摘要：  文章介绍一种采用多芯片组件制造技术，在叠层基板上设计制造应用于射频放大器(RFA)的集成电感器，并对其性能及应用进行分析。这种电感器的设计基础是单层空心（无磁心）螺旋线电感器的设计方法，制造技术基础是传统通用的印刷电路板(PCB)制造工艺。

关键字：  集成电感器，叠层基板，多芯片组件

1 引言
在分立片式电感器被广泛应用于射频放大器(RFA)的同时，把电感器集成在硅(Si)基片上并被镶嵌入射频信号处理模块中的新产品不断出现。但是，这种电感器的品质因数Q值受到限制。采用叠层基板上的多芯片组件(MCM-L)技术在射频电路板上制作电感器则是一种低成本的制造工艺技术。与分立式电感器比较，用叠层基板上的多芯片组件技术制造的集成式电感器具有可靠性高、性能优良、成本低廉等优点，同时还可以得到高的品质因数Q值。用MCM-L技术制造的元件如图1所示。图中可见，该元件包含了集成在基板上的电阻器、电容器和电感器线圈。本文阐述采用MCM-L技术制造的集成电感器及其设计，并分析它们在典型的射频放大器中的应用与电性能。
用MCM-L技术制作的用于射频放大器的集成电感器的设计原理与方法建立在电感值为1~100nH的单层无磁心（空心）螺旋线电感器的设计基础上。众所周知，采用通用的印制电路板制造工艺，可以很容易地制造出单层的无磁心螺旋线电感器，其占据印制电路板平面的面积约为5×5(mm2)；其Q值可大于70；其总体综合性能与大量使用的分立片式电感器相当。本文研究设计的工作内容是将L=1~100nH的电感器集成在2.5×2.5(mm2)的平面面积上。这相当于一只1210片式元件的尺寸。本文还研究讨论这种电感器的电感值所允许的偏差和Q值对射频放大器性能参数的影响。这个射频放大器中包含有5个电感器（其中有两个电感器用作保证宽带稳定性，其余三个电感器用作阻抗变换和匹配）。同时还讨论了射频放大器对集成电感器允许的电感值和Q值偏差的要求。
集成电感器的模型包括了电阻器和电容器的高频参数，采用有限元分析法预测各个阻抗参数随频率的变化情况；采用不同的几何图形模型表述因为MCM-L加工技术的限制因素所导致元件的尺寸变化；还用电感器的电感值和Q值预测射频放大器对电感值允许偏差的敏感性。同时使用SPICE电路模型和已知的电感值范围预测射频放大器增益和反射系数与频率的关系。
文章中还阐述了提高集成电感器各项性能的措施。在工艺技术方面的要求是，电感器的结构布局要考虑铜箔深腐蚀时及通孔电镀后产生的影响，要能保证印制导体的外形和设计图的外形一致。研制生产中，设计师对采用了一系列新工艺技术制造的集成电感器进行了了检测，证实了集成元件参数的允许偏差获得了改善。
2 MCM-L集成射频电感器
便携式移动通讯设备和手提个人电脑的普及，越来越要求它们向小、薄、轻、高性能、高安装密度方向发展，这些市场需求有力地推动了MCM技术的进步与发展。
应用于射频器件的MCM-D技术（淀积于材料上的多芯片组件技术）与硅(Si)基片上射频集成电路中的集成电感器的设计制造技术，人们已提出了多种解决方案。采用MCM-L技术制造用于射频电路的集成电感器，可以具有集成元器件的所有优点，没有MCM-D技术上的一些限制因素。在绝缘叠层基板上形成无磁心的绕组结构，可以消除与半导体硅(Si)相关的基本问题。用于MCM-L技术中的铜箔的电阻率比其它金属膜的电阻率都低，而且，在印制电路基板上电镀铜可以比在硅(Si)基片上镀铜更厚，由此可获得较高的Q值。所以，用MCM-L技术制造的集成绕组电感器很容易表现出分立片式电感器的性能指标，同时成本更低。
图2示出了一个用MCM-L技术制造的典型的圆环形螺旋线型绕组电感器。该绕组的匝数为2.5匝，导线宽度和匝间距离均为100μm，导体厚度是17.5μm。仅在基板上的一个面上印制了这样的线匝，因此这是一个单层器件。但是，为了提供从线匝中心到基板侧面接点的通路，需要有另外的一个导电层。[#page#]
工程师们进行过这种圆环螺旋形线圈电感器的设计、制造和测试，在5×5(mm2)的占空面积上获得了高达270nH电感量的电感器，Q值约为50~60。本文的研究，在2.5×2.5(mm2)的布线占空面积上设计了一系列的用于射频电路的类似于MCM-L的器件，其电感值和Q值等性能指标列于表1，并与普通射频片式电感器的性能进行了比较。由表1可见，MCM-L技术制造的集成电感器性能中的电感值和Q值与分立片式电感器的电感值L和Q值相当。两种电感器具有相近的标准尺寸：0805。同时，更小一些尺寸的电感器（如0603，0402）也可以制造出来。但考虑到分立元件的安装所要求的空间，所占用印制电路板的面积要大些。MCM-L技术制作的器件则可以制作在内部的印制电路板上，并不占用射频器件印制电路板表面的空间与面积。另外，在所有的情况下，MCM-L器件的自谐振频率都超过分立片式电感器所要求的值。它们可以工作在至少为1GHz的电路中，MCM-L器件的Q值高达90。用标准印制电路板工艺技术制作这些器件，可以改善工艺技术来提高器件的Q值。
表 1 MCM-L集成电感器与普通射频片式电感器的性能比较
电感器形式 L 值 Q 值 SRF(GHz)
0805片式电感器 (3.3~8.2)±0.3nH
(10~27)nH±5%
(33~220)nH±5% 50 (800MHz)
40 (800MHz)
18 (100MHz) 6.0-3.0
2.5-1.6
0.3-1.4
MCM-L电感器 (4.9~28.4)nH±5%
(33~200)nH±5% 60 (500MHz)
30 (100MHz) 6.0-3.0
3.0-1.1

3 射频放大器(RFA)的设计
图3所示为工作频率在850~950MHz的低噪声放大器电路原理图。该放大器以一个NPN双极型晶体管(NE68719)为中心，配置能够满足器件增益和噪声要求的相关无源元件。设计这种放大器的技术要求是，两个50Ω负载终端之间的增益不小于12db；噪声指数小于1.3db。同时规定在整个频段内的增益波动为±0.5db，输入/输出反射系数小于0.3db。
在电路设计中。采取了提高增益的方法，借其调整源阻抗，以达到减小噪声的要求，然后要使输出与最大增益相匹配。电路中用了5个电感元件，其电感量为1~24nH。当与1nH的发射极电感器（反馈）相连接时，24nH的电感器与75Ω电阻器串联，用以保证宽带稳定性。1nH电感器的第二个作用是改变电路的输入阻抗，当放大器调谐到最小噪声时提高增益。工程师们对具有稳定性的电路可发生提高增益和减小噪声指数的现象进行研究后发现，在0.38<82.9°的源反射系数下工作时，可以获得高达13db的增益，同时保持噪声指数低于1.3db。当输入电路串联8nH分路电感器和5.1pF电容器时，即可实现以上指标。选择这种方式优于选择其它组件，也便于加入直流偏置电流。
输出端的2个电感器（12nH和24nH）与1pF的电容器相联接，使50Ω的负载与输入端相匹配，以得到最大的增益。图3中，使用了3个元件来扩展放大器的选择性，同时提高了电路的品质因数Q值。
4 MCM-L集成电感器的性能分析
本节分析以上所述电感器所允许的电感值偏差和Q值对射频放大器性能的影响。但在这里不分析1nH发射极电感器，因为这个电感值可能是由印制电路板上的导线形成的，而并非由一个专门的分立螺旋线绕组提供。在所分析的各种情况中，都假设电感值的最大允许偏差为±10%，Q值的范围是5~10。
4.1 保证射频放大器射频稳定性的RL输出组件
在设计射频放大器时，要求电路中的晶体管在其整个工作频段内的运行稳定，以使整个电路在该频段内能稳定地工作。为此，必须限制工作频段以外的振荡。以上提到，频带内工作的稳定性是在输出端用一个75Ω的电阻器和一个24nH的电感器串联来实现的。用单一电阻器也可以产生同样的功能，但是，能够实现低频段稳定性的电阻值都会同时限制高频段电路的增益。例如，如从图3的电路中取消24nH的电感器，则在900MHz时测试的最大增益值仅为9.6db，而当存在这个电感器时，测得的最大增益为13.3db。所以，设计射频放大器时，要对电路的增益和工作稳定性之间进行折衷设计。为此，这个“最佳”电感值可以定在提供了最大增益的同时又在晶体管工作的整个频段内保持了稳定性的那个电感值。[#page#]
射频放大器电路的工作稳定性使用稳定性系数μ值来度量：
                         (1)
式中：Δ=S11S12-S12S21
在μ>1时，电路的工作状态是绝对稳定的，较大的μ值表示有较好的工作稳定性。图4的曲线说明了在图3电路中的那个24nH的电感器是如何提供电路工作的临界稳定性的。在此，10%的允许偏差是可以接受的。但允许的偏差值的任何进一步增大，都会导致在某一个频段内工作的不稳定性。为了进行比较，图4中画出了L=0nH等时电路工作的稳定性状态。
图4所示的结果是建立在理想电感器——即Q值为无穷大的假设性基础上的。当实际的电感器包含了电阻值时，确定的Q值对电路工作稳定性的影响见图5所示。
由图5可见，在Q值小于10时，在一个有限的频段内产生了不稳定状况，因此，即使电感器允许的电感值偏差很严格，当Q<10的器件出现在电路中时，也将造成电路工作状态的不稳定。在这种情况下，应该选取能给电路提供最大增益的电感值。但是，如果电路工作在临界稳定状态，在电感值的允许偏差和电阻值的共同影响下，也会在相当宽的频段内造成电路工作的不稳定状态。这时，如果电路中使用的电感器的值较小，则比较可行地解决电路工作的稳定性问题。表2列举了电路增益与24nH电感器参量之间的关系。
表 2  在900MHz时可得到的增益(GA)与24nH电感器允许偏差和Q值的关系
GA(db) Q=100 Q=20 Q=10 Q=5
L=21nH 12.91 12.88 12.85 12.8
L=24nH 13.30 13.25 13.21 13.14
L=27nH 13.62 13.56 13.52 13.43

在不存在24nH电感值时，得出的增益为9.5db，与其相比较，为达到12db的最小增益要求，需要给与一个电感值。表2列出了L=24nH时预测的标准增益是13.3db，而且其增益随着电感值的增大而增加。但如图4所示，最大电感值应限制在27nH，以确保电路工作时的稳定性。就品质因数Q值而论，虽然Q值的减小使增益有所下降，但Q值对电路工作稳定性的影响更大，见图5所示。假设在所有情况下都可以达到12db的最低增益要求，那么，24nH电感值的良好性能对稳定性的建立是十分重要的。
4.2 保证最佳增益和噪声性能的输入LC组件
设计用于低噪声电路的晶体管时，给其规定了一个源反射系数，以使电路工作中的噪声最低。利用NE68719型双极晶体管给出的噪声数据，可以计算出电路的噪声图（见图6所示）。图中表明电路提供了小于1.3db噪声的阻抗范围。该图同时给出了12db和13db的增益图。用这种方法可以研究电路增益和噪声性能之间的关系。
在初始设计时，选取0.38∠82.9°的源阻抗作为电路的最小噪声和最大增益两参数之间的折衷数据。在图6中的标记是τdesign。在图3所示的电路图中，在其输入端接入5.1pF的串联电容器和8.1nH的分路电感器即可实现此目标。通过图6所示的噪声圈和增益圈，可以发现这些元件电感值的波动和对有限Q值的影响。
电路设计中，首先考虑允许电感值偏差±10%时的阻抗变化：电感值增大时，阻抗从13db增益圈移至12db增益圈；电感值减小时，则增益增大。这与表2中用来提供稳定性的输出电感值的趋势相反。但是，正如以上已提及的那样，电路的最大增益还受到电路的其它所需因素的限制。在这种情况下，放大器的噪声指数才是至关重要的。在电感值减小10%时，增益仅增加0.2db，而放大器的噪声指数却增大到了1.3db以上，这是规定的放大器噪声指数的最大值，所以，10%的电感值偏差太大了。为了获得电感器理想的Q值，并且能确保满足噪声指数的要求，需要使用允许偏差小于±5%的8.1nH的电感器。[#page#]
图6也说明电感器的Q值对电路的影响是有限的。电路的增益随Q值的减小而降低，但是，对于所有的Q值，12db的最低增益是可以得到保证的。对噪声指数而言，Q值下降时，阻抗移出1.3db的噪声圈，表明规定的噪声性能已不再满足。进行比较研究后可以发现，为了确保噪声指数不超过1.3db，对于8.1nH零电感值偏差的电感器，需要其Q值不小于10。对于允许其偏差较大的元器件，则要求其Q值较大。当然，如果使用的电感器具有比要求大得多的电感值，则可以允许非零偏差电感值和有限Q值。
图7表示Q值对电路增益的相应影响。图中显示，由所允许的电感值偏差变化和Q值的减小而引起的增益变化是很小的。最坏情况是，电感值下降10%，Q=5，在工作频率为900MHz时，电路的增益从标称值13.1db下降到12.9db。在所有状况下，增益都能保持在所要求的12db最低值，波动小于0.5db。因此，这时电路对电感器性能的敏感度取决于噪声指数。
4.3 保证最大增益的输出LCL组件
为了得到预计的13db增益，电路设计应考虑的最后一步是使负载阻抗与放大器的输出端口匹配。当电路联接到保证其稳定性和低噪声指数所需要的标准元件时，发现输出反射系数与0.39∠31.9°负载相匹配。在图3所示的放大器电路中，输出端串联的C=1pF和L=22nH组件再并联上一个L=12nH的电感器，即可达到以上目的。在此仅讨论放大器电路对其中的一个电感量(L=22nH)的敏感度（因为其余两个电感器的作用相同）。
图8所示为放大器的增益是如何随L=22nH电感器之值变化的：电感值增大，低频段的增益提高，高频段的增益下降。电感值减小则相反。与图7所示的结果比较，增益的变化比输出电感值变化的影响大。如电感值变化10%时，增益的变化分为0.5db和0.2db。然而，在放大器的整个工作频段内，仍然满足12db的最低增益和0.5db的增益波动要求。
图9表示为：L=22nH电感器的有限Q值对增益影响的结果，与图8所示相类似，但是影响更大些。从图9可见，最大增益从Q=100时的13.4db下降为Q=5时的12.1db。更应该注意的是，在大部分工作频段内，Q<5时，增益低于要求的最小值12db。为了满足最低增益的要求，这时的Q值应该大于10。
放大器的另外一个技术指标是输入/输出反射系数小于0.31。其结果以极坐标图的形式示于图10，图中提示了S11和S22与输出电感器的允许电感值偏差之间的关系。
图10所示极坐标图的外半径为0.31，所以，此图以外的点表示反射系数太大。其中S11图表示电感值减小10%时，在高频下的反射系数变为大于0.31；电感值增大10%时，则输出的反射系数S22相同。允许电感值的偏差为5%时，放大器的整个工作频段内都可以达到要求的性能。图10还分析了有限Q值对输入/输出反射系数的影响，在高频段时，Q值对反射系数的影响很小，或者没有影响；在低频段时，则使反射系数有所改善。
5 用MCM-L技术设计射频电感器
经过以上分析，我们已知射频电感器性能的优劣与其两个指标——电感值的允许偏差和Q值的高低密切相关。在射频放大器中，要求电感值允许偏差小于10%，而其Q值则大于10。
以下，我们专题讨论集成电感器应用于射频放大电路的可行性。
前文，我们叙述了MCM-L集成电感器的设计和制造的有关知识，探讨了电感值精度偏差在设计值的5%以内，Q=70~80的螺旋形绕组的制造方法，所得电感器的电感值为50~70nH。下面叙述一些更适用于射频电路的较小电感值的产品情况。工作中要重点注意的是，设计集成器件的目的是使集成电感器的占空面积必须限制在2.5×2.5(mm2)之内，集成电感器所要求的因素并不是为了满足图3所示电路中的电感值，而是用MCM-L技术制造时，可以达到允许的电感值偏差和品质因数Q值。
从螺旋线形电感器的分析模型可知，电感器的电感量随绕组匝数的增加而增大。在MCM-L技术中，在印制电路板给定的占空面积上所能获得的最大电感量是受印制导体之间可能达到的最小间距制约的。目前的制造技术能够达到的导体间距是100~50μm。[#page#]
我们假设导体宽度与其间距之比从50∶50(μm)到200∶200(μm)，用MCM-L技术设计制作6只电感器，然后用图11示出的电路模型测试其性能，并用Ausoft Maxwall软件在300MHz的频率下分析计算图11中的R、L和C参数。经测试和分析发现，在所有状态下，在这个频率上，寄生电容C对器件性能的影响很小。最小的共振频率出现在3GHz，为此，Q值的计算公式可以简化为：
Q=ωL/R                                      (2)
由式可见，控制L和R值即可控制Q值。而且，用MCM-L技术制作电感器的过程中发现，必须控制以下两个因素才能保证实际的器件尺寸在设计所给定的尺寸范围内，同时也保证了设计要求的R、L和C值。这两个因素中的第一个因素是铜导体腐蚀深度的影响；如果光刻胶层之下面的铜导体层被过度腐蚀，则会减少在叠层板上的光刻图中规定的铜导体宽度。图12所示为一个4匝的电感器的横截面，可以说明这个因素的影响。图中显示光刻图上规定的导体宽度与其间距之比为100∶100(μm)，导体的宽度显然比其间距小很多。为此，常常在光刻图上规定较宽的导线尺寸，以此补偿深腐蚀带来的影响，最终得到设计所要求的导体宽度。
MCM-L技术制造电感器要控制的第二个因数是铜导体的厚度尺寸。图12所示器件的绕组导体厚度的设计尺寸为17.5μm，但制造达到了40μm，厚度增加的原因是：制造电感器用的基板具有一层17.5μm厚度的用来形成螺旋形绕组的铜箔，又因为要使顶层和底层之间形成连接的金属化通孔，那是使用电镀金属铜的工艺，这样也同时增加了绕组铜层的厚度。绕组铜层厚度的增加，也提高了实际电感器的Q值，但同时电感值的偏差也增大了。为了使成品电感器绕组铜层的厚度符合设计厚度，可采用铜箔层较薄的基板。
上述两种制造工艺所造成的尺寸变化对于用MCM-L技术制成的电感器性能的影响，是用阻抗分析仪HP4195在100MHz~500MHz频率范围内进行测量的。对其中一组器件的制造进行了工艺条件的控制，形成螺旋形线圈的光刻图形而得到了补偿，解决了铜箔深腐蚀时对绕组导体宽度的影响。另一组器件的制作没有进行工艺条件的控制，因此可以从中看出制造工艺条件对电感器性能的影响。测量结果表明：使用了控制工艺条件制作的电感器的电感量的变化要比未控制工艺条件制作的器件电感量变化小，其中补偿深腐蚀的效果最明显。
同时，还可以用有限元分析模型的计算值与测量值进行比较，结果是使用了控制工艺条件制作的器件之测试值比未补偿器件之值更接近有限元分析计算值。有限元分析计算值通常大于测量值，可以用制作的器件之实际尺寸与分析模型的计算尺寸之间仍然存在差异来解释，尺寸的差异是因为铜导体的深腐蚀和通孔金属化电镀产生的，这就造成了产品导体截面积精度不能得到保证。尺寸差异的另一个原因是受有限元分析法模拟精度的限制。不过，有限元分析的器件模型提供了一种预测电感器尺寸变化引起电感量相应变化的简便方法。当然，比较器件绝对性能参数的最好方法是采用实际电路进行测量。控制工艺参数对MCM-L集成电感器Q值的影响，采用500MHz频率测量。本文提出的集成电感器测量得到的最小Q值为50，以上分析中已知，对于射频应用的电感器的Q值大于20即可。因此，经制造工艺补偿的器件之电感值允许偏差和Q值两者都能满足图3电路应用要求的技术指标。在测试所得的Q值中，未经制造工艺补偿的器件测得的Q值通常都比补偿器件的大。这是因为未经制造工艺补偿的线匝导体厚度较大而使其截面积增大了的原因。因此说明MCM-L制造的集成电感器若要求Q值大一些，可以采用较厚的导体作为电感器的线圈。
参考文献略