CN112615120A - 一种基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线 - Google Patents

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张硕
赵磊
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Abstract

本发明公开了一种基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，包括第一层硅基转接板、硅基转接板表面传输线、设置于第一层硅基转接板内部的TSV通孔、位于第一层硅基转接板上方的第二层硅基基板、位于第二层硅基基板上方的第三层硅基基板，设置于第二层硅基基板和第三层硅基基板内部的TSV光孔，第一层硅基转接板与第二层硅基基板之间设置第一键合层，第二层硅基基板与第三层硅基基板之间设置第二键合层。本发明设计的超宽带共面波导传输线具有损耗低、体积小、重量轻和高功率容量等特点，可广泛地应用于毫米波射频系统中。

Description

一种基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线
技术领域
本发明属于微波硅基三维集成电路领域，特别涉及了一种超宽带共面波导传输线。
背景技术
半导体产业发展的基础是在20世纪开发的技术上培育出来的，一种相对新的材料，称为硅的单晶体，在20世纪初曾被用于将无线电通信信号从交流转换为直流。半导体产业在20世纪50年代开始迅速增长为以硅为基础的产品化晶体管技术，紧接着，集成电路的概念应运而生，并扩展到如何在平面硅材料商互联不同的元件。电路集成直到今天在一块芯片上的器件数量仍在持续增长。集成电路的一个重要挑战就是半导体制造工艺的能力。大规模集成电路集成设计和制造集成电路所需的快速技术变化，导致了新设备和新工艺的不断引入。每隔18到24个月，半导体产业就引入新的制造技术。硅片制造技术的改变受到用户需求的驱使，要求更快、更可靠和成本更低的芯片。同时对器件体积小、性能高的要求也越来越迫切。
在传统的传输线设计中，常常采用微带线传输，其设计方法、传输模式简单，在5GHz以上等效为准TEM波，在低频段领域有着不可替代的优势，然而到了毫米波频段，微带线不再等效为准TEM波，在射频信号传输过程中，电磁波向外辐射，导致传输效率降低，Q值降低，因此微带线并不适合在毫米波频段使用。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，以满足毫米波射频信号传输过程中对信号完整性，低损耗、高集成度等方面的多重需求。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，包括第一层硅基转接板、硅基转接板表面传输线、设置于第一层硅基转接板内部的TSV通孔、位于第一层硅基转接板上方的第二层硅基基板、位于第二层硅基基板上方的第三层硅基基板，设置于第二层硅基基板和第三层硅基基板内部的TSV光孔，所述第一层硅基转接板与第二层硅基基板之间设置第一键合层，所述第二层硅基基板与第三层硅基基板之间设置第二键合层。
进一步地，所述第一层硅基转接板与第二层硅基基板通过晶圆级金铟键合工艺进行连接；所述第二层硅基基板与第三层硅基基板通过晶圆级金铟键合工艺进行连接。
进一步地，所述设置于第一层硅基转接板内部的TSV通孔通过金属化工艺将第一层硅基转接板的表层金属与底层接地金属进行连接。
进一步地，所述设置于第二层硅基基板和第三层硅基基板内部的TSV光孔通过硅基转接板表面传输线将第二层键合层与第一层硅基转接板的底层接地金属进行连接。
进一步地，所述硅基转接板表面传输线采用共面波导技术，并在射频信号输入输出端口处采用带状线匹配电路。
进一步地，所述第二层硅基基板和第三层硅基基板在射频信号输入输出端口进行挖腔处理，采用金丝键合技术与外部电路互联。
采用上述技术方案带来的有益效果：
（1）本发明采用的硅基封装基板基于半导体工艺加工，能够提供较高的布线精度，以便低损耗毫米波信号引出结构的设计，此外，在该基板表层使用共面波导技术设计传输线，共面波导的接地金属层通过TSV通孔与底层金属层互联，获得了良好的接地效果；
（2）本发明对第二、三层硅基基板做挖腔处理，两层的表面接地金属层通过TSV光孔与第一层接地金属层互联，对信号传输起到了一定的屏蔽作用；
（3）本发明通过带状线在输入输出端口对信号传输进行电路匹配，获得了低插入损耗，超宽带和低回波损耗等高性能指标；
（4）在本发明中，使用硅基三维集成技术设计了超宽带射频传输线，为在硅基内部封装一系列化合物芯片打下了坚实的基础，推动了硅基三维集成器件小型化高性能指标的进一步优化和发展，可以广泛应用在毫米波雷达射频前端。
附图说明
图1是本发明的三维立体图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是共面波导传输理论和带状线传输理论的分析图；
图4是本发明中带状线的结构图和俯视图；
图5是实施例中传输线S参数与频率关系图。
标号说明：1、传输线S参数与频率关系图；2、第二层硅基基板；3、第三层硅基基板；4、第一层硅基转接板内部的TSV通孔；5、硅基转接板表面传输线；6、第二层硅基基板和第三层硅基基板内部的TSV光孔；7、第一键合层；8、第二键合层。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明设计了一种基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，包括传输线S参数与频率关系图1、硅基转接板表面传输线5、设置于第一层硅基转接板内部的TSV通孔4、位于第一层硅基转接板上方的第二层硅基基板2、位于第二层硅基基板上方的第三层硅基基板3，设置于第二层硅基基板和第三层硅基基板内部的TSV光孔6，所述第一层硅基转接板1与第二层硅基基板2之间设置第一键合层7，所述第二层硅基基板2与第三层硅基基板3之间设置第二键合层8。
在本实施例中，优选地，所述第一层硅基转接板1为深宽比为300:80的硅基TSV转接板，基于半导体工艺加工对硅基转接板表面传输线5、封装基板下表面金属接地面以及设置于封装基板内部的TSV通孔4进行加工。
在本实施例中，优选地，所述第二层硅基基板2和第三层硅基基板3为深宽比为400:120的硅基TSV转接板，基于半导体工艺加工对封装基板上下表面金属面以及设置于封装基板内部的TSV光孔6进行加工。
在本实施例中，优选地，第一层硅基转接板2与第二层硅基基板3采用晶圆级金铟键合，金层厚度为3.3μm，铟层厚度为2.2μm，键合温度为190℃。第二层硅基基板与第三层硅基基板采用晶圆级金锡键合，金层厚度为3.3μm，锡层厚度为2.2μm，键合温度为290℃。晶圆级键合的时间、温度和压力需要经过大量的试验选择最佳值。
在本实施例中，优选地，所述硅基转接板表面传输线5所采用的传输线形式是共面波导传输方式，频率是2-18GHz，传输线线宽为130μm，线间距为80μm，TSV通孔的直径为80微米，深度为300μm。在输入输出端口处，由于第二层硅基基板2压在传输线5上，微带线的传输模式从准TEM波变为TEM波，因此使用带状线代替微带线来匹配电路。图3中的（a）和（b）分别示出了共面波导传输理论分析图和带状线传输理论分析图，
Figure 926068DEST_PATH_IMAGE002
为空气的相对介电常数，
Figure 780891DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 747579DEST_PATH_IMAGE006
为相应硅基板的相对介电常数。图4中的（a）和（b）分别示出了本实施例中带状线的结构图和俯视图。
图5示出了本实施提供的超宽带共面波导传输线S参数与频率关系图，本方案覆盖了2-18GHz频段，插入损耗在全频段内小于1dB，回波损耗在全频段小于-27dB，实现较好的毫米波电性能。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，其特征在于：包括第一层硅基转接板、硅基转接板表面传输线、设置于第一层硅基转接板内部的TSV通孔、位于第一层硅基转接板上方的第二层硅基基板、位于第二层硅基基板上方的第三层硅基基板，设置于第二层硅基基板和第三层硅基基板内部的TSV光孔，所述第一层硅基转接板与第二层硅基基板之间设置第一键合层，所述第二层硅基基板与第三层硅基基板之间设置第二键合层。
2.根据权利要求1所述基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，其特征在于：所述第一层硅基转接板与第二层硅基基板通过晶圆级金铟键合工艺进行连接；所述第二层硅基基板与第三层硅基基板通过晶圆级金铟键合工艺进行连接。
3.根据权利要求1所述基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，其特征在于：所述设置于第一层硅基转接板内部的TSV通孔通过金属化工艺将第一层硅基转接板的表层金属与底层接地金属进行连接。
4.根据权利要求1所述基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，其特征在于：所述设置于第二层硅基基板和第三层硅基基板内部的TSV光孔通过硅基转接板表面传输线将第二层键合层与第一层硅基转接板的底层接地金属进行连接。
5.根据权利要求1所述基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，其特征在于：所述硅基转接板表面传输线采用共面波导技术，并在射频信号输入输出端口处采用带状线匹配电路。
6.根据权利要求1所述基于硅基三维集成技术的超宽带共面波导传输线，其特征在于：所述第二层硅基基板和第三层硅基基板在射频信号输入输出端口进行挖腔处理，采用金丝键合技术与外部电路互联。
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