复杂条件下微波多层电路互连过孔结构最优设计及测试研究

Interconnected vias are more and more widely used in different applications with the growing trend of the integration and miniaturization for circuits and components. However, the introduction of non-ideal characteristics from vias has been the important bottleneck which restricts the performance of circuits. The equivalent circuit modeling ,the optimal design and the test research had become one of the major and difficult problems in relevant fields during the recent years. In our project, vias including the complex conditions in microwave multilayer circuits will be regarded as the research object, and the electromagnetic characteristics of vias will be researched by the proposed hybrid method with different conditions,different parameters of physical structures and different dimensions.Furthermore the law of the impact will be analyzed and the complete equivalent circuit model will be established. Moreover, the method of the impedance control and compensation will be proposed and the optimal design method will be explored for vias. In the meantime the test and de-embedding method will also be researched for analysis and evaluation of the optimal design method with the combination of simulation. The research results will provide some novel methods and ideas for the optimal design method about vias in circuits,especially in microwave multi-layer circuits and high-speed digital circuits.

由于电路和器件持续集成化和小型化的发展趋势，导致在不同领域多层电路层间互连过孔结构的应用越来越广泛，但同时互连过孔结构所引入的非理想特性也成为制约电路性能提高的重要瓶颈。因此针对过孔结构的等效电路建模、最优设计方法和测试方法是近年来研究的难点和热点。本研究将复杂条件下微波多层电路层间互连过孔结构作为研究对象，提出使用混合分析方法对不同边界条件、不同物理结构参数、不同应用规模的互连过孔结构电磁特性进行研究，分析其影响规律并建立层间互连过孔结构的完整等效电路模型，在此基础上提出过孔的阻抗控制和补偿方法，探索过孔结构的最优设计途径。同时项目将进行过孔结构的测试和去嵌入方法研究并予以实施，最终通过仿真验证和测试验证相结合的手段对最优设计方法进行分析和评价。研究成果将为目前互连过孔结构在电路尤其是微波多层电路和高速数字电路中的最优设计和最佳应用提供新的方法和思路。

本项目提出的背景是由于多层电路层间互连过孔结构引入的非理想特性成为制约电路性能提高的重要瓶颈，因此过孔结构的等效电路建模、最优设计方法和测试方法是本领域的研究难点和热点。本项目的主要研究内容包括：复杂条件下微波多层电路互连过孔结构电磁特性研究；复杂条件下互连过孔结构的阻抗控制、补偿与匹配研究以及复杂条件下层间互连过孔结构测试技术及去嵌入方法研究。本项目的重要结果包括以下几方面。第一，采用三维矩阵束矩量法实现了对过孔外部结构散射参数的求解，采用过孔的本征电路模型来分析复杂条件下过孔内部结构的电磁特性，分别引入了基于本征分析方法的过孔三端口网络模型和五端口网络模型；进而研究了复杂条件下过孔内部结构电路模型中平行板阻抗的引入方法，并采用边界积分方程法实现复杂条件下过孔内部结构平行板阻抗的求解；采用递归的导纳参数级联的方法实现过孔内部结构层间互连结构散射参数的求解，采用散射参数级联的方法实现过孔内、外部结构互连后完整结构散射参数的求解，进而获得了过孔结构信号传输关键参数的影响方式和规律以及孔间信号的传输规律；第二，本项目提出了过孔结构在多层介质条件下的改进电路等效模型，该方法使用基于镜像理论和积分方程方法的级联格林函数解决了多层介质条件下过孔与平行板之间的电容计算问题；第三，由于系统的研究和获得了复杂条件下过孔的电磁特性和等效电路模型，因此可以通过过孔等效电路与物理尺度参数之间的关系构建过孔结构与外部电路之间的最佳阻抗匹配条件，并且将该方法应用于可调谐天线的设计和测试中；第四，在过孔的测试问题中，设计了微波介质材料的测试夹具、测试部件和变温测量系统，并提出了一套完整的去嵌入算法以获得介质材料在不同温度下宽频段介电常数。该方法不但可以应用于过孔测量，还可以应用于大部分微波器件的测量。本项目获得的关键数据包括复杂条件下单过孔信号传输规律，多过孔信号传输规律；不同数量、不同距离接地孔对信号孔的影响规律；不规则形状电路板条件下过孔信号传输规律；多层介质下过孔等效电容的计算结果曲线；以及不同温度下常用微波介质材料的宽带介电常数曲线。本项目取得的研究成果能够应用于微波多层电路、集成电路、超高速数字电路中过孔结构的设计、仿真和测试，并且更重要的是，由于建立了较为完整的过孔等效电路模型，因此可以将过孔作为整个电路的有机组成部分形成联合仿真，以提高仿真的准确性和效率，以达到电路最优化设计目的