C波段寬帶薄膜體聲波濾波器設計及驗證

蔣世義,蔣平英,,馬晉毅,陳彥光,徐 陽,劉 婭,徐 溢

(1.中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060; 2.重慶大學 光電學院,重慶 400044)

0 引言

現代通訊電磁環境錯綜復雜,對通訊設備的高靈敏、高精度、高速率以及靈活機動性等綜合特性提出了更高的要求,需求迫切。射頻濾波器為射頻鏈路中的核心元器件,為滿足這一需求,急需兼具高頻率、大帶寬及小體積的特點[1]。目前,射頻系統普遍采用的射頻濾波器主要有低溫共燒陶瓷(LTCC)、聲表面波(SAW)和薄膜體聲波(FBAR)濾波器。LTCC濾波器雖然可實現大帶寬,但由于品質因數(Q值)低,矩形系數小,使近端阻帶抑制性能下降,將導致接收機的抗干擾性能下降。SAW濾波器雖然帶寬能做很大且具有高溫度穩定性,但由于線寬制作限制,難以實現高頻濾波。FBAR濾波器不僅具備矩形系數高、適用于高頻濾波、耐功率高、重復性好及高Q值等優勢,且芯片面積小(約1 mm2),質量輕(小于0.1 g),且由于大量采用微電子標準化工藝,FBAR濾波器具有微電子產品一致性高及可制造性好的特點[2]。

本文介紹了一種適用于三維堆疊小型化的C波段寬帶薄膜體聲波濾波器的設計及封裝方法,并進行了工藝驗證。通過對壓電層薄膜進行鈧摻雜、膜層結構設計、參數優化,實現了相對帶寬大于5%薄膜體聲波濾波器的設計。通過表面硅基微機電系統(MEMS)工藝制備與凸點式晶圓級封裝工藝,完成了濾波器的制備。最終研制出標稱頻率5 800 MHz、插入損耗小于2.8 dB、阻帶抑制大于40 dBc、體積僅1.0 mm×1.0 mm×0.35 mm的C波段寬帶薄膜體聲波濾波器。為小型化C波段寬帶薄膜體聲波濾波器的研制提供了有效的設計和工藝技術支撐。

1 C波段寬帶薄膜體聲波濾波器設計

1.1 封裝設計

FBAR濾波器的體積主要由封裝形式所決定。為了滿足三維堆疊的小體積需求,濾波器將采用晶圓級(WLP)封裝形式。而即便是WLP封裝,其與基板互聯的方式不同,最終整個器件占用面積也不同。

目前常用的WLP封裝如圖1所示。平面式WLP是目前最常用的,但其需要配合點焊線完成器件與基板電路的互聯,額外增加了面積的消耗,總占用面積大;凸點式WLP封裝采用蓋帽通孔植球,倒裝形式與基板互聯,占用面積僅為芯片尺寸大小,因此本文介紹的器件采用圖1(b)所示的凸點式晶圓級封裝[3-5]。

圖1 FBAR濾波器晶圓級封裝示意圖

1.2 壓電材料選擇

1.3 材料參數提取

材料參數的準確性決定了濾波器的仿真精度,并且薄膜材料與塊體材料不同,其材料參數與其膜厚相關。本文對20%鈧含量壓電材料參數(包括相對介電常數、聲粘度常數、縱波聲速、密度等)進行提取。

壓電薄膜材料參數提取流程如圖2所示。首先,采用Mason模型與預設材料參數進行諧振器設計[8],制作并探針測試FBAR,通過去嵌入技術得到諧振器的頻響曲線,建立諧振器的等效MBVD模型,按照等效參數與材料參數的系列公式[9],提取得到壓電薄膜的材料參數。最后在Comsol軟件中進行三維有限元建模驗證,從而建立膜厚與材料參數的數據庫。

圖2 壓電薄膜材料參數提取流程

1.4 結構模型優化

1.4.1 聲-電磁全波仿真設計流程

本文采用聲-電磁全波仿真對FBAR濾波器進行仿真設計,其設計流程(見圖3)為:

圖3 FBAR濾波器全波仿真設計流程

1) 建立諧振器的MBVD模型,并通過實測曲線和仿真曲線的擬合,提取得到諧振器的參數,并將參數寫入優化后的Mason模型中。

2) 利用商用電磁仿真軟件建立外圍封裝的三維電磁模型,用于封裝S參數的仿真與提取。

3) 采用Mason模型與電磁參數相結合的方式,進行濾波器仿真設計。

4) 繪制版圖,將版圖代入仿真模型,得到濾波器的電磁模型。最終進行濾波器帶版圖的設計及優化,直至滿足目標電性能要求。

1.4.2 濾波器膜層及結構設計

為了獲得濾波器的快速滾降,選擇了階梯形濾波器結構。為減小諧振器雜波,通過有限元仿真,選擇了合適的電極厚度比及諧振器面積;兼顧阻帶抑制和插入損耗,采用了4串4并的拓撲結構。采用商用電磁仿真軟件建立封裝、基板、焊盤的電磁模型,計算了濾波器外圍電路的S參數,如圖4所示。通過初步設計,濾波器指標滿足預期目標。設計參數如表1、2所示。仿真曲線如圖5所示。圖中,IL為插入損耗,fc為中心頻率,BW-3 dB為-3 dB帶寬,S21為幅度。

表1 膜厚設計參數

表2 諧振器面積設計參數

圖4 FBAR濾波器初步電磁仿真模型

圖5 FBAR濾波器初步仿真曲線

1.4.3 濾波器全波仿真

將初仿得到的諧振器數據進行版圖繪制,并將繪制完成的版圖代入初仿模型中,建立器件的全電磁仿真模型,如圖6所示。將相應的諧振器等效模型接入相應的端口(見圖7)進行全波仿真,對面積及膜層厚度進行優化后,得到的響應曲線如圖8所示。

圖6 全電磁仿真模型

圖7 全波仿真模型

圖8 全波仿真頻響曲線

2 工藝驗證

在工藝實現上,選用Q值較高的空腔結構,以實現更低的插損,采用高阻硅片進行FBAR濾波器制作。為提高器件的環境適應性、有效保護器件,采用有機感光膜作為封裝材料實現WLP封裝,工藝流程如圖9所示。在封裝工藝過程中,通過研究光刻曝光量、烘烤溫度、時間等工藝參數,解決了封裝過程中導致的FBAR濾波器薄膜塌陷問題[10]。

圖9 凸點式WLP工藝流程圖

通過硅基表面MEMS工藝,完成了FBAR濾波器的制作,通過有機膜光刻機及植球工藝完成了凸點式晶圓級封裝,芯片實物圖如圖10所示,芯片尺寸為1.0 mm×1.0 mm×0.35 mm。

圖10 C波段寬帶FBAR濾波器實物圖

3 測試及分析

由于器件體積小,工作頻率高,外圍電磁參數對器件性能影響較大,因此,設計了高頻器件專用測試夾具及校準板。通過校準測試,濾波器頻率響應曲線如圖11所示。仿真與實測參數對比如表3所示。

表3 仿真與實測參數對比

圖11 寬帶FBAR濾波器頻率實測響應圖

從表3可看出,實測與仿真結果基本吻合。由于工藝驗證過程中膜厚的偏差,導致了頻率指標的仿真和實測存在細微的偏差,頻率可通過調頻工藝進行修正。

4 結束語

本文介紹了一種適用于三維堆疊的凸點式晶圓級封裝的C波段寬帶薄膜體聲波濾波器的設計方法,通過對壓電層薄膜進行鈧摻雜、膜層結構設計、參數優化實現了相對帶寬大于5%薄膜體聲波濾波器的設計;通過表面硅基微機電系統(MEMS)工藝制備與凸點式晶圓級封裝工藝,完成了濾波器的制備及驗證,實現了相對帶寬大于5%、帶外抑制大于40 dBc的薄膜體聲波濾波器,通過測試及分析,仿真結果與實測吻合較好,證明了本文描述的設計及工藝方法的有效性。同時,從初仿與增加版圖仿真后的數據對比可以看出,增加版圖仿真后的數據與實測數據更為吻合,但增加版圖仿真對通帶影響較小,對阻帶影響較大,為快速實現濾波器性能評估提供了思路。