CN113555656B - 含曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构 - Google Patents

含曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构 Download PDF

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Abstract

一种具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，包括：堆叠设置的两层硅片、依次设置的均匀接地共面波导单元、渐变接地共面波导单元和带状线单元以及位于渐变接地共面波导单元和带状线单元内部依次相连的微带线单元、第一带线、硅通孔单元和第二带线。本发明采用边缘随等效梯形导带宽度呈曲线变化的接地电极，保证渐变接地共面波导的特性阻抗始终为标准阻抗；优化带线宽度和长度，使带线、硅通孔等效电感与缝隙等效电容相互平衡，实现宽带阻抗匹配。本装置无须在地平面开孔，不增加工艺复杂度，可实现较大的工作带宽，满足硅基三维集成电路中三维互连网络对射频毫米波信号进行宽带低损耗传输的要求。

Description

含曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构
技术领域
本发明涉及的是一种三维集成电路领域的技术，具体是一种具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构。
背景技术
在硅基三维集成电路中，接地共面波导、带状线及其转接过渡结构在传输网络中通常呈级联关系，所以过渡结构的工作带宽和插入损耗对整个互连网络的性能有很大影响，需要对接地共面波导到带状线的过渡结构进行宽带低损耗设计。为实现接地共面波导到带状线的过渡结构，接地共面波导和带状线的导带通过硅通孔(TSV)连接，TSV工艺的通孔半径存在一定限制，而且导带与TSV连接一般需要大于TSV横截面的电极，导带和电极的尺寸变化以及TSV的不连续性都会在高频段引入显著的寄生效应，限制接地共面波导到带状线过渡结构的工作带宽。为解决该问题，目前主要使用和导带匹配的半径较小的金属化通孔，同时在金属地平面相应位置开出孔径，用以抵消焊盘引入的寄生电容效应或通过阶梯打孔的方式，但这类技术对通孔尺寸有要求，同时地平面开孔会造成电磁泄漏，对器件、互连和系统的工作特性和兼容性造成负面影响，或需要增加衬底堆叠层数并在衬底中形成空气槽，显著增加工艺复杂度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，无须在地平面开孔，也不增加工艺复杂度，可实现较大的工作带宽，满足硅基三维集成电路中三维互连网络对射频毫米波信号进行宽带低损耗传输的要求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，包括：堆叠设置两层硅片、依次设置的均匀接地共面波导单元、渐变接地共面波导单元和带状线单元以及位于渐变接地共面波导单元和带状线单元内部依次相连的微带线单元、第一带线、硅通孔 (TSV)单元和第二带线。
所述的均匀接地共面波导单元包括：设置于上层硅片的上表面的均匀接地共面波导导带、对称设置于接地共面波导导带两侧的矩形接地电极以及设置于上层硅片与下层硅片之间的均匀接地共面波导地面。
所述的渐变接地共面波导单元包括：设置于上层硅片的上表面的等腰梯形接地共面波导导带、对称设置于等腰梯形接地共面波导导带两侧的曲线接地电极以及设置于上层硅片与下层硅片之间的渐变接地共面波导地面。
所述的渐变接地共面波导单元的曲线接地电极与等效梯形接地共面波导导带之间的槽宽随着等效梯形接地共面波导导带的宽度呈曲线变化。槽宽为等效梯形接地共面波导导带的宽度和特性阻抗的函数，保证渐变过程中渐变接地共面波导的特性阻抗始终保持为标准阻抗，以实现宽带阻抗匹配，减小信号传输过程中电磁波的反射。
所述的微带线单元包括：设置于上层硅片的上表面的微带线导带以及设置于上层硅片与下层硅片之间的微带线地面。
所述的硅通孔单元包括：由上而下依次堆叠的设置于上层硅片的上表面的上焊盘、贯穿上层硅片的信号硅通孔以及位于上层硅片与下层硅片之间的下焊盘。
所述的带状线单元包括：设置于上层硅片的上表面的第二地平面、位于上层硅片与下层硅片之间的带状线导带以及设置于下层硅片的下表面的第三地平面。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导地面、渐变接地共面波导单元的渐变接地共面波导地面与微带线单元的微带线地面依次相连构成设置于上层硅片与下层硅片之间的第一地平面，所述的均匀接地共面波导单元的矩形地电极与渐变接地共面波导单元的曲线接地电极相连构成设置于上层硅片上表面的两侧地电极，两侧地电极与第一地平面通过第一硅通孔阵列相连。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导导带、渐变接地共面波导单元的等腰梯形接地共面波导导带、微带线单元的微带线导带、第一带线以及硅通孔单元的上焊盘依次相连。
所述的硅通孔单元的下焊盘、第二带线以及带状线单元的带状线导带依次相连。
所述的第一地平面、第二地平面以及第三地平面通过第二硅通孔阵列相连，以避免地平面之间的寄生谐振。
所述的第一带线、硅通孔单元的信号硅通孔以及第二带线都具有寄生效应，等效为串联电感；所述的硅通孔单元的上焊盘与带状线单元的第二地平面之间的缝隙、硅通孔单元的下焊盘与第一地平面之间的缝隙都具有寄生效应，等效为并联到地的电容。等效串联电感与等效并联电容相互平衡，有效拓宽了本发明过渡结构的工作带宽。
技术效果
本发明通过具有曲线边缘的接地共面波导两侧地电极实现导带宽度逐渐变化，并维持传输线特性阻抗为标准阻抗，采用感性连接线对信号硅通孔焊盘引入的寄生电容效应进行补偿，从而作为三维集成电路中便于探针测试的接地共面波导和带状线之间的过渡结构，在不增加工艺复杂度的情况下，获得宽带的匹配和过渡特性，实现了三维集成电路中位于不同层的接地共面波导和带状线之间的宽带、低损耗转接。
与现有技术相比，本发明独有的新功能/效果包括：本发明在不增加工艺复杂度的情况下，对不同导带宽度的接地共面波导和带状线进行宽带匹配，显著降低了反射系数和插入损耗，同时，避免了对地平面开孔，减小电磁泄漏。
附图说明
图1为本发明整体结构的立体结构图；
图2为本发明的分层示意图；
图3为本发明的俯视示意图；
图4为本发明的反射系数S11和传输系数S21的幅度响应；
图5为本发明的等效电路；
图6为本发明的全波仿真和等效电路得到S11对比；
图中：1上层硅片、2下层硅片、3均匀接地共面波导导带、4两侧地电极、4-1矩形接地电极、4-2曲线接地电极、5第一地平面、5-1均匀接地共面波导地面、5-2渐变接地共面波导地面、5-3微带线地面、6等腰梯形接地共面波导导带、7第一硅通孔阵列、8微带线导带、 9第一带线、10上焊盘、11信号硅通孔、12下焊盘、13第二带线、14第二地平面、15带状线导带、16第三地平面、17第二硅通孔阵列。
具体实施方式
如图1、图2所示，为本实施例涉及的一种具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，包括：堆叠设置两层硅片1、2、依次设置的均匀接地共面波导单元、渐变接地共面波导单元和带状线单元以及位于渐变接地共面波导单元和带状线单元内部依次相连的微带线单元、第一带线9、硅通孔(TSV)单元和第二带线13。
所述的上层硅片1和下层硅片2的厚度均为h，相对介电常数为εr。
所述的均匀接地共面波导单元包括：设置于上层硅片1的上表面的均匀接地共面波导导带3、对称设置于接地共面波导导带3两侧的矩形接地电极4-1以及设置于上层硅片1与下层硅片2之间的均匀接地共面波导地面5-1。
所述的均匀接地共面波导导带3的宽度为w0，与其两侧的矩形接地电极4-1之间的槽宽为g0，使均匀接地共面波导的特性阻抗为标准阻抗50Ω，该接地共面波导的特性阻抗
Figure BDA0003218213190000031
Figure BDA0003218213190000032
其中：K(·)为第一类完全椭圆积分，
Figure BDA0003218213190000033
和
Figure BDA0003218213190000034
为椭圆积分的模数，
Figure BDA0003218213190000035
和
Figure BDA0003218213190000036
是余模数，接地共面波导的有效相对介电常数
Figure BDA0003218213190000037
Figure BDA0003218213190000041
i＝1或2。
所述的渐变接地共面波导单元包括：设置于上层硅片1的上表面的等腰梯形接地共面波导导带6、对称设置于等腰梯形接地共面波导导带6两侧的曲线接地电极4-2以及设置于上层硅片1与下层硅片2之间的渐变接地共面波导地面5-2。
所述的等腰梯形接地共面波导导带6的上、下底边长分别为w0和w2，长度为l1，其宽度
Figure BDA0003218213190000042
其中：x为相对于过渡结构起始位置的距离即相对位置。
所述的曲线接地电极4-2与等效梯形接地共面波导导带6之间的槽宽g1随着等效梯形接地共面波导导带6的宽度呈多项式曲线变化，以保证渐变过程中渐变接地共面波导的特性阻抗始终保持为标准阻抗50Ω。
所述的槽宽g1表示为等效梯形接地共面波导导带6的宽度w1和特性阻抗Z0的函数，即：
Figure BDA0003218213190000043
特性阻抗Z0取为标准阻抗50Ω，以实现宽带阻抗匹配，减小信号传输过程中电磁波的反射。
对槽宽g1(x)进行拟合得到多项式显性表达式：g1＝y1x6+y2x5+y3x4+y4x3+y5x2+ y6x+y7,其中：y1,y2,…,y7为多项式系数。
所述的微带线单元包括：设置于上层硅片1的上表面的微带线导带8以及设置于上层硅片1与下层硅片2之间的微带线地面5-3。
所述的微带线导带8的宽度为w2，使微带线的特性阻抗为标准阻抗50Ω。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导地面5-1、渐变接地共面波导单元的渐变接地共面波导地面5-2与微带线单元的微带线地面5-3依次相连构成设置于上层硅片1与下层硅片2之间的第一地平面5，所述的均匀接地共面波导单元的矩形地电极4-1与渐变接地共面波导单元的曲线接地电极4-2相连构成设置于上层硅片1上表面的两侧地电极4，两侧地电极4与第一地平面5通过第一硅通孔阵列7相连。
所述的硅通孔单元包括：由上而下依次堆叠的设置于上层硅片1的上表面的上焊盘10、贯穿上层硅片1的信号硅通孔11以及位于上层硅片1与下层硅片2之间的下焊盘12。
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导导带3、渐变接地共面波导单元的等腰梯形接地共面波导导带6、微带线单元的微带线导带8、第一带线9以及硅通孔单元的上焊盘10依次相连。
所述的带状线单元包括：设置于上层硅片1的上表面的第二地平面14、位于上层硅片1 与下层硅片2之间的带状线导带15以及设置于下层硅片2的下表面的第三地平面16。
所述的带状线导带15的宽度为w5，使带状线的特性阻抗为标准阻抗50Ω。
所述的第一地平面5、第二地平面14以及第三地平面16通过第二硅通孔阵列17相连，以避免地平面之间的寄生谐振。
所述的硅通孔单元的下焊盘12、第二带线13以及带状线单元的带状线导带15依次相连。
所述的第一带线9、硅通孔单元的信号硅通孔11以及第二带线13都具有寄生效应，等效为串联电感；所述的硅通孔单元的上焊盘10与带状线单元的第二地平面14之间的缝隙、硅通孔单元的下焊盘12与第一地平面5之间的缝隙都具有寄生效应，等效为并联到地的电容。
本实施例中进一步优化第一带线9的宽度w3和长度l3以及第二带线13的宽度w4和长度l4，使等效串联电感与等效并联电容相互平衡，可有效拓宽本发明过渡结构的工作带宽。
如图3所示，本实施例中上层硅片1和下层硅片2的厚度h为250μm，相对介电常数εr为11.57，金属层厚度t为4μm。
本实施例中均匀接地共面波导导带3的宽度w0为60μm，与其两侧的矩形接地电极4-1 之间的槽宽g0为43μm，长度l0为110μm。
本实施例中等腰梯形接地共面波导导带6上、下底边长w0和w2分别为60μm和200μm，长度l1为110μm。等腰梯形接地共面波导导带6两侧设有具有曲线边缘的曲线接地电极4-2，之间的槽宽g1＝y1x6+y2x5+y3x4+y4x3+y5x2+y6x+y7,其中相对于过渡结构起始位置的距离即相对位置x的单位为μm，g1的单位为μm，多项式系数y1＝6.99×10-10，y2＝-4.52×10-7， y3＝1.20×10-4，y4＝1.67×10-2，y5＝1.28，y6＝-50.65×10-10，y7＝840.38。
本实施例中微带线导带8宽度w2为200μm，长度l2为330μm。
本实施例中第一带线9宽度w3为200μm，长度l3为170μm。第二带线13宽度w4为 34μm，长度l4为170μm。
本实施例中第一硅通孔阵列7、第二硅通孔阵列17中的每个硅通孔以及信号硅通孔11 的半径r2均为60μm，上焊盘10以及下焊盘12的半径r1均为100μm。
本实施例中带状线导带15宽度w5为61μm，长度l5为590μm。
如图4所示，为上述具有曲线接地电极的接地共面波导到带状线的宽带过渡结构的反射系数S11和传输系数S21的幅度响应，在DC至52.84GHz频段内S11幅度低于-20dB，S21幅度单调下降，52.84GHz处S21幅度为-0.81dB，满足硅基三维集成电路中宽带转接和低损耗互连的要求。
如图5所示，为上述具有曲线接地电极的接地共面波导到带状线的宽带过渡结构的等效电路，其中特性阻抗为Z1、电长度为θ1的传输线表示总长为550μm依次相连的均匀接地共面波导单元、渐变接地共面波导单元以及微带线单元，Ls1表示长度为l3的第一带线9所引入寄生效应的等效串联电感，C1表示上焊盘10与第二地平面14之间缝隙所引入寄生效应的等效并联电容，Ls2表示信号硅通孔11所引入寄生效应的等效串联电感，C2为下焊盘12与第一地平面5 之间缝隙所引入寄生效应的等效并联电容，Ls3为第二带线13所引入寄生效应的等效串联电感，特性阻抗为Z2、电长度为θ2的传输线表示长度l5为590μm的带状线单元。本实施例中Z1为 50Ω、θ1在30GHz时为58.3°，Ls1为0.1133nH，C1为85.13fF，Ls2为0.2357nH，C2为87.17 fF，Ls3为0.1225nH，Z2为50Ω、θ2在30GHz时为73°。
如图6所示，为上述具有曲线接地电极的接地共面波导到带状线的宽带过渡结构的全波仿真和等效电路得到的反射系数S11幅度响应对比。可以发现，等效电路与全波仿真结果吻合较好。
与现有技术相比，本装置通过等腰梯形接地共面波导导带以及其两侧具有曲线边缘的曲线接地电极实现了不同导带宽度的传输线的逐渐过渡，且始终维持传输线特性阻抗为标准阻抗。同时采用感性连接线对焊盘引入的寄生效应进行补偿，通过调节焊盘与地平面间的距离和连接线宽度控制等效电容容值和电感感值大小，实现容性和感性的相互平衡，获得了宽带低损耗的匹配和过渡特性。而且，本装置符合硅基MEMS工艺的加工要求，且避免了对地平面的开孔，减小电磁泄漏。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，其特征在于，包括：堆叠设置的两层硅片、依次设置的均匀接地共面波导单元、渐变接地共面波导单元和带状线单元以及位于渐变接地共面波导单元和带状线单元内部依次相连的微带线单元、第一带线、硅通孔单元和第二带线；
所述的渐变接地共面波导单元包括：设置于上层硅片的上表面的等腰梯形接地共面波导导带、对称设置于等腰梯形接地共面波导导带两侧的曲线接地电极以及设置于上层硅片与下层硅片之间的渐变接地共面波导地面；
所述的均匀接地共面波导单元包括：设置于上层硅片的上表面的均匀接地共面波导导带、对称设置于接地共面波导导带两侧的矩形接地电极以及设置于上层硅片与下层硅片之间的均匀接地共面波导地面；
所述的微带线单元包括：设置于上层硅片的上表面的微带线导带以及设置于上层硅片与下层硅片之间的微带线地面；
所述的硅通孔单元包括：由上而下依次堆叠的设置于上层硅片的上表面的上焊盘、贯穿上层硅片的信号硅通孔以及位于上层硅片与下层硅片之间的下焊盘；
所述的带状线单元包括：设置于上层硅片的上表面的第二地平面、位于上层硅片与下层硅片之间的带状线导带以及设置于下层硅片的下表面的第三地平面。
2.根据权利要求1所述的具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，其特征是，所述的曲线接地电极与等效梯形接地共面波导导带之间的槽宽随着等效梯形接地共面波导导带的宽度呈曲线变化，槽宽为等效梯形接地共面波导导带的宽度和特性阻抗的函数，保证渐变过程中渐变接地共面波导的特性阻抗始终保持为标准阻抗，以实现宽带阻抗匹配，减小信号传输过程中电磁波的反射。
3.根据权利要求1所述的具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，其特征是，所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导导带、渐变接地共面波导单元的等腰梯形接地共面波导导带、微带线单元的微带线导带、第一带线以及硅通孔单元的上焊盘依次相连；
所述的硅通孔单元的下焊盘、第二带线以及带状线单元的带状线导带依次相连；
所述的均匀接地共面波导单元的均匀接地共面波导地面、渐变接地共面波导单元的渐变接地共面波导地面与微带线单元的微带线地面依次相连构成设置于上层硅片与下层硅片之间的第一地平面。
4.根据权利要求1所述的具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，其特征是，所述的第一带线、信号硅通孔以及第二带线都具有寄生效应，等效为串联电感；
所述的上焊盘与带状线单元的第二地平面之间的缝隙、下焊盘与第一地平面之间的缝隙都具有寄生效应，等效为并联到地的电容。
5.根据权利要求1所述的具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，其特征是，所述的第一带线、硅通孔单元的信号硅通孔以及第二带线的等效串联电感，与所述的硅通孔单元的上焊盘与带状线单元的第二地平面之间的缝隙、硅通孔单元的下焊盘与第一地平面之间的缝隙的等效并联电容相互平衡，有效拓宽接地共面波导与带状线的过渡结构的工作带宽。
6.根据权利要求4或5所述的具有曲线接地电极的接地共面波导与带状线的宽带过渡结构，其特征是，所述的第一带线所引入寄生效应的等效串联电感为0.1133nH；信号硅通孔引入的寄生效应的等效串联电感为0.2357nH；第二带线所引入寄生效应的等效串联电感为0.1225nH；上焊盘与第二地平面之间缝隙引入寄生效应的等效并联电容为85.13fF；下焊盘与第一地平面之间缝隙引入寄生效应的等效并联电容为87.17fF。
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