摘要： 高频电子设备应用的新型集成螺旋管型电感器已经采用表面微机械加工技术和聚合物保护层制作成功，并且对它们的几何结构特性进行了研究。
关键字： 电感器，微机械加工技术，电感量，品质因数
1 引言
高质量集成无源元件的成功实现是电子产品封装技术和MMIC应用领域的重要研究成果。由于集成元件具备三维(3-D)特性，若采用两维(2-D)微加工技术制作集成电感器是非常困难的。如今，已经有许多方法可以用来完成不同类型的集成电感器制造。大多数集成电感器采用曲折型的或者螺纹型的通用几何结构，但在另一种场合，大多数微尺度的电感器却是螺旋管型几何结构。关于集成电感器不采用螺旋管型几何结构的原因是因为集成电感器的制造是受到微机械加工工艺技术限制的。利用常规的IC生产工艺技术制作围绕磁心的导线线圈，比曲折型和螺纹型电感器的制造存在更多的困难。曲折型电感器的构造简单，由于其匝间的互感值是负的，这表示其容许降低总的电感量。螺纹型电感器被广泛地用作集成电感器，它们具有相对较大的电感量，然而，它们也存在其它方面的若干缺点：第一，它们需要使用引线，以便于将线圈从内部连接于外部，这将会引起导体和引线两者之间产生不需要的杂散电容值，而且这些杂散电容值在这类几何结构的电感器中占据着统治地位；其二，与其它类型的电感器比较，在匝数相同时，其几何尺寸是较大的；第三，这类电感器产生的磁通方向是和基板垂直的，这样，多芯片模块或一些垂直安装的集成器件可能干扰其所在的基础电路。
螺纹型电感器存在的这些问题，可以使用螺旋管型结构的电感器来解决。最初，全集成的螺旋管型电感器是应用多种类型的微机械加工技术和聚合物/金属的多层工艺技术制造的。这可以从参考文献[6]的报告中见到。这种电感器具有用电镀生成的Ni-Fe坡莫合金做的磁芯，以及用电镀的铜镀层为导体，以减小线圈的电阻值。
这篇文章论述的应用于高频电子设备的集成电感器是建立在用聚合物/金属多层工艺技术和表面微机械加工技术以及螺旋管型几何结构基础上设计与制造的。这种电感器无磁心(air core)，而在基片和导体两者之间引入了空气隙。这种空气隙是采用一种可以去除的有机材料夹层，并用表面微机械加工技术形成的。这种几何结构可以为电感器提供紧凑的尺寸，更小的杂散电容值以及更高的品质因数Q值。这种电感器是用低温工艺技术制造的，这就可以使基片具有多样化的品种，例如硅片、砷化镓(GaAs)、陶瓷片或者有机叠层基片等。
2 设计研究
由低电阻率金属材料构成的导体层在甚高频时，可以保证电感器的关键技术参数——高的品质因数Q值。这是由于集肤效应使得高频电流仍然可在导体的表面层中流动。根据结果，在高频电流的情况下，导体的直流(DC)电阻将提供精确的指示。具有低电阻率ρ的金属材料主要包括铜、银和金，而用电镀铜做导体线圈是一种最佳选择。
在螺旋管型电感器可以忽略基片的边缘效应的影响因数时，电感器的电感量可以用下列简单的公式求得：
L=N2μAC/lC (1)
式中，AC是磁心的横截面积，lC是磁心总的长度，μ是磁心的磁导率，N是线圈的匝数。为了增大电感器的电感值L，在其2-D的面积给定时，磁心的面积可以增加，因此，它们需要一种大比例的结构，即高度对宽度之比率大的金属结构，该比率应大到通用的微加工技术允许的水平，这样，必定能在给定了总的电感器面积时，得到最大的电感量和最好的品质因数Q值。[#page#]
如果讨论制造工艺的复杂性，则螺旋管型电感器要比螺纹型电感器复杂得多。因为螺旋管型电感器要求在线圈骨架和顶层导体两者之间具有气隙（这与螺纹型电感器不同，螺纹型电感器仅仅在基础导体之间具有气隙），在顶层和骨架导体两者之间附加的杂散电容部分，在设计阶段必须考虑。在顶层和骨架导体之间的大气隙，即大的通路，将增大电感值和减小杂散电容值。因为大多数通用的微制造技术是建立在两维(2-D)几何结构基础上的，要得到一个很高空间比率的金属结构通常是很困难的。另外还有，需要用很精确的尺寸来控制那些微型电感器的性能。因为这些器件没有包含磁性材料，其电感值严格地取决于它们的几何结构。同时被要求控制高空间比率的通路和紧凑的几何尺寸，对现有微制造技术要正确理解，期待现有的光刻法得到良好的几何尺寸公差，以及良好的涂覆图形等都是设计阶段的关键事项。
因此，杂散电容值决定着自谐振频率(SRF)，电感器的工作频率范围以及电感器的品质因数Q值，为此，在设计阶段和实际的制造阶段控制这种电容值是非常重要的。文献[5]报告了薄膜电感器使用的曲折型和螺纹型线圈的各种零件的杂散电容值的计算结果，其报告称，与基片对导体间引起的电容值比较，导体引线之间的电容值是很小的。在无磁心电感器中，仅有的杂散电容值是导体对导体和导体对基片产生的，在基片和线圈之间引入空气隙以减小导体与基片之间的杂散电容值，可以有效地降低总的杂散电容值。用去除掉聚酰亚胺薄膜层的表面微加工技术可以获得这种气隙。也就是说，线圈的几何结构已经实现，没有必要用消除顶层与底部两者间导体线条搭接的办法使导体间的杂散电容值减到最小。
为了估算存在不同几何系数的电感器的杂散电容特性，引入了其简单的等效电路模型（见图2所示）。在这个模型中，唯有导体与导体之间的电容值可以被考虑到。也就是说，这个模型是建立在假设基础上的，该电感器线圈被悬浮在气隙和通路导体上，没有对总的杂散电容值产生影响。图中，Ct是两顶层导线之间的电容值，Cb是两底部导体之间的电容值，Cbt是顶层和底层导体线条之间的电容值，而Cx是处于导体线条两对角线之间的电容值（见图2所示）。如果忽略掉边缘效应，这些电容值可以近似地表述为：
(2)
式中，ε是空气的介电常数，a是导体线条的宽度，b是导体线条的高度，w是导体线条的长度，s表示各条导体线条之间是以水平线放置的，而h表示顶部和底部导体线条之间是以垂直地放置的。由此进行导体线条之间各自电容值的计算，这些计算得出的量值采用了如图2所示的电路模型替代。然后，采用电路仿真程序计算出模型的总电容值，而这个总电容值可以用电感器的杂散电容值来解释。估算的Ct、Cbt和Cx的值被用来选择适合的线圈几何尺寸范围。[#page#]
3 集成螺旋管型电感器的制造
制造集成螺旋管型电感器是在未抛光的2吋×2吋的铝基板的一侧涂敷上30μm厚度的Dupont PI-2611聚酰亚胺膜开始的（见图3所示）。用颗粒涂层进行Dupont PI-2611的多重涂敷，以制成20μm厚度的PI涂层。以一种图型为基础来保证基板和线圈之间的空气隙可以用常规的光刻蚀技术和湿法腐蚀技术完成。该PI涂层是用100% O2 RIE腐蚀，并用这种按样板电镀方式积淀一层Cu箔（见图3a）。用于底层导体图形的一种新的涂层采用颗粒涂层形成和确定。同样的电镀技术适用于形成底部铜导体涂层（见图3b）30μm厚度的通路孔图型是用100% O2 RIE形成的，并且铜通路是用电镀方法通过这些通路孔的（见图3c）。采用如同以上相同的方法，顶层导体图形也是采用电镀铜形成的（见图3d）。原保留的聚酰亚胺膜层是用RIE刻蚀技术去除掉的，而且，所有的颗粒涂层都是用湿法刻蚀工艺去除掉的（见图3e）。
图4所示为在铝基板上用10匝线圈制造的集成电感器的顶视图。图5示出了用电扫描显微镜(SEM)观察拍摄的悬置在铝基板上方的成品电感器照片。这幅照片清晰地示出了空气隙和空气芯。大空间比率的通路被用来增大电感值和减小顶部和底层导体线条之间的杂散电容值。直到1.5∶1空间比率的通路用聚酰亚胺/金属的多层涂层制造出来，而大空间比率的通路的构造示于图6。因为无磁心(air-core)电感器的磁性能是仅仅由它的几何尺寸决定的，所以，特别要注意在每个光刻蚀和腐蚀过程中控制其误差的幅度。
4 测量与结果
目前，已有多种不同几何结构（例如不同匝数和磁心尺寸）的集成电感器面市，图7是这种电感器的等效电路图模型。在图7中，R1、R2、L1和L2的组合表示，由于集肤效应，其电阻值是随频率变化的，而电容器C代表跨接在电感器上的有效总电容值。
采用HP8510C矢量分析仪和CASCADS MICROTECH地对地高频信号共平面探测仪，对具有100μm螺距尺寸的电感器样品进行探测。电感器被认为有两部分被接地平面包围，将测量得到的两部分参数进行平均，然后按照测得的S-参数形成π-网络。无负载的输入阻抗由计算得出，而无负载的品质因数Q值则由虚数部分除以输入阻抗的实数部分确定。
为了消除测量中寄生参数的影响，可在与电感器相同的底板上设计和制作一个没有电感器的敞开式衬垫。测量敞开式衬垫的S-参数说明了R和C电路恰好是串联的，而R和C的量值总是来自电感器的完全埋入的敞开式衬垫。完全埋入式衬垫的和集总的参数采用了Hp微波测试仪和RF设计系统(MDS)来完成。集总参数的读取使用MDS中的混合最优化方法以非线性优化算法实现。
螺旋管型电感器的几何结构参数以图解法示于图8。这种电感器具有20μm宽度(a)和20μm厚度(b)的电镀铜导体线条，其每匝之间的空间距离为50μm(s)，通路的高度为33μm(h)，而通路的横截面积是30μm×60μm。所有电感器具有20μm的空气隙(g)。因为导体线条的宽度(a)和其间距是恒定的，电感器的总长度（磁心长度）正比于线圈匝数(N)，这可以表述为：磁心的长度=2(s+a)。对于6匝、10匝和20匝的电感器而言，用匝数表示的磁心长度的变量分别是400、720和1520μm。典型的直流(dc)电阻值是从0.32Ω变化到1Ω，电感值则从1nH直到8nH，而杂散电容值从13fF到30fF。最小的电感器具有的自谐振频率为25GHz。[#page#]
图9所示为20μm空气隙的作用。图中显示出电感器的电性能得到了改善。在磁心中没有气隙的情况下，电感器的杂散电容值为25.1fF，存在20μm空气隙时，其杂散电容值减小为17.7fF。图中还显示出存在空气隙时的电感器具有更高的品质因数Q值，和比没有任何空气隙时更高的自谐振频率(SRF)。另外，具有空气隙的电感器也具有更好的电容稳定性。图10表示电感器的线圈匝数对品质因数Q值和电感值的影响。显然，增加匝数就增加电感值，正如由方程式(1)所指出的。但是，这也增加了电感器的电阻值和杂散电容值，也因此降低了自谐振频率(SRF)和品质因数Q值。图11所示为改变磁心宽度(w)对磁心尺寸的影响。这些电感器具有相同的线圈匝数(N)，所以，全部电感器具有相同的磁心长度。在磁心宽度(w)增加时，也增加了电感值，因为这时增加了磁心的横截面积，如方程式(1)所示。但是，在增加磁心宽度(w)时，也增加了顶部和底部导体线条之间的杂散电容值，以及由于增加了总的线圈长度而增加了串联电阻值，这将导致品质因数Q值和自谐振频率(SRF)的下降。
5 结论
用于高频电子设备的表面微机械集成螺旋管型电感器，已经采用聚合物/金属多层加工技术和表面微机械加工技术设计和制造成功。为了获得更高的品质因数Q值，这种电感器是无磁心的（空气心）螺旋管型几何形状，并在电感器的底板和导体之间引入了空气隙，这就减小了由基板的高介电常数造成的杂散电容值。这种空气隙是采取去除有机涂层以及用干式腐蚀技术排出的方法实施的。用金属支座保持的空气隙可以将基础电路和电感器之间相连接进行外延。
对于电感器几何结构的各种因数，也已在设计和制造各种不同电感器时用不同的几何结构进行了研究。用增加电感器芯子宽度(w)形成大的空气芯，可以帮助增加电感值，但是，这也将带来杂散电容值的增加。这种杂散电容值的增加，则将减小谐振频率和品质因数Q值。所以，正如通行的制造工艺过程允许高大的最高空间比率的通路(h)一样，这是获得最大电感值和最大品质因数Q值所必须的。另外，空气隙对电感器性能的影响也已被证实。即使这种螺旋管型电感器存在缺点，如增加了制造的复杂性，但也可看到，在给定了二维(2-D)电感器面积时，这种电感器具有良好的电气性能，例如大的电感值和大的品质因数Q值。所以，可以发现。在需要应用紧凑尺寸电感器的场合，这种电感器具有很好的电性能。
参考文献
[1] A. C. Reyes， S. M. El-Ghazaly， S. J. Dorn， M. Dydyk， D. K. Schroder， and H. Patterson， "Coplanar Waveguides and Microwave Inductors on Silicon Substrates"， IEEE Trans. on Microwave theory and tech.， Vol. 43， No. 9， 2016-2022， Sep， 1995
[2] D. Loverlace， N. Camilleri， and G. Kannell， "Silicon MMIC Inductor Modeling for High Volume， Low Cost Applications"， Microwave Journal， 60-68， Aug. 1994
[3] M. Hirano， Y. Imai， I. Toyoda， K. Nishikawa， M. Tokumitsu， and K， Asai， "Three-Dimensional Passive Elements for Compact GaAs MMICs"， IEICE Trans.
