본 논문에서 기존 underpass와 via를 갖는 단층 나선형 박막인덕터를 확장하여 제한된 점유면적 내에서 인덕턴스를 증가시킬 수 있는 하층 나선형 코일과 via를 갖는 2층 나선형 박막 인덕터의 구조를 제안하고 주파수 특성을 확인하였다. 인덕터의 구조는 Si를 $300{\mu}m$, $SiO_2$를 $7{\mu}m$으로 하였으며, Cu 코일의 폭과 선간의 간격은 각각 $20{\mu}m$으로 설정하여 3회 권선하였다. 나선형 박막 인덕터의 성능을 나타내는 인덕턴스, quality-factor, SRF에 대한 주파수 특성을 HFSS로 시뮬레이션 하였다. 2층 나선형 박막 인덕터는 0.8~1.8GHz 범위에서 3.2nH의 인덕턴스, 2.5GHz에서 최대 8.2 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 5.8GHz로 시뮬레이션 결과를 얻었다. 반면에 단층 나선형 박막 인덕터는 0.8~1.8GHz 범위에서 1.5nH의 인덕턴스, 8GHz에서 최대 18 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 19.2GHz로 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
본 논문에서 기존 underpass와 via를 갖는 단층 나선형 박막 인덕터를 확장하여 제한된 점유면적 내에서 인덕턴스를 증가시킬 수 있는 하층 나선형 코일과 via를 갖는 2층 나선형 박막 인덕터의 구조를 제안하고 주파수 특성을 확인하였다. 인덕터의 구조는 Si를 $300{\mu}m$, $SiO_2$를 $7{\mu}m$으로 하였으며, Cu 코일의 폭과 선간의 간격은 각각 $20{\mu}m$으로 설정하여 3회 권선하였다. 나선형 박막 인덕터의 성능을 나타내는 인덕턴스, quality-factor, SRF에 대한 주파수 특성을 HFSS로 시뮬레이션 하였다. 2층 나선형 박막 인덕터는 0.8~1.8GHz 범위에서 3.2nH의 인덕턴스, 2.5GHz에서 최대 8.2 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 5.8GHz로 시뮬레이션 결과를 얻었다. 반면에 단층 나선형 박막 인덕터는 0.8~1.8GHz 범위에서 1.5nH의 인덕턴스, 8GHz에서 최대 18 정도의 품질계수를 가지며, SRF는 19.2GHz로 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다.
In this study, we propose that the structures of 2-layer spiral planar inductors have a lower spiral coil and via increasing inductance in limited possession are and confirm the frequency characteristics. The structures of inductors have Si thickness of $300{\mu}m$, $SiO_2$ thi...
In this study, we propose that the structures of 2-layer spiral planar inductors have a lower spiral coil and via increasing inductance in limited possession are and confirm the frequency characteristics. The structures of inductors have Si thickness of $300{\mu}m$, $SiO_2$ thickness of $7{\mu}m$. The width of Cu coils and the space between segments have $20{\mu}m$, respectively. The number of turns of coils have 3. The performance of spiral planar inductors was simulated to frequency characteristics for inductance, quality-factor, SRF(Self- Resonance Frequency) using HFSS. The 2-layer spiral planar inductors have inductance of 3.2nH over the frequency range of 0.8 to 1.8 GHz, quality-factor of maximum 8.2 at 2.5 GHz, SRF of 5.8 GHz. Otherwise, 1-layer spiral planar inductors have inductance of 1.5nH over the frequency range of 0.8 to 1.8 GHz, quality-factor of maximum 18 at 8 GHz, SRF of 19.2 GHz.
In this study, we propose that the structures of 2-layer spiral planar inductors have a lower spiral coil and via increasing inductance in limited possession are and confirm the frequency characteristics. The structures of inductors have Si thickness of $300{\mu}m$, $SiO_2$ thickness of $7{\mu}m$. The width of Cu coils and the space between segments have $20{\mu}m$, respectively. The number of turns of coils have 3. The performance of spiral planar inductors was simulated to frequency characteristics for inductance, quality-factor, SRF(Self- Resonance Frequency) using HFSS. The 2-layer spiral planar inductors have inductance of 3.2nH over the frequency range of 0.8 to 1.8 GHz, quality-factor of maximum 8.2 at 2.5 GHz, SRF of 5.8 GHz. Otherwise, 1-layer spiral planar inductors have inductance of 1.5nH over the frequency range of 0.8 to 1.8 GHz, quality-factor of maximum 18 at 8 GHz, SRF of 19.2 GHz.
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문제 정의
본 논문에서 실리콘 상에 이루어진 평면 나선형 박막 인덕터를 확장하여 하층 나선형 코일을 추가하여 설계함으로써, 제한된 점유면적 내에서 인덕턴스를 증가시키기 위한 구조를 제안 하였다. 이에 대하여 안소프트 사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
가설 설정
그림 2와 3에서 알 수 있는 바와 같이, 인덕터의 레이아웃은 간단하며, 2층 금속 공정을 기반으로 하고 있다. 두 종류의 인덕터 최외각 크기는 540㎛으로 고정하였다. RF 주파수에서는 금속층의 두께가 품질계수를 결정짓는 주요 요소 중의 하나이며, 인덕터 중심의 공간은 품질계수를 향상시키는데 있어 도움을 준다.
제안 방법
인덕터의 외부 크기를 260㎛, 도체폭과 도체간의 간격을 각각 20㎛과 20㎛으로 고정하고, 10Ω-㎝ 실리콘 기판을 사용하였으며 기판 두께를 300㎛으로 하였다. 기판과 spiral 사이의 유전물질의 두께를 7㎛으로 하였다. 도체 두께를 2㎛으로 하여 3회 권선하였다.
기판과 spiral 사이의 유전물질의 두께를 7㎛으로 하였다. 도체 두께를 2㎛으로 하여 3회 권선하였다.
본 논문에서는 underpass와 via를 갖는 일반적인 단층 나선형 박막 인덕터의 구조를 확장한 하층 나선형 코일과 via를 갖는 2층 나선형 박막 인덕터의 구조를 제시하고, 그에 따른 인덕터의 성능을 나타내는 인덕턴스, Quality-factor, SRF(자기공진주파수)에 대한 주파수 특성을 HFSS로 시뮬레이션하여 기존의 단층 나선형 박막 인덕터와 비교 분석하였다.
우선 인덕터의 설계 변수로써는 권선수, 도체폭, 도체간의 간격, 도체 두께, 유효 면적 등이 있다. 여기에서는 우선 외부 크기와 도체폭, 그리고 도체간의 간격, 권선수를 고정하고, underpass를 갖는 단층 나선형 박막 인덕터와 하층 나선형 코일을 갖는 2층 나선형 박막 인덕터의 인덕턴스, Q(Quality-factor) 값과 SRF를 비교 분석하였다.
우선 외부 크기(260㎛)와 도체폭(20㎛), 도체간의 간격(20㎛), 도체의 두께(2㎛), 권선수는 3회로 고정하고 underpass를 갖는 단층 나선형 박막 인덕터와 하층 나선형 코일을 갖는 2층 나선형 박막 인덕터에 대하여 비교하였다. 단층 나선형 박막 인덕터의 경우는 L(인덕턴스)=1.
본 논문에서 실리콘 상에 이루어진 평면 나선형 박막 인덕터를 확장하여 하층 나선형 코일을 추가하여 설계함으로써, 제한된 점유면적 내에서 인덕턴스를 증가시키기 위한 구조를 제안 하였다. 이에 대하여 안소프트 사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과인 인덕턴스, Q-factor, SRF에 대하여 기존의 일반적 형태인 underpass를 갖는 단층 나선형 박막 인덕터와 비교하여 하층 나선형 코일을 갖는 2층 나선형 박막 인덕터의 형태를 도출하였다.
대상 데이터
인덕터는 2층 금속 공정을 기반으로 하고 있다. 인덕터의 구조는 300㎛ 두께의 Si에 7㎛ 두께의 SiO2를 적층하였다. 인덕터의 금속선 사이 간격은 20㎛으로, 금속선의 폭과 높이는 20㎛과 2㎛으로 하였다.
3.1 인덕턴스
인덕터의 외부 크기를 260㎛, 도체폭과 도체간의 간격을 각각 20㎛과 20㎛으로 고정하고, 10Ω-㎝ 실리콘 기판을 사용하였으며 기판 두께를 300㎛으로 하였다. 기판과 spiral 사이의 유전물질의 두께를 7㎛으로 하였다.
그림 4와 5에 대하여 음영부분은 Cu로 이루어진 나선형 코일을 나타내며, 외각의 회색 패턴은 시뮬레이션을 위하여 바이어스를 인가하기 위한 접지(ground)로 설정하였다. 포트는 2-포트의 lumped port를 사용하였다. 우선 인덕터의 설계 변수로써는 권선수, 도체폭, 도체간의 간격, 도체 두께, 유효 면적 등이 있다.
이론/모형
시뮬레이션을 위하여 안소프트 사의 HFSS를 사용하였다. 그림 4는 underpass를 갖는 일반적인 형태의 단층 나선형 박막 인덕터의 시뮬레이션 구조를 나타낸다.
비록 다양한 실험식이 나선형 인덕터의 인덕턴스를 추정하기 위해 문헌에 존재할지라도 Greenhouse 방법이 우수한 정확성을 제공한다. 여기서 인덕턴스 계산을 위한 Greenhouse 방법을 사용한다[6].
성능/효과
이에 대하여 안소프트 사의 HFSS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과인 인덕턴스, Q-factor, SRF에 대하여 기존의 일반적 형태인 underpass를 갖는 단층 나선형 박막 인덕터와 비교하여 하층 나선형 코일을 갖는 2층 나선형 박막 인덕터의 형태를 도출하였다.
표 1은 Mathcad를 이용한 단층 나선형 박막 인덕터의 기하학적 수치를 나타낸다. 표의 Total Inductance는 Greenhouse 식을 이용한 계산 결과로써, HFSS를 이용한 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실리콘 기반의 고주파 집적회로는 급격히 성장한 무선통신 어플리케이션을 만족시키기 위한 대안으로 최근에 대두되고 있는 이유는?
Si VLSI 기술의 극적인 진보로 인해 실리콘 기반의 고주파 집적회로는 급격히 성장한 무선통신 어플리케이션을 만족시키기 위한 대안으로 최근에 대두되고 있다[4]. 그리고 실리콘을 기반으로 한 고주파 집적회로들은 0.
자계에 저장되는 에너지와 전계에 의해 저장되는 에너지의 차이가 정확하게 고려된 저장 에너지가 되는 것이라고 말한 이유는?
여기서 WS는 인덕터가 한 주기당 저장하는 에너지이고 WD는 인덕터가 한 주기당 소비하는 에너지이다. 저장하는 에너지를 자계와 전계의 에너지 차로 나타낸 것은 인덕턴스가 자속과 전류의 비이므로 인덕터는 자계에 의해 에너지가 저장된다. 그러나, 실제 인덕터에서는 기생 커패시턴스가 발생하므로 이 커패시턴스에 저장되는 전계 에너지가 인덕터에 역효과를 준다. 따라서 자계에 저장되는 에너지와 전계에 의해 저장되는 에너지의 차이가 정확하게 고려된 저장 에너지가 되는 것이다.
인덕터란?
최근의 정보기술의 도래와 더불어 이러한 자성소자들의 소형 경량화 및 고주파수화가 요구되고 있다. 인덕터는 고집적 RF 회로에서 필수적인 수동 소자 중의 하나로써, 커패시터와 결합한 LC 필터, 트랜지스터를 위한 AC 초크, 회로정합과 EMI 필터 등에 적용하여 개인통신서비스, 무선 LAN, 위성통신과 GPS에 등에 사용된다[1-3].
참고문헌 (8)
Minda Denesh, John R. Long, "Differentially Driven Symmetric Microstrip Inductors", IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 1, pp. 332-341, Jan. 2002.
I. Wolff and H. Kapusta, "Modeling of Circular Spiral Inductors for MMICs", IEEE MTT-s Digest, pp. 123-126, 1987.
Myung-Hee Jung, Jae-Wook Kim, Eui-Jung Yun, "Development of High-Performance Solenoid-Type RF Chip Inductors", Jpn. J. Appl. Phys, vol. 39 (2000), pp. 4772-4776, Part 1, No. 8, August 2000.
Larson Le, "Integrated Circuit Technology Options for RFIC's Present Status and Future Directions", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 387-399, 1998.
Mikkelsen JH, Kolding TE, "RF CMOS Circuits Target IMT-2000 Applications", Microwave & RF, pp. 99-107, July 1998.
C. Patrick Yue, S. Simon Wong, "Physical Modeling of Spiral Inductors on Silicon", IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 47, no. 3, pp. 560-567, March 2000.
H. M. Greenhouse, "Design of Planar Rectan- gular Microelectronic Inductors", IEEE Transactions Parts, Hybrids, Pack, vol. PHP-10, pp. 101-109, June 1974.
C. Patrick Yue, S. Simon Wong, "On-Chip Spiral Inductors with Patterned Ground Shields for Si-Based RF IC's", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, no. 5, pp. 743-752, May 1998.
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