-
论
文
科技英语英译汉
学
院：
大数据与信息工程学院
专业名称：
集成电路工程
姓
名：
学
号：
2014
年
12
月
一种在
3D-IC
TSV
（硅通孔）中新的分段等效电路建模方法
摘要
本文提出了一种新的
TSV
技术中分段等效电路的建模方法，
它是
3D-IC
的关键技术。
首
先提取出
TSV
的电气参数，
接着将它用来完成单
TSV
和双
TSV
结构的等效电路。
分段建模方
法是通过
将
TSV
结构分为三部分来实现的，
即
顶部，
中部和底部的硅通孔结构。
中间部分的
< br>电气参数是通过解析公式得到的，而顶部和底部的电气参数是通过更加精确的
3D
场解得到
的。通过这种新方法得到的
T
SV
的等效电路与一般方法相比更为准确。等效电路模型的
S<
/p>
参数的仿真结果与
HFSS
的仿真结果得
到了很好的匹配，然而它的仿真时间却大为缩短，并
且仿真结果表明，该模型可以准确反
映出
TSV
的传输特性。
关键词
：
3d-ic
；
TSV
；等效电路；分段
建模方法
一、
介绍
TSV
（硅通孔）是三维集成电路为了实现芯片堆叠互联的解决方案来而发展起来的一种
新技术
。建立等效电路并且研究
TSV
的特性是非常重要的。
TSV
建模的探究将有助于分布参
数、传输特性
，以及
TSV
结构的其他电学特性的研究，从而为
3D-IC
的研究奠定基础。
TSV
目前的研究主要集中在以下几个方面：一是
TSV<
/p>
结构的建模与分析；二是
TSV
结构
的耦合效应；三是
TSV
不同参数对
TSV
电特性的影响。文
[ 1 ]
基于
TSV
结构进行了详细的
< br>研究，并且描述了
TSV
结构的等效建模方法。在文
[ 2 ]
中，针对不同的
TSV
分布形式（圆
锥和直立型）
，提出了计算寄生电
阻和寄生电感的闭式表达式，该公式和数值计算方法的计
算结果比较表明，该公式在低频
时更准确，而在高频时，由于集肤效应引起的误差会增大。
文献
[3-4]
重点研究了耦合效应，
对
T
SVs
间的互耦合和
TSV
上的噪声耦
合都进行了分析。
文
[
5
]
提出了
TSV
电容耦
合效应的一种快速分析模型。
文
[
6
]
研究了不同大小的排除区
（
KOZ
）
对
TSV
电气性能的影响。
本文主要研究了
TSV
的建模方法。
建模中使用的
TSV
的电气参数是通过解析计算公式和
3D
场解得到的，然后参数用于完成单
TSV
结
构和双
TSV
结构的等效电路。此外，在之前研
究的基础上，
提出了分段建模方法。
分段建模方法是通
过把
TSV
结构分成三部分实现的，
即
顶部，中部和底部的孔结构。通过解析公式得到中间部分的电气参数，同时通过
3D
场解
（
Ansof
t
Q3D
Extractor
）提
取得到更加精确的顶部和底部的参数，最后再将三部分连接起
来。该方法用于完成单
TSV
结构和双
TSV
结构的等效电路模型。通过这种新方法得到的
TSV
的等效
电路与以前的方法相比更为准确。
分段建模过程比较简单，
并且
可以从等效电路模型
直接得到
TSV
的
电气结构。
S
参数的仿真结果与
HFS
S
的仿真结果得到了很好的匹配，然而
它的仿真时间却更短（小
于一秒）
，并且仿真结果表明，该模型可以准确反映出
TSV<
/p>
的传输
特性。
二、
TSV
的等效电路模型
A.
单
TSV
模型
使用
HFSS
建立
TSV
结构的
3D
模型，
并且在
1
～
20GHz
范围内实现了模型的仿真分析。
S
参数
曲线是由仿真得到的，而仿真结果又被用于等效电路模型在
ADS
中的验证。模型如图
1
所示。模型中使用的参数如下所示：<
/p>
TSV
的直径为
10um
，高度为
100um
，硅基片尺寸为
< br>100
μ
m
×
< br>100
μ
m
×
< br>100
μ
m
，二氧化硅薄膜的厚
度为
1um
。
TSV
< br>的材料是铜。
图
1
单
TSV
结构
在等效电路模型中，
TSV
结构的
RLC
参数公式如文献
< br>[ 7 ]
中所示。
式中，
Rtsv
，
Ctsv
和
Ltsv
分别是
TSV
的等效电阻，电容和电感；
h
，
r
，
t
< br>和
p
分别是
TSV
的高度，半径，氧化层厚度和
TSVs
之间的间距。
等效电路模型中使用的硅衬底上的
R
C
参数公式如下所示：
式中，
Rsi
和
Csi<
/p>
分别是硅衬底的等效电阻和电容，
a
，<
/p>
b
和
h
分别是硅
衬底的长度，高
度和宽度。
该
TSV
结构等效为
TSV
的电阻和电感，
并且通过和二氧化硅绝缘层形成的电容耦合到硅
衬底上。
而硅衬底本身等效为电阻和电容。
该等效电路模型
是根据参数的计算值建立的，
等
效电路如图
2
所示。
图
2
单
TSV
的
等效电路
等效电路在
1-20GHz
范围内进行了仿真分析。通过仿真获得的
S(2
，
1)
参数曲线如图
3
所示。
图
3
单<
/p>
TSV
等效电路的
S(2
，
1)
参数曲线
B.
双
TSV
模型。
双
TSVs
结构的
3D
模型首先在
HFS
S
中建模，模型的仿真分析也是在
1-20GHz
范围内进
行的。该模型如图
4
所示。
图
4
双
TSV
结构
硅衬底的尺寸为
< br>100
μ
m
×
< br>200um
×
100um
，而建
模中使用的其他参数与单
TSV
情况是相
同的。
双
TSVs
是通过一根导线连接起来的，而导线本身在等效电路中等效为电阻和电感。等
效
结构的其他部分与单
TSV
结构是一样的。等效电路如图
5
所示。
图
5
双<
/p>
TSV
的等效电路
等效电路在
1-20GHz
范围内进行了仿真分析。通过仿
真获得的
S(2
，
1)
参数曲线如图
6
所示。
图
6
<
/p>
双
TSV
等效电路的
S(2
，
1)
参数曲线
数据显示，等效电路的仿真结果与
HFSS
的仿真结果得到了很好的匹配。然而，等效电
路模型是一种简单的结
构，它的仿真时间还不到
1s
，对于
T
SV
结构值电气特性的快速分析
来说，这已经是一个很好的结果
了。
三、
TSV
的分段模型
解析公式对于复杂结构具有一定的局限性，<
/p>
并且不能准确反映出各参数值。
于是我们提
出了
TSV
分段建模方法，并且使用
3D
软件
Q3D
提取出了用于修正
TSV
模型的参数。
TSV
分
段建模可以更准确地反映
TSV
的电气结构，并且可以更恰当的模拟出
TSV
结构。
TSV
建模的
分段结构如图
< br>7
所示。图中，整个
TSV
结构
分成三部分，
图中标注为第一部分为，
第二部分
和第三部分。第二部分占
TSV
结构的
1 / 2
，而第一部分和第三部分各占
TSV
结构的
1 / 4
。
第一部分的电气参数仍然是由解析公式提取出来的，
因为这部分的结构简单，
形状没有变化，
而第二部分和第三部分的参数是通过更加精确的
3D
场解得到的。由于这两部分的
TSV
结构
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