CN113097183B - 一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高密封装技术领域，具体为一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构。本发明结构通过信号传输装置、设置在上层转接板的TSV准同轴结构、下层转接板的TSV准同轴结构、以及BGA焊球完成信号传输，实现垂直互连。由于信号在传输过程中，转接板TSV(硅通孔)上的电流在上、下两层转接板之间会激励起径向波，该径向波会与TSV(硅通孔)中传输的TEM波相互耦合，影响其应用范围；因此在信号传输装置两侧各设有的一列等距离排列的TSV铜柱以减小信号在传输过程中出现的电磁干扰，进一步拓宽使用频率范围。与现有技术相比，本发明结构能够在0‑40Ghz的频率范围实现良好的三维连接；其结构简单、成本低。
Description
技术领域
本发明属于高密封装技术领域，具体为一种基于硅通孔(Through Silicon Via，TSV)的射频垂直互连传输结构。
背景技术
在工程设计以及学术研究过程中发现，通过减小特征尺寸，能够有效提高芯片集成度，促使超大规模集成电路不断发展。而随着集成电路工业的发展，影响电路系统延时的主要因数已经由逻辑门延时变为快速增长的互连线之间的延时。
传统的典型2D封装是将不同的芯片或功能器件置于同一块基板上，之间的信号连接通过引线键合。该方案的优点是制作简单，成本低。缺点是互连数目受限，较长的引线将带来更大的功耗。
为克服传统封装中存在的问题，现有技术提出了3D封装。这种封装技术的关键点在于垂直互连结构。垂直互连结构的实现形式大多基于LTCC(低温共烧陶瓷)封装技术，通过微带线、带状线、类同轴结构、以及BGA球之间的过渡连接，实现二维微波模块的三维垂直互连。由于该结构的设计仅针对ku波段进行，因此限制了其应用范围。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，以解决现有的垂直互连结构应用范围有限即只能应用在ku波段的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，包括：上层转接板、下层转接板、以及设置在上层转接板和下层转接板之间的BGA焊球；
所述上层转接板设有硅通孔(TSV)结构和信号传输装置；TSV结构是由中心TSV铜柱和以中心TSV铜柱为轴等距离环设的n个TSV铜柱构成的TSV准同轴结构；中心TSV铜柱为微波信号垂直互连传输线，等距离环设的n个TSV铜柱为地信号连接线；信号传输装置连接中心TSV铜柱，其中n≥6，信号传输装置沿信号输出方向的两侧各设有一列等距离排列的TSV铜柱；
下层转接板与上层转接板结构相同；两层转接板的中心TSV铜柱位置相互对准，并通过BGA焊球实现垂直互连。
进一步的，所述信号传输装置为共面波导，该共面波导包括导带和位于导带两侧的接地金属板；导带与中心TSV铜柱相连，以实现信号传输；两侧的接地金属板与位于同一侧的的TSV铜柱相连，以实现TSV铜柱产生的耦合电流导出。
进一步的，为使整个结构的噪声耦合最小，除中心TSV铜柱外，所述相邻两个TSV铜柱的圆心距设为0.28cm～0.32cm。
进一步的，由于射频环境中转接板易受磁场入侵，从而影响应用频率范围。为避免该问题，所述上层转接板和下层转接板采用电阻率2000～2500欧姆的硅材料制成。
进一步的，所述TSV准同轴结构与BGA球采用焊接实现连接。
本发明提供的一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，通过信号传输装置、设置在上层转接板的TSV准同轴结构、下层转接板的TSV准同轴结构、以及BGA焊球完成信号传输，实现垂直互连。由于信号在传输过程中，转接板TSV(硅通孔)上的电流在上、下两层转接板之间会激励起径向波，该径向波会与TSV(硅通孔)中传输的TEM波相互耦合，影响其应用范围；为解决这一问题，本发明在信号传输装置两侧各设有的一列等距离排列的TSV铜柱以减小信号在传输过程中出现的电磁干扰，进一步拓宽使用频率范围。与现有技术相比，本发明结构能够在0-40Ghz的频率范围实现良好的三维连接；其结构简单、成本低、可广泛用于SIP封装应用中。
附图说明
图1为实施例结构示意图；
图2为实施例俯视图；
图3为实施例BGA准同轴结构俯视图；
图4为实施例仿真结果图；
附图标记：100-上层共面波导，101-上层高阻硅基板，102-上层硅通孔，103-BGA屏蔽半径，104-BGA，105-下层高阻硅基板，106-下层硅通孔，107-下层共面波导，108-上层硅通孔，109-下层硅通孔，a-BGA焊球直径，b-焊球所围内切圆直径。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示，一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，包括：上层转接板、下层转接板、以及设置在上层转接板和下层转接板之间的BGA焊球。所述上层转接板设有硅通孔(TSV)结构和一个共面波导；TSV结构是由中心TSV铜柱和以中心TSV铜柱为轴等距离环设的n个TSV铜柱构成的TSV准同轴结构。其中，中心TSV铜柱为微波信号垂直互连传输线，等距离环设的8个TSV铜柱为地信号连接线。由于TSV结构传输波为TEM波，为减少信号串扰，本实施采用共面波导作为信号的传输结构，共面波导包括导带和位于导带两侧的接地金属板；导带与中心TSV铜柱相连，以实现信号传输。下层转接板与上层转接板结构相同；两层转接板上的中心TSV铜柱位置相互对准，并通过BGA焊球将上、下两层转接板的TSV准同轴结构进行焊接，实现垂直互连。在本实施例中，所有的TSV铜柱直径相同，顶端和底端均与所在层的硅基板齐平。
图3为BGA焊球准同轴结构俯视图，如图3所示，BGA焊球与TSV准同轴结构结构相同，其顶端与上层转接板的下表面齐平，其底端与下层转接板的上表面齐平，并依据上层TSV准同轴结构的8个TSV铜柱位置、下层TSV准同轴结构的8个TSV铜柱位置设置同心焊盘，然后将BGA球与焊盘进行焊接，实现BGA球与TSV准同轴结构的垂直互连。需要说明的是，BGA焊球直径a小于焊球所围内切圆直径b。为了简化工艺，本实施例连接中心焊球即可。
使用时，上层转接板信号输入后从上层转接板的共面波导100传输至TSV结构102的中心TSV铜柱，紧接着到达BGA焊球104的中心焊球处，然后向下传输至上层转接板105的TSV结构106的中心TSV铜柱，最后经下层高阻硅基板的共面波导107输出。
为避免磁场引起高额损耗、降低电感，本实例中，上层转接板和下层转接板均采用电阻为2000Ω的高阻硅制成，该高阻硅的热膨胀系数为8-10，介电常数为11.9，介电损耗0.002。为了克服结构中出现的电磁干扰问题，共面波导信号传输方向两侧各设有一列等距离排列的TSV铜柱，TSV铜柱与共面波导接地金属板相连；这样的设置是为了将共面波导两侧TSV铜柱中产生的耦合电流导出，提升传输速率。需要注意的是，共面波导的导带不能与其两侧的TSV铜柱接触，导带与共面波导两侧的TSV铜柱距离优选为0.28cm-0.32cm；这样的距离设置一方面克服了TSV铜柱影响信号传输的速率的影响，另一方面有效屏蔽了共面波导在信号传输的过程中产生干扰信号。
此外，由于相邻两TSV铜柱产生的噪声耦合会影响信号传输的稳定性，为解决这一问题，将相邻两个TSV铜柱间的距离设为160μm-170μm。
实施例1
为更清楚的说明本发明的优点，按照上述内容制作本发明提供的基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，并对其进行仿真。该结构涉及参数如下：上层转接板的厚度选取为0.15mm，下层转接板的厚度选取为0.20mm；上转接板长与下层转接板的长相等都是5cm；上转接板长与下层转接板的宽均为4cm。所有TSV铜柱直径相同，均为40μm；除中心TSV铜柱外，其余TSV铜柱中，相邻两TSV铜柱距离设为0.30cm。所有BGA焊球相同尺寸，每个BGA焊球的半径为0.075mm，实际操作时，BGA焊球选用直径为0.15mm的球形，上下各切掉10％的高度来模拟真实的BGA焊球回流焊后的形状，BGA焊球内切圆直径为0.38mm。
图4为实施例仿真结果图，由图4可知，该垂直互连结构在0GHz-40GHz时回波损耗小于-20dB，即使在23GHz-36GHz时回波损耗快速增大，回波损耗也小于-20dB。由此可见，这种垂直互连结构还可以用到毫米波频段。
综上所述，本发明通过采用电阻为2000Ω的硅材料制作的转接板，避免了射频环境中的磁场入侵；通过在信号传输装置两侧各设置了一列的TSV铜柱，使信号传输过程中的电磁干扰能够有效得到屏蔽，配合接地金属板，实现两侧TSV铜柱中相邻两个TSV铜柱产生的耦合电流导出。与现有技术相比，本发明的垂直互连结构在0GHz-40GHz射频范围内都能有效的进行信号传输，且信号传输稳定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、内容和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，包括：上层转接板、下层转接板、以及设置在上层转接板和下层转接板之间的BGA焊球，其特征在于：
所述上层转接板设有硅通孔TSV结构和信号传输装置；TSV结构是由中心TSV铜柱和以中心TSV铜柱为轴等距离环设的n个TSV铜柱构成的TSV准同轴结构；中心TSV铜柱为微波信号垂直互连传输线，等距离环设的n个TSV铜柱为地信号连接线；信号传输装置连接中心TSV铜柱，其中n≥6；信号传输装置沿信号输出方向的两侧各设有一列等距离排列的TSV铜柱；信号传输装置中相邻两个 TSV 铜柱间的距离设为 160µm-170µm；所述TSV结构中，除中心TSV铜柱外，所述相邻两个TSV铜柱的圆心距设为0.28cm～0.32cm；
下层转接板与上层转接板结构相同；两层转接板的中心TSV铜柱位置相互对准，并通过BGA焊球实现垂直互连。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，其特征在于：所述信号传输装置为共面波导，该共面波导包括导带和位于导带两侧的接地金属板；导带与中心TSV铜柱相连，以实现信号传输；两侧的接地金属板与位于同一侧的的TSV铜柱相连，以实现TSV铜柱产生的耦合电流导出。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔的射频垂直互连传输结构，其特征在于：上层转接板和下层转接板采用电阻率2000～2500欧姆的硅材料制成。
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