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「爱因儿科技」MMIC电路设计中的电阻、电容、电感和过孔( 二 )


「爱因儿科技」MMIC电路设计中的电阻、电容、电感和过孔
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图4、MIM电容器
MIM的主要电容（不包括边缘电容）电容可以简单地从表达式C=ξ*A/D计算 ， 其中ξ是介电层的介电常数（等于ξR ， 相对介电常数 ， 乘以自由空间的介电常数ξ0） ， A是金属板的面积 ， D是金属板之间分开的距离 。 SiN介电层的相对介电常数通常为6.8 ， 聚酰亚胺的相对介电常数通常为4.5 ， BCB的相对介电常数通常为2.7 ， 自由空间的介电常数为8.8542×10–12法拉/米 。
MIM电容器的击穿电压是介电材料 ， 电介质厚度以及电容器底板表面质量的函数 。 据报道 ， 用于MMIC工艺的氮化硅MIM电容器的击穿电压为65V至85V 。
MIM电容器的损耗由所使用的绝缘材料的介质损耗因子决定的 。 SiN具有非常低的损耗角正切 ， 并且这种类型的电容器的损耗通常太小而无法测量 。 聚酰亚胺和其他有机介电层具有较高的损耗角正切 ， 这可能会给电路带来一定的损耗 。
请注意 ， 低电阻率基板上的交叉指型电容器与制造的电容器相比高电阻率基板上制造的电容将遭受显著增加的损耗 。 而另一方面 ， 较低电阻率衬底上的MIM电容器不会遭受增加的损耗 ， 因为大部分电场位于电容器的金属板之间的绝缘体电介质中 。
电感器
电感是元件存储电流能力的量度 ， 表示为每安培伏秒数 ， 也称为亨利 。 具有电感的元件的最简单示例是窄金属线 。
MMIC电感器使用形成为窄传输线的互连金属线制造而成 ， 或者单独缠绕或围绕中心点缠绕以形成螺旋传输线电感器 。 金属走线轨道相对于基板高度越窄 ， 每单位长度的电感越高 。 例如 ， 窄线（走线轨道的宽度远小于基板高度）具有约1nH/mm走线轨道长度的电感 ， 而宽线（走线轨道宽度类似于基板高度）具有约0.6nH/mm的电感走线轨道长度 。 图5所示的示例走线轨道说明了这一点 。 记住互连走线轨道的这种特性是一个好主意 ， 因为轨道宽度调整可用于在电路最终布局和走线轨道长度调整不可接受时调整电路的性能 。 另外请注意 ， 走线轨道的宽度决定了其直流电流携带能力 。 这是因为金属化中的高电流密度可能由于电迁移而在轨道中产生空穴 。 芯片代工厂通常会根据可靠性试验确定的每微米轨道走线宽度的毫安电流来引用电流密度的最大推荐值 。 该值可以在每微米轨道走线宽度10mA的范围内 ， 但是随工艺的不同而不同 。 因此 ， 在制造电感器时需要权衡 ， 因为窄走线轨道虽然更具电感性 ， 但它可以承载的直流电流更少 。
「爱因儿科技」MMIC电路设计中的电阻、电容、电感和过孔
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图5、窄走线轨道和宽走线轨道的电感值示例
螺旋轨道电感器的电感大于单独由于它们的轨道长度引起的电感值 ， 因为来自螺旋的每个转弯（或完整环路）的磁场相加 ， 通过螺旋中间产生更大的场并且在所有匝之间产生互感 。 因此 ， 螺旋电感器是在MMIC芯片的小区域中产生大电感值的便利方式 。 然而 ， 金属走线轨道的匝也是电容耦合的 ， 因此在某些更高的频率下 ， 螺旋看起来不具有电感性并且可能看起来是电容性的或者甚至像开路那样 。 如图6所示 ， 当存在至少两个金属互连级别时 ， 螺旋电感器的构造效率最高 。 一个金属互连层用于螺旋的主要部分 ， 而另一个金属互连层的短长度用于将信号从底部返回到外边缘 。
在MMIC工艺中使用许多不同类型的螺旋电感器 ， 范围从方形螺旋 ， 圆形螺旋 ， 八边形螺旋 ， 堆叠螺旋 ， 到那些以某种方式与体衬底材料分离的螺旋电感器 。 方形螺旋没有理想的电气性能 ， 因为方角可以导致各匝之间的电容耦合更大 ， 电阻损耗略有增加 ， 但芯片代工厂使用它们 ， 因为电子设计规则检查软件可以快速地、轻松地检查各层之间的间隔距离 ， 以确保符合芯片代工厂的铸造加工的规则 。 圆形和八角形螺旋电感器具有更理想的电感特性 ， 但在设计规则上更难以电子方式检查 。 堆叠式螺旋电感器在多于一个互连层上使用全匝金属走线轨道 ， 并且通常交错金属匝以最小化不同层上的轨道之间的耦合电容 ， 如图6所示 。 因为它们确实在两层上的匝之间表现出增加的电容耦合 ， 所以它们主要在非常低的频率下用于偏置去耦 。


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