Beschreibung

Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement

Ein Bauelement mit akustischen Filtern ist z. B. aus der Druckschrift DE 100 54 968 Al und DE 102005032058 Al bekannt.

Aus der Druckschrift DE 196 33 954 Al ist eine Filtervorrichtung aus wenigstens zwei Filterelementen für verschiedene Frequenzbereiche beschrieben. Beide Filterelemente teilen sich zwei gemeinsam genutzte Masseanschlüsse.

Aus der Druckschrift US 2005/0070332 Al ist ein Demultiplexer bekannt, der ein Empfangsfilter und ein Sendefilter umfasst. Beide Filter sind in laddertypeähnlicher Struktur mit Parallelresonatoren in Parallelzweigen ausgebildet. Masseseitig sind die Parallelzweige beider Filter untereinander über induktive Elemente und verbunden. Zusätzlich sind die massesei- tigen Anschlüsse der Parallelzweige des Empfangsfilters mit denen des Sendefilters über ein induktives Element elektrisch verbunden .

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, das eine kleine Grundfläche hat, anzugeben.

Es wird ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, umfassend mindestens zwei verschiedenen Frequenzbändern zugeordnete Filter, angegeben. Eines der Filter weist mindestens eine Filterstufe auf und ein anderes Filter weist mindestens zwei Filterstufen auf, wobei unterschiedliche Filterstufen als SAW Filterstufen (SAW = surface acoustic wave) in separaten akustischen Spuren oder als FBAR Filterstufe (FBAR = thin

film bulk acoustic wave resonator) in separaten Resonatorstapeln oder in einem mehrere Resonatoren umfassenden Resonatorstapel realisiert sind. Eine Filterstufe kann auch mit akustischen Grenzwellen arbeiten und als GBAW Bauelement (GBAW = Guided bulk acoustic wave) ausgelegt sein.

Das Bauelement weist Masseanschlüsse auf, die mit Masse der Filterstufen galvanisch verbunden und als Außenanschlüsse des Bauelements vorgesehen sind.

Jeder Filterstufe ist ein Hauptmasseanschluss zugeordnet, der mit der jeweiligen Masse über einen Hauptmassepfad verbunden ist. Dabei werden zumindest Teile eines Hauptmassepfads gleichzeitig von mindestens zwei Filterstufen verschiedener Filter genutzt.

Unter Hauptmassepfad einer Filterstufe wird der Massepfad bzw. die Verbindung der jeweiligen Masse mit einem Hauptmasseanschluss verstanden, die den „Weg des geringsten Widerstands" bildet, insbesondere der Massepfad, der die geringste Induktivität aufweist. Auch wenn Verbindungen der jeweiligen Masse zu mehreren Masseanschlüssen vorhanden sind, so gibt es jeweils einen Hauptmassepfad, der mit dem entsprechenden Hauptmasseanschluss verbunden ist. Existieren pro Filterstufe mehrere Massepfade mit der gleichen geringsten Induktivität, die die Masse mit einem Masseanschluss verbinden, so werden diese alle als Hauptmasseanschlüsse angesehen.

Es ist möglich, dass sämtliche Masseanschlüsse Hauptmasseanschlüsse sind. Auch kann jede Filterstufe mit nur einem Massepfad an nur einen Masseanschluss angeschlossen sein, so dass sich eine Unterscheidung in Hauptmasseanschlüsse und andere Masseanschlüsse erübrigt. So ist es möglich, mindestens

einen Masseanschluss als Hauptmasseanschluss von mindestens zwei Filterstufen verschiedener Filter auszulegen.

Ebenso ist es möglich, mindestens einen Masseanschluss als Hauptmasseanschluss von mindestens zwei Filterstufen des gleichen Filters auszulegen.

Dabei kann die Gesamtanzahl der Masseanschlüsse kleiner sein als die Gesamtanzahl der Filterstufen. Es ist aber auch möglich, neben dem zumindest einen mit einem Hauptmassepfad verbundenen Hauptmasseanschluss noch zumindest einen weiteren Masseanschluss vorzusehen, der nicht mit einem Hauptmassepfad verbunden ist. Ein oder mehrere solcher „Nebenmasseanschlüsse" können die Anzahl der Masseanschlüsse wieder erhöhen.

Unterschiedliche Filter sind vorzugsweise unterschiedlichen übertragungsbändern, die z. B. eine Oktave auseinander liegen können, zugeordnet. Beispielsweise kann ein Filter einem Frequenzband von ca. 1 GHz und das andere Filter einem Frequenzband von ca. 2 GHz zugeordnet sein. Zum letztgenannten Frequenzband gehören beispielsweise übertragungsbänder zwischen 1640 MHz und 2, 45 GHz

In einer Variante sind alle Filter des Bauelements als Empfangsfilter vorgesehen. In einer weiteren Variante sind alle Filter des Bauelements als Sendefilter vorgesehen. In einer weiteren Variante sind die Filter des Bauelements als Sende- empfangsfilter vorgesehen. Das Bauelement kann auch gediplex- te d.h. miteinander verbundene signalführende Anschlüsse aufweisen, die zumindest abschnittsweise den gleichen Signalpfad aufweisen .

- A -

Das jeweilige Filter ist mit mindestens zwei signalführenden Anschlüssen, die als Außenanschlüsse des Bauelements vorgesehen sind, elektrisch verbunden. Ein Anschluss dient als Eingang und der andere Anschluss als Ausgang des Filters.

Die Fläche des jeweiligen Masseanschlusses ist vorzugsweise nicht größer als die doppelte Fläche des jeweiligen signalführenden Anschlusses. In einer vorteilhaften Variante ist das Verhältnis der Fläche maximal 1,5. In einer weiteren vorteilhaften Variante sind alle Außenanschlüsse des Bauelements gleich groß. Die Anordnung bzw. das Muster aller Außenanschlüsse des Bauelements wird nachstehend als Footprint bezeichnet. Die Außenanschlüsse können löt- oder bondbare Flächen darstellen. Sie können aber auch als Bumps realisiert, bzw. mit Bumps versehen sein.

In einer Variante des Bauelements sind die Filterstufen eines mehrere Stufen umfassenden Filters vorzugsweise elektrisch kaskadiert geschaltet.

Jede Filterstufe hat im Prinzip eine Filterfunktion für Hochfrequenz, kann ein vollwertiges Filter darstellen und z.B. ein Passband und Sperrbereiche aufweisen. Unterschiedliche Filterstufen können ebenso wie unterschiedliche Filter gleich oder unterschiedlich aufgebaut, d. h. als gleiche oder unterschiedliche Filtertypen realisiert sein.

Mindestens eine der Filterstufen umfasst in einer Variante mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Wandler. In einer anderen Variante umfasst mindestens eine der Filterstufen mit akustischen Volumenwellen arbeitende Resonatoren. Mindestens eine der Filterstufen umfasst in einer weiteren Variante mit akustischen Grenzflächenwellen arbeitende Wandler (GBAW

Bauelement) . Die Filterstufen unterschiedlicher Filter können gleich oder unterschiedlich sein.

Mindestens eine Filterstufe kann durch einen einzigen mit SAW oder BAW arbeitenden Parallelresonator gebildet sein. Der Resonator ist dann mit einer anderen Filterstufe, die z. B. durch eine DMS-Spur gebildet ist, verbunden. Zwei Resonatoren, die zusammen ein Grundglied einer Laddertype Anordnung bilden, werden zusammen als eine Filterstufe betrachtet, nicht aber einzelne Resonatoren eines Grundglieds.

Die akustische Spur der jeweiligen SAW oder GBAW Filterstufe kann als eine DMS-Spur ausgebildet sein. DMS steht für Double-Mode Surface Acoustic Wave . In der DMS-Spur können mindestens ein Eingangswandler und mindestens ein Ausgangswandler angeordnet sein. In einer Variante können Ausgangswandler und/oder Eingangswandler jeweils durch Koppelwandler ersetzt sein. Zwei mittels Koppelwandlern miteinander z.B. durch Kaskadierung verbundene DMS-Spuren, die beide ein und demselben Filter zugeordnet sind, werden vorzugsweise als unterschiedliche Filterstufen betrachtet.

In einer vorteilhaften Variante sind zumindest zwei Massepfade der Filter, deren Durchlassbereiche in unterschiedlichen Frequenzbändern liegen, zu mindestens einem gemeinsamen Hauptmassepfad verbunden, der an den entsprechenden zugeordneten Hauptmasseanschluss angeschlossen ist. Die Massen der unterschiedlichen Filterstufen des gleichen Filters sind vorzugsweise mit unterschiedlichen Masseanschlüssen leitend verbunden. Die Massen der unterschiedlichen Filterstufen des jeweiligen Filters werden unabhängig voneinander - in einer Variante galvanisch voneinander getrennt - bis zum jeweiligen Masseanschluss geführt. Es ist jedoch auch möglich, Massepfa-

de unterschiedlicher Filterstufen des gleichen Filters zu einem gemeinsamen Hauptmassepfad zusammenzuführen und mit einem gemeinsamen Hauptmasseanschluss zu verbinden. Die galvanische Verbindung zwischen diesen Massen ist jedoch außerhalb des Bauelements möglich.

Durch die Zusammenführung von Massepfaden der in unterschiedlichen Bereichen durchlässigen Filter kann die Anzahl von Masseanschlüssen und somit die Grundfläche des Gesamtbauteils verringert werden.

Durch die getrennte Masseanbindung der in einem gemeinsamen Frequenzbereich durchlässigen Filterstufen ein und desselben Filters gelingt es, im Gesamtfilter eine besonders hohe Selektion zu erzielen, da z.B. das Signalübersprechen über Massepfade vermieden wird.

In einer Variante weist das jeweilige Filter eine eingangs- seitige Filterstufe und eine ausgangsseitige Filterstufe auf. Massen der eingangsseitigen Filterstufen unterschiedlicher Filter sind zu einem gemeinsamen Hauptmassepfad zusammengeführt, der an einen ersten Masseanschluss angeschlossen ist. Massen der ausgangsseitigen Filterstufen unterschiedlicher Filter können ebenfalls zu einem gemeinsamen Massepfad, der an einen zweiten Hauptmasseanschluss angeschlossen ist, zusammengeführt sein.

In einer weiteren Variante sind die Masse einer eingangsseitigen Filterstufe eines ersten Filters und die Masse einer ausgangsseitigen Filterstufe eines zweiten Filters zu einem gemeinsamen Hauptmassepfad zusammengeführt, der an einen ersten Hauptmasseanschluss angeschlossen ist. Die Massepfade einer ausgangsseitigen Filterstufe des ersten Filters und einer

eingangsseitigen Filterstufe des zweiten Filters sind zu einem gemeinsamen Hauptmassepfad, der an einen zweiten Massean- schluss angeschlossen ist, zusammengeführt.

Die Filter sind vorzugsweise zumindest teilweise in mindestens einem akustischen Chip realisiert. Jedes Filter kann in einem separaten Chip realisiert sein. Es besteht auch die Möglichkeit, mindestens zwei Filter in oder auf einem gemeinsamen Chip zu realisieren. Die Filterstufen ein und desselben Filters sind vorzugsweise in oder auf einem gemeinsamen Chip realisiert. Unterschiedliche Filterstufen des gleichen Filters, die in voneinander verschiedenen Technologien, z. B. SAW/BAW, ausgeführt sind, können auch in oder auf unterschiedlichen Substraten realisiert sein.

Das Bauelement umfasst z.B. ein Trägersubstrat, auf dem der Chip montiert ist oder mehrere Chips montiert sind. Die Außenanschlüsse des Bauelements, darunter die Masseanschlüsse, sind auf der Unterseite oder der Stirnseite des Trägersubstrats angeordnet.

In einer weiteren Ausführung können bei einem Bauteil ohne Trägersubstrat die Außenanschlüsse durch auf dem Chip verankerte Bump-Reihen eines BGA (BGA = ball grid array) realisiert sein.

Die Zusammenführung von Massen oder besser die Verbindung von Massepfaden unterschiedlicher Filterstufen kann im oder auf dem Trägersubstrat realisiert sein. Alternativ ist die Zusammenführung von Massen unterschiedlicher Filterstufen bereits auf dem Chip möglich. Letzteres ist möglich, wenn die Filter in einem gemeinsamen Chip realisiert sind.

In einer Variante umfasst mindestens eine der Filterstufen eine akustische Spur mit mindestens zwei akustisch gekoppelten Wandlern. Mindestens eine der Filterstufen kann auch als eine Laddertype-Anordnung von Wandlern ausgebildet sein. Die Laddertype-Anordnung weist mindestens einen Serienzweig und mindestens einen an den Serienzweig angeschlossenen Querzweig auf, wobei im Serienzweig ein Serienwandler und im Querzweig ein Parallelwandler angeordnet ist.

In einer Variante umfasst mindestens eine der Filterstufen einen Stapel mit übereinander angeordneten, akustisch gekoppelten BAW Resonatoren (BAW = bulk acoustic wave) . Eine Laddertype-Anordnung von BAW Resonatoren ist auch möglich. Mindestens eine der Filterstufen weist in diesem Fall mindestens einen Serienzweig und mindestens einen an den Serienzweig angeschlossenen Querzweig auf, wobei im Serienzweig ein Serienresonator und im Querzweig ein Parallelresonator angeordnet sind, die zusammen ein Grundglied bilden, das eine Filterstufe darstellt.

Im Trägersubstrat kann ein eingangsseitiges Anpassnetzwerk zur Anpassung der Eingangsimpedanz des jeweiligen Filters an einen bestimmten Impedanzpegel angeordnet sein. Im Trägersubstrat kann ein ausgangsseitiges Anpassnetzwerk zur Anpassung der Ausgangsimpedanz des jeweiligen Filters an einen bestimmten Impedanzpegel angeordnet sein. Das jeweilige Anpassnetzwerk weist mindestens ein passives Element, ausgewählt aus einer Serienkapazität, Parallelkapazität, Serieninduktivität und einer Parallelinduktivität, auf.

Der Eingang und/oder der Ausgang des jeweiligen Filters kann erdunsymmetrisch (single-ended) sein. Der Eingang und/oder

der Ausgang des jeweiligen Filters kann auch differentiell (balanced) sein.

Im Folgenden wird das angegebene Bauelement und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern, bei dem die Massen der ein- bzw. ausgangsseitigen Filterstufen zusammengeführt sind;

Figur 2 das Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern, bei dem die Massen der ein- und ausgangsseitigen Filterstufen unterschiedlicher Filter zusammengeführt sind;

Figur 3 im Querschnitt das Bauelement, bei dem die Massen unterschiedlicher Filterstufen im Trägersubstrat zusammengeführt werden;

Figur 4 das Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern, bei dem die zu den Massepfaden beitragenden Leiterabschnitte samt dazugehöriger Induktivitäten dargestellt sind;

Figuren 5, 6 jeweils die Ansicht eines beispielhaften Footprints des Bauelements.

Die Figuren 1, 2 zeigen jeweils ein Bauelement mit zwei Filtern Fl, F2, die in einem gemeinsamen Gehäuse oder auf einem gemeinsamen Trägersubstrat TS angeordnet sind.

Das erste Filter Fl weist eine eingangsseitige Filterstufe Al und eine ausgangsseitige Filterstufe A2 auf. Das zweite FiI-

ter F2 weist eine eingangsseitige Filterstufe Bl und eine ausgangsseitige Filterstufe B2 auf.

Die eingangsseitige Filterstufe Al des ersten Filters Fl ist in Fig. 1 an einen Eingangsanschluss IN _a und in Fig. 2 an zwei Eingangsanschlüsse IN _a i, IN _a2 angeschlossen. Die ausgangsseitige Filterstufe A2 des ersten Filters Fl ist in Fig. 1 an einen Ausgangsanschluss OUT _a und in Fig. 2 an zwei Ausgangsanschlüsse OUT _a i, OUT _a2 angeschlossen. Dies gilt in entsprechender Weise für die eingangsseitige Filterstufe Bl sowie ausgangsseitige Filterstufe B2 des zweiten Filters F2 und die Eingangsanschlüsse IN _b , IN _b i, IN _b2 bzw. Ausgangsanschlüsse OUT _b , OUTbi, OUT _b2 .

In der Variante gemäß der Figur 1 werden die Massen der ein- gangsseitigen Filterstufen Al, Bl zusammengeführt und an einen gemeinsamen Masseanschluss GNDl angeschlossen. Auch die Massen der ausgangsseitigen Filterstufen A2, B2 werden zusammengeführt und an einen gemeinsamen Masseanschluss GND2 angeschlossen .

In der Variante gemäß der Figur 2 wird die Masse der ein- gangsseitigen Filterstufe Al des ersten Filters Fl mit der Masse der ausgangsseitigen Filterstufe B2 des zweiten Filters F2 zusammengeführt und an einen gemeinsamen Masseanschluss GNDl angeschlossen. Die Masse der eingangsseitigen Filterstufe Bl des zweiten Filters F2 wird mit der Masse der ausgangsseitigen Filterstufe A2 des ersten Filters Fl zusammengeführt und an einen gemeinsamen Masseanschluss GND2 angeschlossen. Zumindest abschnittsweise sind die entsprechenden Filterstufen über den gleichen Massepfad mit einem Masseanschluss verbunden, der für die entsprechenden Filterstufen den Hauptmas- seanschluss darstellt.

Die Gesamtanzahl der Filterstufen des Bauelements beträgt vier. In beiden gezeigten Varianten beträgt die Anzahl der Masseanschlüsse zwei und ist somit kleiner als die Gesamtanzahl der Filterstufen des Bauelements.

Das Trägersubstrat TS umfasst mindestens zwei dielektrische Schichten sowie abwechselnd mit diesen angeordnete Metallisierungsebenen. Auf der Unterseite des Substrats sind Außenanschlüsse des Bauelements und auf der Oberseite des Substrats Kontakte zur Kontaktierung von mindestens einem Chip, in dem die Filter Fl, F2 realisiert sind, angeordnet.

In der Figur 3 ist eine Variante vorgestellt, bei der die Filter Fl, F2 in separaten akustischen Chips realisiert sind. Die Zusammenführung der Massen der Filterstufen erfolgt in einer innen liegenden Ebene des Trägersubstrats TS.

Das Bauelement ist vorzugsweise zur SMD-Montage geeignet und weist die Außenanschlüsse in Form von einer auf die Unterseite des Trägersubstrats aufgetragenen Metallschicht auf.

Figur 4 zeigt das Ersatzschaltbild eines Bauelements mit zwei Filtern Fl, F2, von denen hier je zwei Filterstufen Al, A2 bzw. Bl, B2 dargestellt und je eine dritte Filterstufe A3, B3 angedeutet sind. Am Bild soll die Definition der Hauptmassepfade und Hauptmassesanschlüsse erläutert werden.

Jeder Massepfad besteht aus Leiterabschnitten und umfasst außerdem alle elektrischen Verbindungen zwischen der Masse an der Filterstruktur und dem jeweiligen Masseanschluss an der Unterseite des Substrats. Dazu zählen z.B. Bumps und Durch- kontaktieren und andere Elemente. Der Einfachheit halber sind diese Elemente im Ersatzschaltbild als Induktivitäten Ll bis

L5. dargestellt . Es werden der übersichtlichkeit halber nur die Massepfade der beiden ersten Filterstufen Al und Bl betrachtet. Die anderen Massepfade können ähnlich aufgebaut und miteinander verbunden sein.

Massepfade für die Filterstufe Al z.B. sind alle möglichen Strompfade zwischen Al und einem Masseanschluss . Der Hauptmassepfad ist derjenige, der in der Summe der Einzelinduktivitäten die geringste Gesamtinduktivität aufweist. Für die Filterstufe Al ist kann dies der Pfad über Ll, L2 und L3 zu GND2 sein, wenn (L2 + L3) kleiner als L5. Dann verläuft der Hauptmassepfad für die Filterstufe Bl über L4 und L3 ebenfalls zum Masseanschluss, da L5 > (L2+L3) . GND2 ist dann Hauptmasseanschluss für die beiden Filterstufen Al und Bl. Die weiteren Massepfade von Al über Ll und L5 zu GNDl sowie der von Bl über L4, L2 und L5 sind dann „Nebenmassepfade" mit höherer Gesamtinduktivität als die jeweiligen Hauptmassepfade. Der Leiterabschnitt mit der Induktivität L3 ist beiden Hauptmassepfaden gemein. Dargestellt sind hier auf dem Trägersubstrat realisierte Elemente der Massepfade. Es wirken natürlich alle Abschnitte der entsprechenden elektrischen Verbindungen mit, die auch auf den Filterchips realisiert sein können. Auch kann die Verbindung der Massepfade Filterstufen zweier unterschiedlicher Filter bereits auf dem oder auf einem der Filterchips erfolgen.

Verschiedene Varianten eines Footprints des vorstehend erläuterten Bauelements mit vier Filterstufen sind in den Figuren 5 und 6 gezeigt. In der Variante gemäß der Figur 5 ist der Masseanschluss GNDl zwischen den Eingangsanschlüssen IN _a , IN _b des ersten und des zweiten Filters Fl, F2 angeordnet. Der Masseanschluss GND2 ist zwischen den Ausgangsanschlüssen

OUT _a , OUT _b des ersten und des zweiten Filters Fl, F2 angeordnet .

In der Variante gemäß der Figur 6 ist der Masseanschluss GNDl zwischen den Anschlüssen IN _a , OUT _a des ersten Filters Fl und der Masseanschluss GND2 zwischen den Anschlüssen IN _b , OUT _b des zweiten Filters F2 angeordnet.

Die Fläche des jeweiligen Masseanschlusses kann in allen Varianten, wie in Fig. 5 angedeutet, gleich der Fläche der signalführenden Anschlüsse sein. Die Fläche der Masseanschlüsse kann alternativ, wie in Fig. 6 angedeutet, etwas größer als die Fläche der signalführenden Anschlüsse sein. Jedoch beträgt das Verhältnis dieser Flächen vorzugsweise maximal 1,5. Dies hat den Vorteil, dass die Dosierung der Lotmasse und somit die Qualität der Lotverbindung des jeweiligen Anschlusses z. B. mit einer Leiterplatte besonders gut kontrolliert werden kann.

Die Anzahl der Filter und Filterstufen im Bauelement ist nicht auf die in den Figuren erläuterten Varianten begrenzt. Auch die Anzahl dielektrischer Schichten im Trägersubstrat kann beliebig sein.

Bezugszeichenliste

Fl erstes Filter

F2 zweites Filter

Al eingangsseitige Filterstufe des ersten Filters Fl

A2 ausgangsseitige Filterstufe des ersten Filters Fl

Bl eingangsseitige Filterstufe des zweiten Filters F2

B2 ausgangsseitige Filterstufe des zweiten Filters F2

GNDl, GND2 Masseanschlüsse

IN _a , IN _a i, IN _a 2 Eingangsanschlüsse des ersten Filters Fl

OUT _a , OUT _a i, OUT _a2 Ausgangsanschlüsse des ersten Filters Fl

IN _b , INbi, IN _b 2 Eingangsanschlüsse des zweiten Filters F2

OUT _b , OUT _b i, 0UT _b 2 Ausgangsanschlüsse des zweiten Filters F2

TS Trägersubstrat

Ll, L2, ...L5 Induktivitäten im Massepfad