CN113113754B - 一种rdl电感补偿的硅通孔定向耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，包括硅衬底，沿硅衬底的中心轴线两侧分别对称设有通孔，两个通孔内分别采用铜材料填充，二氧化硅作为铜和硅衬底之间的隔离层，即TSV‑I和TSV‑II，TSV‑I的上端连接输入臂的一端，输入臂的另一端连接RDL电感I；TSV‑I的下端连接直通臂的一端，直通臂的另一端连接RDL电感II；TSV‑II的上端连接耦合臂的一端，耦合臂的另一端连接RDL电感III，TSV‑II的下端连接隔离臂的一端，隔离臂的另一端连接RDL电感IV；本发明解决了目前定向耦合器存在的耦合度、隔离度不高且调试困难、生产环节复杂的问题。

Description

一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器
技术领域
本发明属于三维集成电路技术领域，涉及一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器。
背景技术
定向耦合器是一种非常重要的微波元件，在实际工程中应用十分广泛。在相控阵雷达的监测系统中，监测阵面、T/R通道中标定网络定向耦合器的性能至关重要；射频测试系统中，定向耦合器在功率监控、频率和频谱检测、功率分配等系统中必不可少起到功率耦合的作用；在接收系统中，是平衡混频器和测量电桥的重要组成部分。在5G通信智能天线中，定向耦合器在阵列标校网络的阵列零值标定中起着重要作用。定向耦合器作为一种射频功率传输互易的四端口网络元件，其四个端口分别为主线输入端、主线输出端、耦合输出端和隔离输出端。定向耦合器的输入与输出之间除了满足规定的幅度关系外，还满足一定的方向性关系，可以将主线输入臂的入射电磁波功率按照一定的比例分配到直通输出臂和耦合输出臂上，而隔离输出臂基本上不会有功率输出。区分一个定向耦合器性能优劣，定量描述功能特性主要有隔离度、耦合度和方向性三个技术指标。
在实际应用中，定向耦合器的方向性制约着标校网络的灵敏度与检测精度，是重要的指标。而传统的带状线、悬置线、锯齿线等高定向耦合器，体积大、结构复杂不适用目前微波集成电路(MIC)和单片微波集成电路(MMIC)。微带线定向耦合器结构简单，易于嵌入微波和毫米波混合单片集成电路，是MMIC电路、毫米波系统的最佳选择，但微带定向耦合器的方向性却制约了系统的性能。在传统的微带线定向耦合器设计中，奇偶模之间不同的相位速度导致了较低的隔离度。目前实现定向耦合器方向性的方法主要是以定容补偿和带状线对称结构等方式来实现高方向性，但调试困难，生产环节复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器,解决了目前定向耦合器存在的耦合度、隔离度不高且调试困难、生产环节复杂的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，包括硅衬底，沿硅衬底的中心轴线两侧分别对称设有通孔，两个所述通孔内分别同轴设有TSV-I和TSV-II，TSV-I的上端连接输入臂的一端，输入臂的另一端上方设有RDL电感I；TSV-I的下端连接直通臂的一端，直通臂的另一端下方设有RDL电感II；
TSV-II的上端连接耦合臂的一端，耦合臂的另一端上方设有RDL电感III，TSV-II的下端连接隔离臂的一端，隔离臂的另一端下方设有RDL电感IV；
输入臂、RDL电感I、耦合臂、RDL电感III均掩埋在上氧化层内；
直通臂、RDL电感II、隔离臂及RDL电感IV均掩埋在下氧化层内。
本发明的特点还在于：
输入臂与RDL电感I之间、直通臂与RDL电感II之间、耦合臂与RDL电感III之间、隔离臂与RDL电感IV之间均采用金属柱连接。
TSV-I包括TSV-I铜柱，TSV-I铜柱的外壁同轴包覆有隔离层；
TSV-II包括TSV-II铜柱，TSV-II铜柱的外壁同轴包覆有隔离层。
隔离层采用的材料为二氧化硅。
输入臂、耦合臂、直通臂、隔离臂均采用RDL层。
RDL电感I、RDL电感II、RDL电感III、RDL电感IV的材料均为铜。
本发明的有益效果是，本发明使用了TSV技术，不仅可以实现高方向性，而且兼具结构简单、较好的高频特性、小尺寸、可集成等特点。通过对四个端口加RDL电感器的加载方式来提高定向耦合器的隔离度和耦合度。可以工作在0.9THz以上，耦合度可以达到65dB，隔离度超过85dB。
附图说明
图1是本发明一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器的结构示意图；
图2是本发明一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器中输入臂、直通臂、耦合臂及隔离臂连接的结构示意图；
图3(a)～(c)是本发明一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器的隔离度、耦合度及方向性的指标曲线图。
图中，1.输入臂，2.直通臂，3.耦合臂，4.隔离臂，5.TSV-I铜柱，6.隔离层，7.RDL电感I，8.RDL电感II，9.RDL电感III，10.RDL电感IV，11.金属柱，12.硅衬底，13.上氧化层，14.TSV-II铜柱，15.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RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，如图1、2所示，包括硅衬底12，沿硅衬底12的中心轴线两侧分别对称设有通孔(两个通孔即为硅通孔，硅通孔分别采用铜材料填充，二氧化硅作为铜和硅衬底之间的隔离层，即TSV-I，TSV-II)，两个通孔内分别同轴设有TSV-I铜柱5和TSV-II铜柱14，TSV-I铜柱5的上端连接输入臂1的一端，输入臂1的另一端上方设有RDL电感I7；TSV-I铜柱5的下端连接直通臂2的一端，直通臂2的另一端下方设有RDL电感II8；
TSV-II铜柱14的上端连接耦合臂3的一端，耦合臂3的另一端上方设有RDL电感III9，TSV-II铜柱14的下端连接隔离臂4的一端，隔离臂4的另一端下方设有RDL电感IV10；
输入臂1、RDL电感I7、耦合臂3、RDL电感III9均嵌装在上氧化层13内；
直通臂2、RDL电感II8、隔离臂4及RDL电感IV10均嵌装在下氧化层15内。
输入臂1与RDL电感I7之间、直通臂2与RDL电感II8之间、耦合臂3与RDL电感III9之间、隔离臂4与RDL电感IV10之间均采用金属柱11连接。
TSV-I铜柱5与TSV-II铜柱14的外部同轴包覆有隔离层6。
TSV-I铜柱5与隔离层6构成TSV-I；TSV-II铜柱14与隔离层6构成TSV-II。TSV中的“I”、“II”仅为了区分不同的TSV，不代表任何含义。
隔离层6采用的材料为二氧化硅。
输入臂1、耦合臂3、直通臂2、隔离臂4均采用RDL层。
RDL电感I7、RDL电感II8、RDL电感III9、RDL电感IV10的材料均为铜。
TSV-I铜柱5、TSV-II铜柱14均用于传输信号。隔离层采用二氧化硅，为了防止铜与硅衬底相互扩散；
金属柱11的材料为铜。
本发明一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，在应用TSV技术的基础上，对基于硅通孔的定向耦合器的四个端口进行感性加载。在传统的定向耦合器设计中，奇偶模之间不同的相位速度导致了较低的隔离度。本发明采用对称的RDL电感加载结构对硅通孔定向耦合器进行相位速度补偿。RDL电感器是基于重新布线层(Redistribution layer，RDL)的平面螺旋电感器，是当今先进封装技术的组成部分，TSV(Through Silicon Via，TSV，硅通孔)电感器和RDL电感器都是基于现有的工艺技术创造出来的可集成微型电感器。考虑到TSV电感器本身的耦合串扰，本发明中的感性负载采用RDL电感器实现。分别对定向耦合器的输入端、直通端、耦合端和隔离端进行感性加载。
RDL电感I7、RDL电感II8、RDL电感III、RDL电感IV10规格完全相同，其中金属线宽度为5μm，金属线间距为5μm，金属线厚度3μm，匝数为3，RDL电感I7、RDL电感III9掩埋在上氧化层13内部，RDL电感II8、RDL电感IV10掩埋在下氧化层15内部。主体部分采用基于TSV技术的定向耦合器实现，其中两个上层RDL和两个下层RDL分别作为定向耦合器的输入臂、直通臂、耦合臂和隔离臂，竖直方向采用一对圆柱形TSV(TSV-I和TSV-II)作为耦合线。TSV采用金属铜进行填充，绝缘层采用SiO2材料将硅衬底和填充的导电材料之间进行分离。TSV-I和TSV-II规格完全相同，其中直径为6μm，隔离层6厚度为0.25μm，TSV-I和TSV-II之间间距为5μm；输入臂1、直通臂2、耦合臂3、隔离臂4的尺寸规格相同，均为宽6μm、长60μm、厚3μm；上氧化层13和下氧化层15的规格相同，均为12μm、长605μm、宽600μm；硅衬底12长605μm、宽600μm、高100μm。作为输入臂、直通臂、耦合臂和隔离臂的上下RDL和加载的RDL电感器之间通过金属柱11(金属柱11材质为铜)连接起来。采用电容或者电感的电抗性加载措施，可以有效地补偿相奇、偶模速度不一致的情况。本发明采用了对四个端口均进行RDL电感加载的完全对称加载方式，加载后仍然符合奇偶模理论，在耦合线长度为1/4波长是耦合度和隔离度最好，同时在保证较好的隔离度的同时，减小插入损耗，可以实现反向耦合的功能。
图3是本发明一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器的一种实施方式的主要参数指标，频带范围为922GHz～934GHz。其中图3(a)是定向耦合器在该频段的隔离度，由图可知，该定向耦合器的隔离度可以达到80dB,在频率为924.40GHz时隔离度最大，为85.58dB；图3(b)是定向耦合器在该频段的耦合度，由图耦合度超过70dB，在928.80GHz频率下耦合度最大，为77.33dB；图3(c)是定向耦合器在该频段的方向性，可以达到15dB，当频率为924.40GHz时方向性最大，为16.10dB。
本发明一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器的特点为：该定向耦合器采用了TSV技术，汲取TSV的优良电学特性，以及小尺寸、低功耗和可集成等优势。本发明中使用的RDL电感器改善了传统的线圈螺旋传统电感器主要是由线圈组成的螺旋电感器的高频特性差、绕线间的寄生电容很大、绕组线圈和空气接触的散热面积小造成散热困难等问题，而且拥有更小的面积和更高的电容密度，可以与其他器件和电路很好地集成，进一步实现高集成度的三维叠层封装。

Claims (5)

1.一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，其特征在于：包括硅衬底，沿硅衬底的中心轴线两侧分别对称设有通孔，两个所述通孔内分别同轴设有TSV-I和TSV-II，TSV-I的上端连接输入臂的一端，输入臂的另一端上方设有RDL电感I；TSV-I的下端连接直通臂的一端，直通臂的另一端下方设有RDL电感II；
TSV-II的上端连接耦合臂的一端，耦合臂的另一端上方设有RDL电感III，TSV-II的下端连接隔离臂的一端，隔离臂的另一端下方设有RDL电感IV；
所述TSV-I包括TSV-I铜柱，TSV-I铜柱的外壁同轴包覆有隔离层；
所述TSV-II包括TSV-II铜柱，TSV-II铜柱的外壁同轴包覆有隔离层；
输入臂、RDL电感I、耦合臂、RDL电感III均掩埋在上氧化层内；
直通臂、RDL电感II、隔离臂及RDL电感IV均掩埋在下氧化层内。
2.根据权利要求1所述的一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，其特征在于：所述输入臂与RDL电感I之间、直通臂与RDL电感II之间、耦合臂与RDL电感III之间、隔离臂与RDL电感IV之间均采用金属柱连接。
3.根据权利要求1所述的一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，其特征在于：所述隔离层采用的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，其特征在于：所述输入臂、耦合臂、直通臂、隔离臂均采用RDL层。
5.根据权利要求1所述的一种RDL电感补偿的硅通孔定向耦合器，其特征在于：所述RDL电感I、RDL电感II、RDL电感III、RDL电感IV的材料均为铜。
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