一种新型的分形PFS结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种应用分形理论的PFS（PatternedFloatShield）结构。现有的片上螺旋电感、变压器由于产生交变的电磁场，会在衬底引起感应电流，产生能量损耗，降低了电感值和Q值。本实用新型专利技术的PFS位于电感、变压器和衬底之间，采用底层薄的金属层，通过自相似和迭代原理进行构造，最后由一条条的相互垂直的金属条合并构成分形结构。本实用新型专利技术有效的屏蔽掉衬底的电磁场效应，降低衬底的损耗，提高了电感值和品质因数。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于集成电路
，具体涉及一种新型的应用分形理论的PFS(Patterned Float Shield)结构。
技术介绍
随着CMOS射频集成电路的快速发展，一些高性能、低功耗的单元电路如低噪声放大器、压控振荡器、混频器、中频滤波器，功率放大器等成为整个电路成功的基础，在这其中片上电感/变压器又是必不可少的元件，因此，其设计和优化已成为整个电路成功设计的关键之一。评价电感、变压器性能的一个重要指标是品质因数Q，它定义为电感/变压器在一 个周期内存储的能量和损耗能量的比值，品质因数Q值越大，表示该电感/变压器的质量越好。评价变压器性能的另一个重要指标是插入损耗IL，它定义为器件的输出功率与输入功率之比的分贝数，在数值上等于S参数中的前向传输系数(Forward TransmissionCoefficient) S21的幅值。变压器的IL值越小，即S21值越大，表示变压器的性能越好。在片电感/变压器一般通过金属薄膜在硅衬底上绕制而成，因此它们是一个比较开放性的结构，其工作时候的电场和磁场会渗透到整个衬底之中，从而在衬底中以及衬底表面的区域产生反方向的感应电流，导致额外的衬底能量损耗，降低了电感、变压器的L值和Q值。如果能够有效的屏蔽掉衬底效应，对于减小损耗，提高Q值是有很大影响。
技术实现思路
本技术要解决的问题是，在原有制作工艺基础上，利用底层薄的金属层Ml制作一层屏蔽层，有效的屏蔽掉线圈渗透到衬底的电磁场，从而减小在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流，达到降低衬底能量损耗和提高线圈的品质因数的作用。为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案如下一种新型的分形PFS结构，应用于片上螺旋电感或变压器，该分形PFS结构位于线圈绕成的电感或变压器的中心部分，采用底层的薄金属层，利用分形理论在基本图形单元的基础上，构造多阶的图案接地屏蔽层，所述的基本图形单元共有两种分别是十字图形和H图形。所述的十字图形中金属条的长度取值范围为IOym 60μπι，宽度取值范围为0. 12μπι 3μπι;所述的H图形中金属条的长度取值为IOym 70μπι，宽度取值范围为0. 12 μ m I μ m0本技术的有益效果一方面基于原有的制作工艺，比较容易实现。另一方面通过分形PFS结构，有效的屏蔽掉线圈和衬底间的电场线，同时又不会引入较大的电容，这样既减小了在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流，又达到降低衬底能量损耗和提高电感品质因数的作用。附图说明图l(al)为本技术一阶H图形的PFS结构平面示意图。图l(a2)为本技术二阶H图形的PFS结构平面示意图。图l(a3)为本技术三阶H图形的PFS结构平面示意图。图l(bl)为本技术一阶十字图形的PFS结构平面示意图。图l(b2)为本技术二阶十字图形的PFS结构平面示意图。图l(b3)为本技术三阶十字图形的PFS结构平面示意图。图2为图I (al)实施例的对称电感示意图。图3为图I (al)实施例的对称电感的电感L与频率关系图。图4为图I (al)实施例的对称电感的品质因数Q与频率关系图。图5为图I (al)实施例的层叠变压器示意图。图6为图I (al)实施例的层叠变压器的电感L与频率关系图。图7为图I (al)实施例的层叠变压器的品质因数Q与频率关系图。图8为图I (al)实施例的层叠变压器的S参数与频率关系图。具体实施方式以下结合附图对本技术作进一步描述。图I (al)本技术的一个优选的实施例的分形PFS示意图，该结构采用底层金属层1，其厚度为O. 24// m,其结构细节为首先构造H图形最中间的横着的长L、宽W的金属条；其次构造垂直于中间金属条的两侧的竖直的同长同宽的金属条；然后构造垂直于两条竖直金属条的四条同宽的、1/2长的金属条；最后把所有的金属条合并为一体，至此分形PFS的一阶H图形构造完成。图I (a2)是在图I (al)的基础上叠加四个主长度为原来1/2、侧长度为原来1/4、宽度不变的H图形，构成二阶的H形PFS结构。图I (a3)是在图I (a2)的基础上叠加十六个主长度为原来1/4、侧长度为原来1/8、宽度不变的H图形，构成三阶的H形PFS结构。图I (bl)是一阶十字图形的PFS结构，其结构细节为首先选定中心点，其次构造中心两条长LI、宽Wl的相互垂直的金属条呈十字形，然后把两个金属条合并为一体，至此分形PFS的一阶的十字形构造完成。图I (b2)是在图I (bl)的基础上在主长度的1/4处叠加四个长度为主长度1/2倍减去一个间距a、宽度为原来1/2的金属条,构成二阶的十字形PFS结构。图I (b3)是在图I (b2)的基础上在主长度的1/8处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/4金属条，在次主长度的1/4处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/4的金属条，构成三阶的十字形PFS结构。图3为图I (al)技术应用于一个对称电感的一个实施例的电感L与频率关系仿真图，所选的对称电感为内径ID=120//m、宽度W=10//m、间距S=2//m，如图2所示。按图I (&1)所示，此时？卩5的1^=60//111，线宽胃=0.4//111，厚度1=0.24//111。带圆点的曲线LU表示1、2端口的电感值；带方块的曲线Lll_l表示未采用PFS的1、2端口的电感值。低频时感值可达2. 29nH左右，比不采用PFS时，感值提高10%左右。与此同时，该结构的自谐振频率也提高10%左右，该特性说明它适用于频带拓展电路。图4为图2所示实施例的品质因数Q与频率关系仿真图，同样的带圆点曲线Qll表示1、 2端口的Q值；带方块的曲线Qll_l表示未采用PGS的I、2端口的Q值。从图中可以看出品质因数最大值peak Q约为20. 29，比不采用PFS时，Q提高20%左右。达到最大值频率peak Q frequency约为5. 8 GHz。与此同时,此图可也看出，自谐振频率有明显提高。当电流通过电感线圈时，交变电流产生的交变电磁场被PFS有效屏蔽掉，进而在衬底中产生的感应电流会相应很小，同时由于结构简单，引入的电容较小，因此该电感具有较高的Q值。这个性质不仅说明现有电感的质量比较好，而且说明它适用于RFIC。图6为图I (al)技术应用于一个层叠变压器的一个实施例的电感与频率关系仿真图，所选的变压器的内径ID=120// m、宽度W=IO// m、间距S=2// m，如图5所示。按图I (81)所示，此时？ 5的1^60//111，线宽1=0.8//111，厚度了=0.24//111。带圆点的曲线Lll表示主线圈的电感值，带上三角形的曲线L22表示次线圈的电感值；带方块的曲线Lll_l表示未采用PFS的主线圈的电感值，带下三角形的曲线L22_l表示次线圈的电感值。可看出低频主次级的感值提升高达40%。与此同时，自谐振频率也提高30%左右。该特性说明它适用于宽带的四端口器件。图7为图6所示实施例的品质因数Q与频率关系仿真图，同样的带圆点的曲线Qll表示主线圈的Q值，带上三角形的曲线Q22表示次线圈的Q值；带方块的曲线Qll_l表示未采用PFS的主本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的分形PFS结构，应用于片上螺旋电感或变压器，其特征在于：该分形PFS结构位于线圈绕成的电感或变压器的中心部分，采用底层的薄金属层，利用分形理论在基本图形单元的基础上，构造多阶的图案接地屏蔽层；所述的基本图形单元共有两种：分别是十字图形和？H图形。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军，赵倩，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：实用新型
国别省市：