CN111540719B - 串接螺旋带状线的多tsv毫米波垂直互连结构 - Google Patents

串接螺旋带状线的多tsv毫米波垂直互连结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，包括至少四层垂直堆叠的硅转接板，各硅转接板均设有两组接地TSV；第一层硅转接板和第二层硅转接板之间设有第二层带状线、第二层开路枝节、第二层螺旋带状线；第二层带状线为馈线，连接第二层开路枝节和第二层螺旋带状线；第二层硅转接板还设有信号线TSV，信号线TSV的顶端连接第二层螺旋带状线靠近中心处的一端；第三层硅转接板与第四层硅转接板之间设有第四层带状线；第三层硅转接板的信号线TSV顶端对应连接相邻上一层硅转接板的信号线TSV，底端连接第四层带状线；第四层带状线为馈线。本发明提供了可支持直流至Ka波段的三维异构集成应用的多TSV垂直互连结构。

Description

串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构
技术领域
本发明涉及三维集成技术领域，尤其涉及一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构。
背景技术
在L~C波段相控阵应用中，天线阵元间距较大，射频前端常采用二维多芯片组件封装（MCM）集成工艺，尺寸要求不高。但相控阵向Ka波段等毫米波频段延伸时，通道间距仅有几毫米，同时，为了实现相控阵天线的低剖面，对射频前端的横向和纵向尺寸要求愈加苛刻，传统二维集成工艺已无法满足需求，须通过三维集成工艺解决射频前端通道小型化问题。
随着硅基微机电（MEMS）和射频硅通孔（TSV）工艺技术的发展，三维异构集成（3Dheterogeneous integration）技术成为下一代高集成射频***技术发展的重要方向，该技术可实现以硅转接板为基板的射频前端通道的纵向三维堆叠，通过多TSV垂直互连结构实现多层硅转接板间的高性能射频互连，从而实现射频前端通道的高密度三维集成。
传统多TSV垂直互连结构多采用地-信号-地（即接地TSV-信号线TSV-接地TSV，简称GSG）的三TSV结构和多TSV类同轴结构。传统GSG的三TSV结构简单、横向尺寸占用少，多出现于Ku以下波段的垂直互连应用中，但在Ka波段等毫米波频段应用中，单层硅转接板的厚度已不再远小于硅介质中的射频信号波长，信号线TSV两侧的两根接地TSV已无法实现垂直传输射频信号的良好屏蔽，同时，信号线TSV和接地TSV均具有较大的寄生电感和电阻，两者间还具有较大的寄生电容，且在多层堆叠硅转接板垂直互连时，数倍于单层硅转接板厚度的TSV具有更严重的寄生效应，已无法满足Ka波段等毫米波频段射频信号的良好匹配和接地需求。而传统多TSV类同轴结构尽管对射频信号具有良好的屏蔽和接地效果，但硅转接板中50Ω（欧姆）类同轴结构半径较大，在Ka波段等毫米波频段应用中，占用的横向面积已不再远小于射频信号波长，将显著挤占各层硅转接板有限的电路面积，无法满足Ka频段高密度三维集成的应用需要。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种可支持直流至Ka波段的三维异构集成应用的多TSV垂直互连结构。
为了实现上述目的，本发明提供了一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，包括至少四层垂直堆叠的硅转接板，最顶层和次顶层分别为第一层硅转接板和第二层硅转接板，最底层和次底层分别为第四层硅转接板和第三层硅转接板；各硅转接板均设有两组接地TSV ；
所述第一层硅转接板的上表面设有第一层上表面金属地；所述第一层硅转接板和所述第二层硅转接板之间设有第二层带状线、第二层开路枝节、第二层螺旋带状线和两个第一二层互连金属地；所述第二层硅转接板的下表面设有中间层金属地并开设空气窗；
所述第一层硅转接板的两组接地TSV的顶端连接所述第一层上表面金属地，底端分别通过两个所述第一二层互连金属地对应连接所述第二层硅转接板的两组接地TSV的顶端，所述第二层硅转接板的两组接地TSV的底端分别通过所述中间层金属地对应连接相邻下一层硅转接板的两组接地TSV；
所述第二层带状线为馈线，连接所述第二层开路枝节和所述第二层螺旋带状线，所述第二层开路枝节为终端开路并联带状线，所述第二层螺旋带状线为不足一圈的串联螺旋带状线；所述第二层硅转接板还设有信号线TSV，所述第二层硅转接板的信号线TSV的顶端连接所述第二层螺旋带状线靠近中心处的一端，底端设于空气窗范围内，用于对应连接相邻下一层硅转接板的信号线TSV；
所述第三层硅转接板与所述第四层硅转接板之间设有第四层带状线和两个第三四层互连金属地；所述第四层硅转接板的下表面设有第四层下表面金属地；
所述第三层硅转接板的两组接地TSV的顶端分别对应连接相邻上一层硅转接板的两组接地TSV，底端分别通过两个所述第三四层互连金属地对应连接所述第四层硅转接板的两组接地TSV的顶端，所述第四层硅转接板的两组接地TSV的底端连接所述第四层下表面金属地；
所述第三层硅转接板还设有信号线TSV，所述第三层硅转接板的信号线TSV的顶端对应连接相邻上一层硅转接板的信号线TSV，底端连接所述第四层带状线；所述第四层带状线为馈线。
优选地，单层硅转接板的厚度范围为200μm-300μm。
优选地，各硅转接板的每组接地TSV包括三个间隔设置的接地TSV 。
优选地，所述第二层带状线、所述第二层开路枝节和所述第二层螺旋带状线设于所述第二层硅转接板的上表面，两个所述第一二层互连金属地设于所述第一层硅转接板的下表面和第二层硅转接板的上表面。
优选地，所述第四层带状线设于所述第四层硅转接板的上表面，两个所述第三四层互连金属地设于所述第三层硅转接板的下表面和第四层硅转接板的上表面。
优选地，包括四层垂直堆叠的硅转接板，所述第二层硅转接板与所述第三层硅转接板连接。
优选地，还包括至少一层作为中间层的硅转接板；作为中间层的硅转接板垂直堆叠，设于所述第二层硅转接板与所述第三层硅转接板之间；作为中间层的硅转接板设有信号线TSV，且上、下表面设有中间层金属地并开设空气窗，作为中间层的硅转接板的信号线TSV的顶端、底端位于空气窗范围内。
优选地，相邻两层硅转接板的信号线TSV通过焊盘连接。
优选地，所述第二层带状线、所述第二层开路枝节和所述第二层螺旋带状线设于两个所述第一二层互连金属地之间。
优选地，单层硅转接板的面积不超过0.3mm2。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提出了一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，该垂直互连结构通过多层堆叠硅转接板，采用单根信号线TSV和两组接地TSV实现了Ka波段射频信号的良好屏蔽和接地，并结合串接的螺旋带状线和开路枝节实现了直流至Ka波段的超宽带匹配。本发明能够满足毫米波频段三维异构集成应用中垂直传输射频信号的良好屏蔽和接地需求，且采用了远少于传统多TSV类同轴结构的TSV数量和高集成度的螺旋带状线匹配结构，有效减小横向面积占用。
附图说明
图1是本发明实施例中一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构示意图；
图2是本发明实施例中一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构S参数仿真结果图；
图中：1：第一层硅转接板；2：第二层硅转接板；3：第三层硅转接板；4：第四层硅转接板；5：第一层上表面金属地；6：中间层金属地；7：第四层下表面金属地；8：第二层带状线；9：第一二层互连金属地；10：第二层开路枝节；11：第二层螺旋带状线；12：信号线TSV；13：接地TSV；14：空气窗；15：焊盘；16：第四层带状线；17：第三四层互连金属地。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，该垂直互连结构包括至少四层垂直堆叠的硅转接板。优选地，单层硅转接板的厚度范围为200μm-300μm。
为便于说明，本发明以图1中箭头所示方向为上，该垂直互连结构的最顶层和次顶层分别为第一层硅转接板1和第二层硅转接板2，最底层和次底层分别为第四层硅转接板4和第三层硅转接板3。该垂直互连结构的顶部为第一层硅转接板1和第二层硅转接板2构成的夹层结构，底部为第三层硅转接板3和第四层硅转接板4构成的夹层结构。第二层硅转接板2和第三层硅转接板3之间还可根据实际情况增设硅转接板。各层硅转接板均设有两组接地TSV 13，用于实现垂直互连接地。如图1所示，垂直堆叠后，上下相邻两层硅转接板的两组接地TSV 13分别对应连接。各硅转接板的每组接地TSV 13中，优选包括三个间隔设置的接地TSV 13。
第一层硅转接板1的上表面设有第一层上表面金属地5，第一层上表面金属地5优选为整层金属层。第一层硅转接板1和第二层硅转接板2之间设有第二层带状线8、第二层开路枝节10、第二层螺旋带状线11和两个第一二层互连金属地9。第二层硅转接板2的下表面设有中间层金属地6并开设空气窗14，即第二层硅转接板2的下表面设有带空气窗14的金属层。
第一层硅转接板1的两组接地TSV 13的顶端连接第一层上表面金属地5，底端分别通过两个第一二层互连金属地9对应连接第二层硅转接板2的两组接地TSV 13的顶端，第二层硅转接板2的两组接地TSV 13的底端分别通过中间层金属地6对应连接相邻下一层硅转接板的两组接地TSV 13的顶端。第一二层互连金属地9优选为设有焊盘15的片状金属层，以便实现第一层硅转接板1的接地TSV 13的底端与第二层硅转接板2的接地TSV 13的顶端对应地垂直互连。
第二层带状线8为馈线，连接第二层开路枝节10和第二层螺旋带状线11，作用为馈入/馈出射频信号。第二层开路枝节10为终端开路并联带状线，优选为长方形结构。第二层螺旋带状线11为不足一圈的串联螺旋带状线。
如图1所示，第二层硅转接板2还设有信号线TSV 12，第二层硅转接板2的信号线TSV 12的顶端连接第二层螺旋带状线11靠近中心处的一端（第二层螺旋带状线11远离中心处的一端与第二层带状线8、第二层开路枝节10连接），第二层硅转接板2的信号线TSV 12的底端设于空气窗14范围内，用于对应连接相邻下一层硅转接板的信号线TSV 12的顶端。垂直堆叠后，上下相邻两层硅转接板的信号线TSV 12对应连接。信号线TSV 12的底端设于空气窗14范围内，信号线TSV 12不与相邻两层硅转接板之间的金属层（即中间层金属地6）接触，能够避免中间层金属地6干扰信号线TSV 12进行垂直互连。
第二层螺旋带状线11中心处优选设置焊盘15，以便连接第二层硅转接板2的信号线TSV 12的顶端与第二层螺旋带状线11。如图1所示，第二层螺旋带状线11（不包括中心处设置的焊盘15）不足一圈，对应的包围角度小于360°。第二层开路枝节10和第二层螺旋带状线11用于对射频信号水平传输与垂直传输间的直角过渡结构引入的毫米波频段阻抗失匹进行补偿，可在Ka频段实现超过10%相对带宽的窄带匹配。
第三层硅转接板3与第四层硅转接板4之间设有第四层带状线16和两个第三四层互连金属地17。第四层硅转接板4的下表面设有第四层下表面金属地7，第四层下表面金属地7优选为整层金属层。
第三层硅转接板3的两组接地TSV 13的顶端分别对应连接相邻上一层硅转接板的两组接地TSV 13的底端，第三层硅转接板3的两组接地TSV 13的底端分别通过两个第三四层互连金属地17对应连接第四层硅转接板4的两组接地TSV 13的顶端，第四层硅转接板4的两组接地TSV 13的底端连接第四层下表面金属地7。第三四层互连金属地17优选为设有焊盘15的片状金属层，以便实现第三层硅转接板3的接地TSV 13的底端与第四层硅转接板4的接地TSV 13的顶端对应地垂直互连。
第三层硅转接板3还设有信号线TSV 12，第三层硅转接板3的信号线TSV 12的顶端对应连接相邻上一层硅转接板的信号线TSV 12的底端，第三层硅转接板3的信号线TSV 12的底端连接第四层带状线16。第四层带状线16为馈线，作用为馈出/馈入射频信号，即第二层带状线8和第四层带状线16之一用于馈入射频信号，另一个用于馈出射频信号。射频信号可以由第二层带状线8馈入，由第四层带状线16馈出，也可以由第四层带状线16馈入，由第二层带状线8馈出。
优选地，为便于集成加工与内嵌芯片，第二层带状线8、第二层开路枝节10和第二层螺旋带状线11设于第二层硅转接板2的上表面，两个第一二层互连金属地9设于第一层硅转接板1的下表面和第二层硅转接板2的上表面。进一步地，第四层带状线16设于第四层硅转接板4的上表面，两个第三四层互连金属地17设于第三层硅转接板3的下表面和第四层硅转接板4的上表面。
优选地，为节省空间且合理布局，第一层硅转接板1与第二层硅转接板2之间，第二层带状线8、第二层开路枝节10和第二层螺旋带状线11设于两个第一二层互连金属地9之间。进一步地，各硅转接板均设有的两组接地TSV优选分设于硅转接板两侧。单层硅转接板的面积优选不超过0.3mm2，以满足Ka频段高密度三维集成的应用需要。
相邻两层硅转接板的信号线TSV 12优选通过焊盘15连接，以确保结构稳定。
在一些优选的实施方式中，该串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构包括四层垂直堆叠的硅转接板，第二层硅转接板2与第三层硅转接板3连接。如图1所示，从上至下依次为第一层硅转接板1、第二层硅转接板2、第三层硅转接板3和第四层硅转接板4，由第一层硅转接板1和第二层硅转接板2构成上层射频通道，由第三层硅转接板3和第四层硅转接板4构成下层射频通道。第一层上表面金属地5与中间层金属地6分别作为上层射频通道中带状线的上、下参考地，中间层金属地6与第四层下表面金属地7分别作为下层射频通道中带状线的上、下参考地，其中，第一层上表面金属地5位于第一层硅转接板1上表面，中间层金属地6位于第二层硅转接板2和第三层硅转接板3之间，第四层下表面金属地7位于第四层硅转接板4下表面。
射频信号由上至下垂直传输时，上层射频通道中的射频信号经第二层带状线8馈入，结合双侧第一二层互连金属地9实现水平传输在直流至Ka波段的超宽带50Ω阻抗匹配。馈入的射频信号经第二层开路枝节10和第二层螺旋带状线11，传入第二层硅转接板2、第三层硅转接板3中的信号线TSV 12，结合双侧各三根接地TSV 13实现垂直传输在直流至Ka波段的超宽带50Ω阻抗匹配。垂直传输射频信号经空气窗14穿过中间层金属地6，第二层硅转接板2、第三层硅转接板3中的信号线TSV 12通过焊盘15实现连通。垂直传输射频信号经第四层带状线16馈出，结合双侧两个第三四层互连金属地17实现水平传输的50Ω阻抗匹配。
射频信号由下至上垂直传输时，射频信号传输方向反向，下层射频通道中的射频信号经第四层带状线16馈入，并最终由第二层带状线8馈出。
在另一些优选的实施方式中，该串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构还包括至少一层作为中间层的硅转接板。作为中间层的硅转接板垂直堆叠，设于第二层硅转接板2与第三层硅转接板3之间，即从上之下依次为第一层硅转接板1、第二层硅转接板2、一层或多层作为中间层的硅转接板、第三层硅转接板3和第四层硅转接板4。
为实现垂直互连，作为中间层的硅转接板的两组接地TSV 13与其上、下相邻的硅转接板的两组接地TSV 13对应连接。作为中间层的硅转接板设有信号线TSV 12，且作为中间层的硅转接板的上、下表面设有中间层金属地6并开设空气窗14，作为中间层的硅转接板的信号线TSV 12的顶端、底端分别位于空气窗14范围内，避免相邻两层硅转接板之间的金属层（即中间层金属地6）干扰信号线TSV 12。
综上，本发明提出的顶部串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，采用单根信号线TSV 12和双侧各一组接地TSV 13的垂直互连，实现了Ka波段射频信号的良好屏蔽和接地，并结合串接的螺旋带状线和开路枝节，实现了直流至Ka波段的超宽带匹配。本发明对提出的顶部串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构性能进行仿真，得到S参数（散射参数）仿真结果如图2所示，图2中标号S11、S22和S21分别代表输入反射系数、输出反射系数和传输系数，可以看出，输入反射系数S11和输出反射系数S22在1GHz-40GHz频带内小于-25dB，传输***损耗性能良好，传输系数S21大于-0.13dB，且在Ka波段实现了超过10%相对带宽的优越的窄带匹配，在33GHz-37GHz频带内输入反射系数S11和输出反射系数S22小于-31dB，传输系数S21大于-0.09dB。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：包括至少四层垂直堆叠的硅转接板，最顶层和次顶层分别为第一层硅转接板和第二层硅转接板，最底层和次底层分别为第四层硅转接板和第三层硅转接板；各硅转接板均设有两组接地TSV ；
所述第一层硅转接板的上表面设有第一层上表面金属地；所述第一层硅转接板和所述第二层硅转接板之间设有第二层带状线、第二层开路枝节、第二层螺旋带状线和两个第一二层互连金属地；所述第二层硅转接板的下表面设有中间层金属地并开设空气窗；
所述第一层硅转接板的两组接地TSV的顶端连接所述第一层上表面金属地，底端分别通过两个所述第一二层互连金属地对应连接所述第二层硅转接板的两组接地TSV的顶端，所述第二层硅转接板的两组接地TSV的底端分别通过所述中间层金属地对应连接相邻下一层硅转接板的两组接地TSV；
所述第二层带状线为馈线，连接所述第二层开路枝节和所述第二层螺旋带状线，所述第二层开路枝节为终端开路并联带状线，所述第二层螺旋带状线为不足一圈的串联螺旋带状线；所述第二层硅转接板还设有信号线TSV，所述第二层硅转接板的信号线TSV的顶端连接所述第二层螺旋带状线靠近中心处的一端，底端设于空气窗范围内，用于对应连接相邻下一层硅转接板的信号线TSV；
所述第三层硅转接板与所述第四层硅转接板之间设有第四层带状线和两个第三四层互连金属地；所述第四层硅转接板的下表面设有第四层下表面金属地；
所述第三层硅转接板的两组接地TSV的顶端分别对应连接相邻上一层硅转接板的两组接地TSV，底端分别通过两个所述第三四层互连金属地对应连接所述第四层硅转接板的两组接地TSV的顶端，所述第四层硅转接板的两组接地TSV的底端连接所述第四层下表面金属地；
所述第三层硅转接板还设有信号线TSV，所述第三层硅转接板的信号线TSV的顶端对应连接相邻上一层硅转接板的信号线TSV，底端连接所述第四层带状线；所述第四层带状线为馈线。
2.根据权利要求1所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：单层硅转接板的厚度范围为200μm-300μm。
3.根据权利要求1所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：各硅转接板的每组接地TSV包括三个间隔设置的接地TSV 。
4.根据权利要求1所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：所述第二层带状线、所述第二层开路枝节和所述第二层螺旋带状线设于所述第二层硅转接板的上表面。
5.根据权利要求4所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：所述第四层带状线设于所述第四层硅转接板的上表面。
6.根据权利要求1所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：包括四层垂直堆叠的硅转接板，所述第二层硅转接板与所述第三层硅转接板连接。
7.根据权利要求1所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：还包括至少一层作为中间层的硅转接板；作为中间层的硅转接板垂直堆叠，设于所述第二层硅转接板与所述第三层硅转接板之间；作为中间层的硅转接板设有信号线TSV，且上、下表面设有中间层金属地并开设空气窗，作为中间层的硅转接板的信号线TSV的顶端、底端位于空气窗范围内。
8.根据权利要求1所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：相邻两层硅转接板的信号线TSV通过焊盘连接。
9.根据权利要求1所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：所述第二层带状线、所述第二层开路枝节和所述第二层螺旋带状线设于两个所述第一二层互连金属地之间。
10.根据权利要求9所述的串接螺旋带状线的多TSV毫米波垂直互连结构，其特征在于：单层硅转接板的面积不超过0.3mm2。
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