中心頻率可調的基片集成波導濾波器及其制作方法與流程

本發明屬于濾波器技術領域，具體涉及中心頻率可調的基片集成波導濾波器及其制作方法。

背景技術：

對于高頻通訊系統應用，例如：5G通信的高頻窗口，由于頻率高達27GHz以上，傳統的微帶濾波器帶內插損比較大，而基片集成波導(SIW)實現高頻濾波器由于輻射損耗很小，所以其帶內插損可以將控制在很小范圍，很適合應用在小型化基站。

濾波器是射頻系統中關鍵元件，由于工作的頻率的增加，傳統的微帶濾波器由于損耗增大，很難滿足現在射頻系統的要求，所以基片集成波導正成為高頻濾波器的首選。相比于在基板上實現基片集成波導濾波器形式，由于工程設計的方便和設計時間的需要，更需要希望直接用濾波器器件直接貼裝的方法來直接實現濾波器的功能。傳統的基片集成波導濾波器中心頻率可以通過電調節和磁調節的方式來實現。

如公開號為CN104934662A的中國專利申請，其利用集成波導鐵氧體的方式來實現中心頻率可調濾波器，通過鐵氧體改變波導濾波器內部的磁場，從而調節波導濾波器的中心頻率。該方式的優點是結構簡單，利于實現，可以簡單的通過調節鐵氧體的狀態來改變磁場，從而調節中心頻率。但其缺點是體積大，調諧的線性度差，而且沒有制作外部電路，不是一個封裝體，不利于加工制版。

公開號為CN105489987A的中國專利申請則是基于液晶材料的實現基片集成波導可調濾波器，通過在基片集成波導上表面金屬層上刻蝕開口諧振環來實現帶通濾波器，將基片集成波導上表面金屬層倒置與液晶材料接觸，利用饋電結構，形成基于液晶材料的基片集成波導可調濾波器。其優點是：利用液晶材料的介電常數與電場的關系，通過控制電壓來實現中 心頻率可調，而且液晶材料的密度低，質量輕，調節電壓低更適合現代無線通信工程。但其缺點是：利用液晶材料封裝可能面臨液晶材料泄漏的問題。

中國發明專利申請CN104241738A則通過加載PIN管的基片集成波導可調濾波器，利用電壓調節PIN二極管，通過加載電容的方式改變基片集成波導濾波器的中心頻率。其優點是變容二極管的調節速度快，缺點是該

“一種基片集成波導可調濾波器的設計”(《電子元件與材料》第35卷第5期，2016.05，周建等人)設計了一種兩腔SIW可調濾波器，它是基于多層異質腔體加載物理開關的可調濾波器結構，在濾波器腔體上將調諧柱陣列排布，再采用封裝好的MEMS開關進行選通。其優點是設計的濾波器利用現成的RF MEMS開關加載到PCB基片上，設計和實現上省去了很多步驟，但其集成度不高，損耗大。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明所要解決的技術問題是現有的基片集成波導濾波器的中心頻率調節的集成度小，損耗大的問題，以及沒有可以直接使用的中心頻率27GHz低插入損耗的小型濾波器模塊的問題。

(二)技術方案

為解決上述技術問題，本發明提出一種中心頻率可調的基片集成波導濾波器，所述濾波器包括諧振腔，諧振腔包括自下而上依次疊置的底層金屬層、基板、中間金屬層、介質層和頂層金屬層，諸振腔的側壁由多個貫通于頂層金屬層與底層金屬層的側壁金屬柱構成，且諧振腔內部具有多個貫通于中間金屬層與底層金屬層的金屬連接柱，底層金屬層的連接側壁金屬柱的部分與連接金屬連接柱的部分相互間隔，所述諧振腔內部還具有調諧導電柱，所述調諧導電柱貫通于底層金屬層和頂層多屬層，但與中間金屬層相互間隔；頂層多屬層的連接調諧導電柱的部分與連接側壁導電柱的部分相互間隔；底層金屬層的連接調諧導電柱的部分與連接金屬連接柱的部分相互間隔；所述頂層多屬層的連接調諧導電柱的部分的上方由一個導 電膜橋覆蓋，以在所述頂層多屬層的連接調諧導電柱的部分與該導電膜橋之間形成一個空腔。

優選的，所述調諧導電柱為金屬柱，或者是其他能影響該基片集成波導濾波器中心頻率的半導體材料構成。

優選的，所述基板的材料為玻璃、高阻硅、砷化鎵，銦磷III-VI族半導體或有機物。

優選的，所述導電膜橋的上方形成有保護罩。

優選的，所述保護罩的材料為金屬或玻璃。

優選的，所述導層膜橋通過所述頂層金屬層進行饋電控制。

優選的，所述導電膜橋的材料為金屬。

本發明還提出一種制作中心頻率可調的基片集成波導濾波器的方法所述方法包括：在諧振腔內部形成調諧導電柱，所述調諧導電柱貫通于底層金屬層和頂層多屬層，但與中間金屬層相互間隔；在所述頂層多屬層的連接調諧導電柱的部分的上方形成一個導電膜橋，以在所述頂層多屬層的連接調諧導電柱的部分與該導電膜橋之間形成一個空腔。

(三)有益效果

1.本發明可以在多種介質基板上制作，可以充分利用成熟的硅基和玻璃基工藝，大大的降低了制作的成本，工藝簡單成熟。

2.本發明通過基片集成波導濾波器加載導電銅柱等的方式來調節中心頻率，與傳統的其他方式的調節中心頻率的相比，性能更好。

3.本發明利用MEMS與晶圓級工藝，將MEMS開關與基片集成波導濾波器直接集成在一起，而不是傳統的外置MEMS開關來控制基片集成波導濾波器的中心頻率，有效的減少了MEMS元件由于封裝帶來的損耗。

4.本發明直接將可調基片集成波導濾波器制作成單獨的封裝的模塊，提出了完整的工藝制作方法。

5.本發明與傳統的基片集成波導濾波器制作在基板上相比，大大的增加了工程使用的方便性和可能性，對于整個系統來說，相對的可靠性更高。

附圖說明

圖1是本發明的中心頻率可調的基片集成波導濾波器的疊層結構示意圖；

圖2是本發明的中心頻率可調的基片集成波導濾波器的附視圖；

圖3A～圖3I是本發明的一個實施例的中心頻率可調的基片集成波導濾波器的制作工藝流程圖，其中，圖3A是對基板打通孔并進行實心電鍍的工藝示意圖，圖3B是在基板的上表面和下表面形成底層金屬層和中間金屬層的工藝示意圖，圖3C是在基板的中間金屬層上形成介質層的工藝示意圖，圖3E是在介質層上制作頂部金屬層的工藝示意圖，圖3F是在底部金屬層上形成犧牲層的工藝示意圖，附圖3G是在犧牲層上制作導電膜橋的工藝示意圖。附圖3H是釋放犧牲層的工藝示意圖。附圖3I是在導電膜橋上方鍵合保護罩的工藝示意圖。

具體實施方式

總的來說，本發明提出一種中心頻率可調的基片集成波導濾波器。根據波導諧振頻率的電調節的方法，利用在濾波器諧振腔內加載導電柱，導電柱的開關通過導電膜橋實現，以實現對諧振腔的諧振頻率的擾動，從而實現了基片集成波導濾波器中心頻率的調節，大大的增加了濾波器的應用范圍和可校準性。

從制作方法來說，本發明利用MEMS工藝制作導電膜橋，即本發明通過MEMS工藝和晶圓級工藝的制作方法，利用導電膜橋開關調節基片集成波導濾波器中心頻率。由此本發明將導電膜橋開關與基片集成波導集成封裝在一起，構成了一個小型的SiP器件。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

圖1是本發明的中心頻率可調的基片集成波導濾波器的疊層結構示意圖。如圖1所示，濾波器主要包括諧振腔，通常，諧振腔包括自下而上依次疊置的底層金屬層13、基板11、中間金屬層12、介質層14和頂層金屬層16。諧振腔的側壁則由多個貫通于頂層金屬層16與底層金屬層13的側壁金屬柱22構成，且諧振腔內部具有多個貫通于中間金屬層12與底層金 屬層13的金屬連接柱10，底層金屬層13的連接側壁金屬柱22的部分與連接金屬連接柱的10部分相互間隔。

本發明的諧振腔內部還設有用于調節中心頻率的調諧導電柱21，調諧導電柱21也貫通于底層金屬層13和頂層多屬層16之間，但與中間金屬層12相互間隔。頂層多屬層16的連接調諧導電柱21的部分與連接側壁導電柱22的部分相互間隔；底層金屬層13的連接調諧導電柱21的部分與連接金屬連接柱10的部分相互間隔。

此外，根據本發明，在頂層多屬層16的連接調諧導電柱21的部分的上方由一個導電膜橋18覆蓋，以在所述頂層多屬層16的連接調諧導電柱的部分與該導電膜橋18之間形成一個空腔19。

圖2是本發明的中心頻率可調的基片集成波導濾波器的附視圖。如圖2所示，諧振腔數量依據濾波器特性可以是一級、二極或多級，在該實施例中為四個諧振腔，且四個諧振腔通過級聯方式形成。如圖2所示，各個諧振腔由側壁金屬柱圍成，而調諧導電柱位于每個諧振腔的內部。調諧導電柱的上方覆蓋有導電膜橋。此外，該濾波器還具有輸入輸出接入部分23。所述導層膜橋通過所述頂層金屬層16進行饋電控制。

通過基片集成波導濾波器加載調諧導電柱等的方式來調節中心頻率，與傳統的其他方式的調節中心頻率的相比，性能更好。

根據本發明，所述調諧導電柱優選為金屬構成，例如銅柱，但本發明也可以選用其他能影響該基片集成波導濾波器中心頻率的半導體材料構成調諧導電柱。

本發明的基板的材料可以為玻璃、高阻硅、砷化鎵，銦磷III-VI族半導體或有機物等。

優選的，如圖1所示，導電膜橋的上方形成有保護罩20，所述保護罩20的材料可為金屬或玻璃。

圖3A～圖3I是本發明的一個實施例的中心頻率可調的基片集成波導濾波器的制作工藝流程圖。下面參照圖3A～圖3I來說明本發明的制作方法。

圖3A是對基板打通孔并進行實心電鍍的工藝示意圖。如圖3A所示，首先準備基板11材料，在該實施例中采用玻璃作為基板，然后去除基板 11表面的油污，雜質等，并在玻璃基板11內通過等離子刻蝕、激光燒蝕、噴砂等方法形成通孔，采用濺射或化學鍍方式在雙側玻璃表面及內壁形成電鍍種子層，然后電鍍填充玻璃通孔，并雙側化學機械拋光去除表面銅層和種子層，形成玻璃基板內的實心的金屬柱9。

附圖3B是在基板的上表面和下表面形成底層金屬層和中間金屬層的工藝示意圖。如圖3B所示，在該實施例中，在基板11的上、下表面上采用電子束蒸發或濺射的方法制作Ti/Cu種子層，電鍍Cu，光刻，圖形化，腐蝕Cu層，去除光刻膠，從而在基板11的下表面形成Cu層，Cu層上具有圖形化布線層與焊盤，上表面的Cu層在本發明中稱為中間金屬層，下表面的Cu層在本發明中稱為底部金屬層。值得注意的是，在圖形化時，將后面作為調諧導電柱和側壁導電柱的部分與其他部分相隔離。

附圖3C是在基板的中間金屬層上形成介質層的工藝示意圖。如圖3所示，在該實施例中，用旋涂、噴涂或淀積等方式在中間金屬層12上形成絕緣介質構成的介質層14，該絕緣介質例如為聚酰亞胺或氮化硅。

附圖3D是在介質層內打孔并進行實心電鍍的工藝示意圖。如圖3D所示，在介質層14的欲形成調諧導電柱和側壁金屬柱的位置通過光刻、刻蝕形成連接中間金屬層的孔，采用化學鍍銅填充孔，制成第介質層14內的金屬連接孔15。

附圖3E是在介質層上制作頂部金屬層的工藝示意圖。如圖3E所示，在介質層14上濺射種子層，光刻，電鍍，形成介質層14上作為共面波導結構與布線結構的頂部金屬層16，并去掉光刻膠、腐蝕種子層。

附圖3F是在底部金屬層上形成犧牲層的工藝示意圖。如圖3F所示，所述犧牲層17形成在作為調諧導電柱的上部，采用光刻膠或者多晶硅制作犧牲層17。

附圖3G是在犧牲層上制作導電膜橋的工藝示意圖。如圖3G所示，通過涂覆光刻膠后進行光刻，然后電鍍制作導電膜橋18。在該實施例中，導電膜橋18是由金屬形成。

附圖3H是釋放犧牲層的工藝示意圖。如圖3H所示，在該實施例中采用丙酮或氫氧化鉀溶液釋放以去掉犧牲層17、種子層，留下空氣腔19。

附圖3I是在導電膜橋上方鍵合保護罩的工藝示意圖。如圖3I所示，在該實施例中，將玻璃蓋帽用鍵合膠或玻璃熔漿等材料鍵合作為保護罩20，保護導電膜橋18。

至此，本發明的濾波器中心頻率可調的基片集成波導濾波器制作完畢。由上面的工藝可看出，本發明可以在多種介質基板上制作，可以充分利用成熟的硅基和玻璃基工藝，大大的降低了制作的成本，工藝簡單成熟。

上述工藝結合了MEMS工藝與晶圓級工藝，將MEMS開關的結構與基片集成波導濾波器直接集成在一起，而不是像傳統的外置MEMS開關來控制基片集成波導濾波器的中心頻率，有效的減少了MEMS元件由于封裝帶來的損耗。與傳統的基片集成波導濾波器制作在基板上相比，本發明大大的增加了工程使用的方便性和可能性，對于整個系統來說，相對的可靠性更高。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。