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论文英译汉

论文

科技英语英译汉

学院：

大数据与信息工程学院

专业名称：

集成电路工程

姓名：

学号：

2014年12月

一种在3D-ICTSV（硅通孔）中新的分段等效电路建模方法

摘要

本文提出了一种新的TSV技术中分段等效电路的建模方法，它是3D-IC的关键技术。

首先提取出TSV的电气参数，接着将它用来完成单TSV和双TSV结构的等效电路。

分段建模方法是通过将TSV结构分为三部分来实现的，即顶部，中部和底部的硅通孔结构。

中间部分的电气参数是通过解析公式得到的，而顶部和底部的电气参数是通过更加精确的3D场解得到的。

通过这种新方法得到的TSV的等效电路与一般方法相比更为准确。

等效电路模型的S参数的仿真结果与HFSS的仿真结果得到了很好的匹配，然而它的仿真时间却大为缩短，并且仿真结果表明，该模型可以准确反映出TSV的传输特性。

关键词：

3d-ic；TSV；等效电路；分段建模方法

一、介绍

TSV（硅通孔）是三维集成电路为了实现芯片堆叠互联的解决方案来而发展起来的一种新技术。

建立等效电路并且研究TSV的特性是非常重要的。

TSV建模的探究将有助于分布参数、传输特性，以及TSV结构的其他电学特性的研究，从而为3D-IC的研究奠定基础。

TSV目前的研究主要集中在以下几个方面：

一是TSV结构的建模与分析；二是TSV结构的耦合效应；三是TSV不同参数对TSV电特性的影响。

文[1]基于TSV结构进行了详细的研究，并且描述了TSV结构的等效建模方法。

在文[2]中，针对不同的TSV分布形式（圆锥和直立型），提出了计算寄生电阻和寄生电感的闭式表达式，该公式和数值计算方法的计算结果比较表明，该公式在低频时更准确，而在高频时，由于集肤效应引起的误差会增大。

文献[3-4]重点研究了耦合效应，对TSVs间的互耦合和TSV上的噪声耦合都进行了分析。

文[5]提出了TSV电容耦合效应的一种快速分析模型。

文[6]研究了不同大小的排除区（KOZ）对TSV电气性能的影响。

本文主要研究了TSV的建模方法。

建模中使用的TSV的电气参数是通过解析计算公式和3D场解得到的，然后参数用于完成单TSV结构和双TSV结构的等效电路。

此外，在之前研究的基础上，提出了分段建模方法。

分段建模方法是通过把TSV结构分成三部分实现的，即顶部，中部和底部的孔结构。

通过解析公式得到中间部分的电气参数，同时通过3D场解（AnsoftQ3DExtractor）提取得到更加精确的顶部和底部的参数，最后再将三部分连接起来。

该方法用于完成单TSV结构和双TSV结构的等效电路模型。

通过这种新方法得到的TSV的等效电路与以前的方法相比更为准确。

分段建模过程比较简单，并且可以从等效电路模型直接得到TSV的电气结构。

S参数的仿真结果与HFSS的仿真结果得到了很好的匹配，然而它的仿真时间却更短（小于一秒），并且仿真结果表明，该模型可以准确反映出TSV的传输特性。

二、TSV的等效电路模型

A.单TSV模型

使用HFSS建立TSV结构的3D模型，并且在1～20GHz范围内实现了模型的仿真分析。

S参数曲线是由仿真得到的，而仿真结果又被用于等效电路模型在ADS中的验证。

模型如图1所示。

模型中使用的参数如下所示：

TSV的直径为10um，高度为100um，硅基片尺寸为100μm×100μm×100μm，二氧化硅薄膜的厚度为1um。

TSV的材料是铜。

图1单TSV结构

在等效电路模型中，TSV结构的RLC参数公式如文献[7]中所示。

式中，Rtsv，Ctsv和Ltsv分别是TSV的等效电阻，电容和电感；h，r，t和p分别是TSV的高度，半径，氧化层厚度和TSVs之间的间距。

等效电路模型中使用的硅衬底上的RC参数公式如下所示：

式中，Rsi和Csi分别是硅衬底的等效电阻和电容，a，b和h分别是硅衬底的长度，高度和宽度。

该TSV结构等效为TSV的电阻和电感，并且通过和二氧化硅绝缘层形成的电容耦合到硅衬底上。

而硅衬底本身等效为电阻和电容。

该等效电路模型是根据参数的计算值建立的，等效电路如图2所示。

图2单TSV的等效电路

等效电路在1-20GHz范围内进行了仿真分析。

通过仿真获得的S（2，1）参数曲线如图3所示。

图3单TSV等效电路的S（2，1）参数曲线

B.双TSV模型。

双TSVs结构的3D模型首先在HFSS中建模，模型的仿真分析也是在1-20GHz范围内进行的。

该模型如图4所示。

图4双TSV结构

硅衬底的尺寸为100μm×200um×100um，而建模中使用的其他参数与单TSV情况是相同的。

双TSVs是通过一根导线连接起来的，而导线本身在等效电路中等效为电阻和电感。

等效结构的其他部分与单TSV结构是一样的。

等效电路如图5所示。

图5双TSV的等效电路

等效电路在1-20GHz范围内进行了仿真分析。

通过仿真获得的S（2，1）参数曲线如图6所示。

图6双TSV等效电路的S（2，1）参数曲线

数据显示，等效电路的仿真结果与HFSS的仿真结果得到了很好的匹配。

然而，等效电路模型是一种简单的结构，它的仿真时间还不到1s，对于TSV结构值电气特性的快速分析来说，这已经是一个很好的结果了。

三、TSV的分段模型

解析公式对于复杂结构具有一定的局限性，并且不能准确反映出各参数值。

于是我们提出了TSV分段建模方法，并且使用3D软件Q3D提取出了用于修正TSV模型的参数。

TSV分段建模可以更准确地反映TSV的电气结构，并且可以更恰当的模拟出TSV结构。

TSV建模的分段结构如图7所示。

图中，整个TSV结构分成三部分，图中标注为第一部分为，第二部分和第三部分。

第二部分占TSV结构的1/2，而第一部分和第三部分各占TSV结构的1/4。

第一部分的电气参数仍然是由解析公式提取出来的，因为这部分的结构简单，形状没有变化，而第二部分和第三部分的参数是通过更加精确的3D场解得到的。

由于这两部分的TSV结构发生了变化，解析公式不够准确，因此用3D场解提取出等效参数，用以修正之前的模型。

最后，等效电路的三个部分级联起来，形成新的TSV分段等效电路模型。

图7TSV的分段结构

A.单TSV分段建模

分段建模方法首先用于单TSV结构的建模。

等效电路如图8所示。

图8单TSV结构的分段等效电路

等效电路在1-20GHz范围内进行了仿真分析。

通过仿真获得的S（2，1）参数曲线如图9所示。

图9单TSV分段等效电路的S（2，1）参数曲线

B.双TSVs的分段建模

双TSV的分段方法与单TSV的情况一致。

等效电路如图10所示。

图10双TSV结构的分段等效电路

等效电路也是在1-20GHz范围内进行了仿真分析。

通过仿真获得的S（2，1）参数曲线如图11所示。

图11双TSV分段等效电路的S（2，1）参数曲线

从以上两种建模方法的对比可以看出，当使用分段方法时，ADS的仿真结果与HFSS仿真结果可以得到更好的匹配。

采用分段建模方法的等效电路模型更为准确，并且有更好的传输特性。

以上所有比较表明，通过分段方法改进后，得到的参数更为准确，这样就修正了模型的不足，并进一步优化了TSV结构的建模。

四、结论

本文提出了TSV的一种新的分段等效电路建模方法，它是3DIC的关键技术。

分段方法被用于完成单TSV结构和双TSV结构的等效电路。

S参数的仿真结果与HFSS的仿真结果得到了很好的吻合，这表明了该建模方法的正确性。

此外，分段建模方法还具有以下优点：

1.建模过程简单；

2.求解速度快。

所有等效电路模型在ADS中的运算时间小于1s；

3.模型具有较高的精度。

采用该方法的S参数仿真结果与HFSS的仿真结果相吻合。

参考文献

原文：

ThispaperproposedanovelsegmentedequivalentcircuitmodelingmethodofTSV,whichisthekeytechnologyof3D-IC.TheelectricalparametersofTSVareextractedfirstlyandthenusedtofinishtheequivalentcircuitofsingleTSVanddoubleTSVsstructure.ThesegmentedmodelingmethodisrealizedbysegmentingtheTSVstructureintothreeparts,namelythetop,middleandbottomoftheTSVstructure.Theelectricalparametersofthemiddlepartareobtainedbyanalyticalformulas,whiletheparametersofthetopandbottompartsareobtainedby3Dfieldsolvermoreaccurately.TheequivalentcircuitofTSVgotbythisnovelmethodismoreaccuratecomparedwiththegeneralmethod.ThesimulationresultsofSparameteroftheequivalentcircuitmodelarematchedwellwiththesimulationresultsofHFSSwhilethesimulationtimeismuchshorter,andthesimulationresultsshowthattheequivalentmodelcanreflectthetransmissioncharacteristicsofTSVaccurately.

Keywords-3D-IC;TSV;equivalentcircuit;segmentedmodelingmethod

I.INTRODUCTION

TSV（throughsiliconvia）isanewtechniqueforthesolutionofthree-dimensionalintegratedcircuittorealizetheinterconnectionofchipstack.ItisimportanttoestablishtheequivalentcircuitandstudythecharacteristicsofTSV.TheresearchofTSVmodelingwillcontributetothestudyofparametersdistribution,transmissionproperties,andotherelectricaleffectsofTSVstructure,thuslaysthefoundationforthestudyofthe3D-IC.

ThepresentstudyonTSVmainlyfocusesonthefollowingaspects:

oneisthemodelingandanalysisofthestructureofTSV;twoisthecouplingeffectofTSVstructure;threeistheinfluenceofthedifferentparametersofTSVontheelectricalcharacteristicsofTSV.Paper[1]conductsadetailedstudybasedonTSVstructure,andtheequivalentmodelingmethodofTSVstructureisdescribed.In[2],closedformexpressionforcalculatingtheparasiticresistanceandinductanceisproposedaimedatdifferentdistributionformsofTSV（conicalanderecttype）,thecomparisonbetweenthecalculationresultsoftheformulaandnumericalmethodshowsthattheproposedformulaismoreaccurateinlowfrequency,whiletheerrorincreasesinhighfrequencyduetotheskineffect.Papers[3-4]focusonthestudyofcouplingeffect.ThemutualcouplingbetweenTSVsandthenoisecouplingonTSVarebothanalyzed.Paper[5]proposesarapidanalysismodelforcapacitivecouplinginTSV.Paper[6]studiestheinfluenceofdifferentsizeofkeep-out-zone（KOZ）ontheelectricalpropertiesofTSV.

ThispapermainlystudiesthemodelingmethodofTSV.TheelectricalparametersofTSVthatusedinthemodelingareobtainedbyanalyticalformulasand3Dfieldsolver.TheparametersarethenusedtofinishtheequivalentcircuitofsingleTSVstructureandtwoTSVsstructure.Moreover,thesegmentedmodelingmethodisproposedonthebasisofthepreviousresearch.ThesegmentedmodelingmethodisrealizedbysegmentingthestructureofTSVintothreeparts,namelythetop,middleandbottomoftheTSVstructure.Theelectricalparametersofthemiddlepartarestillobtainedthroughanalyticalformulas,whiletheparametersofthetopandbottompartsareobtainedby3Dfieldsolvers-AnsoftQ3DExtractor-moreaccurately.Thethreepartsareconnectedfinally.ThismethodisusedtofinishtheequivalentcircuitmodelingofsingleTSVstructureandtwoTSVsstructure.TheequivalentcircuitofTSVgotbythisnovelmethodismoreaccuratecomparedwiththeformermethod.ThesegmentedmodelingprocessissimpleandtheelectricalstructureofTSVisrespondedstraightforwardlyfromtheequivalentcircuitmodel.TheresultsofSparameterarematchedwiththesimulationresultsofHFSSwhilethesimulationtimeismuchshorterwithlessthan1s,andthesimulationresultsshowthattheequivalentmodelcanreflectthetransmissioncharacteristicsofTSVaccurately.

II.EQUIVALENTCIRCUITMODELINGOFTSV

A.ModelingofSingleTSV

The3DmodelofTSVstructureismodeledinHFSS,andthemodelsimulationanalysisiscarriedoutin1-20GHz.SparametercurvesareobtainedbysimulationandthesimulationresultsisusedfortheverificationoftheequivalentcircuitmodelinADS.ThemodelisshowninFig.1.Hereshowstheparametersusedinthemodeling:

thediameterofTSVis10um,heightis100um,andthesizeofsiliconmediumis100um×100um×100um,thethicknessofsilicondioxideis1um.ThematerialofTSVisCopper.

TheformulasforRLCparametersofTSVstructureusedintheequivalentcircuitmodelingareshownasfollows[7]:

WhereRtsv,CtsvandLtsvaretheequivalentresistor,capacitorandinductorofTSV,respectively,andh,r,tandpareheight,radiusoftheTSV,oxidethicknessandthepitchbetweenTSVs,respectively.

TheformulasforRCparametersofsiliconsubstrateusedintheequivalentcircuitmodelingareshownasfollows:

WhereRsiandCsiaretheequivalentresistanceandcapacitanceofthesiliconsubstrate,respectively,anda,bandharethelength,heightandwidthofsiliconsubstrate,respectively.

TheTSVstructureisequivalenttotheresistanceandinductanceofTSV,andcoupledtosiliconsubstratethroughthecapacitancegeneratedfromtheinsulatinglayer-silicondioxide.Thesiliconsubstrateisequivalenttotheresistanceandcapacitanceitself.Theequivalentcircuitismodeledaccordingtothecalculatedvalueoftheparameters.TheequivalentcircuitisshowninFig.2.

Theequivalentcircuitwasanalyzedby1-20GHzsimulation.TheS（2,1）parametercurveachievedfromthesimulationisshowninFig.3.

B.ModelingofDoubleTSVs

The3DmodelofdoubleTSVsstructureisfirstlymodeledinHFSS,andthemodelsimulationanalysisisalsocarriedoutin1-20GHz.ThemodelisshowninFig.4.

Thesizeofthesiliconsubstrateis100um×200um×100um,andtheotherparametersusedinthemodelingarethesamewiththesituationofsingleTSV.

ThedoubleTSVsareconnectedthroughatransmissionline,andthetransmissionlineismodeledastheresistanceandinductanceofitselfintheequivalentcircuit.TheothersintheequivalentstructurearethesamewithsingleTSV.TheequivalentcircuitisshowninFig.5.

Theequivalentcircuitwasanalyzedby1-20GHzsimulation.TheS（2,1）parametercurveachievedfromthesimulationisshowninFig.6.

ThefiguresshowthatthesimulationresultsoftheequivalentcircuitarematchwiththesimulationresultsofHFSS.However,theequivalentcircuitmodelingisofsimplestructure,