基于MEMS工藝的硅基立體電感LC濾波器設(shè)計

厲建國

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

無源濾波器伴隨著微波電子技術(shù)的快速發(fā)展而興起，是各種微波電子設(shè)備及信號處理系統(tǒng)中的重要器件。隨著微波組件和模塊逐漸向小型化、多功能和高集成化的方向發(fā)展，無源濾波器的集成化迫在眉睫。

集成無源器件（Integrated Passive Device,IPD）技術(shù)為LC 濾波器的集成化提供了一個新的方向[1]。與傳統(tǒng)LC 濾波器不同，IPD 集成LC 濾波器中的集成電感大多為平面螺旋電感，其品質(zhì)因數(shù)一般只能達到二十左右，而采用厚銅和高阻硅來實現(xiàn)高Q 螺旋電感一般也在40 以下[2]，嚴(yán)重制約了IPD 集成LC 濾波器的電特性指標(biāo)。

MEMS 體硅工藝是一種高精度多層立體微加工技術(shù)，可達到微米量級加工精度，適于制作高性能濾波器，并已經(jīng)過大量工程實踐的驗證[3]。為解決IPD 集成平面螺旋電感品質(zhì)因數(shù)低的問題，本文設(shè)計了一種基于MEMS 體硅工藝的硅基立體電感，在P 波段其品質(zhì)因數(shù)可達80 左右，基于此并采用雙層硅片金金鍵合結(jié)構(gòu)，成功設(shè)計流片一款硅基立體電感LC 濾波器，該濾波器具有體積小、重量輕、插損小和易集成等特點。

1 硅通孔（TSV）及硅片Au-Au鍵合技術(shù)

硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技術(shù)是3D 集成電路中堆疊芯片實現(xiàn)互連的一種新的技術(shù)解決方案。它是在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通孔，從而實現(xiàn)芯片之間的電氣互連。

高深寬比硅通孔是高Q 值立體電感的基本結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)硅基高Q 值立體電感的基礎(chǔ)，其優(yōu)劣直接關(guān)系到器件性能的好壞，同時為了實現(xiàn)接地互聯(lián)，硅通孔也是整個硅基立體電感LC 濾波器結(jié)構(gòu)的核心。

晶圓級鍵合技術(shù)已成為MEMS工藝金屬互連的高效解決方案。傳統(tǒng)鍵合過程需要高溫加熱，會產(chǎn)生熱應(yīng)力問題，降低器件的可靠性。低溫Au-Au 鍵合對于減小電路元件的熱損壞非常重要。Au-Au鍵合工藝包括金屬化前處理、表面金屬化、金屬表面處理及熱壓鍵合等步驟。

2 硅基立體電感的設(shè)計

在硅基立體電感集成LC 濾波器的設(shè)計過程中，對硅基立體電感的有效電感量Leff和品質(zhì)因數(shù)Q 等參數(shù)的提取是至關(guān)重要的。

考慮硅基MEMS 制造工藝的適用性，本文設(shè)計的硅基立體電感為水平軸線螺旋電感，電感模型如圖1所示。

2.1 硅基立體電感等效電路模型

建立如圖2所示的硅基立體電感的等效電路模型并進行參數(shù)分析[4]。

圖1：硅基立體電感結(jié)構(gòu)模型

圖2：硅基立體電感等效電路模型

圖3：電感Q 值仿真曲線

圖2 中，R 表示立體電感中的等效串聯(lián)電阻，Leff為等效的總電感量，C1 和C2 表示電感金屬線匝與接地金屬平面間的等效寄生電容，C3 表示電感線圈匝與匝間的寄生耦合電容。

等效串聯(lián)電阻和寄生電容會影響電感的Q 值，特別是R 和C3，在電感設(shè)計中需要重點關(guān)注。

2.2 硅基立體電感設(shè)計及仿真

為提取硅基立體電感的電感值、品質(zhì)因數(shù)Q 等有效參數(shù)，使用三維電磁場仿真工具建立一個5 圈正繞立體螺旋電感模型，三維結(jié)構(gòu)仿真模型如圖1所示。該電感模型基于650um 硅片，線寬為220um，孔徑為150um，匝間距30um，尺寸為1.6mm×1.22mm×0.65mm。

電感的品質(zhì)因數(shù)Q 等于輸入阻抗的虛部和實部的比值，見公式（1）。公式（2）為電感值計算公式。

該電感模型的品質(zhì)因數(shù)Q 仿真曲線如圖3所示。

觀察圖3 發(fā)現(xiàn)，在750MHz 頻率時，該硅基立體電感的Q 值為84.4，自諧振頻率約為1.75GHz，可用于LC 濾波電路的設(shè)計。

3 濾波器設(shè)計

本文基于650um 硅片設(shè)計的硅基立體電感LC 濾波器的電特性指標(biāo)為：中心頻率750MHz，1dB 帶寬≥400MHz，帶內(nèi)插損≤3dB，矩形系數(shù)K25/1≤2，輸入輸出端口駐波≤1.5，外形尺寸6.4mm×4.4mm×1.05mm。

3.1 電路拓?fù)湓O(shè)計

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)要求，選取切比雪夫函數(shù)電路，它在通帶內(nèi)具有等紋波特性，過渡帶陡峭且阻帶呈單調(diào)下降，可以得到較好的阻帶特性。為滿足矩形度要求，需在帶外高低端各放置一個有限傳輸零點。最終設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 三維電路設(shè)計

使用三維電磁仿真工具將圖4所示電路結(jié)構(gòu)進行硅基立體電感濾波器三維結(jié)構(gòu)建模，然后對三維電路模型進行電磁場仿真。

經(jīng)調(diào)試優(yōu)化后的三維模型電磁場全波分析仿真曲線如圖5所示，可見各項指標(biāo)均優(yōu)于預(yù)定的要求。

4 濾波器制備及測試

三維電路模型仿真結(jié)果達到預(yù)定要求后，即可進行流片。硅基MEMS 立體電感LC 濾波器的流片過程涉及清洗、光刻、氧化、刻蝕、金屬化、鍵合、劃片等工藝，具體工藝細(xì)節(jié)不在此贅述。

實做硅基立體電感濾波器芯片的長寬高三維尺寸為6.4mm×4.4mm×1.05mm。

該產(chǎn)品的典型S 參數(shù)實測與仿真對比如圖6所示。

觀察實測曲線可見，濾波器頻率響應(yīng)達到預(yù)定設(shè)計目標(biāo)，與三維電路模型仿真曲線基本吻合。實測曲線帶外抑制比仿真結(jié)果略差，分析認(rèn)為是芯片探針臺測試接地效果差導(dǎo)致的。

圖4：電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5：濾波器三維電路仿真曲線

圖6：實測與仿真結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文采用硅通孔（TSV）技術(shù)和雙層硅片Au-Au 鍵合工藝設(shè)計了一種硅基立體螺旋電感，該電感具有較高的Q 值，并基于此設(shè)計了一款硅基立體電感集成LC 濾波器。實測結(jié)果與仿真設(shè)計吻合度較高，證明了該設(shè)計方案的可行性?；贛EMS 工藝的硅基立體電感集成LC 濾波器為LC 濾波器的集成化提供了一個新的方向。