硅通孔三维集成的高频电磁分析与优化设计

According to the high integration, miniaturization, and multifunctional trends of the development of three dimensional integration, in this project, we will develop electromagnetic-microelectronic multi scale co-modelling method,obtain the acurate description of the effect of carriers movement on the electromagnetic modelling, and develop the efficient scattering matrix simulation method for this electromagnetic-microelectronic model, which is specially proposed to solve the challenge simulation problem of the dense array of through silicon vias. By using the developed modeling and simulation methods we will analyze the self-resonance of the array of through silicon vias, coupling between through silicon vias and active devices, and radiated emission and radiated immunity of the three dimensional integration system, to fully analyze the electromagnetic compatibility issues related to the the three dimensional integration. Finally, we will propose novel prototypes of through silicon vias based electromagnetic bandgap structure to improve the performance of on-chip antennas, and novel prototypes of through silicon vias based horizontial RF signal channel. Through this project, we hope to provide a powerful modelling tool for the design of through silicon vias three dimensional integration and push the research of silicon based RF components.

本项目针对先进硅通孔三维集成中元器件排布高密度、体积小型化、功能多元化的发展趋势，发展电磁-微电子多尺度、一体化建模技术，研究微观载流子效应在宏观电磁模拟中的准确表征方法；研发高效的散射矩阵仿真方法求解所建立的多尺度模型，突破任意分布和任意数量硅通孔阵列快速仿真的技术难题；对硅通孔三维集成结构进行准确建模和仿真。利用所建模型研究掌握硅通孔阵列的电磁自谐振特性、硅通孔与有源器件的耦合机理和耦合通道、三维集成封装的辐射干扰和辐射抗扰特性，全面分析硅通孔三维集成的电磁兼容问题。最终，设计新型的基于硅通孔阵列的微纳电磁带隙结构提高片内天线的性能，利用垂直硅通孔阵列构造水平射频传输通道。本项目的研究成果将为复杂三维集成的电磁设计提供有力的建模和仿真工具，并推动新型硅基射频器件的研究。

为了解决金属互连的时延和功耗制约集成电路速度提升的难题，人们提出了基于硅通孔的三维集成技术。对于这一新技术，国际半导体技术发展路线组织指出其实用化的一个挑战是电子设计自动化工具的缺乏，其中就包括电磁建模和仿真工具的不足。本项目围绕三维集成的电磁理论建模、电磁特性分析以及电磁结构设计三个方面开展研究。.（1）针对三维集成中用于信号传输的垂直通孔和用于供电的水平电源配送网络，分别研发了半解析-半数值的电磁散射矩阵方法和电磁场¬-电路混合仿真方法，与现有电磁软件HFSS、CST相比，这两种仿真方法极大地减少了仿真时间（约为其十分之一）；同时，我们研发解析公式提取硅通孔的MOS电容，完成了微观载流子运动与宏观电磁波之间的相互耦合仿真。这三个电磁理论建模研究为三维集成中信号分布网路和电源分配网络的电磁寄生参数提取提供了有力的工具。.（2）本项目分别从新结构和新材料两个方面，探索了三维集成的电磁设计。设计了双面屏蔽的硅衬底结构，有效地减小了硅衬底的损耗对信号传输的影响；研究硅通孔-硅衬底直接接触屏蔽结构，减小不同信号硅通孔之间的串扰；设计加工新型共模滤波器，提高高速差分信号的信号完整性；针对三维集成空间受限的问题，设计了基于石墨烯的紧凑型吸波材料。.本项目共发表SCI国际期刊论文17篇（8篇IEEE Trans 长文，3篇IEEE 短文，3篇 Carbon论文），3篇 IEEE Trans 长文正在评审中，国际会议论文23篇（分别获得Outstanding Paper Award和Student Paper Competition Second Place），英文专著1部；申请了4项硅通孔和信号传输方面的专利；项目执行期间，负责人担任多个国际主要封装和电磁兼容会议的TPC Member并组织多个三维集成和电磁兼容Special Session，介绍本项目的研究成果；2015年作为国家访问学者访问美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）、2013年访问韩国高等科技大学（KAIST）并做硅通孔三维集成和电磁兼容方面的报告，2015年邀请新加坡高性能计算研究院（ASTAR-IHPC）三维集成和电磁兼容专家两次来本校工作。