阅读说明：本技术 一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器 (Three-dimensional integrated filter based on glass through hole ) 是由 刘阳 刘晓贤 卢启军 尹湘坤 朱樟明 杨银堂 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器,滤波器包括：第一层,包括第一金属板和第一金属线,所述若干第一金属板与所述第一金属线连接；第二层,包括介质基板和第二金属板,介质基板设置于第一金属板和第一金属线上方,第二金属板设置于介质基板内；第三层,包括玻璃基板和玻璃通孔,玻璃基板设置于第二层上方,玻璃通孔均贯穿玻璃基板；第四层,包括第三金属板和第二金属线,第二金属线设置于第三层上方且围成第二区域结构,第三金属板设置于第二区域结构内。本发明基于玻璃通孔构建三维螺旋电感器和平板电容器,通过三维螺旋电感器和平板电容器串并联形成的等效滤波器结构,其结构紧凑、体积小,方便集成,设计灵活。(The invention discloses a three-dimensional integrated filter based on glass through holes, which comprises: the first layer comprises first metal plates and first metal wires, and the first metal plates are connected with the first metal wires; the second layer comprises a dielectric substrate and a second metal plate, the dielectric substrate is arranged above the first metal plate and the first metal wire, and the second metal plate is arranged in the dielectric substrate; the third layer comprises a glass substrate and glass through holes, the glass substrate is arranged above the second layer, and the glass through holes penetrate through the glass substrate; and the fourth layer comprises a third metal plate and a second metal wire, the second metal wire is arranged above the third layer and surrounds a second area structure, and the third metal plate is arranged in the second area structure. The three-dimensional spiral inductor and the plate capacitor are constructed based on the glass through holes, and the equivalent filter structure is formed by connecting the three-dimensional spiral inductor and the plate capacitor in series and parallel, so that the three-dimensional spiral inductor and the plate capacitor are compact in structure, small in size, convenient to integrate and flexible in design.)

一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器

技术领域

本发明属于射频/微波集成电路技术领域，具体涉及一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器。

背景技术

在射频集成电路中，滤波器作为通信系统中不可或缺的选频部件，起着非常重要的作用，被广泛的应用在各种射频集成电路中。

滤波器对于通信系统整体运行质量的提升非常关键。随着人们对高速无线移动通信和高性能芯片的需求日益增长，滤波器小体积化、轻重量化发展十分迫切。目前已有的集成滤波器主要通过顶层金属构成的平面电容及电感组成，能够满足宽带性能以及信道隔离，但随着三维制造技术的快速发展，可以通过激光钻孔、静电放电、湿法刻蚀等对玻璃材料进行刻蚀，并通过硅基集成电路工艺实现填充，从而出现玻璃转接板。

目前，目前已有的集成滤波器主要通过顶层金属构成的平面电容及电感组成，其占用芯片面积过大，导致滤波器体积过大，并且很难实现降低系统重量。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器。

本发明实施例提供了一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器，所述滤波器包括：

第一层，包括若干第一金属板和若干第一金属线，所述若干第一金属板与所述第一金属线连接；

第二层，设置于所述第一层上方，包括介质基板和若干第二金属板，所述介质基板设置于所述第一金属板和所述第一金属线上方，所述第二金属板设置于所述介质基板内；

第三层，设置于所述第二层上方，包括玻璃基板和若干玻璃通孔，所述玻璃基板设置于第二层上方，所述若干玻璃通孔均贯穿所述玻璃基板；

第四层，设置于所述第三层上方，包括若干第三金属板和第二金属线，所述第二金属线设置于所述第三层上方且围成第二区域结构，所述若干第三金属板设置于所述第二区域结构内。

在本发明的一个实施例中，所述若干第一金属板包括第一子金属板、第二子金属板，所述若干第一金属线包括第一子金属线和若干第二子金属线，其中，

所述第一子金属线围成所述第一区域结构；

所述第一子金属板和所述第二子金属板设置于所述第一区域结构中；

所述第一子金属板和所述第二子金属板两端均分别通过所述第二子金属线与所述第一子金属线连接。

在本发明的一个实施例中，所述若干第二金属板以第一等间距依次设置于所述介质基板内，且两边最外侧的所述第二金属板分别设置于所述第一子金属板和所述第二子金属板正上方。

在本发明的一个实施例中，所述若干玻璃通孔包括若干第一玻璃通孔和若干第二玻璃通孔，其中，

所述若干第一玻璃通孔贯穿所述玻璃基板，所述第一玻璃通孔的正投影位于所述第二金属板上，每个所述第一玻璃通孔填充有第一金属柱；

所述若干第二玻璃通孔贯穿所述玻璃基板，且所述若干第二玻璃通孔的正投影位于所述第一子金属线上，每个所述第二玻璃通孔填充有第二金属柱。

在本发明的一个实施例中，所述若干第一玻璃通孔在所述玻璃基板上呈若干行分布，每一行所述第一玻璃通孔之间以第二等间距分布，相邻两行所述第一玻璃通孔中的相邻两个所述第一玻璃通孔之间的垂直距离为第三等间距，且每个所述第二金属板的对角线顶点分布有两个所述第一玻璃通孔；

所述若干第二玻璃通孔设置于所述第一子金属线正上方的所述玻璃基板的四个顶点。

在本发明的一个实施例中，所述第三金属板以所述第一等间距依次设置于所述第二区域结构中。

在本发明的一个实施例中，所述第三金属板通过所述第一金属柱连通至所述第二金属板；

所述第二金属线通过所述第二金属柱连通至所述第一子金属线。

在本发明的一个实施例中，所述第一子金属线和所述第二金属线的宽度均大于等于所述第二玻璃通孔的直径。

在本发明的一个实施例中，所述第一子金属板、所述第二子金属板、所述第二金属板和所述第三金属板大小、形状均相同，且所述第一子金属板、所述第二子金属板、所述第二金属板和所述第三金属板的第一边的长度均小于所述第二等间距，所述第一子金属板、所述第二子金属板、所述第二金属板和所述第三金属板的第二边的长度均大于所述第三等间距。

在本发明的一个实施例中，所述第一子金属板、所述第二子金属板、所述第二金属板均设置于相邻所述第三金属板的中垂线的正下方。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明基于玻璃通孔构建三维螺旋电感器和平板电容器，通过三维螺旋电感器和平板电容器串并联形成的等效滤波器结构，其结构紧凑、体积小，方便集成，设计灵活。

2、本发明基于玻璃通孔构建的三维螺旋电感器与平板电容器串并联形成的L-C-L-C-L等效滤波器结构，有效的消除了电路中的耦合噪声，能够同时减小带内的***损耗、增大带外的回波损耗。

3、本发明在底层设计中有接地屏蔽线，可以将电场线被***封闭的金属线完全收集，提高了能量利用率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的结构示意图；

图2a～2d是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的第一层、第二层、第三层、第四层的结构主视图；

图3是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的结构主视图；

图4是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的侧视图；

图5是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的等效电路图；

图6是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的仿真结果示意图。

附图标记说明

第一层10；第二层20；第三层30；第四层40；第一子金属板101；第二子金属板102；第一子金属线103；第二子金属线104；介质基板201；第二金属板202；玻璃基板301；第一玻璃通孔302；第二玻璃通孔303；第三金属板401，第二金属线402。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1、图2a～2d、图3、图4、图5，图1是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的结构主视图，图2a～2d是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的第一层、第二层、第三层、第四层的结构主视图，图3是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的结构主视图，图4是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的侧视图，图5是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的等效电路图。本发明实施例提供了一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器，该滤波器包括：

第一层10，包括若干第一金属板和若干第一金属线，若干第一金属板与第一金属线连接；

第二层20，设置于第一层10上方，包括介质基板和若干第二金属板，介质基板设置于第一层10上方，第二金属板设置于介质基板内；

第三层30，设置于第二层20上方，包括玻璃基板和若干玻璃通孔，玻璃基板设置于第二层20上方，若干玻璃通孔均贯穿玻璃基板；

第四层40，设置于第三层30上方，包括若干第三金属板和第二金属线，第二金属线设置于第三层30上方且围成第二区域结构，若干第三金属板设置于第二区域结构内。

具体而言，本实施例因为与传统的硅转接板相比，玻璃转接板具有众多优势，比如：介电性能优良，有效降低衬底的介电损耗；避免了使用隔离介质，降低了工艺复杂度和加工成本；对于大尺寸衬底制造，玻璃制造成本比硅片低得多。因此，基于玻璃转接板技术的三维集成电路将有助于电子信息系统小型化、降低功耗、节约成本和缩短产品研发周期，玻璃转接板成为未来三维集成系统的主要技术趋势。本实施例通过玻璃通孔构建滤波器，实现的滤波器具有优良的介电性能、低损耗、低工艺复杂度、低成本。

进一步地，第一层10中的若干第一金属板包括第一子金属板101、第二子金属板102，若干第一金属线包括若干第一子金属线103和若干第二子金属线104，其中，

第一子金属线103围成第一区域结构；

第一子金属板101和第二子金属板102设置于第一区域结构中；

第一子金属板101和第二子金属板102两端均分别通过第二子金属线104与第一子金属线103连接。

优选地，第一子金属板101、第二子金属板102均为铜板或是铝板，第一子金属线103、第二子金属线104均为铜线或是铝线。

具体而言，请再参见图2a，本实施例中第一子金属线103围成第一区域结构，第一区域结构包括第一金属线103外壁形成的第一外矩阵和第一金属线103内壁形成的第一内矩阵。本实施例中第一子金属板101和第二子金属板102依次排列于第一内矩阵中，第二子金属线104包括4根，其中2根第二子金属线104用于连接第一子金属板101与第一子金属线103的内壁，即第一子金属板101两端分别通过该2根第二子金属线104与第一子金属线103内壁连接，同理，其中另外2根第二子金属线104用于连接第一子金属板102与第一子金属线103的内壁，即第一子金属板102两端分别通过该2根第二子金属线104与第一子金属线103内壁连接。其中，第一子金属线103为接地金属线，因为第一子金属线103为接地金属线，使得电场线被***封闭的金属线完全收集，从而提高了能量的利用率。图2a中所示的圆圈表示第一层的第一子金属线103与***连接处的位置。

进一步地，在第二层20中的若干第二金属板202依次以第一等间距设置于介质基板201内，且两边最外侧的第二金属板202分别设置于第一子金属板101和第二子金属板102正上方。

优选地，第二金属板202均为铜板或是铝板，介质基板201的厚度为4μm，第二金属板202、第一子金属板101和第二子金属板102的形状、大小均相同，第一子金属线103外壁的第一外矩阵和介质基板201的大小、形状均相同。

具体而言，请再参见图2b，介质基板201设置于第一子金属板101、第二子金属板102上方，在介质基板201内，本实施例中若干第二金属板202包括3块第二金属板202，且3块第二金属板202依次排列，3块第二金属板202从左到右依次包括第一块第二金属板202、第二块第二金属板202、第三块第二金属板202，第一块第二金属板202与第一子金属板101垂直方向对齐，即设置于第一子金属板101正上方，第一块第二金属板202与第一子金属板101构成第一平板电容器C1，第三块第二金属板202与第二子金属板102垂直方向对齐，即设置于第二子金属板102正上方，第三块第二金属板202与第二子金属板102构成第二平板电容器C2，第一平板电容器C1与第二平板电容器C2平行设置。图2b中所示的圆圈表示介质基板201与***连接处的位置。其中，介质基板201的材料为绝缘材料，优选为聚酰亚胺，用于第一子金属板101、第二子金属板102之间的电学隔离。

进一步地，在第三层30中的若干玻璃通孔包括若干第一玻璃通孔302和若干第二玻璃通孔303，其中，

若干第一玻璃通孔302贯穿玻璃基板301，第一玻璃通孔302的正投影位于第二金属板202上，每个第一玻璃通孔302填充有第一金属柱；

若干第二玻璃通孔303贯穿玻璃基板301，且若干第二玻璃通孔303的正投影位于第一子金属线103上，每个第二玻璃通孔303填充有第二金属柱。

优选地，第一金属柱、第二金属柱均为铜或者铝，第一子金属线103外壁的第一外矩阵、介质基板201、玻璃基板301的大小、形状均相同。

具体而言，请再参见图2c，玻璃基板301由玻璃材料制成，在玻璃基板301上刻蚀有将玻璃基板301上下表面贯通的若干第一玻璃通孔302和若干第二玻璃通孔303，每个第一玻璃通孔302内制备并填充有与第一玻璃通孔302等高的第一金属柱，每个第二玻璃通孔303内制备并填充有与第二玻璃通孔303等高的第二金属柱。其中，第一玻璃通孔302均为信号通孔，第二玻璃通孔303均为接地通孔。

优选地，第一玻璃通孔302、第二玻璃通孔303的直径均为10μm，第一玻璃通孔302、第二玻璃通孔303的高度均为200μm。

进一步地，若干第一玻璃通孔302在玻璃基板301上呈若干行分布，每一行第一玻璃通孔302之间以第二等间距分布，相邻两行第一玻璃通孔302中的相邻两个第一玻璃通孔302之间的垂直距离为第三等间距，且每个第二金属板202的对角线顶点分布有两个第一玻璃通孔302；

若干第二玻璃通孔303设置于第一子金属线103正上方的玻璃基板301的四个顶点。

具体而言，对于第一玻璃通孔302，请再参见图2c，本实施例中，若干第一玻璃通孔302呈2行分布，每一行有3个第一玻璃通孔302，其中，每一行中的3个第一玻璃通孔302以第二等间距l₁分布，相邻行中的2个第一玻璃通孔302以第三等间距l₂分布，第三等间距l₂为相邻两行第一玻璃通孔302中的相邻两个第一玻璃通孔302之间的垂直距离，且每个第二金属板202的对角线顶点分布有两个第一玻璃通孔302，即第二金属板202从左到右依次包括第一块第二金属板202、第二块第二金属板202、第三块第二金属板202，则从左到右依次：第一行的第一个第一玻璃通孔302和第二行的第一个第一玻璃通孔302分别设置于第一块第二金属板202的对角线顶点处，第一行的第二个第一玻璃通孔302和第二行的第二个第一玻璃通孔302分别设置于第二块第二金属板202的对角线顶点处，第一行的第三个第一玻璃通孔302和第二行的第三个第一玻璃通孔302分别设置于第三块第二金属板202的对角线顶点处。

对于第二玻璃通孔303，请再参见图2c，本实施例中，第二玻璃通孔303设置于玻璃基板301的四个顶点处，具体是设置于第一子金属线103正上方的玻璃基板301的四个顶点处，与第一子金属线103的第一区域结构的四个顶点垂直对齐，第二玻璃通孔303设置于第一子金属线103的宽度范围内，则本实施例第一子金属线103的宽度大于等于第二玻璃通孔303的直径。

本实施例中，第一等间距可以通过第二等间距l₁和第三等间距l₂的数据推导并计算得出。

优选地，每一行的第一玻璃通孔302之间的第二等间距l₁均为80μm，相邻行的第一玻璃通孔302之间的第三等间距l₂均为100μm，第一子金属线103的宽度为10μm。

进一步地，在第四层40中的第二金属线402围成第二区域结构；

第三金属板401以第一等间距依次设置于第二区域结构中。

优选地，第二金属线402为铜线或是铝线，第三金属板401为铜板或者铝板。

具体而言，请再参见图2d，本实施例中，本实施例中本实施例中第二金属线402围成第二区域结构，第二区域结构包括第二金属线402外壁形成的第二外矩阵和第二金属线402内壁形成的第二内矩阵。本实施例中若干第三金属板401设置于第二内矩阵中，包括4块第三金属板401，4块第三金属板401中，两边最外侧的第三金属板401分别作为滤波器的输入端和输出端，本实施例中，不局限于最外侧的第三金属板401作为滤波器的输入端和输出端。其中，第二金属板202的间距与第三金属板401的间距一致，即第二金属板202与第三金属板401均以第一等间距分布；第二金属线402的宽度均大于等于第二玻璃通孔303的直径。

优选地，第二金属线402的宽度为10μm，第一子金属板101、第二子金属板102、第二金属板202和第三金属板401大小、形状均相同，第一子金属线103外壁的第一外矩阵、介质基板201、玻璃基板301和第二金属线402外壁的第二外矩阵的大小、形状均相同。

进一步地，第三金属板401通过第一金属柱连通至第二金属板202；

第二金属线402通过第二金属柱连通至第一子金属线103。

具体而言，本实施例中第二玻璃通孔303正投影于第二金属线402的第二区域结构的四个顶点，即与第二金属线402的第二区域结构的四个顶点垂直对齐，通过第二玻璃通孔303中的第二金属柱连通至第一子金属线103。

第三金属板401通过第一玻璃通孔302中的第一金属柱连通至第二金属板202，每个第二金属板202的对角线顶点分布有两个第一玻璃通孔302，本实施例第一玻璃通孔302中的第一金属柱将第三金属板401与第二金属板202呈三维螺旋方向绕制，构成三维螺旋电感，通过上述第一平板电容器C1、第二平板电容器C2将该三维螺旋电感分割为如图5所示的电感L1、电感L2和电感L3。

进一步地，第一子金属板101、第二子金属板102、第二金属板202和第三金属板401的第一边的长度均小于第二等间距，第一子金属板101、第二子金属板102、第二金属板202和第三金属板401的第二边的长度均大于第三等间距。

具体而言，本实施例中，第一子金属板101和第二子金属板102的第一边为与第一子金属线103的第一区域结构的长边对应的边，第一子金属板101和第二子金属板102的第二边为与第一子金属线103的第一区域结构的短边对应的边，第二金属板202的第一边为与介质基板201的长边对应的边，第二金属板202的第二边为与介质基板201的短边对应的边，第三金属板401的第一边为与第二金属线402的第二区域结构的长边对应的边，第三金属板401的第二边为与第二金属线402的第二区域结构的短边对应的边，为了保证第一子金属板101、第二子金属板102、第二金属板202和第三金属板401与第一金属柱和第二金属可以正常连接，本实施例设置第一子金属板101、第二子金属板102、第二金属板202和第三金属板401的第一边的长度均小于第二等间距l₁，第一子金属板101、第二子金属板102、第二金属板202和第三金属板401的第二边的长度均大于第三等间距l₂。

进一步地，第一子金属板101、第二子金属板102、第二金属板202均设置于相邻第三金属板401的中垂线的正下方。

具体而言，本实施例中，第二层10介质基板201上设置有若干第二金属板202，若干第二金属板202包括第一块第二金属板202、第二块第二金属板202、第三块第二金属板202，第四层40设置有若干第三金属板401，若干第三金属板401包括第一块第三金属板401、第二块第三金属板401、第三块第三金属板401、第四块第三金属板401，第二金属板202均设置于相邻第三金属板401的中垂线的正下方，即第一块第二金属板202设置于第一块第三金属板401、第二块第三金属板401之间的中垂线的正下方，第二块第二金属板202设置于第二块第三金属板401、第三块第三金属板401之间的中垂线的正下方，第三块第二金属板202设置于第三块第三金属板401、第四块第三金属板401的中垂线的正下方。由上述可知，在若干第二金属板202中，两边最外侧的第二金属板202分别设置于第一子金属板101和第二子金属板102正上方，且第二金属板202与第一子金属板101和第二子金属板102大小、形状均相同，则第二金属板202均设置于相邻第三金属板401的中垂线的正下方，则第一子金属板101和第二子金属板102也设置于相邻第三金属板401的中垂线的正下方。

需要说明的是，本实施例中每一层中的具体数据根据具体滤波器设计可以调整，并不局限于上述具体数据的设计。

请再参见图3和图4，通过滤波器的侧视图和主视图可以看出，本实施例基于玻璃通孔构建的滤波器，其结构紧凑、体积小、设计灵活，方便集成，成本低，占用芯片面积小，降低了系统重量。

本实施例基于玻璃通孔构建三维螺旋电感器、第一平板电容器C1和第二平板电容器C2，通过将三维螺旋电感器、第一平板电容器C1和第二平板电容器C2串并联形成L-C-L-C-L的等效滤波器电路。与现有的滤波器结构相比，本实施例滤波器的体积大幅度减小，方便集成，同时三维构建的滤波器结构可以利用玻璃转接板上巨大的闲置空间，进一步可以推动三维集成系统的小型化。

本实施例通过上述三维螺旋电感器与第一平板电容器C1、第二平板电容器C2串并联形成的L-C-L-C-L等效滤波器结构，具有5阶切比雪夫结构，因此本实施例的滤波器具有低通滤波作用，有效的消除了电路中的耦合噪声，同时有很好的频率选择性。

请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的仿真结果示意图。为了说明本实施例提供的一种基于玻璃通孔的三维集成滤波器的优势，做了以下实验：图6中横坐标表示响应频率，纵坐标S11表示滤波器的回波损耗，纵坐标S21表示滤波器的***损耗，本实施例设计的滤波器截止频率为25.1GHz，通频带中，从直流到21GHz的***损耗小于0.5dB；在阻带内，从40GHz到70GHz范围内的回波损耗大于15dB。可见，本实施例通过玻璃通孔构建的三维螺旋电感器与器串并联形成的L-C-L-C-L等效滤波器能够同时减小带内的***损耗、增大带外的回波损耗，可广泛应用于雷达、制导、遥感技术等毫米波无线通信领域中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。