硅通孔（TSV）3D封装中的差分TSV结构电传输特性研究

The 3D stacked package technology develops rapidly in recent years，the use of through silicon via ( TSV ) technology is the main trend in the development of 3D package. Domestic and foreign experts have been carried out in-depth study in the field of electrical characteristics of TSV, but studies mostly focused on single-ended transmission characteristic of TSV, in-depth study of the transmission characteristics in TSV differential pairs is almost vacant. With the continuous improvement of transmission rate, the use of differential transmission link to translate high-speed signal has become a general way. The differential TSV structure will be an inevitable interconnection structure in 3D IC multi-layer high density packaging. It is necessary to carry out TSV electrical transmission characteristics in 3D IC using through silicon via technology as soon as possible. The differential TSV structure is the object of study in this project. We analyze the impact of the structural parameters and material characteristics of the TSV differential pair on signal transmission in the mainstream technology used, find out various processes which are liable to occur during the process and its effects on characteristics, and provide theory basis for the industrial production process and process selection. We made models of TSV differential pairs to analysis frequency response, impedance, and crosstalk, established a broadband parasitic parameter model under mainstream process. It is contribute to establish a design rules for subsequent TSV differential link .

集成电路3D堆叠封装技术近年来发展迅速，采用硅通孔（TSV）技术是3D封装发展的主要趋势。近年来国内外专家在TSV电特性方面已开展了较深入的研究，但研究内容大多集中于单端TSV的传输特性，对差分TSV传输特性的深入研究近乎空缺。而随着信息技术传输速率的不断提高，采用差分链路传输高速信号已成为通用的方式，因此差分TSV结构将会是采用TSV技术的3D多层高密度封装中的一种不可避免的互连结构，尽快开展差分TSV电传输特性的研究工作将是十分必要的。本项目将以差分对TSV结构为研究对象，分析主流实现工艺中所采用材料特性、结构参数对差分对其电传输特性的影响，探明各种工艺流程中易出现的工艺偏差对特性的影响程度，为后期工业生产中的工艺、流程选择提供理论依据。并对差分对TSV结构的频响、阻抗、串扰等问题进行建模，建立主流实现工艺下的宽频寄生参数模型，有助于后继TSV差分链路设计规则的建立。

随着信息技术中传输速率的不断提高，用于传输差模信号的差分对硅通孔结构成为了TSV封装中一种常用的互连结构。本项目采用三维电磁场分析方法对TSV工艺实现中的材料特性、理想非理想形态以及实际工艺偏差或缺陷对差分TSV电传输性能的影响进行了研究。研究发现理想圆柱形TSV的差模正向传输增益与硅通孔的直径和SiO2绝缘层厚度参数成正比，与硅通孔的高度参数成反比，而与硅通孔间节距参数的关系则不是单向正反比关系。在非理想圆柱形态中，圆筒形硅通孔的差模正向传输性能优于横截面为正方形与长方形的硅通孔。工艺缺陷问题中，导体柱中空气泡的存在会引起阻抗不连续从而降低差分对硅通孔的电传输性能，其影响在高频频段要大于低频频段；阻挡层、绝缘层筒壁出现的空洞会引起中心导体与硅基片的“金属-半导体”直接连接漏电缺陷从而致使电传输性能下降，且在低频时影响最大。本项目对TSV封装中各种互连结构的阻抗进行了RLCG寄生参数建模，提出了一种改进型的适用于描述TSV封装内“串连型差分互连阻抗”的单层差分对硅通孔结构RLCG电路模型，以及一种采用“阻抗不连续系数”来描述串行连接的微凸点、平面互连线、倒装焊球等结构的阻抗的“串连式阻抗不连续结构”RLCG电路模型。本项目对TSV封装中差分对硅通孔与周边近邻硅通孔间的串扰以及其受周边近邻接地硅通孔的影响进行了RLCG寄生参数建模，提出了一种改进型的“近邻硅通孔差分串扰”RLCG寄生参数模型，以及适用于描述TSV 封装内近邻平行互连线间串扰的“近邻平行互连线差分串扰”RLCG寄生参数模型和适用于描述近邻垂直互连线间串扰的“近邻垂直互连线差分串扰”模型。本项目提出了一种新型的用于TSV封装中的同轴式差分对硅通孔结构，其差分信号正向传输性能与抗串扰的性能均优于常规差分对硅通孔结构。本项目的研究成果有助于探明各种工艺流程对电学特性的影响程度，为后期工业生产中的工艺流程选择提供理论依据，所建立的各种RLCG寄生参数模型有助于为后继TSV 电学结构设计提供更为准确的基础模型。