влияние расстояния между витками

О 20 40 60 80 100 120

расстояние между витками, мкм . .

Рис. 4.21. Зависимость паразитной емкости от расстояния между витками (/i и 6 остаются постоянными). Репродукция из книги Y.J. Kim, M.G. Allen, 1998, Surface micromachined solenoid inductors J for high frequency applications*, IEEE Transactions on Componets, Packaging and Manufacturing Technology, Part С 21(1): 26-33 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Ha рис. 4.22 показано влияние воздушного зазора на добротность индуктора. При изменении зазора между катушкой и подложкой в диапазоне 0... 20 мкм, паразитная емкость снижается от 25.1 до 17.7фФ. Индукторы с воздушным зазором обладают большей добротностью и резонансной частотой, чем индукторы без зазора.

4-3.5.2. Влияние воздушного зазора на спиральный индуктор

Было показано, что изготовленный методами поверхностных технологий спиральный индуктор с воздушным сердечником, подвешенный над кремниевой подложкой приблизительно на высоте 60 мкм, обладает более низкими потерями и меньшими паразитными эффектами,- что ведет к повышению добротности и резонансной частоты (Park, Allen, 1998, Ronkainen et al, 1997). Ha рис. 4.23 показана схема спирального индуктора с воздушным сердечником, изготовленного с большим воздушным зазором между проводящими линиями и подложкой. Здесь, в отличие от традиционного воздушного моста медные опоры, сформированные электролитическим способом, служат для образования воздушного зазора. В конструкции используются толстые проводяшие линии, что увеличивает площадь поперечного сечения и снижает сопротивление линий.

4.0 X 10

l.OxlOo частота, Гц

2.0x1010

4.22. Влияние воздушного зазора на добротность. Репродукция из книги У.J. Kim, M.G. Allen, 1998, ((Surface micromachined solenoid inductors for high frequency applications)), IEEE Transactions on Componets, Packaging and Manufacturing Technology, Part С 21(1): 26-33 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Рис. 4.23. Схема спирального индуктора с воздушным сердечником и воздушным зазором для уменьшения паразитных емкостей. Репродукция из книги J.Y. Park, M.G. Allen, 1999, ((Packaging-compatible high Q microinductors and microfilters for wireless ар-plications , IEEE Transactions on Advanced Packaging 22(2); 207-213 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE

Были изготовлены индукторы с индуктивностями 15... 40нГн и добротностью 45... 50 в диапазоне частот 0.9... 2.5 ГГц. На рис. 4.24 приведена зависимости индуктивности от частоты для индукторов, размеры которых даны в таблице 4.2.

о 100

э

♦ индуктор с

индуктор в - индуктор А

Рис. 4.24. Зависимости индуктивности от частоты для спиральных индукторов с воздушным сердечником и воздушным зазором над подложкой, размеры которых даны в таблице 4.2. Репродукция из книги J.Y. Park, M.G. Allen, 1999, Packaging-compatible high Q microinduc-tors and microfilters for wireless applications*, IEEE Transactions on Advanced Packaging 22(2): 207-213 с разрешения IEEE, ©1999 IEEE

частота, ГГц

Таблица 4.2. Размеры индукторов А-С, рассматриваемых на рис. 4.24

4-3.5.3. Влияние удельного сопротивления подложки Удельное сопротивление подложки сильно влияет на резонансную частоту и максимальную добротность индуктора. Из-за относительно низкого удельного сопротивления кремниевой подложки основным фактором ухудшения рабочих характеристик индуктора являются потери. Потери происходят по двум причинам: первая - емкостная связь, приводящая к протеканию тока не только через металлические полоски, но и через кремниевую подложку; вторая - индуктивная связь, в результате которой образуются токовые петли, вызывающие потери, связанные с распространением магнитного поля сквозь подложку. Эти потери влияют на величину добротности индуктора. На рис. 4.25 показано влияние удельного сопротивления подложки на величину добротности индуктора.

Э.ОО 0.01 0.10 1,00

удельное сопротивление подложки. Ом м

10.00

Рис. 4.25. Зависимость добротности от удельного сопротивления подложки. Репродукция из книги У.К. Koutsoyannopoulos, У. Papananos, 2000, ((Systematic analysis and modeling of integrated inductors and transformers in RF 1С design*, IEEE Transactions on Circuits and Systems II 47(8): 699-713 с разрешения IEEE, ©2000 IEEE

4-3.5.4- Влияние ширины полоски На рис. 4.26 показана зависимость добротности от ширины металлической полоски для разных типов индукторов с индуктивностью 20 нГн. Все результаты получены при помощи программного обеспечения HP Momentum planar solver (Lopez-Villegas et al, 2000). Из рисунка видно, что хотя для заданной частоты и ширины можно подобрать оптимальное значение добротности, наилучшие результаты получаются тогда, когда каждый виток катушки обладает разной шириной. Поскольку внутри индуктора наблюдается максимальное поле, потери во внутренних витках могут быть уменьшены при снижении ширины полосок. А омические потери, которые являются значимыми для внешних витков, могут быть снижены при использовании более широких полосок. В результате изменения ширины полосок будет меняться и распределение магнитного поля, что приведет к оптимизации схемы индуктора и получению улучшенных рабочих характеристик.

4-3.5-5- Влияние толщины металлизации Добротность спирального индуктора может быть улучшена увеличением толщины проводящего слоя, что объясняется снижением последовательного сопротивления. Последовательное сопротивление является наиболее значимым фактором, влияющим на параметры индуктора на частотах менее ЗГГц (Park, Allen, 1999, Parisot et al.

Рис. 4.26. Изменение добротности в результате применения разной ширины полосок для индукторов с индуктивностью 20 Гн, работающих на частотах (снизу вверх): 0.7 ГГц, 1 ГГц, 1.5 ГГц, 2.5 ГГц, 3.5 ГГц. Репродукция из книги I.J. ВаЫ, 1999, ((Improved quality factor spiral inductors on GaAs substrates*, IEEE Microwave and Guided Wave Letters 9(10): 398-400 с разрешения IEEE, © 1999 IEEE

10 20 30

ширина полоски, мкм

обычный подвешенный индуктор -

обычный индуктор на кремнии

- подвешенный индуктор с улучшенной добротностью - ♦ индуктор на кремнии с улучшенной добротностью

Частота, ГГц (б)

Рис. 4.27. а - схема индуктора с двойным слоем металлизации, б - экспериментальные зависимости добротности от частоты для традиционного индуктора и индуктора с улучшенной добротностью. Репродукция из книги Y. Sun, J.L. Tauritz, R.G.F. Baets, 1999, ((Micromachined RF passive components and their applications in MMICs , International Journal of RF and Microwave CAE 9: 310-325, © Wiley (1999) с разрешения Wiley

Для этого применяют гальванический метод, позволяющий наносить металлические слои толщиной до 6 мкм. Было экспериментально показано, что добротность индукторов, размещенных на десятимикронном слое с металлическим проводником толщиной 4.5... 9 мкм, улучшается на 93% по сравнению с индукторами, изготовленными на кремниевой подложке (ВаЫ, 2001). На рис. 4.27 показан способ увеличения толщины металлизации для улучшения добротности индуктора, который заключается в формировании двойного слоя металлизации. Такой индуктор обладает более низким сопротивлением по постоянному току по сравнению с аналогичным традиционным индуктором.

Рис. 4.28.

тальные добротности

Эксперимен-зависимости и сопроти-

М2/МЗ МЗ/М4

М2/МЗ/М4

- 10

о

полная толщина металлического слоя, мкм

влении по постоянному и переменному току от толщины слоя металлизации. Репродукция из книги J.N. Burghartz, М. Soyuer, К.А. Jenkins, 1996, ((Microwave inductors and capacitors in standard multilevel interconnect silicon tech-nology , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 44(1): 100-104 с разрешения IEEE, ©1996 IEEE . !

Ha рис. 4.28 показано влияние толщины металлизации в индукторах на максимальное значение добротности и сопротивление по постоянному и переменному току. Толстые металлические структуры были изготовлены стандартными методами обработки кремния, соединением несколько металлических слоев (Burghartz, Soyuer, Jenkins,11596). Индукторы изготавливались из одного (МЗ), двух (М2/МЗ или МЗ/М4) или трех (М2/МЗ/М4) металлических слоев. Толщина металлических слоев Ml, М2, МЗ составляла около 1мкм, а слоя М4 - около 2 мкм. Из рисунка видно, что желаемого значения добротности получить не удалось. Это связано с трудностями изготовления многослойных металлических структур. На рис. 4.29а показаны экспериментально определенные зависимости добротности от частоты для круговых спиральных индукторов, изготовленных на кремниевой подложке с удельным сопротивлением 2 кОм см с

1984, Ronkainen et al, 1997). Поскольку изготовление толстых слоев металлизации невозможно стандартными методами производства ИС, их формируют по окончании основных технологических процессов.