CN101227026B - 片上多金属互联层组合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成电路技术领域的片上多金属互联层组合天线，包括：多金属互联层辐射元件、馈电穿孔、短路穿孔、二氧化硅层和硅基片。多金属互联层辐射元件中心与馈电穿孔相连，两端与短路穿孔相连，形成多金属互联层组合天线。本发明因为采用了多层金属互联层组合结构，可以有效地增加片上天线的辐射体积，缩减片上天线的尺寸，增加片上天线的阻抗带宽，显著提高片上天线在无线互联应用的传输增益，并且不占用任何额外的芯片面积。另外，本发明与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且不需要额外的阻抗匹配部件；同时也适用于多层低温共烧陶瓷工艺，具有广泛的工艺适应性。

Description

片上多金属互联层组合天线
技术领域
本发明涉及一种集成电路技术领域的天线，具体是一种片上多金属互联层组合天线。
背景技术
随着微电子工艺的不断发展，集成电路元件规模如莫尔定律所述成几何级数增长。新近，微米、亚微米工艺的成熟和应用，使人们越发关注互连线的信号完整性问题，即全局互连传输延迟问题、互连线功耗问题以及互连线可靠性等问题。基于上述考虑，不少学者提出采用无线互连的方式代替现有的互连线系统，即采用片上集成天线、功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、编解码器(Coder/Decoder)等组件的无线收发系统来实现诸如局部互连、全局互联、全局时钟线以及数据传输线等功能。高性能片上天线是高速集成电路和无线互联的关键技术之一。传统的偶极子天线、折线天线、PIFA天线和缝隙天线等系统普遍存在天线尺寸较大、传输性能不佳、性能易受附近金属元器件影响以及性能易受封装结构影响等问题。
经对现有技术的文献检索发现，基于CMOS工艺的片上天线，特别是应用于无线互联的片上天线是现代集成电路技术中研究的热点之一，J.Branch等人在2005年2月发表在电气与电子工程学会电子器件快报(IEEE Electron DeviceLetters)第二期的文章：使用硅基集成天线进行封装内无线通信(WirelessCommunication in a Flip-Chip Package using Integrated Antennas on SiliconSubstrate)，提出采用片上细线偶极子天线进行时钟线通信，然而由于片上天线性能的限制，该系统通信传输损耗很大，效率较低；T.Kikkawa等人在2005年10月发表在电气与电子工程学会电子器件快报(IEEE Electron Device Letters)第十期的文章：用于甚大规模集成电路无线互联的硅基集成分形偶极子的超宽带特性(Ultrawideband Characteristics of Fractal Dipole Antennas Integratedon Si for ULSI Wireless Interconnects)，提出采用矩形分形偶极子天线来进行超宽带无线互联，但是该天线尺寸较大，占据了大量宝贵的芯片面积，因此实用性不高；K.Ohashi等人在2007年4月发表在日本应用物理杂志(JapaneseJournal of Applied Physics)的文章：用于叠层多芯片封装内无线信号传输的片上八木天线(On-chip Yagi-Uda Antenna for Horizontal Wireless SignalTransmission in Stacked Multi Chip Packaging)，提出了一种片上八木天线，获得了较高的传输增益，然而该天线尺寸较大，无法实际应用于片上无线互联。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种多金属互联层组合天线，有效地缩小天线的尺寸，拓宽天线的工作带宽，并大幅提高其在无线互联中的传输增益，并且不占用任何额外的芯片面积。本发明天线与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且不需要额外的阻抗匹配部件，同时也适用于多层低温共烧陶瓷(LTCC)工艺，具有广泛的工艺适应性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：多金属互联层辐射元件、馈电穿孔、短路穿孔、二氧化硅层和硅基片。所述硅基片在最下方，其上方是二氧化硅层，二氧化硅层上方是多金属互联层辐射元件、馈电穿孔和短路穿孔。所述多金属互联层辐射元件中心与馈电穿孔相连，两端与短路穿孔相连，形成多金属互联层组合天线。
所述多金属互联层辐射元件由n层金属互联层结构组合而成，每层的金属结构可以相同，也可以不同。上述层数n是小于或等于半导体工艺的最大金属互联层层数的任意整数。
所述多金属互联层辐射元件可以是直线极子结构，也可以是折线极子结构。
所述馈电穿孔与多金属互联层辐射元件中心相连，使多金属互联层辐射元件的n层金属互联层结构相连。馈电穿孔同时也负责多金属互联层组合天线的馈电，可以与片上集成的功率放大器或者低噪放相连。
所述短路穿孔与多金属互联层辐射元件两端相连，使所述多金属互联层辐射元件两端电平相等。
所述二氧化硅和硅基片都是CMOS集成电路中的必需组件。
本发明通过调节多金属互联层的层数n、每层的几何形状共可调整组合天线的性能。层数n可以根据不同厂家的工艺自由选择，可以使用全部的金属互联层，也可以使用部分的金属互联层。
本发明和现有技术相相比，其效果是积极和明显的。本发明因为采用了多层金属互联层组合结构，可以有效地增加片上天线的辐射体积，缩减片上天线的尺寸17％以上，增加片上天线的阻抗带宽达6％，显著提高片上天线在无线互联应用的传输增益达，平均传输增益提高6dB左右，并且不占用任何额外的芯片面积。另外，本发明天线与主流CMOS工艺全面兼容，适用于各种电阻率的硅基片，且不需要额外的阻抗匹配部件；同时也适用于多层低温共烧陶瓷(LTCC)工艺，具有广泛的工艺适应性。
附图说明
图1是本发明一种片上多金属互联层组合天线结构示意图；
图2是本发明实施例的具有不同层数的多金属互联层组合天线的反射系数图；
图3是本发明实施例的具有不同层数的多金属互联层组合天线的传输增益图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：多金属互联层辐射元件1、馈电穿孔2、短路穿孔3、二氧化硅层4和硅基片5。所述硅基片5位于最下方，其上方是所述二氧化硅层4，再上方是所述多金属互联层辐射元件1、馈电穿孔2和短路穿孔3。所述多金属互联层辐射元件1中心与所述馈电穿孔2相连，两端与所述短路穿孔3相连，形成多金属互联层组合天线。
所述多金属互联层辐射元件1由n层金属互联层结构组合而成，每层的金属结构可以相同，也可以不同。
所述多金属互联层辐射元件1可以是直线极子结构，也可以是折线极子结构。
所述馈电穿孔2与所述多金属互联层辐射元件1中心相连，使所述多金属互联层辐射结构1的n层金属互联层结构相连。所述馈电穿孔2同时也负责所述多金属互联层组合天线的馈电，可以与片内的功率放大器或者低噪放相连。
所述短路穿孔3与所述多金属互联层辐射元件1两端相连，使所述多金属互联层辐射元件1两端电平相等。
所述二氧化硅4和硅基片5都是CMOS集成电路中的必需组件。
本实施例通过调节多金属互联层的层数n、每层的几何形状共可调整组合天线的性能。层数n可以根据不同厂家的工艺自由选择，可以使用全部的金属互联层，也可以使用部分的金属互联层。
图1是本实施例的结构示意图，具体尺寸为：所述多金属互联层辐射元件1中金属互联层层数n为1层、2层、4层和8层，层间距为1.5微米，所有层天线形式均采用中心馈电的平面偶极子天线，天线长度为2毫米，宽度为10微米，厚度为0.5微米；所述馈电穿孔2和短路穿孔3均为圆柱形穿孔，直径为10微米；所述二氧化硅层4的厚度为2微米，相对介电常数为4；所述硅基片5的厚度为250微米，相对介电常数为11.9，导电率为20欧姆厘米。评估本实施例的传输增益时，将1对完全相同的天线平行放置并对准，间距为10毫米。
图2是本实施例的反射系数图。从图中可以看出层数n为1层的天线谐振频点在25.25GHz，相对带宽为15.6％；随着层数n的增大，天线谐振频点下移，且带宽变宽。层数n为8层的天线谐振频带为20.85GHz，相对带宽为21.4％，相比层数n为1层的天线，尺寸缩减了15.6％，相对带宽提高了约5.8％。
图3是本实施例的传输增益图。从图中可以看出，随着层数n的增大，本实施例的传输增益在其工作频带内和低于工作频带的频率范围内大幅提高。层数n为8的天线比层数n为1的天线相比，传输增益平均提高了6 dB左右。

Claims (4)

1.一种片上多金属互联层组合天线，包括：多金属互联层辐射元件(1)、馈电穿孔(2)、短路穿孔(3)、二氧化硅层(4)和硅基片(5)，所述硅基片(5)在最下方，其上方是二氧化硅层(4)，其特征在于，所述二氧化硅层(4)上方是多金属互联层辐射元件(1)、馈电穿孔(2)和短路穿孔(3)，所述多金属互联层辐射元件(1)中心与所述馈电穿孔(2)相连，两端与所述短路穿孔(3)相连，所述多金属互联层辐射元件(1)为平行放置并对准，其n层金属互联层结构通过馈电穿孔(2)和在金属层的两端短路穿孔相连。
2.根据权利要求1所述的片上多金属互联层组合天线，其特征是，所述多金属互联层辐射元件(1)由n层金属互联层结构组合而成，层数n为任意整数。
3.根据权利要求1或2所述的片上多金属互联层组合天线，其特征是，所述多金属互联层辐射元件(1)是直线极子结构，或是折线极子结构。
4.根据权利要求1所述的片上多金属互联层组合天线，其特征是，所述馈电穿孔(2)，与片内的功率放大器或者低噪放相连，负责整个天线的馈电。
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