14.4. Интегральные индукторы

Индукторы используются в структуре радиосхем в резонансных фильтрах и генераторах. Условие резонанса на рабочей частоте требует добротности L-C- контура не менее 10, а собственная резонансная частота индуктора (с собственной паразитной емкостью) должна превышать рабочую частоту не менее чем в три раза. Выполнить эти условия на частотах менее 100 МГц очень трудно, а площадь индукторов слишком велика.

Интегральные индукторы эффективно применяются в микросхемах в диапазоне частот 1,010 ГГц. При этом величины индуктивности не превышают 30 нГ. Грубую оценку размеров индуктора можно получить, приняв удельную индуктивность проводников равной 2 нГ/мм. При шаге размещения проводников 20 мкм максимальный индуктор 30 нГ займет площадь 0,3 мм².

Элементы схемы и проводники размещать под индуктором не рекомендуется. Электромагнитная связь ухудшает параметры индукторов и создает помехи в элементах схемы.

Оптимальная конструкция интегрального индуктора – плоская спираль с числом витков от 3 до 8. Центральная часть спирали не используется. Отношение внешнего и внутреннего радиусов примерно 2:1. Иногда средства проектирования не позволяют сформировать гладкую спираль. В этих случаях спираль аппроксимируется фрагментами восьмиугольников с углами 135°. Наихудшим вариантом считается квадратная спираль, которая имеет увеличенные потери на излучение и дополнительные потери на разогрев при концентрации тока на внутренних углах. Индукторы с размещением секций одна над другой в разных уровнях металлизации считаются неоптимальными. Увеличение удельной индуктивности меньше чем увеличение сопротивления за счет вклада переходных окон и большего сопротивления нижних уровней металлизации.

Добротность индуктора зависит от потерь энергии на разогрев проводников, на возбуждение токов Фуко в подложке и на излучение. Проектирование индукторов включает достаточно сложный процесс оптимизации их конструкции. Снижение потерь на разогрев достигается использованием металлической пленки увеличенной толщины (23 мкм). Иногда для этих целей применяется медь или золото. Во многих случаях металлизация индукторов используется и как верхний уровень электрических проводников микросхемы. При этом требуется увеличить как ширину всех проводников верхнего уровня, так и зазоры между ними. В наиболее сложных технологических вариантах металл индуктора наносится на дополнительный органический слой (полиимид) толщиной не менее 5 мкм. Затем органический слой удаляется с участков, не покрытых металлом индуктора.

Размеры интегрального индуктора всегда много больше, чем расстояние до подложки. Переменное электромагнитное поле проникает в подложку, возбуждая в ней как гальванический ток, так и ток смещения. В структурах на изолирующих подложках (арсенид галлия, сапфир) гальваническими токами можно пренебречь. Суммарные омические и диэлектрические потери позволяют создавать индукторы с добротностью 2030. Если перенести структуру такого же индуктора на стандартную кремниевую подложку, то добротность падает примерно в 10 раз.

Гальванический ток, возбуждаемый переменным электромагнитным полем, направлен навстречу току индуктора и уменьшает индуктивность структуры. Хуже всего то, что добротность снижается, а индуктивность зависит от частоты сигнала. Уменьшение наведенных токов в подложке достигается увеличением ее удельного сопротивления (не менее 20 Ом∙см), исключением всех легированных структур под индуктором, увеличением толщины диэлектрика, экранированием подложки в нижнем уровне металлизации. Экранирующая металлизированная структура имеет форму звезды с лучами, исходящими от центра индуктора. Проводники, образующие лучи этой звезды, гальванически изолированы. Экран ослабляет электромагнитное поле в подложке, но препятствует протеканию в нем наведенных токов, так как изолирующие зазоры в экранирующих проводниках направлены перпендикулярно направлению наведенных токов. Используемые в кремниевых микросхемах индукторы имеют добротность от 6 до 10 на частоте 10 ГГц и индуктивность от 3 до 15 нГ.