高速电路多维互连线信号完整性及3D场路特性研究

With the speed of integrated circuit increasing, in high-speed circuit, the distributed parameter effects of interconnect on the performance of the overall system can not be ignored. Existing researches focus more on the circuit parameters and the transmission performance of interconnect unit, less on the whole circuit: internal field distribution and external circuit characterastics of the system under the ineraction between the inerconnects, and between interconnect and packaging structure in the multi-dimensional circuit. Upon the requirements, the proposed project will carry out the following research works: by using full-wave electromagnetic analysis method, building electromagnetic simulation model of multi-dimensional typical non-uniform interconnect and packaging structures in the high-speed circuit, studying the field distribution inside the typical structures excited by the ultra-wideband pulse signal, and analizing the reflection, radiation and coupling characteristics of electromagenetic field inside the investigated structures. according to camparing the waveform and delay of signal at each interconnects' input port with that of signal at the interconnects' output port, studying the influence of multi-dimensional interconnects and packaging on the signal integtity. By using generalized transmission line equation, extracting the equivalent distributed circuit parameters of multi-dimension interconnects and packaging structures, finding the method to analyze circuit performance with the equivalent circuit parameters, and studying the effectiveness of equivalent circuit parameters. This project can integrate a variety of physical effects of multi-dimensional interconnect and packaging structure into the circuit level. So that a more accurate and convenient optimization design of the high-speed circuit will be achieved.

随着集成电路工作速率的提高，高速电路中互连线的分布参数效应对系统整体性能的影响不容忽视。现有的研究重点放在互连线单元的电路参数和传输性能上，而以电路整体作为研究对象的较少，即研究多层多导体电路中互连线间以及与封装结构的相互作用下系统内部场特性及外部路特性。基于此本课题开展以下研究：对高速电路中多维典型非均匀互连线及封装结构进行电磁建模，利用电磁场全波分析方法研究在超宽带脉冲信号激励下典型结构内部的场分布，分析研究结构内部电磁场的反射、辐射和耦合特性；根据各互连线输入输出信号波形以及时延的关系，研究多维互连线及封装对信号完整性的影响规律；应用广义传输线方程进行多维互连线结构和典型封装结构等效分布电路参数的提取，研究等效电路参数用于电路性能分析的方法和有效性.本课题的研究可将多维互连线和封装结构的各种物理效应统一到电路层面上来，使得高速电路的优化设计更加精确方便.

本项目从场和路的角度出发，研究把多导体非均匀互连线的各种电磁场效应统一到电路层面来设计和优化的方法。本项目取得了以下三个方面的研究成果：1）在多导体非均匀互连线电路参数提取和重构的一般方法研究方面，研究并提出了N导体非均匀互连线利用广义及传统传输线矩阵方程提取分布电路参数的一般方法；研究并提出了基于N导体非均匀互连线的分布电路参数构造等效电路及求解任何激励和阻抗条件下任意导体沿传输方向某一点的电压电流传输特性的频域迭代方法以及重构S参数的一般方法；将一般方法应用于如单导体宽窄变换、切角拐角结构及双导体宽窄变换、正弦型带阻滤波器结构等，提取其电路参数并基于该电路参数重构其时频域电路传输性能；基于上述结构所提取电路参数重构的时域波形以及频域特性，研究并分析了电路参数重构时域波形的误差与激励脉冲的关系，进一步研究了从场解得到的分布电路参数重构多导体非均匀互连线传输特性的频率适用范围；2）在典型多导体非均匀互连线场路特性理论和优化方法研究方面，从场的角度研究了宽窄变换双导体互连线电磁场各分量在传输方向和耦合方向的变化规律，从路的角度研究了双导体互连线电路耦合系数随工作频率和传输距离的变化关系，进一步研究了该结构场和路的耦合机理；研究了宽窄变换、切角拐角等典型非均匀互连线结构的电路参数随互连线结构参数、工作频率和渐变切角的变化规律，找到优化非均匀结构的方法；基于非均匀互连线电磁场分布特性的研究，提出了基于电磁带隙及0相移传输线等超材料结构对非对称共面波导的路程差进行补偿以提高传输性能的方法，同时还提出了一种通过改变宽窄变换、短路支节和短截微带线调节滤波和陷波频带特性的多陷波超宽带微带滤波器结构；3）在实验研究方面，制作了多种非均匀互连线结构及基于互连线的滤波器结构，并对其传输反射特性进行测量和分析，对理论研究结果进行了实验验证。研究成果在包括JEMWA，PIER M在内的本领域重要期刊和国际会议上发表论文7篇，申请专利2项；培养博士生1名，硕士生3名。项目负责人及项目组成员参加国际会议交流共4人次。