面向MEMS封装的集成无源电感的建模和仿真

摘要

微电子机械系统(Micro-electro-mehanical System，简称MEMS)封装正朝着高密度、微型化集成封装方向发展。MEMS封装转接板为器件提供环境保护、电互连、热管理等功能，是MEMS封装的关键部件。通过导电通孔实现封装转接板的垂直互连以及将电感等无源元件埋入封装转接板，是增加MEMS系统封装密度的重要途径。在MEMS封装转接板材料方面，与硅材料相比，玻璃具有低热膨胀系数、气密性好、绝缘性能强和低成本等优势，极具发展潜力。但是，鉴于玻璃转接板与现有半导体封装的兼容性以及较大的加工难度等问题，阻碍了玻璃转接板技术的发展，相关设计、仿真工作也有待于进一步深入。基于课题组对MEMS玻璃封装转接板的前期工艺以及仿真研究基础，本论文通过仿真进一步研究MEMS封装玻璃转接板的关键技术:垂直通孔互连技术以及埋入无源电感技术。
　　为了比较玻璃材料与传统硅材料转接板的垂直互连特性，首先，利用三维全波电磁场仿真软件HFSS建立硅通孔（Through Silicon Via,TSV）结构的物理模型，仿真分析TSV直径、间距、高度和绝缘层厚度等物理参数对信号传输性能的影响，提出在设计TSV时的电学参考原则。仿真结果表明为了提高传输性能，可以选择直径小高度低深宽比适当的TSV。
　　其次，利用三维全波电磁场仿真软件HFSS建立玻璃通孔（Through Glass Via，TGV）结构的物理模型，仿真分析TGV直径、间距和高度等物理参数对信号传输性能的影响，提出在设计TGV时的电学参考原则。TGV通孔直径越大、通孔间距越大、TGV高度越小，其结构的插入损耗越小，信号的传输性能越好。
　　最后，利用三维全波电磁场仿真软件HFSS对基于玻璃基板的集成无源电感元件进行建模仿真，建立集成无源电感元件的结构模型，研究电感直径、电感厚度、玻璃衬底厚度、电感线宽和电感线距等物理参数对集成无源电感品质因数Q和电感值L的影响。仿真结果表明，在一定频率范围内，在工艺允许的情况下，想要增大电感的有效电感量，可以增大电感直径，减小电感厚度，适当增大线宽线距;想要增大电感的品质因数，可以减小直径，减小线宽。还介绍了一种基于玻璃回流工艺制造TGV结构的方法，借鉴这种方法用于制造集成无源电感。相比于传统的薄膜电感只有几微米到几十微米的厚度，使用玻璃回流工艺可以使得集成无源电感的厚度增大到几百微米，可以为未来的集成无源电感的设计提供指导。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文组织

第二章 无源电感电学特性理论基础

2．1 电磁场理论

2．2 信号传输基本理论

2．2．1 传输线理论

2．2．2 传输线特性阻抗和延时

2．2．3 传输线反射

2．3 集成电感的基本理论

2．3．1 电感值L

2．3．2 品质因数Q

2．4 HFSS软件简介及仿真流程

2．4．1 HFSS软件简介

2．4．2 HFSS仿真软件仿真流程

2．5 本章小结

第三章 TSV和TGV电磁仿真

3．1 TSV电磁仿真

3．1．1 TSV建模

3．1．2 TSV参数优化分析

3．2 TGV电磁仿真

3．2．2 TGV参数优化分析

3．3 本章小结

第四章 集成电感设计仿真

4．1 电感等效模型分析

4．2 电感建模

4．3 电感参数优化分析

4．4 版图设计和工艺流程

4．5 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及专利