用于系統級封裝的毫米波介質填充波導的研究

王啟東+Daniel+Guidotti+曹立強+萬里兮+葉甜春

摘 要： 基于不斷發展的系統級封裝技術，提出了一種用于芯片間高速互連的新型可集成的物理器件：硅基毫米波介質填充波導。文中闡述了該器件的物理原理，采用建模、仿真相結合的方法對該模塊進行了結構設計，利用新的設計思路結合半導體工藝解決了毫米波互連結構內部的反射、電壓駐波比（VSWR）、信號耦合、準TEM?TE?準TEM轉換傳輸問題以及毫米波互連結構陣列中信號泄露的問題，并利用半導體與MEMS加工工藝加以實現。測試結果表明寬度為680 μm的單通道矩形波導，-10 dB帶寬為9.8 GHz，相對帶寬為12.56%；傳輸損耗為1 dB/cm，工作頻帶內相鄰波導之間串擾低于-40 dB，可以形成大陣列并進行集成，從而實現芯片間數據的并行傳輸。

關鍵詞： 毫米波； 介質填充波導； 芯片間互連； 系統級封裝

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0083?04

Research on millimeter?wave dielectric filled rectangular waveguide for system?in?package

WANG Qi?dong1， 2， Daniel Guidotti1， 2， 3， CAO Li?qiang1， 2， WAN Li?xi1， 2， YE Tian?chun1， 2

（1. Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；

2. National Center for Advanced Packaging （NCAP China）， Wuxi 214135， China； 3. Georgia Institute of Technology， Atlanta， USA）

Abstract： With the boost of system?in?package （SiP） technology， a brand new physical component for chip?to?chip high?speed interconnection is proposed in this paper. The physical principle is described. The method to combine the modeling with simulation was used to design the structure of the module. In combination with the semiconductor technology， the new design method is utilized to solved the problems of reflection inside millimeter wave interconnection structure， VSWR （voltage standing wave ratio）， signal coupling， quasi TEM?TE?quasi TEM transition and signal leakage in millimeter wave interconnection structure array. The state?of?art planar semiconductor process and MEMS process are applied to the implementation of the component. The testing result indicates the single channel rectangular waveguide with width of 680 um has -10 dB bandwidth at 9.8 GHz， the relative bandwidth is 12.56%， transmission loss is 1dB/cm， and the crosstalk between adjacent channels is below -40 dB. The silicon filled rectangular waveguides are able to be integrated into big array to realize the high bandwidth parallel communication from chip to chip.

Keywords： millimeter wave； dielectric filled waveguide； chip to chip interconnection； system?in?package

0 引 言

高速電路信號傳輸的碼率在過去幾十年中不斷增加，上升沿越來越陡直，這意味著信號中的高頻分量也在不斷提升，其對應的波長已經與封裝尺寸接近。由于超級計算機的處理器與內存之間存在大數據量傳輸的需求，世界范圍的重要研究機構先后加入高性能計算節點的內存墻解決方案的研究。研究熱點主要集中在內存架構的優化[1]、內存的新型封裝形式[2]、高速光學互連[3]、高速銅互連[4]、新型互連方式[5]等。隨著半導體加工工藝、MEMS工藝、三維堆疊技術的迅猛發展以及CMOS在毫米波波段顯示出的取代Ⅲ?Ⅴ族芯片的能力，結合毫米波高帶寬的優勢，我們提出了用于短距離高速連接的毫米波介質波導器件。該器件具備低損耗、互連結構間相互屏蔽、更小的特征尺寸和易于集成的特點。

1 硅基毫米波波導的設計

1.1 硅基填充的矩形波導

矩形波導是截面形狀為矩形的金屬波導管，波導內常填充空氣，[a，][b]分別表示波導內壁的寬邊和窄邊尺寸，所填充介質的介電常數為[ε，]磁導率為[μ，]如圖1所示。

圖1 矩形波導

在本文中，器件工作均在E波段（60～90 GHz）。毫米波矩形波導內TE20/TE01模出現的頻率點是基模TE10的2倍。因TE10模出現的頻點已經很高，在不考慮色散問題的情況下，矩形波導將有極大的帶寬用來進行調制后的單模信號傳輸。矩形波導中TE10模的截止頻率為：

[fc10=c2aμrεr=c2a?n]

式中：[εr]與[ur]分別是導體內填充介質的相對介電常數與相對磁導率；c為真空中光速。

該截止頻率主要與兩個參數有關，一是[cn，]即介質中波的傳播速度；另一個是波導的寬邊長度[a，]兩者為反比關系。選用高折射率的介電材料可以減小矩形波導的寬度，提高集成度。硅的折射率達到3.4，機械特性好，且可利用先進的半導體與MEMS加工工藝，是理想的矩形波導填充介質。本文利用高阻硅晶圓制備波導結構，材料在10 GHz時損耗角正切為0.001 2。

1.2 探針天線及饋入結構

芯片I/O端口的高速電信號傳輸常使用共面波導結構，其電磁場的模式為準TEM，而矩形波導的基模為TE10。本文設計了介質波導中的探針天線實現模式轉換，如圖2所示。為保證電連接，在探針結構的上方設置了尺寸略大于探針半徑的圓形焊盤。焊盤外是隔離區，該區域內不存在金屬；在隔離區的外側、硅的表面，制作覆蓋整條波導寬面與窄面的銅層；探針天線長度為[14]介質內波長，其數學處理方法與同軸饋線近似。

圖2 探針天線結構圖

根據圖3的數值仿真，可以看到在寬邊固定的情況下，天線輸入阻抗的實部[R]在截止頻率附近隨頻率的增加迅速減小；工作頻段內，阻抗的實部因為趨膚效應的關系，隨著頻率逐漸升高。輸入阻抗的虛部X同樣在截止頻率附近隨頻率的增加迅速減小，工作頻段內變化趨緩并顯示出線性趨勢。其電抗值可以通過調節探針的高度和波導的窄邊寬度實現。

圖3 探針天線輸入阻抗的實部與虛部隨波導窄邊寬度的變化

在70 GHz頻率下，硅基矩形波導中探針天線輸入阻抗約為5～10 Ω，而信號源的輸出阻抗一般為50 Ω，在波導的正面加入漸變的共面波導，以匹配兩端的阻抗。

1.3 相鄰波導防串擾結構

天線耦合結構在形式上相當于一個單極天線，其特點是幅射的電磁場不具備方向性，因此波導中的受激電場將同時沿著正向與反向傳播。由于波導直接在高阻硅襯底上制備，因此沿正向傳播的電磁場可以直接耦合至接收端的天線結構，而沿反向傳播的電磁場則進入襯底造成能量損耗。在E波段下，波導的近端串擾最高可達-3 dB，遠端串擾也會在-5 dB左右。本文在波導的兩個端面形成楔形結構，通過波導的截止特性阻止電磁場外泄，其中楔形結構的端面[T]與波導的端面相連，如圖4所示。

圖4 楔形結構示意圖

對楔形結構的長度tap_d，波導與晶圓連接端面寬度tap_w，楔形結構厚度tap_z進行參數優化，相鄰波導間的近端串擾在E波段（60～90 GHz）下，耦合功率最高時僅有-40 dB，遠端串擾為-42 dB。這說明在同一襯底上相鄰波導間的耦合能量得到極大的抑制，見圖5。

圖5 含有楔形結構的波導間串擾

1.4 波導整體建模

本文利用HFSS三維全波仿真軟件建立了硅基填充矩形波導的模型，見圖6。與傳輸性能相關的物理量包括：波導體的寬邊長度、窄邊長度，楔形結構的z方向長度、窄端面寬度，共面波導中信號線的初始寬度，漸變終止寬度、初始位置距漸變終止位置的長度、銅面厚度，探針天線的直徑、深度與捕捉焊盤直徑。

圖6 波導三維模型

2 波導陣列制備

經過多次流片，先后解決了厚膠光刻側壁定義、深槽深孔一次性刻蝕、深槽深孔金屬化、含有槽孔結構的晶圓表面金屬蝕刻等工藝難題，并研究了將干膜工藝帶入半導體加工的方法，最終形成了一套成熟的硅基毫米波介質填充波導的工藝制備流程，在此基礎上完成了波導陣列的制備。制備工藝流程如圖7所示。

圖8顯示了最終完成的波導結構的其中一端。

2 測試結果與集成演示

器件測試使用了中國計量研究院的Anritsu MS4647A網絡分析儀，搭配Anritsu 3743A擴頻器、網絡分析儀DC?70 GHz，通過擴頻模塊擴展至110 GHz，探針為Cascade 200 pitch GSG。探針與擴頻模塊通過同軸連接，由此可以測試DC?110 GHz內全頻段[S]參數，如圖9所示。

圖7 工藝流程

圖8 制備完畢的波導結構

圖9 S參數測試

從圖10（a）中S參數的測試結果可以看出，-10 dB帶寬為73.15～82.95 GHz，相對帶寬為12.56%。在該帶寬內，2 cm長的波導損耗約為2 dB，波導結構的單位長度損耗為1 dB/cm，與計算、仿真值基本一致；VSWR在該頻段內約為1.8。測試結果見圖10。

根據測試結果，該波導在16 QAM的調制方式下，有能力取得單通道40 Gb/s的單通道傳輸速率，遠高于目前銅線傳輸的極限。所制備的波導陣列可利用3D封裝的方法，使用倒裝焊技術，與含有調制/解調功能的有源芯片直接集成實現高速互連。

3 結 語

本文提出了硅基填充矩形波導的概念，通過理論計算與建模仿真，揭示了其內在的物理機制。將自由空間中的單極天線結構引入波導中，研究了探針天線在介質填充波導中的耦合方式。最后對器件進行了加工，獲得了一套成熟的硅基填充矩形波導陣列的工藝制備流程。器件的測試結果顯示：單通道的矩形波導寬度為680 μm，-10 dB帶寬達到9.8 GHz，相對帶寬達到12.56%；單位距離的損耗為1 dB/cm，工作頻帶內串擾低于-40 dB，可以形成大陣列并能夠在系統內集成，經過高階調制后可實現高帶寬數據的并行傳輸。

圖10 2 cm波導的S參數與VSWR測試結果

參考文獻

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圖7 工藝流程

圖8 制備完畢的波導結構

圖9 S參數測試

從圖10（a）中S參數的測試結果可以看出，-10 dB帶寬為73.15～82.95 GHz，相對帶寬為12.56%。在該帶寬內，2 cm長的波導損耗約為2 dB，波導結構的單位長度損耗為1 dB/cm，與計算、仿真值基本一致；VSWR在該頻段內約為1.8。測試結果見圖10。

根據測試結果，該波導在16 QAM的調制方式下，有能力取得單通道40 Gb/s的單通道傳輸速率，遠高于目前銅線傳輸的極限。所制備的波導陣列可利用3D封裝的方法，使用倒裝焊技術，與含有調制/解調功能的有源芯片直接集成實現高速互連。

3 結 語

本文提出了硅基填充矩形波導的概念，通過理論計算與建模仿真，揭示了其內在的物理機制。將自由空間中的單極天線結構引入波導中，研究了探針天線在介質填充波導中的耦合方式。最后對器件進行了加工，獲得了一套成熟的硅基填充矩形波導陣列的工藝制備流程。器件的測試結果顯示：單通道的矩形波導寬度為680 μm，-10 dB帶寬達到9.8 GHz，相對帶寬達到12.56%；單位距離的損耗為1 dB/cm，工作頻帶內串擾低于-40 dB，可以形成大陣列并能夠在系統內集成，經過高階調制后可實現高帶寬數據的并行傳輸。

圖10 2 cm波導的S參數與VSWR測試結果

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圖7 工藝流程

圖8 制備完畢的波導結構

圖9 S參數測試

從圖10（a）中S參數的測試結果可以看出，-10 dB帶寬為73.15～82.95 GHz，相對帶寬為12.56%。在該帶寬內，2 cm長的波導損耗約為2 dB，波導結構的單位長度損耗為1 dB/cm，與計算、仿真值基本一致；VSWR在該頻段內約為1.8。測試結果見圖10。

根據測試結果，該波導在16 QAM的調制方式下，有能力取得單通道40 Gb/s的單通道傳輸速率，遠高于目前銅線傳輸的極限。所制備的波導陣列可利用3D封裝的方法，使用倒裝焊技術，與含有調制/解調功能的有源芯片直接集成實現高速互連。

3 結 語

本文提出了硅基填充矩形波導的概念，通過理論計算與建模仿真，揭示了其內在的物理機制。將自由空間中的單極天線結構引入波導中，研究了探針天線在介質填充波導中的耦合方式。最后對器件進行了加工，獲得了一套成熟的硅基填充矩形波導陣列的工藝制備流程。器件的測試結果顯示：單通道的矩形波導寬度為680 μm，-10 dB帶寬達到9.8 GHz，相對帶寬達到12.56%；單位距離的損耗為1 dB/cm，工作頻帶內串擾低于-40 dB，可以形成大陣列并能夠在系統內集成，經過高階調制后可實現高帶寬數據的并行傳輸。

圖10 2 cm波導的S參數與VSWR測試結果

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