一种基于IPD工艺的低成本Wilkinson功分器

一种基于IPD工艺的低成本Wilkinson功分器
钱州强;邢孟江;杨晓东;王尓凡;徐珊
【摘要】设计一款基于TGV-IPD(Through Glass Via-Integrated Passive Devices)工艺的集总式Wilkinson功分器.由于使用的玻璃材料介电常数为6.58、损耗角正切值为0.0086且电导率小于10-10 S/m,因此该种材料是IPD工艺衬底的理想选择.通过三维电磁场仿真软件(HFSS)建模仿真,采用玻璃通孔技术设计了三维螺旋电感,在4.5 GHz处Q值达到127,比硅基平面螺旋电感增加了95,比最新提出的玻璃槽电感最大增加了30.此外,利用三维螺旋电感配合电阻、电容建立了Wilkinson功分器物理模型,模型体积为850μm×1500μm×400μm.仿真结果显示,该功分器中心频率为4.5 GHz,插入损耗为-3.3 dB,隔离度为-25.5 dB,带宽为600 MHz.
【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2018(051)009
【总页数】5页(P2262-2266)
【关键词】玻璃通孔;TGV电感;高Q值;Wilkinson功分器
【作者】钱州强;邢孟江;杨晓东;王尓凡;徐珊
【作者单位】昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650504;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650504;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650504;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650504;昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明 650504
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
0 引言
随着摩尔定律的终结及后摩尔定律的提出，集成技术从平面扩展到第三维度[1]。

传统的射频（RF）无源元件如滤波器、功分器和天线等，体积庞大，很难被封装
在系统内。

为了解决这个问题，许多研究人员一直尝试使用先进的制造工艺来制作射频器件。

例如，使用低温共烧陶瓷（LTCC）、集成无源器件（IPD）、液晶聚
合物（LCP）等工艺，开发了许多先进的小型化RF器件[2-4]。

然而，这些工艺生产出来的器件只能进行简单堆叠，不能嵌入转接板进一步减小其所占的体积，且平面螺旋电感的Q值一般可以达到10～50，对某些高端产品是不够的。

通过硅通孔技术（Through Silicon Via，TSV）或玻璃通孔技术（Through Glass Via，TGV）的3D IPD技术形成的三维螺旋电感，Q值可以达到50～150。

采用这种电感实
现一些RF器件，不仅实现了低损耗和紧凑的外形尺寸，还可以很容易地将这些器件嵌入到采用各种材料制作而成的转接板（Interposer）构成的3D IC结构[5]，
如图1所示。

这种结构能大幅提升芯片集成度，改善电器互联性能，提升运行速度，并降低功耗、设计难度和成本，是未来的发展趋势[6]。

图1 典型的三维集成高速电路模型
1 玻璃转接板的优势
当硅用作垂直互连的中介层材料时，需要额外的介电层（如氧化硅）以用于电隔离。

此外，这种介电层厚度为亚微米尺度，在高频信号传输中难以在TSV之间提供良
好的电隔离[7]。

硅也可以耦合到通孔，引入类似MOS管的电容性寄生[8]。

玻璃
通孔（TGV）作为3D集成的技术，已经被深入研究[9-10]。

名叫EN-A1的无碱
玻璃由于具有优异的绝缘性能、小的交叉耦合电容和硅较匹配的热膨胀系数（Coefficient of Thermalexpansion，CTE），是垂直互连转接板的可用材料，
可作为硅的优选替代方案。

该种玻璃衬底在微电子领域中已经取得了重大突破，表1为这种无碱玻璃与硅材料的性能对比。

图2显示了E-A1和Si的CTE曲线。

从
经济角度看，这种玻璃的生产完全可以利用现有的玻璃熔化成型制造能力，是一种低成本、高稳定性的电学材料[11]。

本文介绍的玻璃基制程相比较硅制程而言，减小了晶圆载具的使用，省去了抛光流程，更不需要额外的介电层来用于隔离，在一定程度上简化了工艺，降低了生产成本。

表1 玻璃材料性能材料参数EN-A1硅衬底相对介电常数εr6.5811.9损耗角正切
值tan δ0.008 60.02电导率σ/（S/m）＜10-1010
图2 EN-A1和Si的CTE曲线
2 TGV-IPD工艺
TGV-IPD工艺是将TGV技术和IPD工艺结合，通过TGV技术打孔，并使通孔金
属化形成三维螺旋电感，再使用IPD工艺形成MIM电容、薄膜电阻等。

近几年，在玻璃基板上制作高质量通孔的能力有了显著提高。

旭硝子公司（Asahi Glass Corporation）采用聚焦放电法（FEDM）在无碱玻璃上形成间距为200 μm的玻璃通孔。

图3显示了这种TGV形成方法的示意图，主要由两个步骤组成。

首先对玻璃需要熔融的区域进行放电，再通过焦耳热和玻璃喷射引起内部高压和介电击穿。

这些过程在不到1 μm的时间内完成。

这种采用电气方法形成的通孔适用于很多类型的玻璃，如熔融石英、钠钙玻璃、无碱玻璃和含碱玻璃[12]。

图3 TGV形成方法
TGV和IPD一体化的工艺图如图4所示，所用材料如表2所示。

首先，在一个300 μm厚的无碱玻璃晶圆上形成直径为85 μm、间距为150～200 μm的TGV。

沉积50 nm的Ti和1 000 nm的Cu层作为Cu晶种材料。

然后，通过正式电镀，
T GV侧壁以及正面和背面形成15 μm厚金属层，形成了高性能的三维螺旋电感。

图4 所使用的TGV-IPD一体化工艺的叠层
表2 TGV-IPD工艺所用材料层名材料属性M1、M2、M3、V0、V1铜导电率
5.8×107S/m Silicon nitride氮化硅相对介电常数7 Glass玻璃
6.58 PI聚酰亚胺3.3
3 3DIPD Wilkinson功分器的设计
Wilkinson功分器电路图如图5所示，由两根λ/4传输线和电阻值为100 Ω电阻
组成。

它的集总等效π网络如图6所示。

图5 Wilkinson功分器电路
图6 Wilkinson功分器集总等效π网络
由文献[13]知：
当以4.5 GHz为中心频率时，L=2.5 nH，C=0.5 pF。

基于图6的等效π网络，采用TGV-IPD工艺形成的三维螺旋电感、MIM和薄膜
电阻形成Wilikinson功分器。

用HFSS画出三维螺旋电感以及电容的模型，如图
7所示。

电感的仿真结果如图8所示。

仿真结果显示，电感在频率为6.2 GHz时，Q值最高达133；在4.5 GHz时，Q值为127；在4.5 GHz时，电感为以2.54 nH。

以此电感画出功分器的模型，如图9所示。

通过微调电容面积和隔离电阻值
的大小，可以获得更佳的结果，如图10所示。

可以看出，该功分器在4.2～4.8 GHz频段内，隔离度低于-20 dB，插损在-3.3 dB左右。

图7 电感及电容
图8 三维螺旋电感仿真结果
图9 功分器模型
图10 S参数曲线
表3 中心频率的插损及隔离度低于-20 dB的点频率
/GHzS(2,1)/dBS(2,3)/dBS(3,1)/dB 4.5-3.3-25.57-3.3 4.2-3.37-20.89-3.37 4.8-
3.27-20.78-3.27
4 结语
采用TGV-IPD技术在无碱玻璃上设计了一款低成本、高质量的功分器。

所采用的基于TGV-IPD技术的电感，Q值在4.5 GHz时为127，在6.2 GHz时为133，比文献[13]所提出的硅基平面螺旋电感增加了95，比文献[14]所提出的玻璃槽电感最大增加了30。

这样有助于提高无线通信系统中射频有限元的性能。

最重要的是，所提出的Wilkinson功分器可以很容易地集成到转接板中，使用3D IC封装技术与其他集成电路连接。

本文为将来在3D集成电路上基于TGV-IPD技术开发新的射频无源器件，如紧凑型耦合器和天线等，提供了理论基础和设计经验。

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