基于TSV技术的THz波导滤波器及多物理场耦合特性研究

Based on through-silicon via (TSV) technology, the project will study the terahertz (THz) waveguide filters and their multi-physics field coupling characteristics to solve the key issues of miniaturization and integration of THz waveguide filters. The project will study the filtering characteristics of direct and cross coupling THz waveguide filters and the impacts of waveguide dielectric materials, structure parameters, and side-wall roughness on the center frequency, bandwidth, and return loss of the TSV THz filters. The project will study the thermo-mechanical characteristics, thermal management, and multi-physics field coupling characteristics. The project will accomplish the sample manufacture and performance verification to provide the necessary theoretical and technical foundation for the development and application of TSV technology in THz filter field.

本项目基于TSV技术，开展THz波导滤波器和多物理场耦合特性的研究工作，解决THz波导滤波器的微型化、集成化的关键基础科学问题。研究基于TSV技术的直接耦合和交叉耦合THz波导滤波器的滤波特性，研究不同波导介质材料、不同结构参数以及侧壁粗糙度对直接耦合和间接耦合TSV THz滤波器中心频率、带宽、回波损耗等特性的影响。针对直接耦合和间接耦合TSV THz滤波器，研究其热机械性能、热管理、热-电-应力多物理场耦合性能。完成TSV THz滤波器成品制作和多物理量测试验证，为TSV技术在THz滤波器领域的发展与应用提供必要的理论和技术基础。

由于THz波具有瞬时性、宽带性、穿透性、低能性等特点，其在通信、天文观测、医学研究等众多军用和民用领域展现出了独特的优势，具有极大的发展前景。目前微波滤波器等无源器件体积大且不能与主流平面集成工艺兼容，不满足现代无线通讯系统微型化、集成化的需求，严重限制了在THz领域的应用。TSV工艺可以完成微米量级高精度深槽刻蚀和金属填充等，并且可以采用再布线层（RDL）与其他平面工艺器件级联，为实现波导滤波器的高频化、微型化、集成化提供了解决方案。. 本项目结合TSV技术，研究了应用于THz领域的无源器件及多物理场耦合特性研究。在无源器件方面，提出了小型化集成基片集成波导（SIW）带通滤波器。测试结果表明带宽为0.051THz，中心频率为0.331THz，插入损耗为1.5dB，反射大于15dB；提出了中心频率为0.37 THz的基于TSV的太赫兹串列形SIW交叉耦合滤波器。该滤波器具有2.0 dB带内插入损耗、10.7 dB带内回波损耗、16.5 GHz的带宽和1.078 f0时25dB阻带抑制扩展；提出了中心频率为0.368 THz的太赫兹四角元件SIW交叉耦合滤波器，该滤波器具有2.0 dB带内插入损耗、11.4 dB带内回波损耗、19.3 GHz的带宽和1.089 f0时25dB阻带抑制扩展；提出了微型化发夹滤波器，实现了中心频率为500 GHz的两臂发夹滤波器和中心频率为405 GHz、391.5 GHz、395.5 GHz和399 GHz的四臂发夹滤波器。在多物理场耦合特性方面，研究了TSV电感器的热-力-电耦合特性，工艺温度造成的机械应力可导致TSV电感的电感值和品质因数的变化率可达14.13%和5.91%。提出了一种用于三维集成电路(3D IC)的由热重新布线层(TRDL)和热硅通孔(TTSV)组成的散热系统，可将3D IC的最高温度降低4.43℃，可以有效地解决3D IC中的散热问题。提出了一种使用STI较小TSV引入热应力的方法，可将热应力减小10.3~25.8%。