Silex har utvecklat ett sätt att bygga tredimensionella induktanser i MEMS-teknk – en teknik som kan leda till både bättre komponenter och ekonomiska vinster. MEMS-tekniken kan också utnyttjas till filter som ger automatisk impedansanpassning mot antennens varierande egenskaper på grund av att man kan hålla i en telefon på olika sätt.

Typiskt är 90 procent av antalet komponenter i en mobiltelefon passiva. För att möjliggöra mera kompakta konstruktioner används små, ytmonterade komponenter, t ex i format som 0402. Att montera dessa kostar dock mycket, och en klar vinst skulle passiv integration kunna ge.
Induktanser utformas ibland som tvådimensionella spolar i ett av mönsterkortets lager, vilket tar förhållandevis mycket plats, eller som en tunnfilmskomponent. Q-värdet är sällan högre än mellan 10 och 20.
Det svenska företaget Silex, som under en rad år klassats som världens största MEMS-foundry, har inom det europeiska projektet EPAMO utvecklat en metod för att åstadkomma tredimensionella spolvarv för att skapa en induktor. Dessa induktorer har typiskt Q-värden högre än 30 inom 0,5 till 4 GHz.
Ytterligare en fördel, jämfört med planara induktorer, är att 3D-induktorer har lägre strökapacitanser, vilket bidrar till att kunna höja arbetsfrekvenserna.

Met-Via
För att åstadkomma dessa induktanser utnyttjar Silex sin teknik för förbindning genom kisel, (TSV, through-silicon via). Den process Silex har utvecklat kallar man Met-Via. Det är en kopparprocess som bygger på tekniken XiVia från ÅAC Microtec och som löser problemen med skilda utvidgningskoefficienter mellan koppar och kisel.

TSVer förbinder ovan- och undersidans ledning i spolens varv.

Bilden visar ett mönster på ovansidan av ett lager och uppbyggnaden av en Met-Via TSV, med en detaljförstoring av XiVia-tekniken.

Spolkärna med järn
Lägg märke till det parti som har rödmarkerats i den första figuren! Det är ett ferromagnetiskt material som i form av lager bildar kärna för att höja spolens induktans. Processen för materialet, nickel-järn (NiFe), är utvecklad av Silex tillsammans med Oerlikon Systems i Lichentstein och Veeco Instruments i USA.

– Inget annat företag har tidigare stoppat in järn i monolitiska kretsar, säger Thorbjörn Ebefors, forsknings- och utvecklingschef inom Silex.

Materialet har hög permeabilitet: 3000 vid 10 MHz. Vid ökad frekvens sjunker det, för att vara nere i noll vid 650 MHz. Det beror på virvelströmmar. Silex har dock löst problemet, på snarlikt sätt som man traditionsenligt gör i nätspänningstransformatorer, nämligen genom att i stället för ett homogent skikt lägga många lager av nickel-järn med isolation av aluminiumnitrid emellan.
En effektiv permeabilitet av 28 har uppnåtts vid 1 GHz och den ferromagnetiska resistanser överstiger 3,7 GHz, något som troligen är liktydigt med världsrekord. Generellt sett har man kunna höja den ferromagnetiska resonansen med en faktor 7,1, jämfört med tidigare arbeten med en homogen NiFe-film.

Monolitiska DC/DC-omvandlare
Ett tänkbart användningsområde för Silex induktorer med NiFe-kärna och en induktans på 10 – 50 nH är i DC/DC-omvandlare med hög frekvens – kanske 100 MHz eller mer. Det kan låta fantasifullt med tanke på att dagens DC/DC-omvandlare arbetar på högst 2 MHz, och ofta lägre frekvenser. Silex har redan fått förfrågningar. Tekniken kommer att möjliggöra helt monolitiska DC/DC-omvandlare. Sådana ligger närmare i tiden än man kanske skulle kunna ana.

– Vi har redan flera kunder som är mycket intresserade av detta, säger Tomas Bauer, senior vice president och affärsutvecklare på Silex.

Många frekvensband
En utvecklingstrend inom mobiltelefoner är att telefonerna är konstruerade för allt fler frekvensband. En telefon som skall kunna användas i hela världen kan behöva täcka ett 30-tal frekvensområden och ha omkopplingsbara filter för ned- och upplänkar. Dessutom bör de kunna avstämmas eftersom antennernas (ofta flera i en mobiltelefon för att åstadkomma MIMO) impedanser varierar kraftigt med hur man håller telefonen med händerna. Med en avstämbar ”front end” kan mobiltelefonens sändareffekt minskas till hälften, för en given datahastighet vid mottagning medan upplänkens kapacitet radikalt kan höjas.
Det var för att finna en modern ”front end”-lösning för 4G som EPAMO-projektet kom till. Projektet inleddes 1 april 2011 och håller nu på att avslutas. 16 partners från 14 organisationer har varit involverade, däribland från Finland, Tyskland, Sverige och Holland.
I princip skulle lösningen kunna se ut såhär:

Till vänster ser vi en omkopplarmatris som innehåller switchar och passiva komponenter för antennavstämning, förstärkaravstämning och avstämbara filter.

Linjära switchar
Traditionellt använder man GaAs-transistorer, alternativt kiseltransistorer på isolator eller på safir. MEMS kan dock fördelar som bättre switchar (lägre resistans/högre dämpning) och möjlig integration med passiva komponenter som kondensatorer, induktorer och resistorer. 3G- och 4G- kräver bättre linjäritet och högre dämpning än tidigare generationers mobilsystem, något som MEMS kan bidra med.
Modulen IPD är en passiv integrerad krets (Integrated Passive Device) och som kan innehålla induktanser, kapacitanser och motstånd. Den tekniken Silex har utvecklat står inför ett kommersiellt genombrott.
Silex kunder är typiskt innovationsledare inom sina respektive områden och för MEMS är just nu piezoelektriska material som PZT mycket intressant. Materialet utnyttjas för aktuering i mikromekanikska system men även för att skapa funktioner som kapacitanser i integrerade passiva kretsar.

Principen för en PZT-aktiverad MEMS-switch.

Switchen är utvecklad och karakteriserad av Fraunhofer ISiT. Silex har utvecklat och tillverkat lämplig kapsling. Kapseln utgörs av två kiselskivor med en tätningsram emellan för att bilda en kavitet där switchen får plats.

Den hermetiska kapslingstekniken kallas met-Cap.

I kaviteten råder ett undertryck. Detta begränsade vakuum är en förutsättning för switchens funktion. I ett effektivt vakuum har det nämligen visat sig att switchen oscillerar med dess mekaniska resonansfrekvens. Det behövs därför en gas, med ett visst tryck, för att ge optimal dämpning.

Filed under: Teknikartiklar