基于硅通孔工藝的寬帶毫米波傳輸設計

金來福 林蒙 桂勇鋒

摘 要 硅通孔技術是當前在微波毫米波三維集成微系統領域的重點研究方向之一， 本文基于現有的硅通孔工藝技術開展寬帶毫米波垂直傳輸結構的設計，運用三維電磁場仿真軟件對該垂直過渡結構進行了建模， 并作優化設計與仿真計算， 運用高徑深比通孔填銅工藝和多層鍵合工藝完成樣品研制。借助于去嵌入校準方法完成在片測試，結果表明該設計性能良好，具有很好帶寬和平坦的幅度響應，實現了基于硅通孔垂直互聯的低損耗傳輸。

關鍵詞 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技術發展的基礎，以三維微波、毫米波集成電路為主要內容之一的系統級集成（系統級封裝） 技術已成為研究熱點， 在三維結構內更加傾向于有源器件與無源電路的系統級混合集成， 而三維集成電路需要研究的關鍵問題之一是垂直互連傳輸技術。

相比于傳統的多層基板應用，硅轉接板技術因為采用半導體工藝而具有更高的精度優勢[1]。TSV通孔技術由于其能夠有效地縮短互連長度、提高互連性能而應用于各類低頻電子線路，該項技術極大地提高了數字集成電路的集成度，同時在微波毫米波領域，TSV垂直通孔能夠實現信號的垂直傳輸，是微波電路三維集成的關鍵技術[2]。在多芯片電路中的信號完整性與電磁兼容問題引起了廣泛關注[3]。

本文采用硅轉接板中硅通孔工藝技術研制了一種工作于毫米波段的寬帶垂直過渡，運用三維電磁仿真分析軟件對該過渡進行了優化設計。

1硅通孔（TSV）傳輸結構設計

微波毫米波系統中使用到的垂直過渡主要有電磁耦合[4]與直接耦合[5]，均能實現寬帶和低插損特性。本文采用了類同軸結構直接耦合的垂直過渡形式，設計了一種基于硅通孔工藝的寬帶毫米波垂直過渡傳輸結構，傳輸線采用的共面波導（Coplanar Waveguide，CPW）傳輸。在該結構中，硅通孔是通過半導體后道工藝制作的銅填充實心硅通孔;射頻信號傳輸線和信號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傳輸線兩側通過TSV陣列形式互連。此過渡是正面共面波導到背面共面波導的垂直通孔過渡的對稱形式，如圖1所示。

在硅通孔工藝的垂直互連設計中，傳輸線在互連過渡時一般會產生突變，不連續性會引起寄生效應。通過對圖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分別是由共面波導與地造成的寄生電容。為了消除或盡量抑制這些寄生效應，需要在實際建模時對傳輸線尺寸在各過渡段對尺寸優化分析。同時為了防止信號的輻射和泄露，引導電磁場信號傳輸，在垂直信號通孔周圍和共面波導線側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，同時有效抑制由于不連續性激發的寄生平行板模式。

根據以上的過渡結構和傳輸原理分析，開展進行寬帶毫米波垂直互聯傳輸設計。硅轉接板工藝中采用30um×200um高徑深完全填充的TSV型生胚材料，硅轉接板相對介電常數為11.9，建立模型如圖3所示。50歐姆共面波導線的線寬設計為100μm，信號線與兩側的地間距均為100μm。

信號過孔的端部采用容性補償設計，抵消垂直互連金屬過孔串聯的電感效應，在正反面微帶線兩側的接地通孔，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結束語

本文設計了一種基于硅通孔工藝的寬帶毫米波垂直過渡， 給出了設計、工藝制作和測試結果。通過基于硅通孔的互連設計和傳輸性能的測試分析，基于半導體后道的TSV實心填銅工藝制作的傳輸結構能具有較好的垂直傳輸性能，在毫米波頻段內，單個TSV 垂直過孔插入損耗S21≤0.055dB，可以滿足微系統集成要求。

參考文獻

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作者簡介

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