基于ANSYS HFSS三维集成电感设计
摘要：电感是诸如低噪声放大器、功率放大器、滤波器、振荡器、阻抗匹配网络以及 DCDC 转换器等模拟、射频和微波电路中的重要元件之一。应用中需要电感具有高品质因数和自谐振频率，有限的寄生耦合，占用更小面积以及易于版图实现和制造。近年来，三维集成电路设计和制造技术得到了很大的发展。硅通孔（Through-Silicon-Via,TSV）是实现三维多层芯片堆叠的关键技术，它可以为多层芯片在垂直方向提供高深宽比的互连。利用 TSV 和再分布层（Redistribution Layer, RDL）金属实现三维结构的螺旋电感是一种新的选择，它可以利用芯片的垂直方向，占用较小芯片面积以取得更高的电感密度。本文基于 TSV 的三维集成电感的结构特点和主要结构参数，利用电磁仿真软件 ANSYS HFSS，研究分析了各工艺参数和设计参数对集成电感的感值、品质因数以及自谐振频率等的影响，为三维集成电感的设计和应用提供指导。
关键字：ANSYS HFSS、三维集成电感、仿真、Q因子、电感值
1、三维集成电感结构和参数
图 1.1(a)和(b)分别是三维集成电感的主视图和侧视图。基于 TSV 的三维集成电感的螺旋导体结构由硅通孔（TSV）和金属再分布层（RDL）构成，形似螺线管，线圈中间添加介质，从而实现可以储存磁能的电感器。图中可以看出，匝数为 N的三维集成电感包含 2N 个 TSV，它们排列成一个 N 行 2 列的矩形矩阵；每一段衬底下层的 RDL 金属连接同一行的两个 TSV，而每一段衬底上层的 RDL 金属连接相邻行不同列的两个 TSV，此外，电感的输入输出端口都在衬底上层 RDL。
(a) 主视图
(b) 侧视图
图1.1 三维集成电感截面图和俯视图
基于 TSV 的三维集成电感的电感值和性能由工艺参数和设计参数决定，工艺参数取决于采用的工艺制程，包括 TSV 的尺寸参数和 RDL 金属的尺寸参数。在设计三维集成电感时，可以通过调整设计参数来得到特定电感值和特定面积的电感，设计参数包括电感匝数、TSV 排列的距离等。三维集成电感中的 TSV 呈矩阵形式分布，所有参数都在图1.1中进行了标注。如下表1介绍了三维集成电感的工艺参数与设计参数及其取值大小。
2、三维集成电感等效电路模型
图2.1 等效电路模型
如图2.1所示的是电感的单π型等效电路，其中 Cline 为电感金属线之间的寄生电容，R0 和 L0 分别为金属线的寄生电阻和寄生电感，Cox为氧化层电容，Rsub 和 Csub 指衬底的寄生电阻和寄生电容。
3、基于HFSS仿真建模及结果
图3.1 HFSS仿真模型
基于ANSYS HFSS设计仿真模型如图3.1所示，介质为玻璃，分别对三维集成电感的电感值、品质因数、电容值以及电阻值进行仿真计算。其中电感计算公式为；Q因子计算公式为；电容计算公式为；电阻计算公式为。
图3.2 电感值vs频率
图3.3 Q因子vs频率
图3.4 电容VS频率
图3.5 电阻VS频率
仿真结果如图3.2-图3.5所示。可见，在频率较低时，电感值稳定在直流电感值 1.4nH 附近，而在自谐振频率点（37.18GHz，电感值为0 的频率点）附近电感值迅速增大，这是三维电感发生谐振的缘故。当频率大于自谐振频率时，电感值为负，此时三维集成电感不再表现出感性。品质因数随着频率的增大先增大后减小，品质因数峰值为 35.9，所处频率点为 15GHz，当超过自谐振频率时，品质因数也变为负。电感正常工作时，对地电容为0.02pf。由此可以看出，三维集成电感要在自谐振频率以下应用，并且工作频率离自谐振频率越远，电感越稳定，损耗越小。
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