一種新型的分形PFS結構制造技術

本實用新型專利技術涉及一種應用分形理論的PFS（PatternedFloatShield）結構。現有的片上螺旋電感、變壓器由于產生交變的電磁場，會在襯底引起感應電流，產生能量損耗，降低了電感值和Q值。本實用新型專利技術的PFS位于電感、變壓器和襯底之間，采用底層薄的金屬層，通過自相似和迭代原理進行構造，最后由一條條的相互垂直的金屬條合并構成分形結構。本實用新型專利技術有效的屏蔽掉襯底的電磁場效應，降低襯底的損耗，提高了電感值和品質因數。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于集成電路
，具體涉及一種新型的應用分形理論的PFS(Patterned Float Shield)結構。
技術介紹
隨著CMOS射頻集成電路的快速發展，一些高性能、低功耗的單元電路如低噪聲放大器、壓控振蕩器、混頻器、中頻濾波器，功率放大器等成為整個電路成功的基礎，在這其中片上電感/變壓器又是必不可少的元件，因此，其設計和優化已成為整個電路成功設計的關鍵之一。評價電感、變壓器性能的一個重要指標是品質因數Q，它定義為電感/變壓器在一 個周期內存儲的能量和損耗能量的比值，品質因數Q值越大，表示該電感/變壓器的質量越好。評價變壓器性能的另一個重要指標是插入損耗IL，它定義為器件的輸出功率與輸入功率之比的分貝數，在數值上等于S參數中的前向傳輸系數(Forward TransmissionCoefficient) S21的幅值。變壓器的IL值越小，即S21值越大，表示變壓器的性能越好。在片電感/變壓器一般通過金屬薄膜在硅襯底上繞制而成，因此它們是一個比較開放性的結構，其工作時候的電場和磁場會滲透到整個襯底之中，從而在襯底中以及襯底表面的區域產生反方向的感應電流，導致額外的襯底能量損耗，降低了電感、變壓器的L值和Q值。如果能夠有效的屏蔽掉襯底效應，對于減小損耗，提高Q值是有很大影響。
技術實現思路
本技術要解決的問題是，在原有制作工藝基礎上，利用底層薄的金屬層Ml制作一層屏蔽層，有效的屏蔽掉線圈滲透到襯底的電磁場，從而減小在襯底中以及襯底表面區域產生的感應電流，達到降低襯底能量損耗和提高線圈的品質因數的作用。為了解決上述技術問題，本技術采用的技術方案如下一種新型的分形PFS結構，應用于片上螺旋電感或變壓器，該分形PFS結構位于線圈繞成的電感或變壓器的中心部分，采用底層的薄金屬層，利用分形理論在基本圖形單元的基礎上，構造多階的圖案接地屏蔽層，所述的基本圖形單元共有兩種分別是十字圖形和H圖形。所述的十字圖形中金屬條的長度取值范圍為IOym 60μπι，寬度取值范圍為0. 12μπι 3μπι;所述的H圖形中金屬條的長度取值為IOym 70μπι，寬度取值范圍為0. 12 μ m I μ m0本技術的有益效果一方面基于原有的制作工藝，比較容易實現。另一方面通過分形PFS結構，有效的屏蔽掉線圈和襯底間的電場線，同時又不會引入較大的電容，這樣既減小了在襯底中以及襯底表面區域產生的感應電流，又達到降低襯底能量損耗和提高電感品質因數的作用。附圖說明圖l(al)為本技術一階H圖形的PFS結構平面示意圖。圖l(a2)為本技術二階H圖形的PFS結構平面示意圖。圖l(a3)為本技術三階H圖形的PFS結構平面示意圖。圖l(bl)為本技術一階十字圖形的PFS結構平面示意圖。圖l(b2)為本技術二階十字圖形的PFS結構平面示意圖。圖l(b3)為本技術三階十字圖形的PFS結構平面示意圖。圖2為圖I (al)實施例的對稱電感示意圖。圖3為圖I (al)實施例的對稱電感的電感L與頻率關系圖。圖4為圖I (al)實施例的對稱電感的品質因數Q與頻率關系圖。圖5為圖I (al)實施例的層疊變壓器示意圖。圖6為圖I (al)實施例的層疊變壓器的電感L與頻率關系圖。圖7為圖I (al)實施例的層疊變壓器的品質因數Q與頻率關系圖。圖8為圖I (al)實施例的層疊變壓器的S參數與頻率關系圖。具體實施方式以下結合附圖對本技術作進一步描述。圖I (al)本技術的一個優選的實施例的分形PFS示意圖，該結構采用底層金屬層1，其厚度為O. 24// m,其結構細節為首先構造H圖形最中間的橫著的長L、寬W的金屬條；其次構造垂直于中間金屬條的兩側的豎直的同長同寬的金屬條；然后構造垂直于兩條豎直金屬條的四條同寬的、1/2長的金屬條；最后把所有的金屬條合并為一體，至此分形PFS的一階H圖形構造完成。圖I (a2)是在圖I (al)的基礎上疊加四個主長度為原來1/2、側長度為原來1/4、寬度不變的H圖形，構成二階的H形PFS結構。圖I (a3)是在圖I (a2)的基礎上疊加十六個主長度為原來1/4、側長度為原來1/8、寬度不變的H圖形，構成三階的H形PFS結構。圖I (bl)是一階十字圖形的PFS結構，其結構細節為首先選定中心點，其次構造中心兩條長LI、寬Wl的相互垂直的金屬條呈十字形，然后把兩個金屬條合并為一體，至此分形PFS的一階的十字形構造完成。圖I (b2)是在圖I (bl)的基礎上在主長度的1/4處疊加四個長度為主長度1/2倍減去一個間距a、寬度為原來1/2的金屬條,構成二階的十字形PFS結構。圖I (b3)是在圖I (b2)的基礎上在主長度的1/8處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/4金屬條，在次主長度的1/4處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/4的金屬條，構成三階的十字形PFS結構。圖3為圖I (al)技術應用于一個對稱電感的一個實施例的電感L與頻率關系仿真圖，所選的對稱電感為內徑ID=120//m、寬度W=10//m、間距S=2//m，如圖2所示。按圖I (&1)所示，此時？卩5的1^=60//111，線寬胃=0.4//111，厚度1=0.24//111。帶圓點的曲線LU表示1、2端口的電感值；帶方塊的曲線Lll_l表示未采用PFS的1、2端口的電感值。低頻時感值可達2. 29nH左右，比不采用PFS時，感值提高10%左右。與此同時，該結構的自諧振頻率也提高10%左右，該特性說明它適用于頻帶拓展電路。圖4為圖2所示實施例的品質因數Q與頻率關系仿真圖，同樣的帶圓點曲線Qll表示1、 2端口的Q值；帶方塊的曲線Qll_l表示未采用PGS的I、2端口的Q值。從圖中可以看出品質因數最大值peak Q約為20. 29，比不采用PFS時，Q提高20%左右。達到最大值頻率peak Q frequency約為5. 8 GHz。與此同時,此圖可也看出，自諧振頻率有明顯提高。當電流通過電感線圈時，交變電流產生的交變電磁場被PFS有效屏蔽掉，進而在襯底中產生的感應電流會相應很小，同時由于結構簡單，引入的電容較小，因此該電感具有較高的Q值。這個性質不僅說明現有電感的質量比較好，而且說明它適用于RFIC。圖6為圖I (al)技術應用于一個層疊變壓器的一個實施例的電感與頻率關系仿真圖，所選的變壓器的內徑ID=120// m、寬度W=IO// m、間距S=2// m，如圖5所示。按圖I (81)所示，此時？ 5的1^60//111，線寬1=0.8//111，厚度了=0.24//111。帶圓點的曲線Lll表示主線圈的電感值，帶上三角形的曲線L22表示次線圈的電感值；帶方塊的曲線Lll_l表示未采用PFS的主線圈的電感值，帶下三角形的曲線L22_l表示次線圈的電感值。可看出低頻主次級的感值提升高達40%。與此同時，自諧振頻率也提高30%左右。該特性說明它適用于寬帶的四端口器件。圖7為圖6所示實施例的品質因數Q與頻率關系仿真圖，同樣的帶圓點的曲線Qll表示主線圈的Q值，帶上三角形的曲線Q22表示次線圈的Q值；帶方塊的曲線Qll_l表示未采用PFS的主本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種新型的分形PFS結構，應用于片上螺旋電感或變壓器，其特征在于：該分形PFS結構位于線圈繞成的電感或變壓器的中心部分，采用底層的薄金屬層，利用分形理論在基本圖形單元的基礎上，構造多階的圖案接地屏蔽層；所述的基本圖形單元共有兩種：分別是十字圖形和？H圖形。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉軍，趙倩，
申請(專利權)人：杭州電子科技大學，
類型：實用新型
國別省市：