基于混合域测量建模的互连过孔等效电路与特性研究

With the increasing integration of circuits and devices and the improvement of the packaging process, the number of layers of multilayer circuits is soaring. Relatively, the scale and density of vias used for interlayer interconnections are also rising. While the signal transmission rate is speeding up now, the non-ideal circuit characteristics by vias influence the signal transmission performance more and more. In the extreme conditions, the improper design and use of vias will directly lead to a sharp deterioration of the circuit performance, or to a fatal failure. This project proposes a novel methodology for modeling and extracting parameters of via equivalent circuits based on mixed domain measurement. Due to this basis, the characteristics of via structures are studied. The innovation of this research is to use the mixed domain measurement as a means to establish the circuit model and extract the equivalent parameters. This methodology combines the ultra-wide band characteristics of the time domain measurement and the high-precision characteristics of the frequency domain measurement. Firstly, the project will study the measurement architecture design and de-embedding methodology of small-sized, multi-parameter and three-dimensional structures in detail. Then the focus will be how to extract test feature parameters for mixed-domain test data and establish a trusted circuit model that can cover the full-dimensional parameters of vias. Finally, it will study the co-simulation and optimization methodology of the equivalent circuit model for vias. The prospective achievements of this project will provide a new methodology to the simulation, design and analysis for large-scale applications of high-density interconnected structures of vias in microwave circuits, millimeter-wave circuits and ultra-high-speed digital circuits.

随着电路和器件集成度和封装工艺的提升，多层电路的层数越来越多，与之对应的是用于层间互连的过孔规模和密度也越来越大；并且随着信号传输速率的快速提升，过孔的非理想电路特性对信号传输性能的影响越来越大，在极端条件下，过孔的设计和使用不当会直接导致电路性能的急剧恶化乃至失效。本研究提出一种新的基于混合域测量的过孔等效电路建模和参数提取方法，并在此基础上开展对过孔结构的特性研究。本项目的创新之处在于将混合域测量作为建立电路模型和提取等效参数的手段，其融合了时域测量的超宽带特性和频域测量的高精度特性。项目首先研究小尺寸、多参数三维结构的测量架构设计和去嵌入方法，进而针对混合域测量数据研究测试特征参数提取，建立能够覆盖过孔全维度参数的可信电路模型，最后研究过孔等效电路模型协同仿真与优化方法。预期研究成果对目前微波毫米波和超高速数字电路中大规模应用高密度过孔互连结构提供新的设计、仿真和分析方法。

过孔是现代集成器件和高密度电路必不可少的信号、电气连接形式。在低频率的模拟电路和低时钟数字电路中，过孔可视为理想互连结构，对信号和电源完整性的影响可忽略不计。但是在射频以及高速数字电路中，过孔由于连接形式的特殊性，其非理想特性带来的影响会导致阻抗不匹配、信号完整性变差等后果。本项目通过混合域测量的方法研究过孔的非理想特性，将其放入对相位、频率、幅度极为敏感的数字正交采样信号与合成信号电路中进行研究，与传统力求从结构上将过孔视为独立结构求解其等效电路不同， 本项目将其多过孔视为射频通路、模数混合电路以及高速数字电路整体链路的一个组成部分，将其特性等效为黑盒影响，其作用主要影响正交信号的相位不平衡、幅度不平衡和非理想的直流偏置。并对整个信号链路进行建模，通过测量数据进行混合建模和校准的方式抵消链路中各种过孔以及其它非理想因素的影响。通过判断信号的正交特性、镜像抑制特性、直流偏置抵消特性等验证理论研究方法的可行性与正确性。本项目的理论研究成果除了仿真验证以外，还通过自行研制的矢量信号收发模块上进行了实物验证，通过本项目的模型和方法，可将由过孔等非理想因素造成的本振泄露降低100dB，过程中的过孔等影响因子的计算精度可达到0.001的级别；有幅度不平衡和相位不平衡引起的镜像抑制由4.58 dB 提升至68.31 dB，并且在1GHz的实时带宽内均可取得该效果。.本项目的研究成果，有望使用在由单过孔、多过孔或其它非理想的互连设备引起的电路和器件性能的下降分析、测量和校准领域，通过本项目提出的模型和闭环数字校正方法，可以通过数字补偿的方法去除由过孔等互连设备造成相位、幅度不平衡和非理想直流偏置。