硅基電感LC濾波器的研究

葉波濤

（中國船舶重工集團公司第八研究院，江蘇 揚州 225001）

0 引言

隨著現代微電子科技的迅速發展，無源式濾波器的制造技術也有了很大的進步，它是各類微電子裝置及數據信號控制系統中的關鍵電子元器件。隨著微電子部件及相關電子模塊逐步向微型化、功能豐富及高度集成的趨勢演變，目前的主要任務是開發集成無源式濾波器。集成無源電子元器件的相關技術是指LC濾波器的集成化，該技術為電子元器件指明了1個創新發展的方向[1]。MEMS體硅工藝指的是一類精度非常高的立體化多層面結構微觀尺寸加工技術，該技術可以達到微米級別的加工制造精度，適合生產制造高品質的濾波器，并且該技術已經通過許多相關工程試驗的驗證。

1 LC濾波器的基本概念及分類

LC濾波器（又稱無源濾波器）指的是采用電感、電阻及電容原件設計組成的濾波電路系統，它能夠濾去某次或者多次諧波，常規易應用的無源型濾波器的主體結構是將電感和電容元件串聯使用，從而對主要次的諧波信號形成低阻抗的電路。單調的諧波濾波裝置、雙調的諧波濾波裝置以及高通的濾波器都是無源型的濾波器。該類濾波器具有結構簡單、造價低廉、平穩可靠和運行成本低等優勢，是一類應用廣泛的諧波整理方案；LC濾波器如圖1所示。

圖1 LC濾波器

LC濾波器能滿足一定的技術指標，通常指的是頻域的衰減和相移等指標；例如與時間范疇相關的時間響應需求。無源型濾波裝置一般分為調諧式濾波裝置和高通式濾波裝置；按照計算方法的差異可以分為影像數據濾波裝置及工作數據濾波裝置。

2 對LC濾波器功率的設計思路

因為經過LC濾波器的電功率相對較大，所以在LC濾波器元件的規劃設計中需要針對其功率方面的設計進行特殊考慮。

2.1 額定功率的容量因素

通常來講，在LC濾波器元件中，額定功率的容量值通常根據濾波器中較強電磁場對電容及電感等相關介質的穿透率來確定；除此之外，還可以根據電容元器件及電感元器件和周邊介質之間的穿透電磁場強度的關系來確定額定功率的容量值。因此，相關工程技術人員在設計功率較大的LC濾波器元件時，必須全方位評估電容元器件、電感元器件以及周邊介質的額定功率數值，使其安全系數符合標準[2]。

2.2 插損及駐波相關因素

在微波電子功率較大的電路中，插損數值越小，相應電路的發熱量就越低；其駐波比值越小，相應電路的匹配程度越高，功率傳輸效率值越高，電路系統兼容性能也越強。因此，相關工程技術人員在電路設計過程中需要全方位評估相關技術參數的要求，對濾波器阻帶及通帶參數指標進行設計，最大限度地提升電容電感的Q參數值，降低LC濾波器的插入消耗數值；同時改善電路結構，調整相關參數，得到1組科學的LC濾波器駐波參數比值。

3 LC濾波器電路研究及設計

3.1 微波電子無源LC濾波器基本原理

當代微波電子無源LC濾波器的設計模式大多使用綜合網絡的方法，綜合網絡方法指的是以衰減函數及相變函數為設計的理論根據，根據綜合網絡的相關原理，率先解出集中狀態的集總電子元器件低通狀態的初始電路，再用微波電子構造來表現集總電子元器件初始電路中的各個元器件。因為綜合網絡方法科學地解決了LC濾波器中的通帶狀態、阻帶減弱狀態及二者之間過渡速度不同之間的矛盾；所以，通過該方法得到的低通原型電路可以作為設計濾波器的依據。

3.2 LC濾波器電參數研究

在輸入的一系列發射裝置中，因為使用單位對發射裝置的諧波控制參數有非常高的技術要求，所以需要在放大裝置內設置LC濾波器以實現相關目標。LC濾波器主頻率范圍是25 MHz～855 MHz，通帶插損數值需要控制在65 dB以上，而且需要將LC濾波器分成多段式去推進設計工作。

3.3 LC濾波器功率研究

對于傳統的LC濾波器電子元器件來說，其額定功率一般小于2.5 W，為了符合480 W的輸入及輸出最大凈功率的要求，相關工程技術人員需要綜合LC濾波器的初始功率等設計因素，對LC濾波器電子元器件以及布線方案進行改進。借助微波電子程序生成相關結構及符合電子元器件安全系數值的LC濾波器電子電路，為了選定電路系統中各個相關電子元器件的額定功率，需要針對相關電路中的各個電子元器件所承載的電壓等相關電路數據進行研究，從模擬仿真軟件得出的試驗數據中能夠得到LC濾波器電路中各個電容元器件之間的電壓值及流過每個電感元器件的電流值，相關參數數值為后期電路的設計過程提供了科學合理的參考根據[3]。

3.4 LC濾波器版圖及電子元器件排布研究

當LC濾波器的電路在功率較大的狀態下運行時，相關工程技術人員需要全方位測量各個電子元器件之間的距離，科學地排布能夠提升穿透電壓的強度，防止電路在運行狀態下出現打火放電的故障。同時，還可以滿足基板厚度符合穿透電壓的技術要求，在設計過程中，最好使用導熱性能優良的原材料，進而使電路系統獲得更好的散熱性能。

4 硅通孔（TSV）和硅片Au-Au鍵合技術

硅通孔技術是指三維集成電子電路中堆積的相關芯片能夠互相連通的一類新型科學技術。該技術可以在不同的芯片之間、在不同的晶圓之間加工生產垂直形態的用于傳導相關數據信號的通孔，進而完成芯片與芯片之間電氣信號的互連互通。寬高深比硅通孔是Q值較高的立體形式電感的基礎構造，它是形成硅基單元Q值較高的立體電感的前提條件，硅通孔的質量直接影響到相關電子元器件的主要性能，與此同時，為了達到接地線互連互通的目的，硅通孔也是整體硅基立體式電感LC濾波器主體構造的關鍵組成部分。

使用晶圓單位數量級的鍵合技術已經是MEMS工藝中的1種效率較高的解決方案。常規的鍵合加工過程必須依賴高溫加熱的環境，在加熱過程中可能產生熱應力，給相關電子元器件的可靠性帶來影響。因此，低溫Au-Au鍵合的相關技術對降低電子電路元器件發生熱損傷的概率至關重要。Au-Au鍵合加工工藝包括前期金屬化措施、表層金屬化措施、金屬表層熱處理以及加熱沖壓鍵合等環節。

5 硅基立體式電感的研究

相關工程技術人員在硅基立體式電感集成LC濾波器的開發進程中，對硅基立體式電感的實際電感量Leff及品質系數Q等相關參數的獲取是非常重要的[4]。參考硅基MEMS加工工藝的通用性，硅基立體式電感是1種以軸線為水平狀態的螺旋型電感，硅基立體式電感結構模型如圖2所示。

5.1 硅基立體式電感等效電路系統模型

組建硅基立體電感的等效電路系統模型并且對相關參數信息進行研究。如圖3所示，Port1和Port2 為端口，R為立體式電感系統中的串聯等效電阻，Leff為該電路中等效電感的總量，C1與C2為電感中金屬導線線匝和接地金屬表面之間的等效再生型電容，C3為電感導線匝之間的再生耦合型電容。在電路中的等效串聯式電阻與相關再生電容可能會對電感系統的Q值產生影響，尤其在相關電感系統的設計與計算過程中必須著重考慮R與C3的值。

5.2 硅基立體式電感系統設計及仿真分析

相關工程技術人員為了獲取硅基立體式電感的系統數值數值及品質系數Q等相關參數，應用電磁場仿真軟件生成1種4圈正方向環繞螺旋式電感數字模型，該仿真模型如圖1所示。該電感三維仿真模型建立在655 μm量級硅片上其線纜直徑寬度是225 μm、孔徑是155 μm、線圈匝間距是32 μm及外形相關電感模型的外形尺寸為1.55 mm×1.25 mm×0.65 mm。相關電感的品質參數Q值為系統輸入阻抗的虛數及實數之間的比值，求解電感數值的方程，如公式（1）所示。

式中：f為自諧振頻率，Y為電感安全系數；Im是額定電流值。

6 硅基電感LC濾波器設計

以655 μm的硅片為基礎開發的硅基立體式電感LC濾波器的相關電學特性參數指標如下：1） 中心頻率為755 MHz。2） 帶寬大于等于410 MHz，帶寬的內插值小于5 dB。3） 矩形參數K25/1小于3。4） 輸入、輸出端的駐波值為小于等于1.5。5） 硅基電感LC濾波器的外形尺寸為6.5 mm×4.5 mm×0.75 mm。

6.1 硅基電感LC濾波器電路的拓撲規劃設計

相關工程技術人員根據各項設計指標的具體要求，采用了切比雪夫形式的函數電路，該類型的電路在通帶范圍內部具備等紋波的優秀屬性，過渡波形帶部分的形狀相對比較陡峭并且阻帶特性呈單調減少的趨勢，能夠獲得更好的阻帶相關特性。為了符合硅基電感LC濾波器對矩形程度的相關需求，必須在帶寬之外的高、低端各設置1個有限的傳輸零值的點。

6.2 硅基電感LC濾波器電路3D電路的設計

相關電氣設計人員應用三維電磁模擬仿真軟件，對相關電路的結構進行基于硅基立體式電感LC濾波器的三維建模工作，然后針對3D電路的數字模型設置各類參數，進行電磁場的數值仿真計算[5]。經過對各個參數的合理調節，生成改進后的三維立體數字模型的電磁場全波數值模擬仿真曲線圖，如圖4所示，通過觀察圖4可以發現，相關指標都好于開始設定的各類需求的數值。

圖4 濾波器3D電路仿真曲線

7 硅基電感LC濾波器制備及相關性能的測試

三維立體電路數字模型的模擬仿真計算結果滿足相關設定目標的要求之后，就可以進入流片操作的環節。硅基的MEMS立體式電感LC濾波器的主要流片步驟包括清洗硅基、氧化硅基、光刻硅基、金屬化過程、刻蝕硅基、鍵合過程以及硅基劃片等流程。在實際操作過程中，相關設計人員制作的硅基立體電感LC濾波器芯片的外形尺寸為6.5 mm×4.5 mm×1.1 mm。對該產品的典型S相關參數進行了實測值和模擬仿真數值結果的對比工作。通過相關實測曲線，立體式電感LC濾波器頻率響應參數的相關指標滿足初始設定的目標值，并與3D電路模型的模擬仿真計算的曲線大體吻合。濾波器相關指標的實測曲線帶外的抑制結果比數值模擬仿真結果略差一些，通過分析可知，上述結果是由于相關芯片在探針臺測試過程中接地效果不佳所造成的。

8 結語

綜上所述，該文使用硅通孔（TSV）相關技術及雙層硅片的Au-Au鍵合工藝方法設計制造了1類硅基立體式螺旋型電感元件，該電感元件具備比較大的Q值，相關設計人員根據該特性設計制造了1款硅基立體式電感集成型LC濾波器裝置，病毒該裝置進行了相關指標的實際測量，實測工作得到的結果和通過軟件進行數值模擬仿真設計的結果吻合程度較好，有效地證明了該方案具有現實的可行性。根據MEMS相關工藝方法設計硅基立體式電感集成型LC濾波器的理念為LC濾波器領域的集成化工作指明了1個嶄新的發展方向。