一種基于IPD工藝的低成本W(wǎng)ilkinson功分器*

錢州強(qiáng)，邢孟江，楊曉東，王尓凡，徐 珊

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504）

0 引 言

隨著摩爾定律的終結(jié)及后摩爾定律的提出，集成技術(shù)從平面擴(kuò)展到第三維度[1]。傳統(tǒng)的射頻（RF）無源元件如濾波器、功分器和天線等，體積龐大，很難被封裝在系統(tǒng)內(nèi)。為了解決這個(gè)問題，許多研究人員一直嘗試使用先進(jìn)的制造工藝來制作射頻器件。例如，使用低溫共燒陶瓷（LTCC）、集成無源器件（IPD）、液晶聚合物（LCP）等工藝，開發(fā)了許多先進(jìn)的小型化RF器件[2-4]。然而，這些工藝生產(chǎn)出來的器件只能進(jìn)行簡(jiǎn)單堆疊，不能嵌入轉(zhuǎn)接板進(jìn)一步減小其所占的體積，且平面螺旋電感的Q值一般可以達(dá)到10～50，對(duì)某些高端產(chǎn)品是不夠的。通過硅通孔技術(shù)（Through Silicon Via，TSV）或玻璃通孔技術(shù)（Through Glass Via，TGV）的3D IPD技術(shù)形成的三維螺旋電感，Q值可以達(dá)到50～150。采用這種電感實(shí)現(xiàn)一些RF器件，不僅實(shí)現(xiàn)了低損耗和緊湊的外形尺寸，還可以很容易地將這些器件嵌入到采用各種材料制作而成的轉(zhuǎn)接板（Interposer）構(gòu)成的3D IC結(jié)構(gòu)[5]，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)能大幅提升芯片集成度，改善電器互聯(lián)性能，提升運(yùn)行速度，并降低功耗、設(shè)計(jì)難度和成本，是未來的發(fā)展趨勢(shì)[6]。

圖1 典型的三維集成高速電路模型

1 玻璃轉(zhuǎn)接板的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)硅用作垂直互連的中介層材料時(shí)，需要額外的介電層（如氧化硅）以用于電隔離。此外，這種介電層厚度為亞微米尺度，在高頻信號(hào)傳輸中難以在TSV之間提供良好的電隔離[7]。硅也可以耦合到通孔，引入類似MOS管的電容性寄生[8]。玻璃通孔（TGV）作為3D集成的技術(shù)，已經(jīng)被深入研究[9-10]。名叫EN-A1的無堿玻璃由于具有優(yōu)異的絕緣性能、小的交叉耦合電容和硅較匹配的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermalexpansion，CTE），是垂直互連轉(zhuǎn)接板的可用材料，可作為硅的優(yōu)選替代方案。該種玻璃襯底在微電子領(lǐng)域中已經(jīng)取得了重大突破，表1為這種無堿玻璃與硅材料的性能對(duì)比。圖2顯示了E-A1和Si的CTE曲線。從經(jīng)濟(jì)角度看，這種玻璃的生產(chǎn)完全可以利用現(xiàn)有的玻璃熔化成型制造能力，是一種低成本、高穩(wěn)定性的電學(xué)材料[11]。本文介紹的玻璃基制程相比較硅制程而言，減小了晶圓載具的使用，省去了拋光流程，更不需要額外的介電層來用于隔離，在一定程度上簡(jiǎn)化了工藝，降低了生產(chǎn)成本。

表1 玻璃材料性能

圖2 EN-A1和Si的CTE曲線

2 TGV-IPD工藝

TGV-IPD工藝是將TGV技術(shù)和IPD工藝結(jié)合，通過TGV技術(shù)打孔，并使通孔金屬化形成三維螺旋電感，再使用IPD工藝形成MIM電容、薄膜電阻等。近幾年，在玻璃基板上制作高質(zhì)量通孔的能力有了顯著提高。旭硝子公司（Asahi Glass Corporation）采用聚焦放電法（FEDM）在無堿玻璃上形成間距為200 μm的玻璃通孔。圖3顯示了這種TGV形成方法的示意圖，主要由兩個(gè)步驟組成。首先對(duì)玻璃需要熔融的區(qū)域進(jìn)行放電，再通過焦耳熱和玻璃噴射引起內(nèi)部高壓和介電擊穿。這些過程在不到1 μm的時(shí)間內(nèi)完成。這種采用電氣方法形成的通孔適用于很多類型的玻璃，如熔融石英、鈉鈣玻璃、無堿玻璃和含堿玻璃[12]。

圖3 TGV形成方法

TGV和IPD一體化的工藝圖如圖4所示，所用材料如表2所示。首先，在一個(gè)300 μm厚的無堿玻璃晶圓上形成直徑為85 μm、間距為150～200 μm的TGV。沉積50 nm的Ti和1 000 nm的Cu層作為Cu晶種材料。然后，通過正式電鍍，T GV側(cè)壁以及正面和背面形成15 μm厚金屬層，形成了高性能的三維螺旋電感。

圖4 所使用的TGV-IPD一體化工藝的疊層

表2 TGV-IPD工藝所用材料

3 3DIPD Wilkinson功分器的設(shè)計(jì)

Wilkinson功分器電路圖如圖5所示，由兩根λ/4傳輸線和電阻值為100 Ω電阻組成。它的集總等效π網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖5 Wilkinson功分器電路

圖6 Wilkinson功分器集總等效π網(wǎng)絡(luò)

由文獻(xiàn)[13]知：

當(dāng)以4.5 GHz為中心頻率時(shí)，L=2.5 nH，C=0.5 pF。

基于圖6的等效π網(wǎng)絡(luò)，采用TGV-IPD工藝形成的三維螺旋電感、MIM和薄膜電阻形成Wilikinson功分器。用HFSS畫出三維螺旋電感以及電容的模型，如圖7所示。電感的仿真結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果顯示，電感在頻率為6.2 GHz時(shí)，Q值最高達(dá)133；在4.5 GHz時(shí)，Q值為127；在4.5 GHz時(shí)，電感為以2.54 nH。以此電感畫出功分器的模型，如圖9所示。通過微調(diào)電容面積和隔離電阻值的大小，可以獲得更佳的結(jié)果，如圖10所示。可以看出，該功分器在4.2～4.8 GHz頻段內(nèi)，隔離度低于-20 dB，插損在-3.3 dB左右。

圖7 電感及電容

圖8 三維螺旋電感仿真結(jié)果

圖9 功分器模型

圖10 S參數(shù)曲線

表3 中心頻率的插損及隔離度低于-20 dB的點(diǎn)

4 結(jié) 語

采用TGV-IPD技術(shù)在無堿玻璃上設(shè)計(jì)了一款低成本、高質(zhì)量的功分器。所采用的基于TGV-IPD技術(shù)的電感，Q值在4.5 GHz時(shí)為127，在6.2 GHz時(shí)為133，比文獻(xiàn)[13]所提出的硅基平面螺旋電感增加了95，比文獻(xiàn)[14]所提出的玻璃槽電感最大增加了30。這樣有助于提高無線通信系統(tǒng)中射頻有限元的性能。最重要的是，所提出的Wilkinson功分器可以很容易地集成到轉(zhuǎn)接板中，使用3D IC封裝技術(shù)與其他集成電路連接。本文為將來在3D集成電路上基于TGV-IPD技術(shù)開發(fā)新的射頻無源器件，如緊湊型耦合器和天線等，提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。