CN113113753A - 一种基于硅通孔技术的定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅通孔技术的定向耦合器，包括从上至下依次设置的上氧化层、硅衬底及下氧化层，硅衬底的中心处分别沿竖直方向设置有相互平行的TSV‑I和TSV‑II，TSV‑I的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL‑I和下层RDL‑I，TSV‑II的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL‑II和下层RDL‑II；TSV‑I和TSV‑II的铜柱外壁均包覆有氧化隔离层，掩埋于硅衬底中。本发明采用硅通孔技术大大缩小了传统微带定向耦合器的体积，实现了耦合器的小型化，且具有较好的高频特性，可以在太赫兹频率下工作。

Description

一种基于硅通孔技术的定向耦合器
技术领域
本发明属于三维集成电路技术领域，涉及一种基于硅通孔技术的定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是微波系统中可实现定向耦合的无源微波器件，在功率测量、功率监测、功率分配与合成等微波毫米波领域得到广泛的应用。由此可见定向耦合器在微波系统的构成中发挥着举足轻重的作用，在射频电路设计中被用于功率的分配或组合。定向耦合器是四端口器件，具有无耗互易以及四个端口均匹配的特点，主要以隔离度、耦合度和方向性三个参数进行度量。
近些年各种各样的耦合器结构出现在人们的视野中，例如：波导型、带状线或者微带线型耦合器。为适应现代通信系统发展对电路结构小型化以及多频带的需求，与平面传输线相结合具有宽带多频带的各种耦合器得到了大量的研究和开发，不但在很大程度上简化了电路结构，同时还在通信系统的小型化、低损耗、低成本等方面也体现出显著优势，因此，越来越多的国内外学者投入精力于耦合器设计的开发中。
定向耦合器应用范围广泛，种类繁多，但在某些场合，对其各种性能的要求更是十分苛刻。需要综合考虑实际应用场景和相应技术指标要求，结合成本、物理结构、加工工艺等各种因素，对定向耦合器进行有效性设计，使其在不干扰原有系统的条件下，髙效稳定的工作。雷达系统、微波馈线、功率计等关键设备仪器的制造趋于小型化，对定向耦合器的空间尺寸提出更高的要求。因此，对小型化高性能定向耦合器的研究具有实际应用价值和意义。随着TSV技术的出现将集成电路的发展带入了三维时代。作为三维集成电路的关键技术，TSV技术具有微型化、可集成和可靠性好等特点，现在已经不仅被应用到了3-DIC中，而且也被应用到了无源器件的设计和制造中。因为传统的无源器件物理尺寸大,无法与电路集成，导致射频电路的微型化和集成问题一直是一个难以克服的问题。随着TSV的出现，人们也注意到了TSV无源器件的可行性。近些年来TSV(硅通孔)技术也被用于制作集成无源器件，因此，设计一种利用TSV技术以实现定向耦合器的小型化和较好的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于硅通孔技术的定向耦合器，该耦合器采用硅通孔技术大大缩小了传统微带定向耦合器的体积，实现了耦合器的小型化。
本发明所采用的技术方案是，一种基于硅通孔技术的定向耦合器，包括从上至下依次设置的上氧化层、硅衬底及下氧化层，硅衬底的中心处分别沿竖直方向设置有相互平行的TSV-I和TSV-II，TSV-I的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL-I和下层RDL-I，TSV-II的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL-II和下层RDL-II。
本发明的结构特点还在于：
上氧化层、硅衬底及下氧化层均为长方体状结构。
上层RDL-I和上层RDL-II均掩埋在上氧化层的内部，下层RDL-I和下层RDL-II均掩埋在下氧化层的内部。
TSV-I包括沿竖直方向设置在硅衬底中的TSV-I铜柱，TSV-I铜柱的外部同轴包覆有氧化隔离层；
TSV-II包括沿竖直方向设置在硅衬底中的TSV-II铜柱，TSV-II铜柱的外部同轴包覆有氧化隔离层。
TSV-I铜柱的上端与上层RDL-I的一端连通，上层RDL-I的另一端为定向耦合器的输入端；
TSV-I铜柱的下端与下层RDL-I的一端连通，下层RDL-I的另一端为耦合器的直通端；
TSV-II铜柱的上端与上层RDL-II的一端连通，上层RDL-II的另一端为定向耦合器的耦合端；
TSV-II铜柱的下端与下层RDL-II的一端连通，下层RDL-II的另一端为定向耦合器的隔离端。
氧化隔离层的材料为二氧化硅。
上层RDL-I、下层RDL-I、上层RDL-II及下层RDL-II均采用金属铜材料。
本发明的有益效果是，本发明通过两个TSV之间的耦合和TSV的优良电学特性，不仅大大的缩小了传统微带定向耦合器的体积，实现了小型化，而且可以实现在太赫兹领域具有较好的耦合度，隔离度以及方向性。该耦合器实现了中心频率为931.5GHz，在频带范围930.0-931.5GHz,输入输出反射系数小于-30dB；插入损耗大于-1.0dB；隔离度大于30dB,最大可以达到38.21dB；耦合度大于10dB,最大可以达到20.23dB；方向性大于20dB,最高可以达到26.77dB，相对于传统结构的十几dB，性能有了很大的提升。总体来说本结构在小型化的基础上能较好的实现定向耦合器的功能。
附图说明
图1是本发明一种基于硅通孔技术的定向耦合器的结构示意图；
图2是本发明一种基于硅通孔技术的定向耦合器中上层RDL-I、下层RDL-I、上层RDL-II及下层RDL-II连接的结构示意图。
图3(a)～(c)是本发明一种基于硅通孔技术的定向耦合器关于隔离度、耦合度及方向性的仿真效果图。
图中，1.上层RDL-I，2.下层RDL-I，3.上层RDL-II，4.下层RDL-II，5.氧化隔离层，6.TSV-I铜柱，7.硅衬底，8.上氧化层，9.TSV-II铜柱，10.下氧化层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于硅通孔技术的定向耦合器，如图1、2所示，包括从上至下依次设置的上氧化层8、硅衬底7及下氧化层10，硅衬底7的中心处分别沿竖直方向设置有相互平行的TSV-I铜柱6和TSV-II铜柱9，TSV-I铜柱6的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL-I1和下层RDL-I2，TSV-II铜柱9的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL-II3和下层RDL-II4；TSV-I铜柱6和TSV-II铜柱9的外壁均包覆有氧化隔离层5。上氧化层8、硅衬底7及下氧化层10均为长方体状结构。上层RDL-I1和上层RDL-II3均掩埋在上氧化层8的内部，下层RDL-I2和下层RDL-II4均掩埋在下氧化层10的内部。
上氧化层8和下氧化层10均采用二氧化硅材料。
上层RDL-I1为耦合器的输入臂，下层RDL-I2为耦合器的直通臂，上层RDL-II3为耦合器的耦合臂，下层RDL-II4为耦合器的隔离臂。
TSV-I铜柱6的上端与上层RDL-I1的一端连通，上层RDL-I1的另一端为定向耦合器的输入端；
TSV-I铜柱6的下端与下层RDL-I2的一端连通，下层RDL-I2的另一端为耦合器的直通端；
TSV-II铜柱9的上端与上层RDL-II3的一端连通，上层RDL-II3的另一端为定向耦合器的耦合端；
TSV-II铜柱9的下端与下层RDL-II4的一端连通，下层RDL-II4的另一端为定向耦合器的隔离端。
氧化隔离层5的材料为二氧化硅。
上层RDL-I1、下层RDL-I2、上层RDL-II3及下层RDL-II4均采用金属铜材料。
定向耦合器的输入臂、直通臂、耦合臂、隔离臂，分别采用上下两层重新布线层(Redistribution layer，RDL)结构(本申请中“RDL”中的“I”、“II”只是为了对不同层的RDL进行区分，没有其它含义)，竖直方向采用TSV-I、TSV-II作为耦合线(本申请中“TSV”中的“I”、“II”只是为了区分两个TSV，没有其他含义)，与上下的RDL一起实现耦合器的功能。该定向耦合器为反向耦合器，为严格的对称结构，所有具有对称结构的四端口网络都可以采用奇偶模的方法进行分析。基于该理论，当耦合线长度为1/4波长的时候传输信号在隔离臂进行抵消，在耦合臂进行叠加以此实现定向耦合器的功能。其中耦合线采用一对圆柱形TSV(圆柱形TSV由铜柱和外层氧化隔离层组成)实现，即图中氧化隔离层5、TSV-I铜柱6构成TSV-I，氧化隔离层5、TSV-II铜柱9构成TSV-II,一般TSV-I、TSV-II的高度为50～100μm，直径5～10μm，RDL厚度3μm，宽度5～10μm。以如下的尺寸为例：TSV I6、TSV-II9直径为6μm，氧化隔离层5厚度为0.25μm，TSV I6、TSV II9之间间距为5μm；上层RDL-I1、下层RDL-I2、上层RDL-II3、下层RDL-II4的尺寸为：宽6μm，长60μm，厚3μm；上氧化层8一般采用二氧化硅材料，厚度为12μm，长240μm，宽125μm；硅衬底长240μm，宽125μm，高100μm。以结构左侧为例，上层RDL-I1、下层RDL-I2及TSV-I组成主传输线1-2，同理右侧：上层RDL-II3、下层RDL-II4及TSV-II组成副传输线3-4。两传输线通过TSV之间的缝隙进行耦合。当信号从输入端口输入时，一部分信号沿着主传输线1-2传输，一部分通过缝隙耦合到副传输线3-4上。耦合包括电场耦合和磁场耦合，通过电场耦合到副线上的电流分别向耦合端和隔离端传输，而通过磁场耦合到副线的电流只向耦合端传输。两种电流在耦合端同向相加，在隔离端反向相减。在理想情况下隔离端无输出，只有直通端和耦合端有输出，从而构成反向定向耦合器。
图3是本发明一种基于硅通孔技术的定向耦合器的一种实施方式的性能指标，其中图3(a)是在920～940GHz频带范围下耦合器的隔离度，由图可知隔离度可以达到30dB以上，在频率为930.80GHz隔离度最大，为38.21dB；图3(b)是定向耦合器在该频段的耦合度，由图耦合度可以达到18dB,在936.65GHz频率时耦合度最大，为20.23dB；图3(c)是定向耦合器在该频段的方向性超过25dB,在频率为930.80GHz时方向性为26.84dB。
本发明一种基于硅通孔技术的定向耦合器的特点为：
该定向耦合器采用硅基衬底，与现有普遍的硅工艺产品相兼容，不仅可作为单独元器件使用，也可以作为三维集成的转接板，使芯片通过该基板上的RDL层进行互联,并通过TSV垂直互联进行层间信号传输，进一步实现高集成度的三维叠层封装。
工艺尺寸大小为微米量级，可以实现太赫兹的高频下工作。由于太赫兹波处于电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊位置，相比于其它频段具有很多优越的特性，在遥感通信、空间安全以及医学成像等领域都有十分广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种基于硅通孔技术的定向耦合器，其特征在于：包括从上至下依次设置的上氧化层、硅衬底及下氧化层，硅衬底的中心处分别沿竖直方向设置有相互平行的TSV-I和TSV-II，TSV-I的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL-I和下层RDL-I，TSV-II的上下两端分别沿水平方向设置有上层RDL-II和下层RDL-II。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔技术的定向耦合器，其特征在于：所述上氧化层、硅衬底及下氧化层均为长方体状结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔技术的定向耦合器，其特征在于：所述上层RDL-I和上层RDL-II均掩埋在上氧化层的内部，下层RDL-I和下层RDL-II均掩埋在下氧化层的内部。
4.根据权利要求3所述的一种基于硅通孔技术的定向耦合器，其特征在于：所述TSV-I包括沿竖直方向设置在硅衬底中的TSV-I铜柱，TSV-I铜柱的外部同轴包覆有氧化隔离层；
所述TSV-II包括沿竖直方向设置在硅衬底中的TSV-II铜柱，TSV-II铜柱的外部同轴包覆有氧化隔离层。
5.根据权利要求4所述的一种基于硅通孔技术的定向耦合器，其特征在于：所述TSV-I铜柱的上端与上层RDL-I的一端连通，上层RDL-I的另一端为所述定向耦合器的输入端；
所述TSV-I铜柱的下端与下层RDL-I的一端连通，下层RDL-I的另一端为所述耦合器的直通端；
所述TSV-II铜柱的上端与上层RDL-II的一端连通，上层RDL-II的另一端为所述定向耦合器的耦合端；
所述TSV-II铜柱的下端与下层RDL-II的一端连通，下层RDL-II的另一端为所述定向耦合器的隔离端。
6.根据权利要求4所述的一种基于硅通孔技术的定向耦合器，其特征在于：所述氧化隔离层的材料为二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的一种基于硅通孔技术的定向耦合器，其特征在于：所述上层RDL-I、下层RDL-I、上层RDL-II及下层RDL-II均采用金属铜材料。
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