基于TGV技术的集成无源器件及其应用

作     者：桑吉飞 

作者单位：宁波大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱利波

授予年度：2019年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：3D集成 集成无源器件 带通滤波器 功分器 

摘      要：无线通信技术的发展,对系统的集成度和操作性能提出了更高的要求,一些先进的封装技术应运而生。在过去几年中,异质三维集成封装技术得到快速发展。三维集成是一种新型系统级架构,其电路系统存在着多个芯片的堆叠,并使用硅通孔(Through Silicon Vias,TSV)将芯片在垂直方向进行互连,使系统实现更高的集成度、更高的运行速度和更低的功耗。此外,无线通信系统中存在多种无源模块,这些模块占据大量的基板面积。为减小封装尺寸,相关学者提出采用硅通孔设计紧凑的片上无源器件。但在射频范围,硅基具有高介电损耗和高制造成本,无法满足射频电路对于器件高品质因数的要求,因此本文采用玻璃来替代硅作为衬底材质。与硅相比,玻璃在射频范围具有低介质损耗、高尺寸稳定性,且玻璃通孔(Through Glass Vias,TGV)可以采用低成本面板工艺制造,不需要进行额外的电隔离。考虑到片上电感器是微电子应用的关键组件,本文将TGV应用到片上3D电感器的实现,并利用TGV电感器设计一款二阶耦合谐振式带通滤波器和一款单阶威尔金森功分器。本文首先分析TGV电感器的电气特性以验证TGV技术的优越性。结果表明,TGV电感器的电感密度与硅基电感器相当,但具有更高的品质因素,相对于平面螺旋电感器,其具有更高的电感密度,这充分说明TGV在射频电路的微型化与高性能方面的应用前景。之后进一步分析各技术参数对TGV电感器性能的影响,为其设计和性能优化提供理论依据。根据集总式带通滤波器的设计原理,利用TGV电感器和平行板电容器设计一款二阶耦合谐振式带通滤波器。其中心频率为2.4GHz,带宽约为300MHz,插入损耗小于2.5d B,回波损耗大于15d B,体积为0.56×0.56×0.18mm3。最后,本文采用LC阻抗匹配网络代替传统威尔金森功分器结构中的四分之一波长传输线,并通过奇-偶模理论分析了其工作原理。利用TGV电感器和平行板电容器设计出一款单阶威尔金森功分器。其中心频率为2.95GHz,带宽约为300MHz,插入损耗小于3.5d B,回波损耗大于15d B,端口隔离度大于15d B,相位不平衡小于1°,体积为0.6×1.1×0.18mm3。由于TGV技术优越性,与其他工艺相比,本文基于TGV电感器设计出的集总型带通滤波器和威尔金森功分器具有更高的集成度和更加出众的电学性能。