硅基电感LC滤波器的研究

叶波涛

（中国船舶重工集团公司第八研究院，江苏 扬州 225001）

0 引言

随着现代微电子科技的迅速发展，无源式滤波器的制造技术也有了很大的进步，它是各类微电子装置及数据信号控制系统中的关键电子元器件。随着微电子部件及相关电子模块逐步向微型化、功能丰富及高度集成的趋势演变，目前的主要任务是开发集成无源式滤波器。集成无源电子元器件的相关技术是指LC滤波器的集成化，该技术为电子元器件指明了1个创新发展的方向[1]。MEMS体硅工艺指的是一类精度非常高的立体化多层面结构微观尺寸加工技术，该技术可以达到微米级别的加工制造精度，适合生产制造高品质的滤波器，并且该技术已经通过许多相关工程试验的验证。

1 LC滤波器的基本概念及分类

LC滤波器（又称无源滤波器）指的是采用电感、电阻及电容原件设计组成的滤波电路系统，它能够滤去某次或者多次谐波，常规易应用的无源型滤波器的主体结构是将电感和电容元件串联使用，从而对主要次的谐波信号形成低阻抗的电路。单调的谐波滤波装置、双调的谐波滤波装置以及高通的滤波器都是无源型的滤波器。该类滤波器具有结构简单、造价低廉、平稳可靠和运行成本低等优势，是一类应用广泛的谐波整理方案；LC滤波器如图1所示。

图1 LC滤波器

LC滤波器能满足一定的技术指标，通常指的是频域的衰减和相移等指标；例如与时间范畴相关的时间响应需求。无源型滤波装置一般分为调谐式滤波装置和高通式滤波装置；按照计算方法的差异可以分为影像数据滤波装置及工作数据滤波装置。

2 对LC滤波器功率的设计思路

因为经过LC滤波器的电功率相对较大，所以在LC滤波器元件的规划设计中需要针对其功率方面的设计进行特殊考虑。

2.1 额定功率的容量因素

通常来讲，在LC滤波器元件中，额定功率的容量值通常根据滤波器中较强电磁场对电容及电感等相关介质的穿透率来确定；除此之外，还可以根据电容元器件及电感元器件和周边介质之间的穿透电磁场强度的关系来确定额定功率的容量值。因此，相关工程技术人员在设计功率较大的LC滤波器元件时，必须全方位评估电容元器件、电感元器件以及周边介质的额定功率数值，使其安全系数符合标准[2]。

2.2 插损及驻波相关因素

在微波电子功率较大的电路中，插损数值越小，相应电路的发热量就越低；其驻波比值越小，相应电路的匹配程度越高，功率传输效率值越高，电路系统兼容性能也越强。因此，相关工程技术人员在电路设计过程中需要全方位评估相关技术参数的要求，对滤波器阻带及通带参数指标进行设计，最大限度地提升电容电感的Q参数值，降低LC滤波器的插入消耗数值；同时改善电路结构，调整相关参数，得到1组科学的LC滤波器驻波参数比值。

3 LC滤波器电路研究及设计

3.1 微波电子无源LC滤波器基本原理

当代微波电子无源LC滤波器的设计模式大多使用综合网络的方法，综合网络方法指的是以衰减函数及相变函数为设计的理论根据，根据综合网络的相关原理，率先解出集中状态的集总电子元器件低通状态的初始电路，再用微波电子构造来表现集总电子元器件初始电路中的各个元器件。因为综合网络方法科学地解决了LC滤波器中的通带状态、阻带减弱状态及二者之间过渡速度不同之间的矛盾；所以，通过该方法得到的低通原型电路可以作为设计滤波器的依据。

3.2 LC滤波器电参数研究

在输入的一系列发射装置中，因为使用单位对发射装置的谐波控制参数有非常高的技术要求，所以需要在放大装置内设置LC滤波器以实现相关目标。LC滤波器主频率范围是25 MHz～855 MHz，通带插损数值需要控制在65 dB以上，而且需要将LC滤波器分成多段式去推进设计工作。

3.3 LC滤波器功率研究

对于传统的LC滤波器电子元器件来说，其额定功率一般小于2.5 W，为了符合480 W的输入及输出最大净功率的要求，相关工程技术人员需要综合LC滤波器的初始功率等设计因素，对LC滤波器电子元器件以及布线方案进行改进。借助微波电子程序生成相关结构及符合电子元器件安全系数值的LC滤波器电子电路，为了选定电路系统中各个相关电子元器件的额定功率，需要针对相关电路中的各个电子元器件所承载的电压等相关电路数据进行研究，从模拟仿真软件得出的试验数据中能够得到LC滤波器电路中各个电容元器件之间的电压值及流过每个电感元器件的电流值，相关参数数值为后期电路的设计过程提供了科学合理的参考根据[3]。

3.4 LC滤波器版图及电子元器件排布研究

当LC滤波器的电路在功率较大的状态下运行时，相关工程技术人员需要全方位测量各个电子元器件之间的距离，科学地排布能够提升穿透电压的强度，防止电路在运行状态下出现打火放电的故障。同时，还可以满足基板厚度符合穿透电压的技术要求，在设计过程中，最好使用导热性能优良的原材料，进而使电路系统获得更好的散热性能。

4 硅通孔（TSV）和硅片Au-Au键合技术

硅通孔技术是指三维集成电子电路中堆积的相关芯片能够互相连通的一类新型科学技术。该技术可以在不同的芯片之间、在不同的晶圆之间加工生产垂直形态的用于传导相关数据信号的通孔，进而完成芯片与芯片之间电气信号的互连互通。宽高深比硅通孔是Q值较高的立体形式电感的基础构造，它是形成硅基单元Q值较高的立体电感的前提条件，硅通孔的质量直接影响到相关电子元器件的主要性能，与此同时，为了达到接地线互连互通的目的，硅通孔也是整体硅基立体式电感LC滤波器主体构造的关键组成部分。

使用晶圆单位数量级的键合技术已经是MEMS工艺中的1种效率较高的解决方案。常规的键合加工过程必须依赖高温加热的环境，在加热过程中可能产生热应力，给相关电子元器件的可靠性带来影响。因此，低温Au-Au键合的相关技术对降低电子电路元器件发生热损伤的概率至关重要。Au-Au键合加工工艺包括前期金属化措施、表层金属化措施、金属表层热处理以及加热冲压键合等环节。

5 硅基立体式电感的研究

相关工程技术人员在硅基立体式电感集成LC滤波器的开发进程中，对硅基立体式电感的实际电感量Leff及品质系数Q等相关参数的获取是非常重要的[4]。参考硅基MEMS加工工艺的通用性，硅基立体式电感是1种以轴线为水平状态的螺旋型电感，硅基立体式电感结构模型如图2所示。

5.1 硅基立体式电感等效电路系统模型

组建硅基立体电感的等效电路系统模型并且对相关参数信息进行研究。如图3所示，Port1和Port2 为端口，R为立体式电感系统中的串联等效电阻，Leff为该电路中等效电感的总量，C1与C2为电感中金属导线线匝和接地金属表面之间的等效再生型电容，C3为电感导线匝之间的再生耦合型电容。在电路中的等效串联式电阻与相关再生电容可能会对电感系统的Q值产生影响，尤其在相关电感系统的设计与计算过程中必须着重考虑R与C3的值。

5.2 硅基立体式电感系统设计及仿真分析

相关工程技术人员为了获取硅基立体式电感的系统数值数值及品质系数Q等相关参数，应用电磁场仿真软件生成1种4圈正方向环绕螺旋式电感数字模型，该仿真模型如图1所示。该电感三维仿真模型建立在655 μm量级硅片上其线缆直径宽度是225 μm、孔径是155 μm、线圈匝间距是32 μm及外形相关电感模型的外形尺寸为1.55 mm×1.25 mm×0.65 mm。相关电感的品质参数Q值为系统输入阻抗的虚数及实数之间的比值，求解电感数值的方程，如公式（1）所示。

式中：f为自谐振频率，Y为电感安全系数；Im是额定电流值。

6 硅基电感LC滤波器设计

以655 μm的硅片为基础开发的硅基立体式电感LC滤波器的相关电学特性参数指标如下：1） 中心频率为755 MHz。2） 带宽大于等于410 MHz，带宽的内插值小于5 dB。3） 矩形参数K25/1小于3。4） 输入、输出端的驻波值为小于等于1.5。5） 硅基电感LC滤波器的外形尺寸为6.5 mm×4.5 mm×0.75 mm。

6.1 硅基电感LC滤波器电路的拓扑规划设计

相关工程技术人员根据各项设计指标的具体要求，采用了切比雪夫形式的函数电路，该类型的电路在通带范围内部具备等纹波的优秀属性，过渡波形带部分的形状相对比较陡峭并且阻带特性呈单调减少的趋势，能够获得更好的阻带相关特性。为了符合硅基电感LC滤波器对矩形程度的相关需求，必须在带宽之外的高、低端各设置1个有限的传输零值的点。

6.2 硅基电感LC滤波器电路3D电路的设计

相关电气设计人员应用三维电磁模拟仿真软件，对相关电路的结构进行基于硅基立体式电感LC滤波器的三维建模工作，然后针对3D电路的数字模型设置各类参数，进行电磁场的数值仿真计算[5]。经过对各个参数的合理调节，生成改进后的三维立体数字模型的电磁场全波数值模拟仿真曲线图，如图4所示，通过观察图4可以发现，相关指标都好于开始设定的各类需求的数值。

图4 滤波器3D电路仿真曲线

7 硅基电感LC滤波器制备及相关性能的测试

三维立体电路数字模型的模拟仿真计算结果满足相关设定目标的要求之后，就可以进入流片操作的环节。硅基的MEMS立体式电感LC滤波器的主要流片步骤包括清洗硅基、氧化硅基、光刻硅基、金属化过程、刻蚀硅基、键合过程以及硅基划片等流程。在实际操作过程中，相关设计人员制作的硅基立体电感LC滤波器芯片的外形尺寸为6.5 mm×4.5 mm×1.1 mm。对该产品的典型S相关参数进行了实测值和模拟仿真数值结果的对比工作。通过相关实测曲线，立体式电感LC滤波器频率响应参数的相关指标满足初始设定的目标值，并与3D电路模型的模拟仿真计算的曲线大体吻合。滤波器相关指标的实测曲线带外的抑制结果比数值模拟仿真结果略差一些，通过分析可知，上述结果是由于相关芯片在探针台测试过程中接地效果不佳所造成的。

8 结语

综上所述，该文使用硅通孔（TSV）相关技术及双层硅片的Au-Au键合工艺方法设计制造了1类硅基立体式螺旋型电感元件，该电感元件具备比较大的Q值，相关设计人员根据该特性设计制造了1款硅基立体式电感集成型LC滤波器装置，病毒该装置进行了相关指标的实际测量，实测工作得到的结果和通过软件进行数值模拟仿真设计的结果吻合程度较好，有效地证明了该方案具有现实的可行性。根据MEMS相关工艺方法设计硅基立体式电感集成型LC滤波器的理念为LC滤波器领域的集成化工作指明了1个崭新的发展方向。