[发明专利]一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器

说明书

本发明公开的基于硅通孔技术的三维带通滤波器包括平行板电容器单元、平面螺旋电感器单元、重新布线层、三维螺线管电感器单元和软磁铁氧体材料单元，该三维带通滤波器采用片上冗余硅通孔实现三维螺线管电感器，通过垂直设置的硅通孔和水平设置的金属互连层显著降低了三维螺线管电感器所占面积，并在三维螺线管电感器的结构中加入具有高磁导率的软磁铁氧体材料，进一步提高了三维螺线管电感器的磁导率与电感密度，该三维带通滤波器的高频阻带抑制特性和频率选择性好，其相对带宽比率高达31.6%，其电感器的电感密度高达100 nH/mmsupgt;2/supgt;。该三维带通滤波器具有占用面积小、损耗低和外形尺寸紧凑的优点，适用于高性能射频电路设计应用。

技术领域

本发明涉及微波电路中的滤波器设计技术领域，具体是一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器。

背景技术

现代无线通信设备与通信系统具有小型化、高速和多功能优点，通常支持不同通信协议。为了研发此类通信设备与通信系统，业界提出了系统级封装、片内封装与三维集成等一系列先进封装技术。但因电感器和电容器的尺寸太大，这些封装技术仍无法将滤波器、耦合器与天线等射频无源单元集成于系统内部。为此CN106158835A提出一种基于硅通孔技术的低通滤波器，采用垂直同轴硅通孔电容器代替传统平面电容器，结合平面螺旋电感，设计一种二阶低通滤波器。尽管该设计方法能够缩小电容器与低通滤波器的尺寸，但也存在一些不足：第一，该专利所用的同轴硅通孔属于非标准硅通孔结构，其结构包含了第一介质层、外金属层、第二介质层和金属芯层，通过在硅衬底与外金属层间填充第一介质层、在外金属层与金属芯层间填充第二介质层实现电隔离，外金属层须接地，在作为电容器设计应用时，金属芯层作为电容上极板电极，外金属层作为电容下极板电极，该结构决定了同轴硅通孔电容器仅适用于接地电容设计，无法应用于耦合电容及包含耦合电容的带通滤波器设计；第二，虽然该低通滤波器的同轴硅通孔电磁特性出色，但其结构复杂，工艺制备成本较高，因此并未在主流硅通孔封装技术中广泛采用；第三，电感器的电感密度与尺寸是影响滤波器尺寸大小的关键因素，但该低通滤波器仍采用传统的平面电感器结构，其电感密度较低，已有的实验(N.Sturcken,et al.,A 2.5D integrated voltage regulator usingcoupled magnetic-core inductors on silicon interposers,IEEE J.Solid-StateCircuit,vol.48,no.1,pp.244-254,Jan.2013.)与仿真数据均表明平面螺旋电感器的电感密度仅为40～50nH/mm²。

三维封装技术通过硅通孔实现不同芯片的垂直互连通信，但硅通孔的尺寸普遍较大，32nm工艺节点下，单个硅通孔大小约为片上标准单元尺寸的5～10倍。此外，除了用于信号、电源与热传导的硅通孔，芯片内部还存在大量的冗余硅通孔。工艺制造厂家为了提高三维封装技术的良率，设置了单位硅片面积内最小硅通孔数目的设计规则。这些冗余硅通孔就是为满足这些设计规则插入的，它们并未用于片内有效电热传导，但却造成了硅片面积的额外开销。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于硅通孔技术的三维带通滤波器，采用片上冗余硅通孔实现三维螺线管电感器，通过垂直设置的硅通孔和水平设置的金属互连层显著降低了三维螺线管电感器所占面积，并在三维螺线管电感器的结构中加入具有高磁导率的软磁铁氧体材料，进一步提高了三维螺线管电感器的磁导率与电感密度，该三维带通滤波器的高频阻带抑制特性和频率选择性好，其相对带宽比率高达31.6％，其三维螺线管电感器的电感密度高达100nH/mm²。