基于高Q值玻璃槽電感的優(yōu)化與驗證

蘇華偉 ，林來存 ，李 君 ，3，曹立強 ，3

（1.中國科學院微電子研究所 北京 100029；2.中國科學院大學 北京 100049；3.華進半導體封裝先導技術研發(fā)中心有限公司江蘇無錫214135）

基于高Q值玻璃槽電感的優(yōu)化與驗證

蘇華偉1，2，林來存1，2，李 君1，2，3，曹立強1，2，3

（1.中國科學院微電子研究所 北京 100029；2.中國科學院大學 北京 100049；3.華進半導體封裝先導技術研發(fā)中心有限公司江蘇無錫214135）

為了實現射頻系統對具有高品質因子的電感的迫切需求，本文提出了利用玻璃槽實現高品質因子電感的方法。通過對電感損耗機制分析得到影響玻璃槽電感品質因子的因素，通過建立玻璃槽電感的物理模型，并使用HFSS與ADS軟件聯合仿真的方法模擬了不同變量對玻璃槽電感的影響，得到的玻璃槽電感的品質因子大于100，同時，通過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帶通濾波器進行對比，仿真驗證了基于玻璃槽電感實現的濾波器的性能優(yōu)良，這說明電感品質越高對器件的性能提升越明顯，所以本文提出的電感的設計方法有明顯的優(yōu)勢。

玻璃槽電感；品質因子高；電磁仿真；仿真驗證

當今時代，電子科技不斷發(fā)展，人們對科技產品的要求越來越高。隨著移動設備功能的不斷強大，小型化，多功能，更加輕便卻是人們追求的趨勢。這意味著無源器件，芯片與電路設計的小型化將會越來越重要。對于無源元件，IPD技術是非常重要的技術[1-3]。本文側重討論片上集成無源電感的性能優(yōu)化及仿真驗證。傳統的硅基電感的品質因子很低，損耗大，自諧振頻率低，很難滿足射頻系統高頻高速的要求，所以急需新的方法來實現高品質的無源電感。有很多相關的文獻對這個問題進行了大量的研究，主要方法有3種，第一種是采用高阻硅作為襯底，在其上面集成無源電感，雖然工藝上與傳統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提高電感的Q值，但是此方法工藝難度大，費用高，不適合大規(guī)模量產[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，原因會在下面的內容中講到，而且玻璃基板工藝與硅基工藝的兼容性很好，容易量產，但是同時自身也有局限性，例如玻璃盲孔技術不成熟，玻璃基板夾持技術等[10-11，15]。

文中著重講述利用玻璃基板來實現高品質因子的電感，通過對電感損耗機制的理論分析，選用玻璃槽的方式制作電感。使用HFSS與ADS軟件的聯合仿真對影響此電感的關鍵因數進行了仿真和優(yōu)化，結果表明；相對于傳統硅基工藝，玻璃槽電感的品質因子大大提高，高達100以上，而且自諧振頻率提高，增加了電感的應用范圍。同時，利用玻璃槽電感設計了一款無源濾波器，驗證了玻璃槽電感的性能優(yōu)良。

1 電感的關鍵參數與損耗機制

1.1 電感的關鍵參數

電感量：螺旋電感的電感量在某一段頻率范圍內可認為是定值，S.S.Mohna等[12]基于wheeler公式提出了片上電感算法，該算法同時考慮了正負互感，可以用來計算常見規(guī)則的圖形的電感值：

電感的電感值可以用Y參數來表示：

品質因子Q:電感的性能好與壞通常用品質因子Q來表示。它定義為一個周期內存儲的磁場能量與消耗的能量之比：

電感的品質因子Q也可以用Y參數來表示

1.2 電感損耗機制

損耗機制[13-14]；對于有損的襯底上的電感，其主要的能量損耗機制分為導體損耗，輻射損耗和由電磁耦合引起的介質損耗。輻射損耗相對其他損耗影響很小，我們在此不做研究。導體損耗是由于金屬線圈的電導率有限引起的，低頻時，電流的均勻分布在線圈的內部，寄生串聯電感受頻率的影響小；當頻率高達MHZ以上時，電流在線圈內部將不在均勻分布，電流集中在導體的表面流動，即所謂的趨膚效應和臨近效應。對于典型的硅基電感，導體損耗對于品質因數的影響很小，主要是襯底損耗影響電感的品質因子，電感線圈與有限電導率的襯底之間的電磁耦合效應通過介質層產生了垂直方向上的位移電流，另外電感線圈產生的時變電磁場在襯底上產生了與電感線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。該效應不但增加了能量損耗，減小了電感的品質因子Q，同時渦流效應產生了電磁場與原電磁場方向相反，減小了原電感的有效電感量。對于襯底為絕緣材料的玻璃基板，主要損耗是導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構

玻璃槽電感的結構如圖1所示，它是由2層金屬構成，用PI（JSR5100）絕緣的，下層金屬用于制作玻璃槽螺旋電感，上層金屬用來互連或測試，本文中用來測試電感。疊層信息如表1所示。

圖1 玻璃槽螺旋電感結構俯視圖和側視圖

3 玻璃槽螺旋電感仿真優(yōu)化

通過對片上電感的損耗機制的理論分析，給出了影響玻璃槽電感性能的主要原因，包括以下變量：

1）金屬的線厚，線寬，線間距

2）電感的內徑

表1 疊層參數

為了研究玻璃槽電感的電學特性，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構，如圖1所示。

3.1 線間距變化對電感值和品質因數的影響

圖2仿真結果說明：當電感的間距由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范圍內的不斷增大，在其他條件不變的情況下，等效于電感的長度增大，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因子將不斷升高。這條結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，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。所以玻璃槽電感對于線距的影響與硅基電感不同。

圖2 線間距變化的影響

3.2 線寬變化對電感值和品質因子的影響

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

圖3 線寬變化的影響

3.3 線厚度變化對電感值和品質因子的影響

圖4仿真結果表明，隨著電感厚度從20μm，30μm，40μm，50μm變化過程中，玻璃槽電感值由 2.1511 nH減小到 1.609 0 nH（@5 GHz）。品質因數由 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。根據仿真的結果理論分析可知，當電感厚度增大時，由于電感的導體損耗會減少，電感的品質因子提高，但是電感的寄生電容會增大，導致自諧振頻率下降。

圖4 線厚度變化的影響

3.4 電感內徑變化對電感值和品質因子的影響

圖5仿真結果表明：電感內徑在 260，320，380μm變化時，電感值（@5 GHz）隨著電感內徑的增大，電感值由1.968 8 nH增大到3.067 2 nH；品質因子由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徑的增大，電感的電感值也隨之增大，品質因子略微的增大，但是自諧振頻率卻隨之降低。原因是當其他因素不變的情況下，隨著電感內徑的增大，螺旋電感的長度變長，電感值增大，但是同時由于螺旋電感的寄生電容的增大，導致玻璃槽螺旋電感的自諧振頻率降低。

圖5 電感內徑變化的影響

4 玻璃槽電感應用與仿真驗證

根據優(yōu)化結果，選用品質因子更好的玻璃槽螺旋電感實現UWB帶通濾波器，與STATS ChipPAC公司在硅基上實現的相同濾波器進行對比[15]。STATS ChipPAC公司用硅基螺旋電感實現此濾波器的帶內插損為-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現LPF的物理模型和其優(yōu)化后的頻率響應曲線。

圖6 ADS仿真原理圖和頻率響應曲線

根據ADS和HFSS軟件的聯合仿真結果，從而得到基于玻璃槽電感的UWB濾波器[16]在7～9 GHz通帶內的插入損耗小于-1.2 dB，小于STARTS在硅基上實現的-2 dB，回波損耗小于-15 dB，優(yōu)于STATS ChipPAC公司在硅基上實現的-12 dB。通過對比分析，驗證了利用玻璃槽電感實現無源濾波器比傳統的硅基效果更好。為利用玻璃槽電感實現無源器件集成和提高射頻系統品質提供了依據。

圖7 HFSS仿真模型和優(yōu)化后的頻率響應曲線

5 結束語

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

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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：201608054

國家重大科學技術專項（2014ZX03001015）

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