金來福 林蒙 桂勇鋒

摘 要 硅通孔技術(shù)是當(dāng)前在微波毫米波三維集成微系統(tǒng)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向之一， 本文基于現(xiàn)有的硅通孔工藝技術(shù)開展寬帶毫米波垂直傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)該垂直過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模， 并作優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算， 運(yùn)用高徑深比通孔填銅工藝和多層鍵合工藝完成樣品研制。借助于去嵌入校準(zhǔn)方法完成在片測(cè)試，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)性能良好，具有很好帶寬和平坦的幅度響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了基于硅通孔垂直互聯(lián)的低損耗傳輸。

關(guān)鍵詞 硅通孔（TSV）;寬帶垂直過渡;三維集成

引言

寬帶高頻低損耗互連是微波毫米波系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，以三維微波、毫米波集成電路為主要內(nèi)容之一的系統(tǒng)級(jí)集成（系統(tǒng)級(jí)封裝） 技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)， 在三維結(jié)構(gòu)內(nèi)更加傾向于有源器件與無源電路的系統(tǒng)級(jí)混合集成， 而三維集成電路需要研究的關(guān)鍵問題之一是垂直互連傳輸技術(shù)。

相比于傳統(tǒng)的多層基板應(yīng)用，硅轉(zhuǎn)接板技術(shù)因?yàn)椴捎冒雽?dǎo)體工藝而具有更高的精度優(yōu)勢(shì)[1]。TSV通孔技術(shù)由于其能夠有效地縮短互連長(zhǎng)度、提高互連性能而應(yīng)用于各類低頻電子線路，該項(xiàng)技術(shù)極大地提高了數(shù)字集成電路的集成度，同時(shí)在微波毫米波領(lǐng)域，TSV垂直通孔能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的垂直傳輸，是微波電路三維集成的關(guān)鍵技術(shù)[2]。在多芯片電路中的信號(hào)完整性與電磁兼容問題引起了廣泛關(guān)注[3]。

本文采用硅轉(zhuǎn)接板中硅通孔工藝技術(shù)研制了一種工作于毫米波段的寬帶垂直過渡，運(yùn)用三維電磁仿真分析軟件對(duì)該過渡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1硅通孔（TSV）傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微波毫米波系統(tǒng)中使用到的垂直過渡主要有電磁耦合[4]與直接耦合[5]，均能實(shí)現(xiàn)寬帶和低插損特性。本文采用了類同軸結(jié)構(gòu)直接耦合的垂直過渡形式，設(shè)計(jì)了一種基于硅通孔工藝的寬帶毫米波垂直過渡傳輸結(jié)構(gòu)，傳輸線采用的共面波導(dǎo)（Coplanar Waveguide，CPW）傳輸。在該結(jié)構(gòu)中，硅通孔是通過半導(dǎo)體后道工藝制作的銅填充實(shí)心硅通孔;射頻信號(hào)傳輸線和信號(hào)TSV過孔的四周在硅基板上表面都布滿地，上表面地與下表面的地平面在信號(hào)傳輸線兩側(cè)通過TSV陣列形式互連。此過渡是正面共面波導(dǎo)到背面共面波導(dǎo)的垂直通孔過渡的對(duì)稱形式，如圖1所示。

在硅通孔工藝的垂直互連設(shè)計(jì)中，傳輸線在互連過渡時(shí)一般會(huì)產(chǎn)生突變，不連續(xù)性會(huì)引起寄生效應(yīng)。通過對(duì)圖2所示的過渡等效電路模型可知，垂直互連通孔引入了通孔寄生電感Lvia，電容CCPW1和CCPW2分別是由共面波導(dǎo)與地造成的寄生電容。為了消除或盡量抑制這些寄生效應(yīng)，需要在實(shí)際建模時(shí)對(duì)傳輸線尺寸在各過渡段對(duì)尺寸優(yōu)化分析。同時(shí)為了防止信號(hào)的輻射和泄露，引導(dǎo)電磁場(chǎng)信號(hào)傳輸，在垂直信號(hào)通孔周圍和共面波導(dǎo)線側(cè)邊分別引入了金屬屏蔽通孔，以連通短接帶狀線上下金屬地板，同時(shí)有效抑制由于不連續(xù)性激發(fā)的寄生平行板模式。

根據(jù)以上的過渡結(jié)構(gòu)和傳輸原理分析，開展進(jìn)行寬帶毫米波垂直互聯(lián)傳輸設(shè)計(jì)。硅轉(zhuǎn)接板工藝中采用30um×200um高徑深完全填充的TSV型生胚材料，硅轉(zhuǎn)接板相對(duì)介電常數(shù)為11.9，建立模型如圖3所示。50歐姆共面波導(dǎo)線的線寬設(shè)計(jì)為100μm，信號(hào)線與兩側(cè)的地間距均為100μm。

信號(hào)過孔的端部采用容性補(bǔ)償設(shè)計(jì)，抵消垂直互連金屬過孔串聯(lián)的電感效應(yīng)，在正反面微帶線兩側(cè)的接地通孔，可以有效抑制寄生模式，消除諧振，提高截止頻率，改良電路傳輸性能。

2結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于硅通孔工藝的寬帶毫米波垂直過渡， 給出了設(shè)計(jì)、工藝制作和測(cè)試結(jié)果。通過基于硅通孔的互連設(shè)計(jì)和傳輸性能的測(cè)試分析，基于半導(dǎo)體后道的TSV實(shí)心填銅工藝制作的傳輸結(jié)構(gòu)能具有較好的垂直傳輸性能，在毫米波頻段內(nèi)，單個(gè)TSV 垂直過孔插入損耗S21≤0.055dB，可以滿足微系統(tǒng)集成要求。

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作者簡(jiǎn)介

金來福（1989-），男，安徽桐城人;學(xué)歷：研究生，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，研究方向：微波毫米波電路。