CN114628373B - 一种空气桥及提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气桥,包括位于同一轴线的端口一和端口二以及位于同一轴线的端口三和端口四,所述端口一与端口二之间留有间隙,端口三与端口四之间留有间隙,所述端口一和端口二的连线与端口三和端口四之间的连线垂直,所述端口一与端口二之间的间隙上安装有连接空气桥,空气桥下方安装有下层金属,所述下层金属一端连接在端口三上,另一端连接在端口四上;本发明专利研发一种新的电路形式,能够大大提高微波毫米波频段空气桥的隔离度,减小两路信号之间相互的耦合量,提高隔离度,减小两路信号之间的影响,尽可能使两路信号相互独立,在空气桥的四周,放上地孔,因此在空气桥的区域附近,实际上形成了类似CPWG的结构。
Description
技术领域
本发明涉及微波射频芯片领域,具体涉及一种空气桥及提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法。
背景技术
空气桥是一种以MEMS的三维结构为概念,将两接点相连并横跨其他线路,相当于一种立交桥,避免绕线导致电阻及功耗增加,而空气的介电常数约为1,有利于形成桥上与桥下之间良好的绝缘层。一般空气桥基于结构强度的需求,桥厚度大于2um,以此避免湿式制程因毛细力作用使桥塌陷,并增加晶背制程可承受的应力,因此镀膜的金属消耗量较大(通常是金)。当设计的两连接点高低差较大时,桥底可能会接触衬底或桥下线路。而距离加长会降低空气桥可承受应力,所以通常所设计的空气桥越短越好。
空气桥是一种电路结构,是以三维桥形结构实现平面电路跨接的一种方式,适应于各种芯片上,特别适用于倒装焊芯片和超导量子芯片等。由于桥与电路之间的介质为空气或者真空,所以称为空气桥或者真空桥,一般也会简称为空桥。
在制备空气桥的过程中,需要先制备出支撑物,以支撑桥梁,这部分支撑物称为桥撑。相关技术中,在空气桥的制备过程中,使用非光刻胶的桥撑(如二氧化硅、氧化锌等),在其上部沉积材料,再进行光刻胶的涂敷、曝光、显影,在空桥结构位置处覆盖上保护胶并将其余位置的材料刻蚀掉,然后使用去胶液去除所有光刻胶,最后再释放桥撑得到空气桥。
然而,通过上述方式制备空气桥,尤其是全包式空气桥时,因为桥的纵深长,所以在释放桥撑时,桥洞内部很容易留下大量桥撑残渣,器件的质量会受到极大影响。
发明内容
本发明的目的在于研发一种新的电路形式,能够大大提高微波毫米波频段空气桥的隔离度,减小两路信号之间相互的耦合量,提高隔离度,减小两路信号之间的影响,尽可能使两路信号相互独立:为了解决上述技术问题,本发明提供了一种空气桥及提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法。
本发明采用的技术方案如下:
一种空气桥,包括位于同一轴线的端口一和端口二以及位于同一轴线的端口三和端口四,所述端口一与端口二之间留有间隙,端口三与端口四之间留有间隙,所述端口一和端口二的连线与端口三和端口四之间的连线垂直,所述端口一与端口二之间的间隙上安装有连接空气桥,空气桥下方安装有下层金属,所述下层金属一端连接在端口三上,另一端连接在端口四上;所述端口一与端口三之间的夹角区域为象限一,端口三与端口二之间的夹角区域为象限二,端口二与端口四之间的夹角区域为象限三,端口四与端口二之间的夹角为象限四,所述象限一、象限二、象限三、象限四的区域内设置有金属板,金属板上开设有金属背孔,所述金属板与端口一、端口二、端口三和端口四位于同一水平面上。
空气桥是一种电路结构,是以三维桥形结构实现平面电路跨接的一种方式,适应于各种芯片上,特别适用于倒装焊芯片和超导量子芯片等。由于桥与电路之间的介质为空气或者真空,所以称为空气桥或者真空桥,一般也会简称为空桥。
在制备空气桥的过程中,需要先制备出支撑物,以支撑桥梁,这部分支撑物称为桥撑。相关技术中,在空气桥的制备过程中,使用非光刻胶的桥撑,在其上部沉积材料,再进行光刻胶的涂敷、曝光、显影,在空桥结构位置处覆盖上保护胶并将其余位置的材料刻蚀掉,然后使用去胶液去除所有光刻胶,最后再释放桥撑得到空气桥。
微波射频芯片领域,空气桥是很常见的结构,作用和现实中的桥相同,桥上和桥下都可以通过信号,可以使芯片呈现立体结构,提高芯片集成度。半导体芯片三维堆叠集成技术是后摩尔时代电子元器件进一步小型化、轻量化、多功能化和智能化的关键途径之一,通过将多个半导体器件或晶圆利用芯片键合或者晶圆键合的方式在垂直方向堆叠集成,能够在减小系统体积、减轻重量的同时,实现综合性能的提高。
传统的微带线,当两段微带线交叉时,交叉处就需要通过空气桥避免两段微带线短路连接,但是由于微带线的大部分电场向下,因此在交叉处空气桥的位置,必然有一部分信号耦合到下面的微带线上;
CPWG(接地共面波导),可以看出,由于周围两边时接地,因此其大部分电场直接指向两边的地,减少了向下辐射的量,因此在空气桥交叉处,自然耦合到下方信号线的信号就会减弱,就能提高隔离度。
进一步地,所述连接空气桥与下层金属间隙安装,下层金属左右两侧分别与端口一和端口二留有间隙,间隙距离不小于2微米。
进一步地,所述金属背孔采用椭圆形地孔,地孔内部镀金。
进一步地,所述连接空气桥与下层金属之间形成寄生电容,当微波射频频率较低时,微波射频辐射特性相对弱,通过寄生电容相互耦合的信号少,两路信号之间的隔离度高,当信号频率提高时,比如达到毫米波频段,通过寄生电容相互耦合的信号量就会提高,从而影响隔离度。
进一步地,所述连接空气桥宽度大于下层金属宽度,连接空气桥的长度与下层金属长度一致。
一种提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,所述方法包括如下步骤:
S1:将端口一、端口二、端口三和端口四平铺设置在同一水平面上;
S2:在同一轴线的端口一和端口二以及位于同一轴线的端口三和端口四,所述端口一与端口二之间留有间隙,端口三与端口四之间留有间隙;
S3:端口一和端口二的连线与端口三和端口四之间的连线垂直安装;并在端口一与端口二之间的间隙上安装有连接空气桥,空气桥下方安装有下层金属;
S4:在端口一、端口二、端口三和端口四两侧放置金属板,金属板共计设置有四块;
S5:在金属板中部开设有地孔,地孔从芯片上表面连接到芯片底面,芯片底面镀金,地孔内部镀金,电流从芯片表面通过地孔连接到底部的地,形成电流回路。
进一步地,所述步骤S2中的端口一与端口二之间的间隙长度和端口三与端口四之间的间隙长度相同。
进一步地,所述步骤S3中空气桥下方安装与下层金属设有间隙,间隙小于1微米。
进一步地,所述步骤S1中的端口一与端口二长度和宽度一致,端口三与端口四的长度和宽度一致,所述端口一长度和宽度大于端口三的长度和宽度。
进一步地,所述步骤S5中金属板中部开设的地孔为椭圆形地孔,该椭圆形地孔的长轴长度是短轴长度的两倍。
本发明的有益效果如下:
1.本发明一种空气桥及提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,本发明专利研发一种新的电路形式,能够大大提高微波毫米波频段空气桥的隔离度,减小两路信号之间相互的耦合量,提高隔离度,减小两路信号之间的影响,尽可能使两路信号相互独立。
2.本发明一种空气桥及提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,在空气桥的四周,放上地孔,因此在空气桥的区域附近,实际上形成了类似CPWG(接地共面波导)的结构,该结构能够改变电场与磁场的分布图,减小两路信号之间的串扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系,其仅仅为结构或者位置的示意图,其中:
图1是现有技术中仿真隔离度曲线图;
图2是本申请文件改进后的仿真隔离度曲线图;
图3为空气桥立体视图;
图4为本申请文件俯视图。
附图内符号说明:
1-端口一;2-端口二;3-端口三;4-端口四;5-连接空气桥;6-下层金属,7-金属板,8-金属背孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明,即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
下面结合图1至图4,对本发明作详细说明。
实施例1
如图3和图4所示,一种空气桥,包括位于同一轴线的端口一和端口二以及位于同一轴线的端口三和端口四,所述端口一与端口二之间留有间隙,端口三与端口四之间留有间隙,所述端口一和端口二的连线与端口三和端口四之间的连线垂直,所述端口一与端口二之间的间隙上安装有连接空气桥,空气桥下方安装有下层金属,所述下层金属一端连接在端口三上,另一端连接在端口四上;所述端口一与端口三之间的夹角区域为象限一,端口三与端口二之间的夹角区域为象限二,端口二与端口四之间的夹角区域为象限三,端口四与端口二之间的夹角为象限四,所述象限一、象限二、象限三、象限四的区域内设置有金属板,金属板上开设有金属背孔,所述金属板与端口一、端口二、端口三和端口四位于同一水平面上。所述连接空气桥宽度大于下层金属宽度,连接空气桥的长度与下层金属长度一致。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上及进行优化,所述连接空气桥与下层金属间隙安装,下层金属左右两侧分别与端口一和端口二留有间隙,间隙距离不小于2微米。所述金属背孔采用椭圆形地孔,地孔内部镀金。所述连接空气桥与下层金属之间形成寄生电容,当微波射频频率较低时,微波射频辐射特性相对弱,通过寄生电容相互耦合的信号少,两路信号之间的隔离度高,当信号频率提高时,比如达到毫米波频段,通过寄生电容相互耦合的信号量就会提高,从而影响隔离度。地孔为芯片代工厂工艺库里的标准元件,英文名backvia,一般称为金属化背孔、地孔等等,实际芯片制造过程中,椭圆形的地孔从芯片上表面连接到芯片底面,芯片底面镀金,地孔内部镀金,电流从芯片表面通过地孔连接到底部的地,形成电流回路。在空气桥的四周,放上地孔,因此在空气桥的区域附近,实际上形成了类似CPWG(接地共面波导)的结构,该结构能够改变电场与磁场的分布图,减小两路信号之间的串扰,但是由于需要在信号线两侧放置地孔,因此面积较大,不如微带线方便,因此仅仅在需要减小串扰的地方使用。
实施例3
一种提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,所述方法包括如下步骤:
S1:将端口一、端口二、端口三和端口四平铺设置在同一水平面上;
S2:在同一轴线的端口一和端口二以及位于同一轴线的端口三和端口四,所述端口一与端口二之间留有间隙,端口三与端口四之间留有间隙;
S3:端口一和端口二的连线与端口三和端口四之间的连线垂直安装;并在端口一与端口二之间的间隙上安装有连接空气桥,空气桥下方安装有下层金属;
S4:在端口一、端口二、端口三和端口四两侧放置金属板,金属板共计设置有四块;
S5:在金属板中部开设有地孔,地孔从芯片上表面连接到芯片底面,芯片底面镀金,地孔内部镀金,电流从芯片表面通过地孔连接到底部的地,形成电流回路。所述步骤S2中的端口一与端口二之间的间隙长度和端口三与端口四之间的间隙长度相同。所述步骤S3中空气桥下方安装与下层金属设有间隙,间隙小于1微米。所述步骤S1中的端口一与端口二长度和宽度一致,端口三与端口四的长度和宽度一致,所述端口一长度和宽度大于端口三的长度和宽度。所述步骤S5中金属板中部开设的地孔为椭圆形地孔,该椭圆形地孔的长轴长度是短轴长度的两倍。
从图1和图2进行对比后,可以从电磁仿真可以明显看出,该结构能够大大改善隔离度,具体来说:在10GHz,隔离度从34.7dB改善到45.3dB,在达到20GHz,隔离度从29.1dB改善到44.1dB;在达到30GHz,隔离度从25.8dB改善到59.2dB;最后达到40GHz,隔离度从23.5dB改善到39.1dB。
通常在单片微波集成芯片表面,为了减小电路的损耗,往往采用空气桥结构把电极跨接起来。空气桥作为一种悬空结构,如果在没有额外保护的情况下直接承受较大的外界压力容易发生断裂,而集成过程中的键合工艺往往要在键合芯片表面施加压力,将导致正面带有空气桥结构的单片微波集成芯片在键合工艺过程中损坏,从而造成性能退化甚至电路毁坏。
工艺上空气桥一般为材料金,空气桥下的走线金属同样为材料金,两层金属之间会形成寄生电容,当微波射频频率较低时,微波射频辐射特性相对较弱,通过寄生电容相互耦合的信号少,因此两路信号之间的隔离度高。但是当信号频率提高时,比如达到毫米波频段,通过寄生电容相互耦合的信号量就会提高,从而影响隔离度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种空气桥,其特征在于,包括位于同一轴线的端口一(1)和端口二(2)以及位于同一轴线的端口三(3)和端口四(4),所述端口一(1)与端口二(2)之间留有间隙,端口三(3)与端口四(4)之间留有间隙,所述端口一(1)和端口二(2)的连线与端口三(3)和端口四(4)之间的连线垂直,所述端口一(1)与端口二(2)之间的间隙上安装有连接空气桥(5),连接空气桥(5)下方安装有下层金属(6),所述下层金属(6)一端连接在端口三(3)上,另一端连接在端口四(4)上;所述端口一(1)与端口三(3)之间的夹角区域为象限一,端口三(3)与端口二(2)之间的夹角区域为象限二,端口二(2)与端口四(4)之间的夹角区域为象限三,端口四(4)与端口一(1)之间的夹角为象限四,所述象限一、象限二、象限三、象限四的区域内设置有金属板(7),金属板(7)上开设有金属背孔(8),所述金属板(7)与端口一(1)、端口二(2)、端口三(3)和端口四(4)位于同一水平面上;所述连接空气桥(5)宽度大于下层金属(6)宽度,连接空气桥(5)的长度与下层金属(6)长度一致。
2.根据权利要求1所述的一种空气桥,其特征在于,所述连接空气桥与下层金属间隙安装,下层金属(6)左右两侧分别与端口一(1)和端口二(2)留有间隙,间隙距离不小于2微米。
3.根据权利要求1所述的一种空气桥,其特征在于,所述金属背孔(8)采用椭圆形地孔,地孔内部镀金。
4.根据权利要求1所述的一种空气桥,其特征在于,所述连接空气桥(5)与下层金属(6)之间形成寄生电容,当微波射频频率较低时,微波射频辐射特性相对弱,通过寄生电容相互耦合的信号少,两路信号之间的隔离度高。
5.一种提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
S1:将端口一、端口二、端口三和端口四平铺设置在同一水平面上;
S2:在同一轴线的端口一和端口二以及位于同一轴线的端口三和端口四,所述端口一与端口二之间留有间隙,端口三与端口四之间留有间隙;
S3:端口一和端口二的连线与端口三和端口四之间的连线垂直安装;并在端口一与端口二之间的间隙上安装有连接空气桥,空气桥下方安装有下层金属,所述下层金属一端连接在端口三上,另一端连接在端口四上;
S4:在端口一、端口二、端口三和端口四两侧放置金属板,金属板共计设置有四块;
S5:在金属板中部开设有地孔,地孔从芯片上表面连接到芯片底面,芯片底面镀金,地孔内部镀金,电流从芯片表面通过地孔连接到底部的地,形成电流回路。
6.根据权利要求5所述的一种提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,其特征在于,所述步骤S2中的端口一与端口二之间的间隙长度和端口三与端口四之间的间隙长度相同。
7.根据权利要求5所述的一种提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,其特征在于,所述步骤S3中空气桥下方安装与下层金属设有间隙,间隙小于1微米。
8.根据权利要求5所述的一种提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,其特征在于,所述步骤S1中的端口一与端口二长度和宽度一致,端口三与端口四的长度和宽度一致,所述端口一长度和宽度大于端口三的长度和宽度。
9.根据权利要求5所述的一种提高空气桥与下层金属之间隔离度的方法,其特征在于,所述步骤S5中金属板中部开设的地孔为椭圆形地孔,该椭圆形地孔的长轴长度是短轴长度的两倍。
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