碳纳米管TSV建模、热特性及电磁特性研究

3D IC integration is an effective method which can reduce interconnect wire length, enable vertical integration, improve performance and reduce power consumption. In this project, we focus on the study of model, thermal analysis, electromagnetic characteristics in the carbon nanotube based through silicon vias in three-dimensional integrated circuits. Considering the length, diameter, ratio of the metal, and the number of carbon nanotube bundles, combine with ballistic transport properties, the analytical model carbon nanotube bundles considering heat effect is established. According to TSV technology, considering kinetic inductance, quantum capacitance of carbon nanotube bundles, the analytical model considering the thermal effect of carbon nanotube bundles based TSV is studied. TSV isolation technology which can improve the isolation between hybrid carbon nanotube is proposed. The effects of geometric parameters and material parameters on the electromagnetic characteristics of carbon nanotubes based TSV, such as insertion loss, return loss, power consumption, delay, etc., are also proposed. Considering horizontal and vertical thermal conductivity of carbon nanotubes, the floorplanning and placement of carbon nanotubes based thermal vias are completed. Our results will provide the necessary theoretical foundation of the application of carbon nanotube in 3D ICs integration.

三维集成电路技术就成为被用来解决缩短连线、多级集成、改善性能和降低功耗等问题的有效方法之一。本项目将研究三维集成电路中碳纳米管TSV的建模、电磁特性和热特性分析、微波、毫米波特性等内容。考虑碳纳米管束的长度、直径、碳纳米管的数量、金属化比例等因素，同时引入弹道运输特性，建立考虑热效应的碳纳米管束的解析模型。针对碳纳米管束TSV技术，考虑碳纳米管的动态电感、量子电容并结合其解析模型，建立考虑热效应的碳纳米管束TSV的解析模型。研究碳纳米管TSV隔离技术，用于优化混合碳纳米管的隔离度。研究几何结构参数和材料参数对碳纳米管TSV的微波、毫米波特性的影响，包括插入损耗、回波损耗、功耗、延时等。考虑碳纳米管TSV的横向和纵向热导率，研究碳纳米管热通孔密度优化分配技术。本项目的研究成果将为碳纳米管技术应用于未来三维集成电路设计提供必要的理论基础。

基于TSV的三维集成电路技术是解决缩短连线、多级集成、改善性能和降低功耗等问题的有效方法之一。碳纳米管以其高热导率、高电流运输能力、高机械性、高热稳定性的独特属性受到研究者们的青睐，考虑到TSV对三维集成电路技术的重要性和碳纳米管的独特优势，非常有必要建立碳纳米管TSV的解析模型，并研究其电磁特性、热特性、微波、毫米波特性等。.本项目提出了一种新型考虑温度效应的多壁碳纳米管（MWCNT）精确电导模型。分析了在给定温度下电导率随长度的变化行为，结果表明在常温下光学声子散射对电导率的影响可以不需要考虑然而在高温下光学声子散射对电导率会产生重要的影响，并且引起了电导率在特定的区域内随长度而降低；采用多变量曲线拟合技术，提出了适用于分布式RLC互连线的50%传输延时的精确闭式方程，和SPICE仿真结果相比误差小于4%；导出了使传输延时达到最小值的最优插入反相器数目和尺寸的闭式方程，和数值计算结果相比误差小于0.4%。.基于碳纳米管TSV技术，研究了单壁碳纳米管基TSV热-机械特性，采用有限元分析法分析了（100）硅衬底上单壁碳纳米管基TSV热应力，通过PMOS和NMOS两种不同器件位置分布，分析了单壁碳纳米管基TSV阻止区，结果表明，单壁碳纳米管基TSV阻止区接近4µm，不可忽略，为了减小阻止区[110]方向适合放置PMOS，[100]适合放置NMOS。.提出一种铜-碳纳米管异质混合同轴TSV等效电路模型，分析不同材料对插入损耗的影响；建立了差分介质腔TSV阵列的寄生参数模型和等效电路模型；考虑了不同地TSV数目和布局的耦合衬底电容，提出一种有效的针对多地环绕的TSV回路阻抗的提取方法，提取了多地环绕TSV的RLCG参数，建立了相应的等效电路模型及二端口网络模型，验证了模型的有效性，分析了不同结构参数对信号TSV耦合电容的影响，提出的六边形布局模式在不影响信号完整性的前提下可有效的减少占用面积。.本项目的研究成果将为碳纳米管技术应用于未来三维集成电路设计提供必要的理论基础。