基于高Q值玻璃槽電感的優(yōu)化與驗(yàn)證

蘇華偉 ，林來(lái)存 ，李 君 ，3，曹立強(qiáng) ，3

（1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；3.華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司江蘇無(wú)錫214135）

基于高Q值玻璃槽電感的優(yōu)化與驗(yàn)證

蘇華偉1，2，林來(lái)存1，2，李 君1，2，3，曹立強(qiáng)1，2，3

（1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049；3.華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)中心有限公司江蘇無(wú)錫214135）

為了實(shí)現(xiàn)射頻系統(tǒng)對(duì)具有高品質(zhì)因子的電感的迫切需求，本文提出了利用玻璃槽實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子電感的方法。通過(guò)對(duì)電感損耗機(jī)制分析得到影響玻璃槽電感品質(zhì)因子的因素，通過(guò)建立玻璃槽電感的物理模型，并使用HFSS與ADS軟件聯(lián)合仿真的方法模擬了不同變量對(duì)玻璃槽電感的影響，得到的玻璃槽電感的品質(zhì)因子大于100，同時(shí)，通過(guò)將基于玻璃槽電感的UWB超寬帶濾波器與STATS ChipPAC公司基于硅基的UWB帶通濾波器進(jìn)行對(duì)比，仿真驗(yàn)證了基于玻璃槽電感實(shí)現(xiàn)的濾波器的性能優(yōu)良，這說(shuō)明電感品質(zhì)越高對(duì)器件的性能提升越明顯，所以本文提出的電感的設(shè)計(jì)方法有明顯的優(yōu)勢(shì)。

玻璃槽電感；品質(zhì)因子高；電磁仿真；仿真驗(yàn)證

當(dāng)今時(shí)代，電子科技不斷發(fā)展，人們對(duì)科技產(chǎn)品的要求越來(lái)越高。隨著移動(dòng)設(shè)備功能的不斷強(qiáng)大，小型化，多功能，更加輕便卻是人們追求的趨勢(shì)。這意味著無(wú)源器件，芯片與電路設(shè)計(jì)的小型化將會(huì)越來(lái)越重要。對(duì)于無(wú)源元件，IPD技術(shù)是非常重要的技術(shù)[1-3]。本文側(cè)重討論片上集成無(wú)源電感的性能優(yōu)化及仿真驗(yàn)證。傳統(tǒng)的硅基電感的品質(zhì)因子很低，損耗大，自諧振頻率低，很難滿(mǎn)足射頻系統(tǒng)高頻高速的要求，所以急需新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的無(wú)源電感。有很多相關(guān)的文獻(xiàn)對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，主要方法有3種，第一種是采用高阻硅作為襯底，在其上面集成無(wú)源電感，雖然工藝上與傳統(tǒng)的硅工藝很好的兼容，但是成本上卻大大的增加，所以工業(yè)界很少采用[4-5]；第二種采用的是MEMS工藝，將硅基螺旋電感下面的襯底硅挖掉的方式等方式來(lái)提高電感的Q值，但是此方法工藝難度大，費(fèi)用高，不適合大規(guī)模量產(chǎn)[6-9]；第三種方法是采用玻璃基板作為襯底，由于玻璃基板是絕緣的材料，有效的減少了電感的損耗，原因會(huì)在下面的內(nèi)容中講到，而且玻璃基板工藝與硅基工藝的兼容性很好，容易量產(chǎn)，但是同時(shí)自身也有局限性，例如玻璃盲孔技術(shù)不成熟，玻璃基板夾持技術(shù)等[10-11，15]。

文中著重講述利用玻璃基板來(lái)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子的電感，通過(guò)對(duì)電感損耗機(jī)制的理論分析，選用玻璃槽的方式制作電感。使用HFSS與ADS軟件的聯(lián)合仿真對(duì)影響此電感的關(guān)鍵因數(shù)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，結(jié)果表明；相對(duì)于傳統(tǒng)硅基工藝，玻璃槽電感的品質(zhì)因子大大提高，高達(dá)100以上，而且自諧振頻率提高，增加了電感的應(yīng)用范圍。同時(shí)，利用玻璃槽電感設(shè)計(jì)了一款無(wú)源濾波器，驗(yàn)證了玻璃槽電感的性能優(yōu)良。

1 電感的關(guān)鍵參數(shù)與損耗機(jī)制

1.1 電感的關(guān)鍵參數(shù)

電感量：螺旋電感的電感量在某一段頻率范圍內(nèi)可認(rèn)為是定值，S.S.Mohna等[12]基于wheeler公式提出了片上電感算法，該算法同時(shí)考慮了正負(fù)互感，可以用來(lái)計(jì)算常見(jiàn)規(guī)則的圖形的電感值：

電感的電感值可以用Y參數(shù)來(lái)表示：

品質(zhì)因子Q:電感的性能好與壞通常用品質(zhì)因子Q來(lái)表示。它定義為一個(gè)周期內(nèi)存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量與消耗的能量之比：

電感的品質(zhì)因子Q也可以用Y參數(shù)來(lái)表示

1.2 電感損耗機(jī)制

損耗機(jī)制[13-14]；對(duì)于有損的襯底上的電感，其主要的能量損耗機(jī)制分為導(dǎo)體損耗，輻射損耗和由電磁耦合引起的介質(zhì)損耗。輻射損耗相對(duì)其他損耗影響很小，我們?cè)诖瞬蛔鲅芯?。?dǎo)體損耗是由于金屬線(xiàn)圈的電導(dǎo)率有限引起的，低頻時(shí)，電流的均勻分布在線(xiàn)圈的內(nèi)部，寄生串聯(lián)電感受頻率的影響?。划?dāng)頻率高達(dá)MHZ以上時(shí)，電流在線(xiàn)圈內(nèi)部將不在均勻分布，電流集中在導(dǎo)體的表面流動(dòng)，即所謂的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。對(duì)于典型的硅基電感，導(dǎo)體損耗對(duì)于品質(zhì)因數(shù)的影響很小，主要是襯底損耗影響電感的品質(zhì)因子，電感線(xiàn)圈與有限電導(dǎo)率的襯底之間的電磁耦合效應(yīng)通過(guò)介質(zhì)層產(chǎn)生了垂直方向上的位移電流，另外電感線(xiàn)圈產(chǎn)生的時(shí)變電磁場(chǎng)在襯底上產(chǎn)生了與電感線(xiàn)圈中流向相反的歐姆電流，兩種電流共同形成了襯底上的渦流效應(yīng)。該效應(yīng)不但增加了能量損耗，減小了電感的品質(zhì)因子Q，同時(shí)渦流效應(yīng)產(chǎn)生了電磁場(chǎng)與原電磁場(chǎng)方向相反，減小了原電感的有效電感量。對(duì)于襯底為絕緣材料的玻璃基板，主要損耗是導(dǎo)體損耗和電感自身的寄生電容引起的損耗。

2 玻璃槽螺旋電感的結(jié)構(gòu)

玻璃槽電感的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是由2層金屬構(gòu)成，用PI（JSR5100）絕緣的，下層金屬用于制作玻璃槽螺旋電感，上層金屬用來(lái)互連或測(cè)試，本文中用來(lái)測(cè)試電感。疊層信息如表1所示。

圖1 玻璃槽螺旋電感結(jié)構(gòu)俯視圖和側(cè)視圖

3 玻璃槽螺旋電感仿真優(yōu)化

通過(guò)對(duì)片上電感的損耗機(jī)制的理論分析，給出了影響玻璃槽電感性能的主要原因，包括以下變量：

1）金屬的線(xiàn)厚，線(xiàn)寬，線(xiàn)間距

2）電感的內(nèi)徑

表1 疊層參數(shù)

為了研究玻璃槽電感的電學(xué)特性，我們采用HFSS和ADS兩款電磁仿真軟件建模與仿真。本文我們采用八邊形螺旋電感結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3.1 線(xiàn)間距變化對(duì)電感值和品質(zhì)因數(shù)的影響

圖2仿真結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)電感的間距由20μm變化到50μm，玻璃槽電感值由1.914 nH增大到2.109 nH（@5 GHz），品質(zhì)因子由90.78增大到110.006 7（@5 GHz），自諧振頻率由 16.7 GHz增大到19.3 GHz。隨著電感的間距在 20～50μm范圍內(nèi)的不斷增大，在其他條件不變的情況下，等效于電感的長(zhǎng)度增大，電感值增大，電感的寄生電容不斷減小，電感的自諧振頻率和品質(zhì)因子將不斷升高。這條結(jié)論與片上硅基電感有很大的不同，原因在于兩者的寄生電感的變化趨勢(shì)相反，硅基片上螺旋電感在等效電容面積增大和間距減小時(shí)，由于這兩種相反效果的作用方式，寄生的電容增大，然而玻璃槽電感的寄生電容卻減小。所以玻璃槽電感對(duì)于線(xiàn)距的影響與硅基電感不同。

圖2 線(xiàn)間距變化的影響

3.2 線(xiàn)寬變化對(duì)電感值和品質(zhì)因子的影響

圖3仿真結(jié)果表明；當(dāng)電感自身的線(xiàn)寬在30μm，40μm，50μm，60μm變化過(guò)程中，電感值 1.967 nH變化為2.17 nH（@5 GHz）0，電感不斷增大，電感的品質(zhì)因數(shù)由 94.3 變化為113.8（@5 GHz），電感的品質(zhì)因數(shù)不斷增大，電感的自諧振頻率22.6 GHz.變化為18.4 GHz，自諧振頻率降低。原因在于隨著線(xiàn)寬的不斷增大，導(dǎo)體損耗減少，品質(zhì)因子增大，但是電感的寄生電容卻隨著增大，導(dǎo)致自諧振頻率不斷降低。

圖3 線(xiàn)寬變化的影響

3.3 線(xiàn)厚度變化對(duì)電感值和品質(zhì)因子的影響

圖4仿真結(jié)果表明，隨著電感厚度從20μm，30μm，40μm，50μm變化過(guò)程中，玻璃槽電感值由 2.1511 nH減小到 1.609 0 nH（@5 GHz）。品質(zhì)因數(shù)由 95.12。增大到 101.19（@5 GHz））。自諧振頻率變化為19.7 GHz減小到 15.7 GHz。根據(jù)仿真的結(jié)果理論分析可知，當(dāng)電感厚度增大時(shí)，由于電感的導(dǎo)體損耗會(huì)減少，電感的品質(zhì)因子提高，但是電感的寄生電容會(huì)增大，導(dǎo)致自諧振頻率下降。

圖4 線(xiàn)厚度變化的影響

3.4 電感內(nèi)徑變化對(duì)電感值和品質(zhì)因子的影響

圖5仿真結(jié)果表明：電感內(nèi)徑在 260，320，380μm變化時(shí)，電感值（@5 GHz）隨著電感內(nèi)徑的增大，電感值由1.968 8 nH增大到3.067 2 nH；品質(zhì)因子由104.14 增大 108.588 62；自諧振頻率 18.1 GHz 降低到13.2 GHz。即隨著螺旋電感的內(nèi)徑的增大，電感的電感值也隨之增大，品質(zhì)因子略微的增大，但是自諧振頻率卻隨之降低。原因是當(dāng)其他因素不變的情況下，隨著電感內(nèi)徑的增大，螺旋電感的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，電感值增大，但是同時(shí)由于螺旋電感的寄生電容的增大，導(dǎo)致玻璃槽螺旋電感的自諧振頻率降低。

圖5 電感內(nèi)徑變化的影響

4 玻璃槽電感應(yīng)用與仿真驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，選用品質(zhì)因子更好的玻璃槽螺旋電感實(shí)現(xiàn)UWB帶通濾波器，與STATS ChipPAC公司在硅基上實(shí)現(xiàn)的相同濾波器進(jìn)行對(duì)比[15]。STATS ChipPAC公司用硅基螺旋電感實(shí)現(xiàn)此濾波器的帶內(nèi)插損為-2 dB，回波損耗小于-12 dB。圖6是UWB帶通濾波器的原理圖。圖7是利用玻璃槽電感實(shí)現(xiàn)LPF的物理模型和其優(yōu)化后的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。

圖6 ADS仿真原理圖和頻率響應(yīng)曲線(xiàn)

根據(jù)ADS和HFSS軟件的聯(lián)合仿真結(jié)果，從而得到基于玻璃槽電感的UWB濾波器[16]在7～9 GHz通帶內(nèi)的插入損耗小于-1.2 dB，小于STARTS在硅基上實(shí)現(xiàn)的-2 dB，回波損耗小于-15 dB，優(yōu)于STATS ChipPAC公司在硅基上實(shí)現(xiàn)的-12 dB。通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了利用玻璃槽電感實(shí)現(xiàn)無(wú)源濾波器比傳統(tǒng)的硅基效果更好。為利用玻璃槽電感實(shí)現(xiàn)無(wú)源器件集成和提高射頻系統(tǒng)品質(zhì)提供了依據(jù)。

圖7 HFSS仿真模型和優(yōu)化后的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提供了一種玻璃槽電感的優(yōu)化方法。根據(jù)仿真結(jié)果，玻璃槽電感相對(duì)于硅基電感的損耗減小，品質(zhì)因子增大，電感略微增大。玻璃槽電感的品質(zhì)因子可以高達(dá)100以上，自諧振頻率在10 GHz以上，大大提高了傳統(tǒng)硅基電感的性能，同時(shí)，與傳統(tǒng)的硅基電感相比，費(fèi)用大大減少，而且玻璃工藝與硅基工藝兼容，為大規(guī)模量產(chǎn)提供可能。通過(guò)仿真驗(yàn)證玻璃槽電感可以用于制作濾波器等對(duì)電感品質(zhì)因子要求高的射頻器件和系統(tǒng)。

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Optimization design and verification of high-Q trench inductor based on glass substrate

SU Hua-wei1，2，LIN Lai-cun1，2，LI Jun1，2，3，CAO Li-qiang1，2，3
（1.Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2.Unirersity of chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.National Center for Advanced Packaging Co.Ltd.，Wuxi 214135，China）

In order to satisfy urgent requirement of inductor with high quality for RF system，the method using trench inductor based on glass substrate realize high Q inductor has been put forward in this article.By analyzing inductance loss mechanisms,the main factors influencing the quality of inductor have been acquired.Establish physical model of trench inductor based on glass substrate,and simulate the effect of different variables on the glass-based trench inductor with the help of HFSS and ADS,and acquire the quality of the glass-based trench inductor more than100,Simultaneously,by comparing the UWB bandpass filter based on silicon inductor made in STATS ChipPAC company with the property of the filter based on glass substrate,it shows that thefilter using the trench inductor based on glass substrate is superior.This indicates that device performance improvement using the higher quality of the inductor is more obvious，so the proposed inductor design method has obvious advantages.

the trench inductor； highquality；HFSS and ADS；verification

TN702-34

A

1674－6236（2017）16-0006-05

2016-08-07稿件編號(hào)：201608054

國(guó)家重大科學(xué)技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)（2014ZX03001015）

蘇華偉（1991—），男，黑龍江鶴崗人，碩士。研究方向：無(wú)源射頻集成電及封裝。