超高频集成磁膜螺线管电感的设计与制备

摘要

超高频（UHF）集成微电感是广泛应用于压控振荡器（VCO）、低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）等集成单元电路中的无源器件之一，其性能直接关系到单元电路的整体性能和成本。磁膜集成到微电感中可以有效地提高感值面密度和减小漏磁，是实现高性能微电感的有效途径之一。本论文首先研制了FeCoTiO纳米颗粒磁芯膜，对其性能进行了测试表征，在此基础上，设计了多种结构的磁膜集成微电感以及耦合电感，并采用标准硅集成工艺对设计进行了验证，实验结果表明FeCoTiO纳米颗粒磁芯膜的引入可以有效地提高超高频集成磁膜螺线管电感的整体性能。
　　论文首先采用射频磁控溅射制备了单层 FeCoTiO纳米颗粒磁芯膜，对其性能进行了调控，确定了最佳的工艺条件。该薄膜的初始磁导率、难轴矫顽力、铁磁共振频率、电阻率分别为148、5.3 Oe、3.2 GHz、1068μΩ·cm。进一步制备了[FeCoTiO(260nm)/SiO2(50nm)]8多层膜，并对其按照磁芯尺寸进行了图形化研究。与单层连续膜相比，多层膜的共振频率有所下降而初始磁导率有所上升，同时矫顽力也略有增大。
　　然后，采用HFSS设计了匝数分别为3.5匝、4.5匝、5.5匝以及9.5匝的螺线管型微电感，以及磁路开路型和磁路闭合型耦合电感。设计中采用了图形化磁芯膜的磁谱来模拟磁芯的磁导率和损耗，使得仿真更加准确。仿真表明，磁路开路型耦合电感更容易获得较高的耦合系数，为0.71，大于磁路闭合型耦合电感的0.04。对微电感的工艺进行了系统的探讨，包括深硅刻蚀、聚酰亚胺制备以及刻蚀和磁芯膜剥离。最终流水得到了多批次微电感样品。
　　最后对所有样品进行了性能测试，测试表明，5.5匝2μm磁芯电感感值为4.2 nH，为空心时的6倍，Q最大值为6。9.5匝磁芯电感的感值为14.2 nH，同时保持了较小的直流电阻为0.65Ω，磁膜的加入使得感值提高了14倍，感值面密度大于100 nH/mm2，品质因数在130 MHz时达到了7.5。磁路闭合型耦合电感的感值为7 nH，耦合系数为0.043，在250 MHz左右获得了优异的Q值，大小为17；磁路开路型耦合电感的感值大小为5.5 nH，耦合系数为0.45，Q值在500 MHz时获得了最大值，为10。通过仿真结果与测试结果的比较分析，验证了设计的可靠性。

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第一章 绪 论

1.1 课题目的和意义

1.2 研究现状和进展

1.3 论文各部分的主要内容

第二章 FeCoTiO磁芯膜的制备及性能调控

2.1 薄膜制备和表征方法

2.2 单层膜高频性能测试结果

2.3 图形化磁膜高频性能测试结果

2.4 本章小结

第三章 磁膜电感的设计与仿真

3.1 Ansoft HFSS 电磁仿真软件

3.2 磁膜电感结构设计

3.3 仿真结果

3.4 本章小结

第四章 磁膜螺线管电感的制备工艺

4.1 关键工艺探讨

4.2 版图绘制和整体工艺流程

4.3 流水结果

4.4 本章小结

第五章 超高频微电感性能测试与分析

5.1超高频微电感性能测试原理

5.2 电感的性能测试结果及分析

5.3 本章小结

第六章 结 论

6.1 主要结论及创新点

6.2 有待深入研究的问题

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果

附录 二端口网络参量转换公式