本发明涉及半导体和微机械技术领域，特别涉及一种硅基多层堆叠集成的多通道开关滤波器组及其制造方法。
背景技术：
随着现代通信系统向小型化、精确化、集成化、抗干扰等方向的发展，对射频前端通信系统的性能指标要求不断提高，宽带/超宽带信号以其高数据传输率、良好的隐蔽性以及高分辨率等特点，广泛应用于现代雷达、电子对抗及无线通信等领域。在宽带通信技术中，超宽带开关滤波网络被广泛应用于发射机、接收机等系统中，需满足选频信号纯度高、快速跟踪频率变化等要求。这对开关滤波器组件技术提出了越来越高的挑战。超宽带滤波器组中高带外抑制、高隔离度的滤波器可对干扰信号进行强有力的滤除，有效提高选频信号的频谱纯度，提高通信系统的灵敏度；开关切换在ns级，开关时间快，可快速跟踪频率变化；开关与多路滤波器级联，通过开关切换到所需工作频段的滤波器上，最终可实现宽带通信的要求。
传统开关滤波器组件利用金属壳做载体，采用pcb(printedcircuitboard)电路板制作微带线将开关滤波器中所需的滤波器、开关、驱动电路等分立器件进行互连，基于微组装工艺集成在金属腔体中。这种分立器件的平面互连导致开关滤波器组件尺寸大，集成度降低、由于微组装工艺精度差，几乎每一套开关滤波器都需要进行人工调试，无法大规模批量生产。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组及其制造方法，解决传统开关滤波器组件体积大，集成度低的问题，具有体积小、重量轻、高隔离度、高集成度的特点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，包括siw隔离腔、开关芯片、下层a滤波器组、上层b滤波器组、滤波器组与开关的互连电路、密封键合环结构和5层衬底材料；所述下层a滤波器组位于自下而上a衬底和b衬底之间；上层b滤波器组位于自下而上c衬底和d衬底之间；所述a衬底上表面包括下层a滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述a衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；所述a衬底下表面包括金属接地面；所述b衬底下表面包括下层a滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述b衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；将所述a衬底上表面和所述b衬底下表面对准，利用mems圆片级对准键合工艺形成下层a滤波器组；所述c衬底上表面包括上层b滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述c衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；所述c衬底下表面包括金属接地面；所述d衬底下表面包括上层b滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述d衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；将所述c衬底上表面和所述d衬底下表面对准，利用mems圆片级对准键合工艺形成上层b滤波器组；所述开关芯片位于a衬底或b衬底或c衬底或d衬底上方，在开关芯片对应上方衬底含有mems深硅刻蚀工艺形成的开关屏蔽腔a；所述开关芯片的控制信号通过tsv通孔进行垂直互连至d衬底上表面；所述e衬底中在d衬底上方开关控制信号对应位置需刻蚀，将信号露出；将所述b衬底上表面和所述c衬底下表面对准进行圆片级键合，将d衬底上表面和e衬底下表面进行对准键合，形成基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组。
进一步的，所述siw隔离腔由多个侧壁金属化的硅通孔阵列组成，并排成环形结构，下层a滤波器组各滤波器之间包括siw隔离腔；所述上层b滤波器组之间包括siw隔离腔。
进一步的，所述的a衬底上方的下层a滤波器组的各谐振器之间的衬底自上而下利用微机械部分刻蚀形成a衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；所述的b衬底下方的下层a滤波器组的各谐振器之间的衬底自下而上利用微机械部分刻蚀形成a衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；b衬底刻蚀腔与a衬底刻蚀腔对准形成下层a滤波器组的a密封腔。
进一步的，所述的c衬底上方的上层b滤波器组的各谐振器之间的衬底自上而下利用微机械部分刻蚀形成c衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；所述的d衬底下方的上层b滤波器组的各谐振器之间的衬底自下而上利用微机械部分刻蚀形成d衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；c衬底刻蚀腔与d衬底刻蚀腔对准形成上层b滤波器组的b密封腔。
进一步的，所述的a衬底上表面、b衬底上下表面、c衬底上下表面和d衬底上表面均含有密封键合环。
进一步的，所述的开关芯片包括输入单刀多掷开关或输入级联的多个开关和输出单刀多掷开关或输出级联的多个开关，所述开关芯片为pin开关、fet开关或mems开关。
进一步的，所述的滤波器为微带滤波或基片集成波导滤波器。
本发明还提供一种基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组的制造方法，包含以下步骤：
在硅基衬底上制造通孔，硅基衬底包含a衬底、b衬底、c衬底、d衬底和e衬底；
在硅基衬底上下表面涂敷光刻胶，光刻显影电镀，形成金属腐蚀图形和siw隔离腔；
在硅基衬底上制造衬底刻蚀腔，衬底刻蚀腔包括a衬底刻蚀腔、b衬底刻蚀腔、c衬底刻蚀腔和d衬底刻蚀腔；
在c衬底上制造开关屏蔽腔a，在e衬底上刻蚀露出开关芯片控制信号端口；
将a衬底和b衬底进行圆片级键合工艺，将c衬底和d衬底进行圆片级键合工艺；
在b衬底上粘接开关芯片，用金丝键合方式实现开关芯片与开关滤波器互连电路的连接；
将键合后的ab衬底与键合后的cd衬底进行圆片级键合，a衬底、b衬底、c衬底、d衬底自下而上依次堆叠连接；
将e衬底与键合后的abcd衬底进行键合，a衬底、b衬底、c衬底、d衬底、e衬底自下而上依次堆叠连接。
进一步的，所述的a衬底和b衬底采用圆片级金金键合工艺合二为一；c衬底和d衬底采用圆片级金金键合工艺合二为一；ab衬底和cd衬底采用金铟或金锡圆片级键合工艺堆叠；e衬底与abcd衬底采用金铟或金锡圆片级键合工艺堆叠。
本发明与现有技术相比，其显著的优点为：
(1)采用mems多层堆叠技术，将多个滤波器进行空间上下堆叠，大大缩小传统滤波器组件的体积，且易于实现集成；
(2)利用siw隔离腔代替传统的金属腔对多个滤波器进行相互隔离，有效提升了开关滤波器的隔离度，且siw隔离腔体积小，易于集成；
(3)采用mems加工，将多个mems滤波器和开关芯片进行圆片级多层堆叠，利用三维硅通孔(tsv)互连实现信号的垂直互连，其体积小、应用方便、电磁屏蔽性好，避免了传统开关滤波器的人工后期调试，可批量生产，一致性好。
附图说明
图1是本发明基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组分层立体示意图。
图2是本发明基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组衬底a和b衬底之间siw隔离腔的金属横截面示意图。
图3是本发明基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组制作流程图。
图4是本发明实施例x波段四路开关滤波器组开关导通后各通道滤波器测试结果示意图。
具体实施方式
微机电系统(mems)加工工艺带来了精细的加工手段，尤其是三维加工技术，使原本难以实现的结构成为可能。mems工艺主要包括：深刻蚀通孔技术、三维金属互连技术、drie(深反应离子刻蚀)和各种键合工艺，且易于和传统ic(集成电路)工艺集成。mems滤波器具有体积小、选择性好、高频损耗小，工作频段高等优点，本发明将mems滤波器进行多层空间堆叠，并利用mems工艺将多个mems滤波器与开关芯片进行异质集成，极大的缩小了传统开关滤波器的尺寸，可以满足新一代电子系统对小型化射频前端的需求，有极广的应用前景。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例
如图1、图2所示，基于硅siw(基片集成波导)隔离腔的微封装mems开关滤波器组包括siw隔离腔、开关芯片108、下层a滤波器组、上层b滤波器组、滤波器组与开关的互连电路、密封键合环结构和5层衬底材料。所述下层a滤波器组位于自下而上a衬底101和b衬底上102之间；上层b滤波器组位于自下而上c衬底201和d衬底202之间；所述a衬底上表面包括下层a滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线103；所述a衬底中各滤波器之间设置有金属化接地通孔阵列形成的siw隔离腔104；所述a衬底下表面包括金属接地面105；所述a衬底上表面包括第一密封键合环106_1；所述b衬底下表面包括下层a滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线103；所述b衬底中各滤波器之间设置有金属化接地通孔阵列形成的siw隔离腔107；所述b衬底上表面包括第二密封键合环106_2；将所述a衬底101上表面和所述b衬底102下表面对准，利用mems圆片级对准键合工艺形成下层a滤波器组。
所述c衬底201上表面包括上层b滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线203；所述c衬底中各滤波器之间设置有金属化接地通孔阵列形成的siw隔离腔204；所述d衬底下表面包括上层b滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线203；所述d衬底中各滤波器之间设置有金属化接地通孔阵列形成的siw隔离腔205；所述c衬底201上表面包括第三密封键合环106_3；所述d衬底202上表面包括第四密封键合环106_4；所述c衬底201上表面和所述d衬底202下表面对准，利用mems圆片级对准键合工艺形成上层b滤波器组。图2为siw隔离腔示意图，其中106为密封键合环。
所述的开关芯片包括输入单刀多掷开关108_1和输出单刀多掷开关108_2，所述开关芯片为pin开关、fet开关或mems开关。开关芯片也可以包括输入级联的多个开关和输出级联的多个开关。开关芯片位于b衬底102上方，在开关芯片对应上方c衬底含有mems深硅刻蚀的开关屏蔽腔a，即图1中206_1、206_2；所述开关芯片的控制信号通过tsv通孔进行垂直互连至d衬底202上表面；所述e衬底301中在d衬底202上方开关控制信号对应位置需刻蚀，将信号露出；将所述b衬底102上表面和所述c衬底201下表面对准进行圆片级键合；将所述d衬底202上表面和e衬底下表面301进行对准键合，形成基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组结构。
所述的a衬底101、b衬底102、c衬底201、d衬底202和e衬底301均为电阻率大于4000ω·cm的高阻硅，厚度均为250um。
所述的a衬底101上方的下层a滤波器组的各谐振器之间的衬底自上而下利用微机械部分刻蚀形成a衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；所述的b衬底102下方的下层a滤波器组的各谐振器之间的衬底自下而上利用微机械部分刻蚀形成a衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；b衬底刻蚀腔与a衬底刻蚀腔对准形成下层a滤波器组的a密封腔109。衬底刻蚀腔可减小滤波器的插入损耗。
所述的c衬底201上方的上层b滤波器组的各谐振器之间的衬底自上而下利用微机械部分刻蚀形成c衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；所述的d衬底202下方的上层b滤波器组的各谐振器之间的衬底自下而上利用微机械部分刻蚀形成d衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；c衬底刻蚀腔与d衬底刻蚀腔对准形成上层b滤波器组的b密封腔207。
所述的a衬底101上表面、b衬底102上、c衬底201上和d衬底202上表面均含有密封键合环。
所述的滤波器为微带滤波器或基片集成波导(siw)滤波器。
一种基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组的制造方法，如图3所示，包含以下步骤：
在硅基衬底上制造通孔，硅基衬底包含a衬底101、b衬底102、c衬底201、d衬底202和e衬底301；
在硅基衬底上下表面涂敷光刻胶，光刻显影电镀，形成金属腐蚀图形和siw隔离腔；
在硅基衬底上制造衬底刻蚀腔，衬底刻蚀腔包括a衬底刻蚀腔、b衬底刻蚀腔、c衬底刻蚀腔和d衬底刻蚀腔；
在c衬底201上制造开关屏蔽腔a，在e衬底301上刻蚀露出开关芯片控制信号端口；
将a衬底101和b衬底102进行圆片级键合工艺，将c衬底和d衬底进行圆片级键合工艺；
在b衬底102上粘接开关芯片108，用金丝键合方式实现开关芯片与开关滤波器互连电路的连接；
将键合后的ab衬底与键合后的cd衬底进行圆片级键合，a衬底101、b衬底102、c衬底201、d衬底202自下而上依次堆叠连接；
将e衬底301与经过键合后的abcd衬底进行键合，a衬底101、b衬底102、c衬底201、d衬底202、e衬底301自下而上依次堆叠连接。
如图4所示，该开关滤波器包含四个通道，工作频率覆盖8-12ghz，其中，通道1滤波器通带为7.9-9.4ghz，通带插损小于5.9db；通道2滤波器通带为8.2-10.2ghz，通带插损小于5.6db；通道3滤波器通带为9.4-11.2ghz，通带插损小于5.8db；通道4滤波器通带为10.4-12.2ghz，通带插损小于5.4db，各通道滤波器带边1ghz处抑制可达53db。该四通道开关滤波器体积仅为15×7.5×1.25mm3，而传统的四通道开关滤波器体积约32×29.5×7.5mm3，本发明滤波器体积仅为传统金属腔体开关滤波器组体积的1.6％。
1.一种基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，包括siw隔离腔、开关芯片、下层a滤波器组、上层b滤波器组、滤波器组与开关的互连电路、密封键合环结构和5层衬底材料；所述下层a滤波器组位于自下而上a衬底和b衬底之间；上层b滤波器组位于自下而上c衬底和d衬底之间；所述a衬底上表面包括下层a滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述a衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；所述a衬底下表面包括金属接地面；所述b衬底下表面包括下层a滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述b衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；将所述a衬底上表面和所述b衬底下表面对准，利用mems圆片级对准键合工艺形成下层a滤波器组；所述c衬底上表面包括上层b滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述c衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；所述c衬底下表面包括金属接地面；所述d衬底下表面包括上层b滤波器组中各滤波器的谐振器及输入输出馈线；所述d衬底中各滤波器之间设置有siw隔离腔；将所述c衬底上表面和所述d衬底下表面对准，利用mems圆片级对准键合工艺形成上层b滤波器组；所述开关芯片位于a衬底或b衬底或c衬底或d衬底上方，在开关芯片对应上方衬底含有mems深硅刻蚀工艺形成的开关屏蔽腔a；所述开关芯片的控制信号通过tsv通孔进行垂直互连至d衬底上表面；所述e衬底中在d衬底上方开关控制信号对应位置需刻蚀，将信号露出；将所述b衬底上表面和所述c衬底下表面对准进行圆片级键合，将d衬底上表面和e衬底下表面进行对准键合，形成基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组。
2.根据权利要求1所述的基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，所述siw隔离腔由多个侧壁金属化的硅通孔阵列组成，并排成环形结构，下层a滤波器组各滤波器之间包括siw隔离腔；所述上层b滤波器组之间包括siw隔离腔。
3.根据权利要求1所述的基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，所述a衬底上方的下层a滤波器组的各谐振器之间的衬底自上而下利用微机械部分刻蚀形成a衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；所述b衬底下方的下层a滤波器组的各谐振器之间的衬底自下而上利用微机械部分刻蚀形成a衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；b衬底刻蚀腔与a衬底刻蚀腔对准形成下层a滤波器组的a密封腔。
4.根据权利要求1所述的基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，所述c衬底上方的上层b滤波器组的各谐振器之间的衬底自上而下利用微机械部分刻蚀形成c衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；所述d衬底下方的上层b滤波器组的各谐振器之间的衬底自下而上利用微机械部分刻蚀形成d衬底刻蚀腔，刻蚀深度为100μm；c衬底刻蚀腔与d衬底刻蚀腔对准形成上层b滤波器组的b密封腔。
5.根据权利要求1所述的基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，所述的a衬底上表面、b衬底上下表面、c衬底上下表面和d衬底上表面均含有密封键合环。
6.根据权利要求1所述的基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，所述的开关芯片包括输入单刀多掷开关和输出单刀多掷开关，或者包括输入级联的多个开关和输出级联的多个开关，所述开关芯片为pin开关、fet开关或mems开关。
7.根据权利要求1所述的基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，所述的滤波器为微带滤波或基片集成波导滤波器。
8.根据权利要求1所述的基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组，其特征在于，所述的a衬底和b衬底采用圆片级金金键合工艺合二为一；c衬底和d衬底采用圆片级金金键合工艺合二为一；ab衬底和cd衬底采用金铟或金锡圆片级键合工艺堆叠；e衬底与abcd衬底采用金铟或金锡圆片级键合工艺堆叠。
9.一种如权利要求1所述基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
在硅基衬底上制造通孔，硅基衬底包含a衬底、b衬底、c衬底、d衬底和e衬底；
在硅基衬底上下表面涂敷光刻胶，光刻显影电镀，形成金属腐蚀图形和siw隔离腔；
在硅基衬底上制造衬底刻蚀腔，衬底刻蚀腔包括a衬底刻蚀腔、b衬底刻蚀腔、c衬底刻蚀腔和d衬底刻蚀腔；
在c衬底上制造开关屏蔽腔a，在e衬底上刻蚀露出开关芯片控制信号端口；
将a衬底和b衬底进行圆片级键合工艺，将c衬底和d衬底进行圆片级键合工艺；
在b衬底上粘接开关芯片，用金丝键合方式实现开关芯片与开关滤波器互连电路的连接；
将键合后的ab衬底与键合后的cd衬底进行圆片级键合，a衬底、b衬底、c衬底、d衬底自下而上依次堆叠连接；
将e衬底与键合后的abcd衬底进行键合，a衬底、b衬底、c衬底、d衬底、e衬底自下而上依次堆叠连接。
10.根据权利要求9所述基于硅siw隔离腔的微封装mems开关滤波器组的制造方法，其特征在于，所述的a衬底和b衬底采用圆片级金金键合工艺合二为一；c衬底和d衬底采用圆片级金金键合工艺合二为一；ab衬底和cd衬底采用金铟或金锡圆片级键合工艺堆叠；e衬底与abcd衬底采用金铟或金锡圆片级键合工艺堆叠。
技术总结