abstimmbaren passiven Komponenten in einem weiteren Halbleiterbauelement vorzusehen.
Weiterhin können im Halbleiterbauelement neben den
hochgütigen Komponenten auch niedergütige passive Komponenten der Filterschaltung realisiert sein.
In einer weiteren Ausgestaltung können sämtliche niedergütigen passiven Komponenten, also die niedergütigen
Kondensatoren und Induktivitäten in einem weiteren Halb- leiterbauelement realisiert sein, welches beispielsweise ebenfalls in der ersten Komponentenebene angeordnet, direkt auf dem Substrat aufgebracht und elektrisch mit diesem verbunden ist. Die Bauelemente der zweiten Komponentenebene können mit dem oder den Halbleiterbauelementen in der ersten Komponentenebene direkt über Durchkontaktierungen durch die
dielektrische Schicht verbunden sein. Möglich ist es jedoch auch, zwischen der ersten und zweiten Komponentenebene eine weitere Verdrahtungsebene einzuführen, die zwischen zwei
Teilschichten einer dielektrischen Schicht realisiert werden kann. Über eine solche Verdrahtungsebene gelingt eine
komplexere Verschaltung, insbesondere wenn einzelne diskrete passive Bauelemente der zweiten Komponentenebene nicht direkt über dem Schaltungsknoten angeordnet werden können, mit dem sie elektrisch verbunden sind. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind
sämtliche abstimmbaren, hochgütigen passiven Komponenten, die Steuereinheit und die niedergütigen passiven Komponenten in einem einzigen Halbleiterbauelement realisiert.
Die niedergütigen passiven Komponenten können außerdem in einem integrierten passiven Bauelement realisiert sein, einem so genannten IPD (= Integrated Passive Device) welches in erster oder zweiter Komponentenebene angeordnet sein kann.
Eine Integration von passiven Komponenten in das Substrat gelingt, wenn dieses mehrschichtig ausgebildet und z.B. als LTCC (= Low Temperature Co-Fired Ceramic) oder als HTCC (= High Temperature Co-Fired Ceramic) oder als mehrschichtiges Laminat ausgeführt ist.
Das erfindungsgemäße Package weist auf der Unterseite, also der der Komponentenebene abgewandten Oberfläche des Substrats Außenkontakte auf, über die das abstimmbare Filter
beziehungsweise die abstimmbare Filterschaltung elektrisch mit einer äußeren Schaltungsumgebung verbunden ist oder verbunden werden kann. Die Außenkontakte sind über
Durchkontaktierungen mit einer im oder auf dem Substrat realisierten Verschaltungsebene oder direkt über Durch- kontaktierungen mit Komponenten in der ersten Komponentenebene verbunden. Ist im Substrat eine Verdrahtungsebene angeordnet, so ist auch diese über Durchkontaktierungen mit den Komponenten der ersten Komponentenebene verbunden. Ist die Verdrahtungsebene auf der Oberseite des Substrats
unterhalb der ersten Komponentenebene angeordnet, so können die Komponenten der ersten Komponentenebene direkt mit der Verdrahtungsebene verbunden werden, beispielsweise durch direktes Auflöten oder mittels Bumps . In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Packages ist vorgesehen, weitere Komponenten im Package zu integrieren, die mit dem abstimmbaren Filter verschaltet werden können, um größere und komplexere Schaltungen zu realisieren. Solche weiteren Komponenten können ausgewählt sein aus Leistungsverstärker, LNA, akustischem Filter,
Duplexer, Diplexer und allgemeinen Hochfrequenzhalbleiterbauelementen. In dem Package können zwei oder mehr
abstimmbare Filter realisiert sein, die miteinander zu einem Diplexer, Duplexer oder allgemein einem Multiplexer
verschaltet sind. Die für einen Multiplexer in der Regel erforderlichen zusätzlichen passiven Komponenten zur Trennung der Multiplex-Ausgänge können ebenfalls im Package integriert sein. Das Package kann auch eine Filterbank realisieren, dessen verschiedene gegebenenfalls abstimmbare Filter
unabhängig voneinander betrieben werden können.
Im Package kann ein abstimmbares Filter mit einem akustischen Filter mit fest eingestellter Frequenz verschaltet sein, so dass auf diese Weise Duplexer mit unterschiedlichem Duplex- abstand realisiert werden können. Das Hochfrequenzhalbleiterbauelement kann eine Transceiverschaltung umfassen, die der weiteren Verarbeitung des durch das Filter gefilterten HF- Signals dient.
In einer weiteren Ausführungsform sind die abstimmbaren
Kondensatoren als ein Array von schaltbaren MEMS- Kondensatoren (= Mikroelektromechanisches System) oder als schaltbare MIM-Kondensatoren (= Schichtenfolge
Metall/Isolator/Metall) ausgebildet. Die MEMS-Kondensatoren können in einem Halbleitersubstrat durch Mikrostrukturierung ausgebildet sein und sich mit Halbleiterschaltungen dasselbe Substrat teilen. MIM-Kondensatoren können ebenfalls in das Halbleiterbauelement integriert sein, beispielsweise in Form von alternierenden Metall- und Isolatorlagen, die auf der Oberfläche des Halbleiterbauelements abgeschieden und
entsprechend strukturiert sind. Weiterhin ist es möglich, Kondensatoren ähnlich wie Halbleiterspeicher auszubilden und beispielsweise als mit Metall gefüllte oder verkleidete
Gräben oder Löcher im Substrat zu realisieren.
Das Array von schaltbaren Kondensatoren ist in einer
Ausführung mit der Steuereinheit verbunden, die eine
gewünschte Auswahl oder Anzahl von Kondensatoren parallel miteinander verschaltet, um den gewünschten Kapazitätswert bereitzustellen. Über den eingestellten Kapazitätswert wird die Resonanzfrequenz von Schwingkreisen, insbesondere von Serien- und Parallelschwingkreisen eingestellt und so das
Filter auf eine gewünschte Grenzfrequenz oder ein gewünschtes Frequenzband abgestimmt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs- beispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figuren dienen nur dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht unbedingt
maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren können daher weder relative noch absolute Größenangaben entnommen werden.
Gleiche oder gleichwirkende Teile sind mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt ein Package für und mit einem abstimmbaren Filter.
Figuren 2A bis 2D zeigen vier Ausführungsformen von
abstimmbaren Filtern im Blockschaltbild. Figuren 3A und 3B zeigen eine mögliche Auftrennung von
Komponenten eines abstimmbaren Filters.
Figuren 4A bis 4C zeigen eine weitere mögliche Auftrennung von Komponenten eines abstimmbaren Filters.
Figur 5 zeigt ein Package mit einem abstimmbaren Filter im schematischen Querschnitt. Figur 6 zeigt ein Array von abstimmbaren Impedanzelementen und eine Steuerungseinheit.
Figur 7 zeigt ein Array von schaltbaren Kapazitäten bzw.
Kondensatoren .
Figur 8 zeigt eine Anordnung von induktiven Komponenten, die sich durch eine geringe Kopplung auszeichnet.
Figur 1 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Package. Das Package ist auf einem Substrat S aufgebaut, welches ein ein- oder mehrschichtiges Substrat ist und zumindest eine Verdrahtungsebene SEI aufweist. Die Verdrahtungsebene SEI kann auf der Oberfläche des Substrat S oder wie in der Figur 1 dargestellt zwischen zwei
isolierenden Lagen eines mehrschichtigen Substrats
ausgebildet sein. Auf dem Substrat ist zumindest ein
Halbleiterbauelement HLB montiert und mit der ersten
Verdrahtungsebene SEI elektrisch verbunden. Auf dem Substrat in der ersten Komponentenebene KE1 können neben dem
Halbleiterbauelement HLB weitere diskrete, integrierte oder sonstige Bauelemente angeordnet sein (in der Figur nicht dargestellt) . Das Halbleiterbauelement HLB umfasst zumindest hochgütige abstimmbare passive Komponenten. In dem Halbleiterbauelement HLB kann eine Steuereinheit integriert sein. Eine Steuereinheit kann auch als weiteres separates Halbleiterbauelement realisiert und in der ersten Komponentenebene KEl angeordnet sein.
Die Bauelemente der ersten Komponentenebene sind mit einer dielektrischen Schicht DS abgedeckt oder in eine
dielektrische Schicht DS eingebettet, die nach oben mit einer annähernd ebenen Oberfläche abschließt. Über der
dielektrischen Schicht DS und der abgedeckt darunter
angeordneten oder darin eingebetteten ersten Komponentenebene KEl ist eine zweite Komponentenebene KE2 vorgesehen. Darin sind diskrete hochgütige passive Bauelemente DP angeordnet. Die diskreten hochgütigen passiven Bauelemente DP sind mit den Komponenten der ersten Komponentenebene KEl elektrisch verschaltet. Dies kann direkt über Durchkontaktierungen von den Bauelementen der zweiten Komponentenebene hin zu den Kontakten der Halbleiterbauelemente HLB in der ersten
Komponentenebene erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, wie in der Figur dargestellt, zwischen erster und zweiter
Komponentenebene KEl, KE2 eine zweite Verdrahtungsebene SE2 vorzusehen. Die Leitungsabschnitte der zweiten Verdrahtungs¬ ebene SE2 sind mit den entsprechenden Kontakten der diskreten passiven Bauelemente DP und außerdem mit Kontakten der
Halbleiterbauelemente mittels Durchkontaktierungen elektrisch verbunden. Die zweite Verdrahtungsebene SE2 kann zwischen zwei Lagen eines Dielektrikums eingebettet sein.
An der Unterseite des Substrats S sind Außenkontakte AK vorgesehen, die über Durchkontaktierungen DK entweder direkt mit den Komponenten der ersten Komponentenebene KEl oder wie in der Figur dargestellt mit der ersten Verdrahtungsebene SEI verbunden sind. Nicht dargestellt in der Figur 1 sind weitere Passivierungen oder Schutzabdeckungen, die die Komponenten des Packages P gegen Umwelteinflüsse abdichten. Eine solche Passivierung kann beispielsweise zumindest eine direkt auf die Oberfläche der diskreten passiven Bauelemente DP abgeschiedene oder aufgebrachte Schicht, insbesondere eine Dünnschicht sein. Die Passivierung kann auch eine Schichtenfolge abgeschiedener oder aufgebrachter Schichten umfassen. Beispielsweise ist es möglich, eine erste formschlüssige Abdeckung auf die
diskreten passiven Bauelemente DP aufzubringen, die mit der Oberfläche der dielektrischen Schicht DS abschließt. Dies kann beispielsweise eine thermoplastische Folie sein. Diese Folie kann anschließend mit einer Metallisierung versehen werden, die gegebenenfalls noch galvanisch oder stromlos verstärkt werden kann.
Möglich ist es auch, die Oberfläche des Substrats S gegenüber dem mit Komponenten versehenen Bereich zu vergrößern und die Passivierung mit der dann überstehenden Substratoberfläche abschließen zu lassen. Weiterhin ist es möglich, eine starre und mechanisch formstabile Kappe auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht DS oder auf überstehende Oberflächenbereiche des Substrats S aufzusetzen und gegen dieses
abzudichten. Sowohl mit einer formschlüssigen Abdeckung als auch mit einer starren Kappe kann anschließend noch ein
Verguss des gesamten Packages P erfolgen, wobei vorteilhaft entweder eine Globe Top-Masse aufgebracht oder das Ganze mit einer Kunststoffmasse z. B. durch Overmolding umspritzt wird. Figur 2 zeigt verschiedene Ausführungsformen von abstimmbaren Filtern. Es sind nur beispielhafte Topologien dargestellt, so dass noch weitere Ausführungsformen denkbar sind. Figur 2A zeigt ein Bandpassfilter, welches mit einer seriellen Signalleitung SL einen ersten Anschluss Tl mit einem zweiten Anschluss T2 verbindet. In der seriellen Signalleitung SL sind zumindest vier Schaltungsknoten N vorgesehen, an die Reaktanzelemente angekoppelt sind. Zwischen je zwei
Schaltungsknoten N ist ein Koppelkondensator KC geschaltet, über den die Reaktanzelemente miteinander verkoppelt sind. Eine Brückeninduktivität BI ist parallel zur seriellen
Signalleitung zwischen den beiden äußersten Schaltungsknoten N der seriellen Signalleitung SL verschaltet.
Für ein Bandpassfilter wie in Figur 2A ist das Reaktanzelement beispielsweise als Parallelschwingkreis ausgebildet, in dem hochgütige abstimmbare Kapazität CT mit einer
hochgütigen Parallelspule PL gegen Masse verschaltet ist. Die vier Parallelschwingkreise erzeugen zusammen mit der
Brückeninduktivität BI ein Filter mit einem
Durchlassverhalten, welches zwei Pole aufweist, die zwischen sich ein Passband des Bandpassfilters aufspannen. Möglich ist es auch, in einem Bandpassfilter weitere
Parallelschwingkreise in der gezeigten Weise zu integrieren, mit denen weitere Polstellen ausgebildet werden können oder die vorhandenen Polstellen verstärkt werden können.
Die Anschlusskondensatoren AC dienen zum Einstellen einer Ein- oder Ausgangsimpedanz. So kann in einem Ausführungs- beispile mit einem Anschlusskondensator AC einer Kapazität von 5 pF beispielsweise eine Eingangsimpedanz von 5Ω
eingestellt werden. Durch Anheben dieses Kapazitätswertes auf z. B. 18 pF kann eine Eingangsimpedanz von 50Ω eingestellt werden, ohne dass sich dabei das Durchlassverhalten der
Filterschaltung wesentlich ändert. Kleine Anpassungen der Werte anderer Komponenten können allerdings erforderlich sein . Figur 2B zeigt ein Tiefpassfilter, welches wie das Bandpass¬ filter von Figur 2A eine serielle Signalleitung SL, vier Schaltungsknoten mit dazwischen angeordneten Koppelkapazitäten und zwei endständige Anschlusskapazitäten AC aufweist. An die Schaltungsknoten sind als Reaktanzelemente hochgütige abstimmbare Kondensatoren gegen Masse geschaltet.
Figur 2C zeigt im Blockschaltbild ein abstimmbares Filter, welches als Hochpassfilter ausgeführt ist. Im Unterschied zum Tiefpassfilter von Figur 2B weist das Hochpassfilter von
Figur 2C als Reaktanzelemente hochgütige Induktivitäten auf. Mit abstimmbaren hochgütigen Induktivitäten I kann auch das Hochpassfilter als abstimmbares Filter ausgebildet werden. Figur 2D zeigt ein Blockschaltbild eines als Bandstoppfilter ausgebildeten abstimmbaren Filters. Als Reaktanzelemente sind hier an die Schaltungsknoten N der seriellen Leitung SL
Serienschwingkreise angekoppelt, die eine hochgütige abstimm¬ bare Kapazität CT und dazu in Serie geschaltet eine hoch- gütige Induktivität I umfasst. Das Bandstoppfilter kann als Notchfilter ausgebildet sein, bei dem einzelne Frequenzen gedämpft sind, im übrigen Bereich jedoch guter Durchlass mit wenig Dämpfung erfolgt. Möglich ist es jedoch auch, dass die Serienschwingkreise SK, die über die Koppelkondensatoren KC miteinander gekoppelt sind, zusammen ein Stoppband auf¬ spannen. In den übrigen Frequenzen beiderseits des Stoppbandes zeigt das Bandstoppfilter dann gutes Durchlass¬ verhalten . Figur 2E zeigt ein Figur 2C zeigt im Blockschaltbild ein abstimmbares Hochpassfilter, welches unter Verwenduing von Admittanzinvertern AI realisiert ist. Im Unterschied zum Tiefpassfilter von Figur 2B weist das Hochpassfilter von Figur 2E als abstimmbares Reaktanzelemente jeweils eine
Serienschaltung eines Admittanzinverters AI und einer
abstimmbaren Kapazität CT auf. In den in Figuren 2A bis 2E dargestellten Ausführungsformen von Filtern sind die Komponenten der Reaktanzelemente als hochgütige Komponenten ausgeführt. Beispielsweise sind die abstimmbaren hochgütigen Kondensatoren CT in einem
Halbleiterbauelement HLB integriert und als Varaktoren oder schaltbare Kondensatoren ausgebildet. Auch die Induktivitäten in den Reaktanzelementen der Figuren 2A, 2C und 2D sind hochgütig und sind insbesondere als diskrete passive
Bauelemente DP (siehe Figur 1) ausgebildet. Die übrigen passiven Komponenten innerhalb der seriellen Signalleitung SL sowie die Brückeninduktivität BI können niedergütige
Komponenten sein. Auch die Admittanzinverter AI der Schaltung von Figur 2E sind vorzugsweise einer Verschaltung hochgütiger passiver Komponenten ausgebildet. Wie bereits in Figur 1 angedeutet, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, niedergütige und hochgütige passive Komponenten voneinander zu trennen. Figuren 3A und 3B zeigen beispielsweise eine mögliche Auftrennung der Komponenten für ein Bandpassfilter wie in Figur 2A darge- stellt. In diesem Fall werden die abstimmbaren Kapazitäten CT in einer Gruppe zusammengefasst , auf einem Bauelement inte¬ griert oder in einem gesonderten Bereich eines Halbleiterbauelements realisiert. Die niedergütigen passiven Kompo¬ nenten können auf einem integrierten passiven Bauelement (IPD) realisiert sein, welches wie ein diskretes Bauelement in der ersten oder zweiten Komponentenebene KE1, KE2 des Packages P, wie in Figur 1 dargestellt, angeordnet sein kann. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die passiven Komponenten weiter aufgeteilt. Eine erste Gruppe von passiven Komponenten umfasst die Koppelkondensatoren und die Brückeninduktivität wie in Figur 4A. Die hochgütigen
Induktivitäten der Reaktanzelemente der Figuren 2A, 2C, 2D und 2E bilden eine weitere Gruppe passiver Komponenten, die getrennt realisiert sind, beispielsweise als passive diskrete Bauelemente PD. Die abstimmbaren Kapazitäten CT der
Ausführungsbeispiele 2A, 2B, 2D und 2E bilden eine weitere Gruppe getrennt realisierter passiver Komponenten, die im Halbleiterbauelement HLB integriert sind. Völlig separiert und vorzugsweise als einzelne diskrete Bauelemente
ausgebildet sind nur die hochgütigen Induktivitäten PL, I von Figur 4B.
Niedergütige passive Komponenten sowie die abstimmbaren
Kondensatoren von Figur 4C können getrennt realisiert sein, beispielsweise die abstimmbaren Kapazitäten als Halbleiterbauelement und die niedergütigen Komponenten als integriertes passives Bauelement. Alternativ können jedoch auch die
Komponenten von Figur 4A und 4C in einem gemeinsamen Halbleiterbauelement realisiert sein. Weiterhin ist es möglich, die niedergütigen passiven Komponenten in einem mehrschichtigen Substrat S zu integrieren.
Figur 5 zeigt ein Package im schematischen Querschnitt, welches in der ersten Komponentenebene zumindest zwei
Halbleiterbauelemente HLB1, HLB2 aufweist. Auf diese beiden Halbleiterbauelemente können die einzelnen Komponenten gemäß der Figuren 3B, 4C und 4A verteilt sein. In eines der beiden Halbleiterbauelemente kann zusätzlich die Steuereinheit integriert sein, welche als MIPI-RFFE Controller (= mobile industry processor interface - radio frequency front-end) ausgebildet sein kann. Der MlPI-Controller, also die
Steuereinheit kann auch als separates Halbleiterbauelement in der ersten Komponentenebene KE1 ausgebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform sind sämtliche passiven Komponenten mit Ausnahme der hochgütigen Induktivitäten zusammen mit der Steuerungseinheit, beispielsweise einem MIPI-RFFE Controller in einem einzigen Halbleiterbauelement HLB integriert. Der MIPI Controller kann alle bei mobilen Kommunikationsgeräten wichtigen Daten kontrollieren und die Komponenten steuern.
Der MIPI Controller kann im Basisband Prozessor oder im HF Chipset des Handies realisert sein.
Eine Steuerungseinheit kann das digitale MIPI-RFFE Signal in konkrete Steuersignale z. B. in anloger oder digitaler Form umsetzen .
Figur 6 zeigt ein Array von vier abstimmbaren hochgütigen Impedanzelementen, die von einer gemeinsamen Steuereinheit CE kontrolliert werden. Die Anordnung kann auch eine höhere Anzahl abstimmbarer Impedanzelementen IET umfassen. Die abstimmbaren Impedanzelemente IET weisen eine abstimmbare Impedanz auf. Sie sind beispielsweise als abstimmbare
Kapazitäten ausgebildet, die in ihrem Kapazitätswert
abstimmbar sind. Die Information zur Abstimmung kann über ein MIPI-RFFE Signal (MIPI) an die Steuereinheit CE geschickt werden, die dann die entsprechende Abstimmung der einzelnen abstimmbaren Kondensatoren CT oder eben allgemeiner der Impedanzelemente IET vornimmt. Die abstimmbaren
Impedanzelemente können in unterschiedlichen Technologien realisiert sein. Die gesamte Anordnung kann in einem
Halbleiterbauelement realisiert sein. Die Steuereinheit CE generiert aus dem ΜΙΡΙ-Signal eine Ansteuerung für die abstimmbaren Kondensatoren.
Jedes der abstimmbaren Impedanzelemente kann Teil eines abstimmbaren Reaktanzelements sein, welches wiederum eine Verschaltung eines abstimmbaren Impedanzelements mit einer oder mehr weiteren passiven Komponenten darstellen kann.
Figur 7 zeigt eine Möglichkeit, wie eine hochgütige abstimm- bare Kapazität als Array von schaltbaren Kondensatoren aus¬ gebildet sein kann. Um einen beliebigen Kapazitätswert einzu¬ stellen, wird eine beliebige Anzahl von Kondensatoren in einem Array parallel miteinander verschaltet. Mögliche einstellbare, konkrete Kapazitätswerte ergeben sich aus verschiedenen (Teil-) summen der im Array verschaltbaren
Kapazitäten. In der Figur dargestellt ist ein Kondensator CO. Parallel dazu ist mithilfe eines Schalters SW1 ein erster Zusatzkondensator Cl zuschaltbar. Ein oder mehrere
zusätzliche Kondensatoren Cn sind über Schalter SWn parallel mit den Kondensatoren CO und Cl verschaltbar . Durch
geschickte Auswahl der Kapazitätswerte können so sehr genaue Feinabstufungen des resultierenden Gesamtkapazitätswerts erhalten werden. Während links das Ersatzschaltbild für ein solches schaltbares Kondensatorarray dargestellt ist, ver- deutlicht das rechts dargestellte Symbol einen beliebigen abstimmbaren Kondensator, der auch in einer anderen Technologie realisiert sein kann, beispielsweise als Varaktor.
Ein prinzipieller Unterschied besteht zwischen schaltbaren Kondensatoren und direkt abstimmbaren Kondensatoren wie
Varaktoren, da die schaltbaren Kondensatoren digital
geschaltet werden können, während ein abstimmbarer
Kondensator wie ein Varaktor beispielsweise mit einem analogen Signal gesteuert wird, welches an den Varaktor als Spannung angelegt wird und proportional zum erreichbaren Kapazitätswert ist. Figur 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der für die als hochgütige Induktivitäten ausgelegten
diskreten Bauelemente PD der zweiten Komponentenebene KE2 die Kopplung zwischen benachbarten Bauelemente minimiert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass direkt benachbarte Induk- tivitäten, die beispielsweise als SMD-Bauelemente ausgebildet sind, gegeneinander um 90° in der zweiten Komponentenebene gedreht sind. In der Figur ist mit einem Sternchen eine virtuelle Position im Bauelement gekennzeichnet, um den
Drehsinn aus der Figur ablesen zu können. Durch dreimaliges Drehen um jeweils 90° im gleichen Drehsinn lassen sich insgesamt vier verschiedene Positionen einstellen und so eine minimale Kopplung zwischen den Induktivitäten erzielen.
In einem nicht dargestellten weiteren Package werden die passiven Komponenten des abstimmbaren Filters alle in der ersten Komponentenebene KE1 angeordnet und beispielsweise als in Flipchip-Bauweise auf dem Substrat SU montierte
Bauelemente realisiert. Dabei können unterschiedliche
Bauelemente montiert sein, in denen die passiven Komponenten und der Controller getrennt voneinander realisiert sind. Die niedergütigen passiven Elemente können im Substrat integriert sein, können aber auch mit anderen Komponenten zusammen in einem Bauelement der ersten Komponentenebene realisiert sein. Zumindest den niedergütigen passiven Komponenten können als integriertes passives Bauelement IPD realisiert sein.
Auch die in Flipchip-Bauweise montierten Bauelemente können mit einer Passivierung, einer Abdeckung oder einem Gehäuse versehen werden, die im Prinzip wie bei den vorgenannten Ausführungen realisiert werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen näher beschriebenen Ausführungen beschränkt sondern allein durch den Wortlaut des Hauptanspruchs definiert. Als erfindungsgemäß werden auch einzelne neue Merkmale in den Ansprüchen angesehen, sowie Unterkombinationen davon.
Liste der Bezugszeichen und der verwendeten Begriffe
AC Anschlusskondensator
AI Admittanzinverter
AK Außenkontakte, angeordnet auf unterer Oberfläche des Substrats
BI Brückeninduktivität
CE Steuerungseinheit
CT Varaktoren und schaltbaren Kapazitäten
DK Durchkontaktierung
DP diskrete passive Bauelemente
DS DielektrikumsSchicht
HLB Halbleiterbauelement
KC Koppelkapazität
KE1, KE2 erste und zweite Komponentenebene
N Sehaltungsknoten
P Package
PL hochgütige Induktivität
S Substrat
SEI erste Verdrahtungsebene
SL serielle Signalleitung

Claims

Patentansprüche
1. Package für ein abstimmbares Filter,
- mit einem Substrat (S) , in dem eine erste
Verdrahtungsebene (SE) realisiert ist
- mit einem auf dem Substrat in einer ersten
Komponentenebene (KE1) montierten
Halbleiterbauelement (HLB) , das elektrisch mit der ersten Verdrahtungsebene verbunden ist und das hochgütige, abstimmbare passive Komponenten enthält
- mit einer Steuerungseinheit (CE) , die in der ersten Komponentenebene angeordnet ist
- mit einer über der ersten Komponentenebene
angeordneten Dielektrikumsschicht (DS) ,
- mit einer über der Dielektrikumsschicht angeordneten zweiten Komponentenebene (KE2)
- mit in der zweiten Komponentenebene angeordneten und mit dem Halbleiterbauelement verschalteten diskreten passiven Bauelementen (DP)
- wobei die abstimmbaren passiven Komponenten über die Steuereinheit (CE) abstimmbar sind
- wobei die abstimmbaren passiven Komponenten, die Steuereinheit und die diskreten passiven Bauelemente ein bezüglich seines Durchlassbereichs abstimmbares Filter realisieren.
2. Package nach Anspruch 1,
- bei dem die abstimmbaren passiven Komponenten
abstimmbare hochgütige Kondensatoren (CT) sind, die ausgewählt sind aus Varaktoren und schaltbaren
Kapazitäten, - bei dem diskreten passiven Bauelemente (DP) hochgütige Induktivitäten sind.
3. Package nach Anspruch 1 oder 2,
umfassend eine serielle Signalleitung (SL) , die zumindest 4 Schaltungsknoten aufweist, an die jeweils ein Parallzweig gegen Masse angekoppelt ist, in dem ein hochgütiges
abstimmbares Reaktanzelement angeordnet ist.
4. Package nach Anspruch 3,
bei dem in der seriellen Signalleitung zwischen je zwei benachbarten Schaltungsknoten (N) eine Koppelkapazität (KC) angeordnet ist.
5. Package nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
bei dem die in der seriellen Signalleitung (SL) beiderseits endständig angeordneten Schaltungsknoten (N) über eine parallel zur seriellen Signalleitung geschaltete
Brückeninduktivität (BI) verbunden sind.
6. Package nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
bei dem das Reaktanzelement ein Parallelresonanzkreis ist, wobei jeder Parallelresonanzkreis eine Parallelschaltung eines hochgütigen abstimmbaren Kondensators (CT) und einer hochgütigen Induktivität (PL) umfasst.
7. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Reaktanzelement eine Serieninduktivität ist.
8. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Reaktanzelement eine abstimmbare Kapazität ist.
9. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Reaktanzelement eine Serienschaltung einer abstimmbaren Kapazität (CT) und einer Induktivität ist.
10. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Reaktanzelement eine Serienschaltung eines Admittanzinverters einer abstimmbaren Kapazität (CT) ist.
11. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
- bei dem die hochgütigen Induktivitäten als SMD
Komponenten ausgebildet sind, die jeweils eine magnetische
Achse aufweisen,
bei dem die SMD Komponenten linear so angeordnet sind, dass die magnetischen Achsen je zweier nebeneinnader angeordneter SMD Komponenten gegeneinander um ca. 90° verdreht sind.
12. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem die Steuereinheit (CE) zusammen mit den abstimmbaren passiven Komponenten in dem Halbleiterbauelement (HLB) integriert ist.
13. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem die Koppelkapazitäten (KC) und die
Brückeninduktivität (BI) als ein integriertes passives Element - IPD - ausgebildet und in der ersten
Komponentenebene (KE1) angeordnet sind.
14. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem die Koppelkapazitäten (KC) und die
Brückeninduktivität (BI) im Halbleiterbauelement (HLB) integriert sind.
15. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
bei dem das Substrat (S) und/oder das integrierte passive Element ausgewählt ist aus einer LTCC oder HTCC Keramik oder einem Laminat.
16. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
bei dem auf der unteren von der ersten Komponentenebene (KE1) abgewandten Oberfläche des Substrats (S) sämtliche
Außenkontakte (AK) angeordnet sind, über die das abstimmbare Filter mittels Durchkontaktierungen (DK) und Leiterbahnen elektrisch kontaktiert ist.
17. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
bei dem in das Substrat (S) passive Komponenten des
abstimmbaren Filters integriert sind.
18. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
bei dem weitere Komponenten in dem Package (P)
integriert und in der ersten oder zweiten Komponentenebene (KE1,KE2) angeordnet sind
bei die weiteren Komponenten ausgewählt sind aus
Leistungsverstärker, LNA, akustischem Filter, Duplexer,
Diplexer und HF Halbleiterbauelement.
19. Package nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
bei dem die abstimmbaren Kondensatoren (CT) als Array von schaltbaren MEMS Kondensatoren oder schaltbaren MIM
Kondensatoren ausgebildet sind.
20. Package nach einem der Ansprüche 5-19,
bei dem in der seriellen Signalleitung zwischen je zwei benachbarten Schaltungsknoten (N) anstelle der
Koppelkapazität eine Koppelinduktivität angeordnet ist.
21. Package nach einem der Ansprüche 5 oder 20, bei dem die in der seriellen Signalleitung (SL) beiderseits endständig angeordneten Schaltungsknoten (N) über eine parallel zur seriellen Signalleitung geschaltete
Brückenkapazität verbunden sind.
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