一种磁膜集成射频噪声抑制器
2009-01-05 14:52:19
来源：《国际电子变压器》2009年01月刊
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1 引言
电子器件工作频率的提高和电子产品集成度的增大，使得电磁噪声、模拟和数字信号之间的电磁干扰（EMI）、传输线以及电子器件上的信号综合度均将相应增强。实验表明，在射频（RF）电磁场中，采用铁磁性薄膜材料产生的能量损耗可以很好地抑制传输线发射的电磁噪声。在传输线基本的覆盖信号频率范围的频带内，在没有使用磁性薄膜时，信号中的噪声谐波在通过传输线时其衰减量很小。在传输线上使用磁性薄膜的作用不是为了增加在信号通带范围内的插入损耗，而是阻滞抑制电磁噪声谐波，即那些高于有意义信号频率的谐波频率。
实验揭示，磁性材料的铁磁共振（FMR）频率fres与其退磁因子有关，这说明，被衰减的信号频率和频带宽度是受磁膜尺寸变化控制的。为了抑制在千兆赫范围传输线上的电磁噪声，在没有外加磁场时，工程师们是通过铁磁共振产生的损耗和传输线上的涡流损耗来估算可控的射频电磁信号衰减量的。
用磁膜抑制RF噪声的最初报道是在非集成式的分立晶片上敷加磁膜，本文作者是采用两种磁膜（CoNbZr和CoPdAlO）集成加工在共平面传输线上，系统地研究测试了磁膜对RF电磁噪声的衰减状况。
2 制造测试
设计的共平面传输线具有50Ω的特性阻抗，它们是在7059型麻粒玻璃（其介电常数εr=5.84）基片上制作宽50μm、厚3μm的信号线。设计参数采用Muller和Hilberg公式计算得出。图1示出了它们的垂直结构是由：①1.2μm厚的软磁薄膜 ；②2μm厚的聚酰亚胺膜；③3μm厚的铜（Cu）箔传输线；④Ti/Cu籽晶层和 ⑤1mm厚的玻璃基片组成的。采用微制造工艺制成；使用RF溅射淀积Ti/Cu籽晶层，其厚度分别为100A和1000A；使用电镀工艺，以CuSO4，H2SO4和去离子（DI）水构成的电解质淀积铜（Cu）传输线，然后，在除去了Cu传输线上的光致抗蚀剂框架后，用离子铣腐蚀掉籽晶层；在Ti/聚酰亚胺膜层上，使用磁控溅射淀积非晶CoNbZr磁膜[其饱和磁化强度Ms=1(T)，磁各向异性场Hk=8.5(oe)，电阻率ρ=120(μΩ·cm)，铁磁共振(FMR)频率fres=0.8(GHZ)]和CoPdAlO磁膜[其MS=0.8(T)，Hk=115(oe)，ρ=500(μΩ·cm)，frse=2.8(GHz)]。
为了提高磁膜和聚酰亚胺膜隔离层之间的附着力，故在聚酰亚胺层上淀积Ti(~100A)。在除掉光致抗蚀剂后，利用离子铣腐蚀磁膜。磁膜在外加3KG磁场的情况下，以360℃的温度退火1小时，以此得到排列良好的磁自旋以增大Hk。为了清除接触垫上的聚酰亚胺，采用了氧气反应离子腐蚀法(RIE)进行腐蚀。
参数测试是采用两个接地——信号——接地(GSG)针式晶片探测器，以机械接触方式轻触在传输线左边和右边的最末端。并用Hp8720D网络分析仪测量01~20GHz频率范围内的高频特性。图2(A)(B)分别示出了测试“非集成”式(A)和“集成”式(B) RF噪声抑制器的微探针装置照片。
3 结果与分析讨论
了解单轴各向异性磁膜的涡流损耗和铁磁共振损耗对GHz级频率范围的影响是很有用的。为了观测铁磁共振损耗的影响情况，需要将磁膜难轴取向于波在共平面传输线传输的横向。因为退磁场要受到磁膜形状的作用，所以，磁膜的铁磁共振频率fres和有效磁导率ueff与其形状有关，其关系如下式所示：
(1)
ueff=Ms/(Hk+NdMs) (2)
式中，Nd—退磁因子，r—旋磁比，uo—真空磁导率
图3示出了“非集成”式的和使用了聚酰亚胺膜隔离层的CoNbZr磁膜“实集成”式的RF噪声抑制器，在共平面传输线上的传输信号衰减量(S21)随频率增高(在20GHz内)的变化情况。如图所示，在下陷共振点以下，信号通过CoNbZr磁膜的集成时，其衰减量从-4dB（“非集成”式A）大大增加到-57dB（“实集成”式B），对于用1μm厚度的磁膜（A、C），当聚酰亚胺隔离层的厚度由7.5μm变成2μm时，在相同的频率（图中为~4.5GHz）观察下陷共振点，表明了铁磁共振频率不受磁膜和传输线之间距离的影响。对于2μm厚度的聚酰亚胺膜层（C、B），当磁膜厚度由1μm增加到2μm时，其下陷点共振频率从4.5GHz移到6GHz。以上结果可以由磁膜厚度改变引起的退磁效应来解释。在以前的实践中，在共振频率时，传输线上的信号衰减实验结果与模拟结果是一致的。但在磁膜集成中，在RF噪声抑制器中发生的大的共振频率尚待进一步探讨。上述结果表明，共振频率的移位源于退磁效应，而退磁效应是由共平面传输线覆盖磁膜引起了有效RF场的分布变化造成的。
从图4可以看到，“集成”式RF噪声抑制器的反射信号（S11）要比“非集成”式的大。这是由磁膜的插入损耗和由磁膜集成引起的特性阻抗失配造成的。使包括磁膜在内的传输线的特性阻抗匹配即可减少它们之间的差异。
由图5所示可见，若在共平面传输线上集成2μm厚度的CoPdAlO磁膜，其信号的衰减量从-15dB（具有7.5μm厚度隔离层的“非集成”式A）大大地增至-56dB（是有2μm厚度隔离层的“实集成”式B）根据集成的磁膜情况，在1GHz频率附近观察到的信号衰减与“非集成”式比较，共增加量很小。在“非集成”式RF噪声抑制器中，观察到的下陷点共振频率约为8.5GHz，比用CoNbZr膜集成的频率(≈4.5GHz)高。
图6示出了用CoPdAlO膜集成的反射参数S，其结果与CoNbZr膜集成的类似。图7所示的是使用CoPdAlO磁膜的RF噪声抑制器中S21相移随着聚酰亚胺膜隔离层厚度的变化情况，同时与没有使用磁性薄膜的共平面传输线进行了比较。传播常数r=α+jβ，即r是由衰减常数α和相位常数β(2π/λ)定义的。因此，可以通过传输线上的S21相移（由磁性薄膜的介入而引起）来缩短传播波长。器件上集成磁性薄膜对电子器件的小型化是很有作用的。
4 结束语
文章阐述了具有2μm厚度CoNbZr和CoPdAlO磁性薄膜与2μm厚度的聚酰亚胺膜隔离层集成的RF噪声抑制器，在其共振频率时，它们的信号衰减量大大增加，从-4dB增大到了-57dB。另外，将磁性薄膜集成在共平面传输上，又可使共平面传输线和磁膜之间的气隙从7.5μm减小为2μm，这就增大了磁场强度，从而增大了铁磁共振损耗和涡流损耗。以上作用均有利于抑制RF噪声。
（参考文献略）
电子器件工作频率的提高和电子产品集成度的增大，使得电磁噪声、模拟和数字信号之间的电磁干扰（EMI）、传输线以及电子器件上的信号综合度均将相应增强。实验表明，在射频（RF）电磁场中，采用铁磁性薄膜材料产生的能量损耗可以很好地抑制传输线发射的电磁噪声。在传输线基本的覆盖信号频率范围的频带内，在没有使用磁性薄膜时，信号中的噪声谐波在通过传输线时其衰减量很小。在传输线上使用磁性薄膜的作用不是为了增加在信号通带范围内的插入损耗，而是阻滞抑制电磁噪声谐波，即那些高于有意义信号频率的谐波频率。
实验揭示，磁性材料的铁磁共振（FMR）频率fres与其退磁因子有关，这说明，被衰减的信号频率和频带宽度是受磁膜尺寸变化控制的。为了抑制在千兆赫范围传输线上的电磁噪声，在没有外加磁场时，工程师们是通过铁磁共振产生的损耗和传输线上的涡流损耗来估算可控的射频电磁信号衰减量的。
用磁膜抑制RF噪声的最初报道是在非集成式的分立晶片上敷加磁膜，本文作者是采用两种磁膜（CoNbZr和CoPdAlO）集成加工在共平面传输线上，系统地研究测试了磁膜对RF电磁噪声的衰减状况。
2 制造测试
设计的共平面传输线具有50Ω的特性阻抗，它们是在7059型麻粒玻璃（其介电常数εr=5.84）基片上制作宽50μm、厚3μm的信号线。设计参数采用Muller和Hilberg公式计算得出。图1示出了它们的垂直结构是由：①1.2μm厚的软磁薄膜 ；②2μm厚的聚酰亚胺膜；③3μm厚的铜（Cu）箔传输线；④Ti/Cu籽晶层和 ⑤1mm厚的玻璃基片组成的。采用微制造工艺制成；使用RF溅射淀积Ti/Cu籽晶层，其厚度分别为100A和1000A；使用电镀工艺，以CuSO4，H2SO4和去离子（DI）水构成的电解质淀积铜（Cu）传输线，然后，在除去了Cu传输线上的光致抗蚀剂框架后，用离子铣腐蚀掉籽晶层；在Ti/聚酰亚胺膜层上，使用磁控溅射淀积非晶CoNbZr磁膜[其饱和磁化强度Ms=1(T)，磁各向异性场Hk=8.5(oe)，电阻率ρ=120(μΩ·cm)，铁磁共振(FMR)频率fres=0.8(GHZ)]和CoPdAlO磁膜[其MS=0.8(T)，Hk=115(oe)，ρ=500(μΩ·cm)，frse=2.8(GHz)]。
为了提高磁膜和聚酰亚胺膜隔离层之间的附着力，故在聚酰亚胺层上淀积Ti(~100A)。在除掉光致抗蚀剂后，利用离子铣腐蚀磁膜。磁膜在外加3KG磁场的情况下，以360℃的温度退火1小时，以此得到排列良好的磁自旋以增大Hk。为了清除接触垫上的聚酰亚胺，采用了氧气反应离子腐蚀法(RIE)进行腐蚀。
参数测试是采用两个接地——信号——接地(GSG)针式晶片探测器，以机械接触方式轻触在传输线左边和右边的最末端。并用Hp8720D网络分析仪测量01~20GHz频率范围内的高频特性。图2(A)(B)分别示出了测试“非集成”式(A)和“集成”式(B) RF噪声抑制器的微探针装置照片。
3 结果与分析讨论
了解单轴各向异性磁膜的涡流损耗和铁磁共振损耗对GHz级频率范围的影响是很有用的。为了观测铁磁共振损耗的影响情况，需要将磁膜难轴取向于波在共平面传输线传输的横向。因为退磁场要受到磁膜形状的作用，所以，磁膜的铁磁共振频率fres和有效磁导率ueff与其形状有关，其关系如下式所示：
(1)
ueff=Ms/(Hk+NdMs) (2)
式中，Nd—退磁因子，r—旋磁比，uo—真空磁导率
图3示出了“非集成”式的和使用了聚酰亚胺膜隔离层的CoNbZr磁膜“实集成”式的RF噪声抑制器，在共平面传输线上的传输信号衰减量(S21)随频率增高(在20GHz内)的变化情况。如图所示，在下陷共振点以下，信号通过CoNbZr磁膜的集成时，其衰减量从-4dB（“非集成”式A）大大增加到-57dB（“实集成”式B），对于用1μm厚度的磁膜（A、C），当聚酰亚胺隔离层的厚度由7.5μm变成2μm时，在相同的频率（图中为~4.5GHz）观察下陷共振点，表明了铁磁共振频率不受磁膜和传输线之间距离的影响。对于2μm厚度的聚酰亚胺膜层（C、B），当磁膜厚度由1μm增加到2μm时，其下陷点共振频率从4.5GHz移到6GHz。以上结果可以由磁膜厚度改变引起的退磁效应来解释。在以前的实践中，在共振频率时，传输线上的信号衰减实验结果与模拟结果是一致的。但在磁膜集成中，在RF噪声抑制器中发生的大的共振频率尚待进一步探讨。上述结果表明，共振频率的移位源于退磁效应，而退磁效应是由共平面传输线覆盖磁膜引起了有效RF场的分布变化造成的。
从图4可以看到，“集成”式RF噪声抑制器的反射信号（S11）要比“非集成”式的大。这是由磁膜的插入损耗和由磁膜集成引起的特性阻抗失配造成的。使包括磁膜在内的传输线的特性阻抗匹配即可减少它们之间的差异。
由图5所示可见，若在共平面传输线上集成2μm厚度的CoPdAlO磁膜，其信号的衰减量从-15dB（具有7.5μm厚度隔离层的“非集成”式A）大大地增至-56dB（是有2μm厚度隔离层的“实集成”式B）根据集成的磁膜情况，在1GHz频率附近观察到的信号衰减与“非集成”式比较，共增加量很小。在“非集成”式RF噪声抑制器中，观察到的下陷点共振频率约为8.5GHz，比用CoNbZr膜集成的频率(≈4.5GHz)高。
图6示出了用CoPdAlO膜集成的反射参数S，其结果与CoNbZr膜集成的类似。图7所示的是使用CoPdAlO磁膜的RF噪声抑制器中S21相移随着聚酰亚胺膜隔离层厚度的变化情况，同时与没有使用磁性薄膜的共平面传输线进行了比较。传播常数r=α+jβ，即r是由衰减常数α和相位常数β(2π/λ)定义的。因此，可以通过传输线上的S21相移（由磁性薄膜的介入而引起）来缩短传播波长。器件上集成磁性薄膜对电子器件的小型化是很有作用的。
4 结束语
文章阐述了具有2μm厚度CoNbZr和CoPdAlO磁性薄膜与2μm厚度的聚酰亚胺膜隔离层集成的RF噪声抑制器，在其共振频率时，它们的信号衰减量大大增加，从-4dB增大到了-57dB。另外，将磁性薄膜集成在共平面传输上，又可使共平面传输线和磁膜之间的气隙从7.5μm减小为2μm，这就增大了磁场强度，从而增大了铁磁共振损耗和涡流损耗。以上作用均有利于抑制RF噪声。
（参考文献略）
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