基于高Q值玻璃槽电感的优化与验证

苏华伟 ，林来存 ，李 君 ，3，曹立强 ，3

（1.中国科学院微电子研究所 北京 100029；2.中国科学院大学 北京 100049；3.华进半导体封装先导技术研发中心有限公司江苏无锡214135）

基于高Q值玻璃槽电感的优化与验证

苏华伟1，2，林来存1，2，李 君1，2，3，曹立强1，2，3

（1.中国科学院微电子研究所 北京 100029；2.中国科学院大学 北京 100049；3.华进半导体封装先导技术研发中心有限公司江苏无锡214135）

为了实现射频系统对具有高品质因子的电感的迫切需求，本文提出了利用玻璃槽实现高品质因子电感的方法。通过对电感损耗机制分析得到影响玻璃槽电感品质因子的因素，通过建立玻璃槽电感的物理模型，并使用HFSS与ADS软件联合仿真的方法模拟了不同变量对玻璃槽电感的影响，得到的玻璃槽电感的品质因子大于100，同时，通过将基于玻璃槽电感的UWB超宽带滤波器与STATS ChipPAC公司基于硅基的UWB带通滤波器进行对比，仿真验证了基于玻璃槽电感实现的滤波器的性能优良，这说明电感品质越高对器件的性能提升越明显，所以本文提出的电感的设计方法有明显的优势。

玻璃槽电感；品质因子高；电磁仿真；仿真验证

当今时代，电子科技不断发展，人们对科技产品的要求越来越高。随着移动设备功能的不断强大，小型化，多功能，更加轻便却是人们追求的趋势。这意味着无源器件，芯片与电路设计的小型化将会越来越重要。对于无源元件，IPD技术是非常重要的技术[1-3]。本文侧重讨论片上集成无源电感的性能优化及仿真验证。传统的硅基电感的品质因子很低，损耗大，自谐振频率低，很难满足射频系统高频高速的要求，所以急需新的方法来实现高品质的无源电感。有很多相关的文献对这个问题进行了大量的研究，主要方法有3种，第一种是采用高阻硅作为衬底，在其上面集成无源电感，虽然工艺上与传统的硅工艺很好的兼容，但是成本上却大大的增加，所以工业界很少采用[4-5]；第二种采用的是MEMS工艺，将硅基螺旋电感下面的衬底硅挖掉的方式等方式来提高电感的Q值，但是此方法工艺难度大，费用高，不适合大规模量产[6-9]；第三种方法是采用玻璃基板作为衬底，由于玻璃基板是绝缘的材料，有效的减少了电感的损耗，原因会在下面的内容中讲到，而且玻璃基板工艺与硅基工艺的兼容性很好，容易量产，但是同时自身也有局限性，例如玻璃盲孔技术不成熟，玻璃基板夹持技术等[10-11，15]。

文中着重讲述利用玻璃基板来实现高品质因子的电感，通过对电感损耗机制的理论分析，选用玻璃槽的方式制作电感。使用HFSS与ADS软件的联合仿真对影响此电感的关键因数进行了仿真和优化，结果表明；相对于传统硅基工艺，玻璃槽电感的品质因子大大提高，高达100以上，而且自谐振频率提高，增加了电感的应用范围。同时，利用玻璃槽电感设计了一款无源滤波器，验证了玻璃槽电感的性能优良。

1 电感的关键参数与损耗机制

1.1 电感的关键参数

电感量：螺旋电感的电感量在某一段频率范围内可认为是定值，S.S.Mohna等[12]基于wheeler公式提出了片上电感算法，该算法同时考虑了正负互感，可以用来计算常见规则的图形的电感值：

电感的电感值可以用Y参数来表示：

品质因子Q:电感的性能好与坏通常用品质因子Q来表示。它定义为一个周期内存储的磁场能量与消耗的能量之比：

电感的品质因子Q也可以用Y参数来表示

1.2 电感损耗机制

损耗机制[13-14]；对于有损的衬底上的电感，其主要的能量损耗机制分为导体损耗，辐射损耗和由电磁耦合引起的介质损耗。辐射损耗相对其他损耗影响很小，我们在此不做研究。导体损耗是由于金属线圈的电导率有限引起的，低频时，电流的均匀分布在线圈的内部，寄生串联电感受频率的影响小；当频率高达MHZ以上时，电流在线圈内部将不在均匀分布，电流集中在导体的表面流动，即所谓的趋肤效应和临近效应。对于典型的硅基电感，导体损耗对于品质因数的影响很小，主要是衬底损耗影响电感的品质因子，电感线圈与有限电导率的衬底之间的电磁耦合效应通过介质层产生了垂直方向上的位移电流，另外电感线圈产生的时变电磁场在衬底上产生了与电感线圈中流向相反的欧姆电流，两种电流共同形成了衬底上的涡流效应。该效应不但增加了能量损耗，减小了电感的品质因子Q，同时涡流效应产生了电磁场与原电磁场方向相反，减小了原电感的有效电感量。对于衬底为绝缘材料的玻璃基板，主要损耗是导体损耗和电感自身的寄生电容引起的损耗。

2 玻璃槽螺旋电感的结构

玻璃槽电感的结构如图1所示，它是由2层金属构成，用PI（JSR5100）绝缘的，下层金属用于制作玻璃槽螺旋电感，上层金属用来互连或测试，本文中用来测试电感。叠层信息如表1所示。

图1 玻璃槽螺旋电感结构俯视图和侧视图

3 玻璃槽螺旋电感仿真优化

通过对片上电感的损耗机制的理论分析，给出了影响玻璃槽电感性能的主要原因，包括以下变量：

1）金属的线厚，线宽，线间距

2）电感的内径

表1 叠层参数

为了研究玻璃槽电感的电学特性，我们采用HFSS和ADS两款电磁仿真软件建模与仿真。本文我们采用八边形螺旋电感结构，如图1所示。

3.1 线间距变化对电感值和品质因数的影响

图2仿真结果说明：当电感的间距由20μm变化到50μm，玻璃槽电感值由1.914 nH增大到2.109 nH（@5 GHz），品质因子由90.78增大到110.006 7（@5 GHz），自谐振频率由 16.7 GHz增大到19.3 GHz。随着电感的间距在 20～50μm范围内的不断增大，在其他条件不变的情况下，等效于电感的长度增大，电感值增大，电感的寄生电容不断减小，电感的自谐振频率和品质因子将不断升高。这条结论与片上硅基电感有很大的不同，原因在于两者的寄生电感的变化趋势相反，硅基片上螺旋电感在等效电容面积增大和间距减小时，由于这两种相反效果的作用方式，寄生的电容增大，然而玻璃槽电感的寄生电容却减小。所以玻璃槽电感对于线距的影响与硅基电感不同。

图2 线间距变化的影响

3.2 线宽变化对电感值和品质因子的影响

图3仿真结果表明；当电感自身的线宽在30μm，40μm，50μm，60μm变化过程中，电感值 1.967 nH变化为2.17 nH（@5 GHz）0，电感不断增大，电感的品质因数由 94.3 变化为113.8（@5 GHz），电感的品质因数不断增大，电感的自谐振频率22.6 GHz.变化为18.4 GHz，自谐振频率降低。原因在于随着线宽的不断增大，导体损耗减少，品质因子增大，但是电感的寄生电容却随着增大，导致自谐振频率不断降低。

图3 线宽变化的影响

3.3 线厚度变化对电感值和品质因子的影响

图4仿真结果表明，随着电感厚度从20μm，30μm，40μm，50μm变化过程中，玻璃槽电感值由 2.1511 nH减小到 1.609 0 nH（@5 GHz）。品质因数由 95.12。增大到 101.19（@5 GHz））。自谐振频率变化为19.7 GHz减小到 15.7 GHz。根据仿真的结果理论分析可知，当电感厚度增大时，由于电感的导体损耗会减少，电感的品质因子提高，但是电感的寄生电容会增大，导致自谐振频率下降。

图4 线厚度变化的影响

3.4 电感内径变化对电感值和品质因子的影响

图5仿真结果表明：电感内径在 260，320，380μm变化时，电感值（@5 GHz）随着电感内径的增大，电感值由1.968 8 nH增大到3.067 2 nH；品质因子由104.14 增大 108.588 62；自谐振频率 18.1 GHz 降低到13.2 GHz。即随着螺旋电感的内径的增大，电感的电感值也随之增大，品质因子略微的增大，但是自谐振频率却随之降低。原因是当其他因素不变的情况下，随着电感内径的增大，螺旋电感的长度变长，电感值增大，但是同时由于螺旋电感的寄生电容的增大，导致玻璃槽螺旋电感的自谐振频率降低。

图5 电感内径变化的影响

4 玻璃槽电感应用与仿真验证

根据优化结果，选用品质因子更好的玻璃槽螺旋电感实现UWB带通滤波器，与STATS ChipPAC公司在硅基上实现的相同滤波器进行对比[15]。STATS ChipPAC公司用硅基螺旋电感实现此滤波器的带内插损为-2 dB，回波损耗小于-12 dB。图6是UWB带通滤波器的原理图。图7是利用玻璃槽电感实现LPF的物理模型和其优化后的频率响应曲线。

图6 ADS仿真原理图和频率响应曲线

根据ADS和HFSS软件的联合仿真结果，从而得到基于玻璃槽电感的UWB滤波器[16]在7～9 GHz通带内的插入损耗小于-1.2 dB，小于STARTS在硅基上实现的-2 dB，回波损耗小于-15 dB，优于STATS ChipPAC公司在硅基上实现的-12 dB。通过对比分析，验证了利用玻璃槽电感实现无源滤波器比传统的硅基效果更好。为利用玻璃槽电感实现无源器件集成和提高射频系统品质提供了依据。

图7 HFSS仿真模型和优化后的频率响应曲线

5 结束语

文中提供了一种玻璃槽电感的优化方法。根据仿真结果，玻璃槽电感相对于硅基电感的损耗减小，品质因子增大，电感略微增大。玻璃槽电感的品质因子可以高达100以上，自谐振频率在10 GHz以上，大大提高了传统硅基电感的性能，同时，与传统的硅基电感相比，费用大大减少，而且玻璃工艺与硅基工艺兼容，为大规模量产提供可能。通过仿真验证玻璃槽电感可以用于制作滤波器等对电感品质因子要求高的射频器件和系统。

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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稿件编号：201608054

国家重大科学技术专项（2014ZX03001015）

苏华伟（1991—），男，黑龙江鹤岗人，硕士。研究方向：无源射频集成电及封装。