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(xué) 光電學(xué)院,重慶 400044)

0 引言

現(xiàn)代通訊電磁環(huán)境錯綜復(fù)雜,對通訊設(shè)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(tǒng)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(xiàn)大帶寬,但由于品質(zhì)因數(shù)(Q值)低,矩形系數(shù)小,使近端阻帶抑制性能下降,將導(dǎo)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(wěn)定性,但由于線寬制作限制,難以實現(xiàn)高頻濾波。FBAR濾波器不僅具備矩形系數(shù)高、適用于高頻濾波、耐功率高、重復(fù)性好及高Q值等優(yōu)勢,且芯片面積小(約1 mm2),質(zhì)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(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化,實現(xiàn)了相對帶寬大于5%薄膜體聲波濾波器的設(shè)計。通過表面硅基微機電系統(tǒng)(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(shè)計和工藝技術(shù)支撐。

1 C波段寬帶薄膜體聲波濾波器設(shè)計

1.1 封裝設(shè)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(lián)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(lián),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(lián),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(shù)提取

材料參數(shù)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(shù)與其膜厚相關(guān)。本文對20%鈧含量壓電材料參數(shù)(包括相對介電常數(shù)、聲粘度常數(shù)、縱波聲速、密度等)進行提取。

壓電薄膜材料參數(shù)提取流程如圖2所示。首先,采用Mason模型與預(yù)設(shè)材料參數(shù)進行諧振器設(shè)計[8],制作并探針測試FBAR,通過去嵌入技術(shù)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(shù)與材料參數(shù)的系列公式[9],提取得到壓電薄膜的材料參數(shù)。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(shù)的數(shù)據(jù)庫。

圖2 壓電薄膜材料參數(shù)提取流程

1.4 結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化

1.4.1 聲-電磁全波仿真設(shè)計流程

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

圖3 FBAR濾波器全波仿真設(shè)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(shù),并將參數(shù)寫入優(yōu)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(shù)的仿真與提取。

3) 采用Mason模型與電磁參數(shù)相結(jié)合的方式,進行濾波器仿真設(shè)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(shè)計及優(yōu)化,直至滿足目標電性能要求。

1.4.2 濾波器膜層及結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了獲得濾波器的快速滾降,選擇了階梯形濾波器結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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(shù),如圖4所示。通過初步設(shè)計,濾波器指標滿足預(yù)期目標。設(shè)計參數(shù)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(shè)計參數(shù)

表2 諧振器面積設(shè)計參數(shù)

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(shù)據(jù)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(yīng)的諧振器等效模型接入相應(yīng)的端口(見圖7)進行全波仿真,對面積及膜層厚度進行優(yōu)化后,得到的響應(yīng)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(xiàn)上,選用Q值較高的空腔結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)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(huán)境適應(yīng)性、有效保護器件,采用有機感光膜作為封裝材料實現(xiàn)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(shù),解決了封裝過程中導(dǎo)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(shù)對器件性能影響較大,因此,設(shè)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(yīng)曲線如圖11所示。仿真與實測參數(shù)對比如表3所示。

表3 仿真與實測參數(shù)對比

圖11 寬帶FBAR濾波器頻率實測響應(yīng)圖

從表3可看出,實測與仿真結(jié)果基本吻合。由于工藝驗證過程中膜厚的偏差,導(dǎo)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(diào)頻工藝進行修正。

4 結(jié)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(shè)計方法,通過對壓電層薄膜進行鈧摻雜、膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)了相對帶寬大于5%薄膜體聲波濾波器的設(shè)計;通過表面硅基微機電系統(tǒng)(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(xiàn)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(jié)果與實測吻合較好,證明了本文描述的設(shè)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(shù)據(jù)對比可以看出,增加版圖仿真后的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)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(xiàn)濾波器性能評估提供了思路。