基于硅通孔的微波前端无源电路集成技术研究

Based on the through-silicon-via (TSV) technology, this project will study three-dimensional integrated inductors, capacitors, microwave filters and configurable filters with broad band, high integration and high Q value to solve the key issues of the miniaturization, integration and configurations of microwave front-end passive circuit. This project will study the structures and theories of TSV-based three-dimensional inductor, capacitor with broad band and high Q value and the impacts of TSV structure parameters, material properties, and side-wall roughness on the parasitic parameters, Q value, the resonance frequency; This project will study the structures and theories of microwave filters and configurable filters with high integration and high reliability and the impacts of the material properties, structure parameters and the structural characteristics of passive components on center frequency, bandwidth, group delay, insertion loss, roll-off factors; This project will provide the necessary theoretical and technical foundation for the development and application of TSV technology in microwave front-end passive circuit field.

本项目基于硅通孔（TSV）技术，开展宽频带、高集成度、高Q值的三维集成电感器、电容器、微波滤波器及可配置滤波器的研究工作，解决微波前端无源电路微型化、集成化、可配置化等关键基础科学问题。研究基于TSV技术的宽频带、高Q值的三维电感器和电容器结构及理论，研究TSV的材料属性、结构参数以及侧壁粗糙度对三维电感器和电容器的寄生参数、Q值、自谐振频率的影响；研究高集成度、高可靠性微波滤波器和可配置滤波器结构及理论，研究TSV的材料属性、结构参数以及无源元件结构特征对微波滤波器中心频率、带宽、群延时、插入损耗、滚降系数等特性参数的影响；为TSV技术在微波领域的发展与应用提供必要的理论和技术基础。

针对微波电路及系统微型化、多功能化的发展需求，本项目基于TSV技术，开展宽频带、高集成度的三维集成电感器、电容器、微波滤波器及可配置滤波器的研究工作：(a) 提出了高密度电容器三维架构，并采用高介电常数介质填充、三维阵列耦合等技术，获得了温变及频变特性互补的三维电容架构，解决了高密度、宽频带电容的硅基片上集成难题；(b) 研究基于TSV的三维电感的电磁场理论及结构实现，提出了高Q值三维螺旋电感结构，实现了硅衬底三维空间内子电感阵列之间的磁场耦合和叠加，解决了硅基片上电感器的三维微型化集成难题；(c) 提出了高阻硅表面空心螺旋电感和双绕线插指电容技术，降低了硅基集成器件的衬底涡流损耗和导体损耗，提出了电磁场正交互补去耦合和三维自隔离技术，实现了硅基三维无源滤波器，面积仅为0.42×0.25mm2；(d) 基于同轴硅通孔矩阵，提出了硅基三维集成的2.8~5.7GHz可配置无源滤波器，面积仅为0.15×0.1mm2。通过切换开关网络改变硅通孔阵列构成不同的电容、电感组态，实现了三维滤波器截止频率和带宽等滤波参数的片上配置，有效解决了硅基三维集成微系统的无源滤波器损耗大、模式单调、无法片上异构集成等问题；此外，还完成了相关三维集成无源器件、微波滤波器的成品制作和测试验证，为TSV技术在微波领域的发展与应用提供必要的理论和技术基础。在本项目支持下，共发表相关学术论文11篇，其中IEEE期刊6篇，授权发明专利7项，协助培养博士研究生2名，完成了既定研究目标。