基于MEMS工艺的硅基立体电感LC滤波器设计

厉建国

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

无源滤波器伴随着微波电子技术的快速发展而兴起，是各种微波电子设备及信号处理系统中的重要器件。随着微波组件和模块逐渐向小型化、多功能和高集成化的方向发展，无源滤波器的集成化迫在眉睫。

集成无源器件（Integrated Passive Device,IPD）技术为LC 滤波器的集成化提供了一个新的方向[1]。与传统LC 滤波器不同，IPD 集成LC 滤波器中的集成电感大多为平面螺旋电感，其品质因数一般只能达到二十左右，而采用厚铜和高阻硅来实现高Q 螺旋电感一般也在40 以下[2]，严重制约了IPD 集成LC 滤波器的电特性指标。

MEMS 体硅工艺是一种高精度多层立体微加工技术，可达到微米量级加工精度，适于制作高性能滤波器，并已经过大量工程实践的验证[3]。为解决IPD 集成平面螺旋电感品质因数低的问题，本文设计了一种基于MEMS 体硅工艺的硅基立体电感，在P 波段其品质因数可达80 左右，基于此并采用双层硅片金金键合结构，成功设计流片一款硅基立体电感LC 滤波器，该滤波器具有体积小、重量轻、插损小和易集成等特点。

1 硅通孔（TSV）及硅片Au-Au键合技术

硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技术是3D 集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术解决方案。它是在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通孔，从而实现芯片之间的电气互连。

高深宽比硅通孔是高Q 值立体电感的基本结构，是实现硅基高Q 值立体电感的基础，其优劣直接关系到器件性能的好坏，同时为了实现接地互联，硅通孔也是整个硅基立体电感LC 滤波器结构的核心。

晶圆级键合技术已成为MEMS工艺金属互连的高效解决方案。传统键合过程需要高温加热，会产生热应力问题，降低器件的可靠性。低温Au-Au 键合对于减小电路元件的热损坏非常重要。Au-Au键合工艺包括金属化前处理、表面金属化、金属表面处理及热压键合等步骤。

2 硅基立体电感的设计

在硅基立体电感集成LC 滤波器的设计过程中，对硅基立体电感的有效电感量Leff和品质因数Q 等参数的提取是至关重要的。

考虑硅基MEMS 制造工艺的适用性，本文设计的硅基立体电感为水平轴线螺旋电感，电感模型如图1所示。

2.1 硅基立体电感等效电路模型

建立如图2所示的硅基立体电感的等效电路模型并进行参数分析[4]。

图1：硅基立体电感结构模型

图2：硅基立体电感等效电路模型

图3：电感Q 值仿真曲线

图2 中，R 表示立体电感中的等效串联电阻，Leff为等效的总电感量，C1 和C2 表示电感金属线匝与接地金属平面间的等效寄生电容，C3 表示电感线圈匝与匝间的寄生耦合电容。

等效串联电阻和寄生电容会影响电感的Q 值，特别是R 和C3，在电感设计中需要重点关注。

2.2 硅基立体电感设计及仿真

为提取硅基立体电感的电感值、品质因数Q 等有效参数，使用三维电磁场仿真工具建立一个5 圈正绕立体螺旋电感模型，三维结构仿真模型如图1所示。该电感模型基于650um 硅片，线宽为220um，孔径为150um，匝间距30um，尺寸为1.6mm×1.22mm×0.65mm。

电感的品质因数Q 等于输入阻抗的虚部和实部的比值，见公式（1）。公式（2）为电感值计算公式。

该电感模型的品质因数Q 仿真曲线如图3所示。

观察图3 发现，在750MHz 频率时，该硅基立体电感的Q 值为84.4，自谐振频率约为1.75GHz，可用于LC 滤波电路的设计。

3 滤波器设计

本文基于650um 硅片设计的硅基立体电感LC 滤波器的电特性指标为：中心频率750MHz，1dB 带宽≥400MHz，带内插损≤3dB，矩形系数K25/1≤2，输入输出端口驻波≤1.5，外形尺寸6.4mm×4.4mm×1.05mm。

3.1 电路拓扑设计

根据设计指标要求，选取切比雪夫函数电路，它在通带内具有等纹波特性，过渡带陡峭且阻带呈单调下降，可以得到较好的阻带特性。为满足矩形度要求，需在带外高低端各放置一个有限传输零点。最终设计的电路结构如图4所示。

3.2 三维电路设计

使用三维电磁仿真工具将图4所示电路结构进行硅基立体电感滤波器三维结构建模，然后对三维电路模型进行电磁场仿真。

经调试优化后的三维模型电磁场全波分析仿真曲线如图5所示，可见各项指标均优于预定的要求。

4 滤波器制备及测试

三维电路模型仿真结果达到预定要求后，即可进行流片。硅基MEMS 立体电感LC 滤波器的流片过程涉及清洗、光刻、氧化、刻蚀、金属化、键合、划片等工艺，具体工艺细节不在此赘述。

实做硅基立体电感滤波器芯片的长宽高三维尺寸为6.4mm×4.4mm×1.05mm。

该产品的典型S 参数实测与仿真对比如图6所示。

观察实测曲线可见，滤波器频率响应达到预定设计目标，与三维电路模型仿真曲线基本吻合。实测曲线带外抑制比仿真结果略差，分析认为是芯片探针台测试接地效果差导致的。

图4：电路拓扑结构

图5：滤波器三维电路仿真曲线

图6：实测与仿真结果对比

5 结论

本文采用硅通孔（TSV）技术和双层硅片Au-Au 键合工艺设计了一种硅基立体螺旋电感，该电感具有较高的Q 值，并基于此设计了一款硅基立体电感集成LC 滤波器。实测结果与仿真设计吻合度较高，证明了该设计方案的可行性。基于MEMS 工艺的硅基立体电感集成LC 滤波器为LC 滤波器的集成化提供了一个新的方向。