葉波濤

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第八研究院，江蘇 揚(yáng)州 225001）

0 引言

隨著現(xiàn)代微電子科技的迅速發(fā)展，無(wú)源式濾波器的制造技術(shù)也有了很大的進(jìn)步，它是各類(lèi)微電子裝置及數(shù)據(jù)信號(hào)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵電子元器件。隨著微電子部件及相關(guān)電子模塊逐步向微型化、功能豐富及高度集成的趨勢(shì)演變，目前的主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)集成無(wú)源式濾波器。集成無(wú)源電子元器件的相關(guān)技術(shù)是指LC濾波器的集成化，該技術(shù)為電子元器件指明了1個(gè)創(chuàng)新發(fā)展的方向[1]。MEMS體硅工藝指的是一類(lèi)精度非常高的立體化多層面結(jié)構(gòu)微觀尺寸加工技術(shù)，該技術(shù)可以達(dá)到微米級(jí)別的加工制造精度，適合生產(chǎn)制造高品質(zhì)的濾波器，并且該技術(shù)已經(jīng)通過(guò)許多相關(guān)工程試驗(yàn)的驗(yàn)證。

1 LC濾波器的基本概念及分類(lèi)

LC濾波器（又稱(chēng)無(wú)源濾波器）指的是采用電感、電阻及電容原件設(shè)計(jì)組成的濾波電路系統(tǒng)，它能夠?yàn)V去某次或者多次諧波，常規(guī)易應(yīng)用的無(wú)源型濾波器的主體結(jié)構(gòu)是將電感和電容元件串聯(lián)使用，從而對(duì)主要次的諧波信號(hào)形成低阻抗的電路。單調(diào)的諧波濾波裝置、雙調(diào)的諧波濾波裝置以及高通的濾波器都是無(wú)源型的濾波器。該類(lèi)濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、平穩(wěn)可靠和運(yùn)行成本低等優(yōu)勢(shì)，是一類(lèi)應(yīng)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(shù)指標(biāo)，通常指的是頻域的衰減和相移等指標(biāo)；例如與時(shí)間范疇相關(guān)的時(shí)間響應(yīng)需求。無(wú)源型濾波裝置一般分為調(diào)諧式濾波裝置和高通式濾波裝置；按照計(jì)算方法的差異可以分為影像數(shù)據(jù)濾波裝置及工作數(shù)據(jù)濾波裝置。

2 對(duì)LC濾波器功率的設(shè)計(jì)思路

因?yàn)榻?jīng)過(guò)LC濾波器的電功率相對(duì)較大，所以在LC濾波器元件的規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要針對(duì)其功率方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊考慮。

2.1 額定功率的容量因素

通常來(lái)講，在LC濾波器元件中，額定功率的容量值通常根據(jù)濾波器中較強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)電容及電感等相關(guān)介質(zhì)的穿透率來(lái)確定；除此之外，還可以根據(jù)電容元器件及電感元器件和周邊介質(zhì)之間的穿透電磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系來(lái)確定額定功率的容量值。因此，相關(guān)工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)功率較大的LC濾波器元件時(shí)，必須全方位評(píng)估電容元器件、電感元器件以及周邊介質(zhì)的額定功率數(shù)值，使其安全系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2 插損及駐波相關(guān)因素

在微波電子功率較大的電路中，插損數(shù)值越小，相應(yīng)電路的發(fā)熱量就越低；其駐波比值越小，相應(yīng)電路的匹配程度越高，功率傳輸效率值越高，電路系統(tǒng)兼容性能也越強(qiáng)。因此，相關(guān)工程技術(shù)人員在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需要全方位評(píng)估相關(guān)技術(shù)參數(shù)的要求，對(duì)濾波器阻帶及通帶參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大限度地提升電容電感的Q參數(shù)值，降低LC濾波器的插入消耗數(shù)值；同時(shí)改善電路結(jié)構(gòu)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，得到1組科學(xué)的LC濾波器駐波參數(shù)比值。

3 LC濾波器電路研究及設(shè)計(jì)

3.1 微波電子無(wú)源LC濾波器基本原理

當(dāng)代微波電子無(wú)源LC濾波器的設(shè)計(jì)模式大多使用綜合網(wǎng)絡(luò)的方法，綜合網(wǎng)絡(luò)方法指的是以衰減函數(shù)及相變函數(shù)為設(shè)計(jì)的理論根據(jù)，根據(jù)綜合網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)原理，率先解出集中狀態(tài)的集總電子元器件低通狀態(tài)的初始電路，再用微波電子構(gòu)造來(lái)表現(xiàn)集總電子元器件初始電路中的各個(gè)元器件。因?yàn)榫C合網(wǎng)絡(luò)方法科學(xué)地解決了LC濾波器中的通帶狀態(tài)、阻帶減弱狀態(tài)及二者之間過(guò)渡速度不同之間的矛盾；所以，通過(guò)該方法得到的低通原型電路可以作為設(shè)計(jì)濾波器的依據(jù)。

3.2 LC濾波器電參數(shù)研究

在輸入的一系列發(fā)射裝置中，因?yàn)槭褂脝挝粚?duì)發(fā)射裝置的諧波控制參數(shù)有非常高的技術(shù)要求，所以需要在放大裝置內(nèi)設(shè)置LC濾波器以實(shí)現(xiàn)相關(guān)目標(biāo)。LC濾波器主頻率范圍是25 MHz～855 MHz，通帶插損數(shù)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(jìn)設(shè)計(jì)工作。

3.3 LC濾波器功率研究

對(duì)于傳統(tǒng)的LC濾波器電子元器件來(lái)說(shuō)，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(guān)工程技術(shù)人員需要綜合LC濾波器的初始功率等設(shè)計(jì)因素，對(duì)LC濾波器電子元器件以及布線方案進(jìn)行改進(jìn)。借助微波電子程序生成相關(guān)結(jié)構(gòu)及符合電子元器件安全系數(shù)值的LC濾波器電子電路，為了選定電路系統(tǒng)中各個(gè)相關(guān)電子元器件的額定功率，需要針對(duì)相關(guān)電路中的各個(gè)電子元器件所承載的電壓等相關(guān)電路數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，從模擬仿真軟件得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中能夠得到LC濾波器電路中各個(gè)電容元器件之間的電壓值及流過(guò)每個(gè)電感元器件的電流值，相關(guān)參數(shù)數(shù)值為后期電路的設(shè)計(jì)過(guò)程提供了科學(xué)合理的參考根據(jù)[3]。

3.4 LC濾波器版圖及電子元器件排布研究

當(dāng)LC濾波器的電路在功率較大的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，相關(guān)工程技術(shù)人員需要全方位測(cè)量各個(gè)電子元器件之間的距離，科學(xué)地排布能夠提升穿透電壓的強(qiáng)度，防止電路在運(yùn)行狀態(tài)下出現(xiàn)打火放電的故障。同時(shí)，還可以滿足基板厚度符合穿透電壓的技術(shù)要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，最好使用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的原材料，進(jìn)而使電路系統(tǒng)獲得更好的散熱性能。

4 硅通孔（TSV）和硅片Au-Au鍵合技術(shù)

硅通孔技術(shù)是指三維集成電子電路中堆積的相關(guān)芯片能夠互相連通的一類(lèi)新型科學(xué)技術(shù)。該技術(shù)可以在不同的芯片之間、在不同的晶圓之間加工生產(chǎn)垂直形態(tài)的用于傳導(dǎo)相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)的通孔，進(jìn)而完成芯片與芯片之間電氣信號(hào)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(chǔ)構(gòu)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(zhì)量直接影響到相關(guān)電子元器件的主要性能，與此同時(shí)，為了達(dá)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(gòu)造的關(guān)鍵組成部分。

使用晶圓單位數(shù)量級(jí)的鍵合技術(shù)已經(jīng)是MEMS工藝中的1種效率較高的解決方案。常規(guī)的鍵合加工過(guò)程必須依賴高溫加熱的環(huán)境，在加熱過(guò)程中可能產(chǎn)生熱應(yīng)力，給相關(guān)電子元器件的可靠性帶來(lái)影響。因此，低溫Au-Au鍵合的相關(guān)技術(shù)對(duì)降低電子電路元器件發(fā)生熱損傷的概率至關(guān)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(huán)節(jié)。

5 硅基立體式電感的研究

相關(guān)工程技術(shù)人員在硅基立體式電感集成LC濾波器的開(kāi)發(fā)進(jìn)程中，對(duì)硅基立體式電感的實(shí)際電感量Leff及品質(zhì)系數(shù)Q等相關(guān)參數(shù)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(tài)的螺旋型電感，硅基立體式電感結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

5.1 硅基立體式電感等效電路系統(tǒng)模型

組建硅基立體電感的等效電路系統(tǒng)模型并且對(duì)相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行研究。如圖3所示，Port1和Port2 為端口，R為立體式電感系統(tǒng)中的串聯(lián)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(dǎo)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(dǎo)線匝之間的再生耦合型電容。在電路中的等效串聯(lián)式電阻與相關(guān)再生電容可能會(huì)對(duì)電感系統(tǒng)的Q值產(chǎn)生影響，尤其在相關(guān)電感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算過(guò)程中必須著重考慮R與C3的值。

5.2 硅基立體式電感系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

相關(guān)工程技術(shù)人員為了獲取硅基立體式電感的系統(tǒng)數(shù)值數(shù)值及品質(zhì)系數(shù)Q等相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用電磁場(chǎng)仿真軟件生成1種4圈正方向環(huán)繞螺旋式電感數(shù)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(jí)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(guān)電感模型的外形尺寸為1.55 mm×1.25 mm×0.65 mm。相關(guān)電感的品質(zhì)參數(shù)Q值為系統(tǒng)輸入阻抗的虛數(shù)及實(shí)數(shù)之間的比值，求解電感數(shù)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(shù)；Im是額定電流值。

6 硅基電感LC濾波器設(shè)計(jì)

以655 μm的硅片為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的硅基立體式電感LC濾波器的相關(guān)電學(xué)特性參數(shù)指標(biāo)如下：1） 中心頻率為755 MHz。2） 帶寬大于等于410 MHz，帶寬的內(nèi)插值小于5 dB。3） 矩形參數(shù)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?fù)湟?guī)劃設(shè)計(jì)

相關(guān)工程技術(shù)人員根據(jù)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的具體要求，采用了切比雪夫形式的函數(shù)電路，該類(lèi)型的電路在通帶范圍內(nèi)部具備等紋波的優(yōu)秀屬性，過(guò)渡波形帶部分的形狀相對(duì)比較陡峭并且阻帶特性呈單調(diào)減少的趨勢(shì)，能夠獲得更好的阻帶相關(guān)特性。為了符合硅基電感LC濾波器對(duì)矩形程度的相關(guān)需求，必須在帶寬之外的高、低端各設(shè)置1個(gè)有限的傳輸零值的點(diǎn)。

6.2 硅基電感LC濾波器電路3D電路的設(shè)計(jì)

相關(guān)電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)用三維電磁模擬仿真軟件，對(duì)相關(guān)電路的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)3D電路的數(shù)字模型設(shè)置各類(lèi)參數(shù)，進(jìn)行電磁場(chǎng)的數(shù)值仿真計(jì)算[5]。經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)的合理調(diào)節(jié)，生成改進(jìn)后的三維立體數(shù)字模型的電磁場(chǎng)全波數(shù)值模擬仿真曲線圖，如圖4所示，通過(guò)觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)指標(biāo)都好于開(kāi)始設(shè)定的各類(lèi)需求的數(shù)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(guān)性能的測(cè)試

三維立體電路數(shù)字模型的模擬仿真計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)設(shè)定目標(biāo)的要求之后，就可以進(jìn)入流片操作的環(huán)節(jié)。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(guò)程、刻蝕硅基、鍵合過(guò)程以及硅基劃片等流程。在實(shí)際操作過(guò)程中，相關(guān)設(shè)計(jì)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(duì)該產(chǎn)品的典型S相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)值和模擬仿真數(shù)值結(jié)果的對(duì)比工作。通過(guò)相關(guān)實(shí)測(cè)曲線，立體式電感LC濾波器頻率響應(yīng)參數(shù)的相關(guān)指標(biāo)滿足初始設(shè)定的目標(biāo)值，并與3D電路模型的模擬仿真計(jì)算的曲線大體吻合。濾波器相關(guān)指標(biāo)的實(shí)測(cè)曲線帶外的抑制結(jié)果比數(shù)值模擬仿真結(jié)果略差一些，通過(guò)分析可知，上述結(jié)果是由于相關(guān)芯片在探針臺(tái)測(cè)試過(guò)程中接地效果不佳所造成的。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文使用硅通孔（TSV）相關(guān)技術(shù)及雙層硅片的Au-Au鍵合工藝方法設(shè)計(jì)制造了1類(lèi)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(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)該特性設(shè)計(jì)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(jìn)行了相關(guān)指標(biāo)的實(shí)際測(cè)量，實(shí)測(cè)工作得到的結(jié)果和通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果吻合程度較好，有效地證明了該方案具有現(xiàn)實(shí)的可行性。根據(jù)MEMS相關(guān)工藝方法設(shè)計(jì)硅基立體式電感集成型LC濾波器的理念為L(zhǎng)C濾波器領(lǐng)域的集成化工作指明了1個(gè)嶄新的發(fā)展方向。