随着5G技术的不断成熟和商用,超快的网络速率和极短的网络时延进一步推进了无人驾驶、人工智能和机器学习的发展。5G技术对高频滤波器的需求进一步加深,所以对于滤波器的发展来说既是机遇也是挑战。基于PCB工艺的传统滤波器因为面积大、难于集成和高频段时滤波效果差等缺点而无法满足未来的要求。目前,研究能够在一定程度上弥补传统滤波器缺点的新技术是十分必要的。本文提供的解决方案是基于硅通孔(Through-silicon via,TSV)的滤波器。起初,TSV为三维集成电路中的垂直互连线,随着TSV技术与芯片主流工艺不断融合,无源器件领域也开始运用该技术。基于TSV的电容器、电感器和滤波器拥有了面积小、易于集成和高频特性好等优点。本文提出了三种基于TSV的滤波器,包括设计、建模和特性分析三部分。首先,提出 了基于 TSV 的低通滤波器(Low-pass filter,LPF)和高通滤波器(High-pass filter,HPF)。用定K法推导出待设计集总LPF和HPF(截止频率20GHz)元件值,建立LC电路模型,设计了基于再布线层(Redistribution layer,RDL)的螺旋电感器和基于TSV阵列的电容器,结合电感器和电容器,构建基于TSV的LCLPF和HPF。分别采用ADS软件和HFSS软件进行等效电路模型仿真和有限元方法验证,结果表明,ADS和HFSS结果误差小于2%,且TSV LPF和HPF面积仅为0.1085mm2和3.28mm2。同时研究了 RDL螺旋电感器和TSV阵列电容器的品质因数和频率特性以及TSVLPF的滤波特性随物理尺寸的变化曲线,也对TSV LPF的封装应用难点和工艺设计要点做了进一步讨论。然后,采用同样的设计方法,提出了两个不同特性指标的基于TSV的集总带通滤波器(Band-pass filter,BPF)(带宽均为10GHz,BPF1中心频率为20GHz,BPF2中心频率为100GHz),结果表明,TSV BPF1有限元仿真结果与等效电路模型具有很好的一致性,但TSVBPF2有限元仿真结果与等效电路模型结果有很大的差别。这是因为相同阶数的BPF结构相比LPF和HPF更复杂,而且随着频率的增加,BPF最小电容会越小。互连线寄生电容占BPF1最小电容的1.13%,而互连线寄生电容占BPF2最小电容的30%。由于寄生效应,TSV集总滤波器无法满足THz的设计要求。为了实现THz的设计要求,便引用了基于TSV的基片集成波导(Substrate integrated waveguide,SIW)滤波器,该滤波器实现了中心频率为3.1THz且通带为0.1THz且通带内回波不小于10dB的BPF设计,弥补了 TSV集总BPF在THz频段的缺失。综上,本论文面向滤波器微型化和可集成化需求,提出了基于TSV的滤波器重要解决方案,实现了滤波器结构的微型化和可集成化,为满足微型射频系统及便携式设备的发展提供了理论支撑。