系统级封装中穿透性硅通孔建模及分析

第26卷第3期2011年6月北京信息科技大学学报

Journal of Beijing Information Science and Technology University

Vol．26No．3Jun．2011

文章编号：1674－6864（2011）03－0015－05

系统级封装中穿透性硅通孔建模及分析

缪

旻

1，2

，梁

磊1，李振松1，许淑芳1，张月霞

1

（1．北京信息科技大学

信息微系统研究所，北京100101；2．北京大学

微米/纳米加工技术国家级重点实验室，北京100871）

摘要：针对系统级封装技术（SIP ，

system in package ）详细分析了穿透性硅通孔（TSV ，through silicon via ）的半径、高度和绝缘层厚度等物理结构对于三维系统级封装传输性能的影响，提出了TSV 吉赫兹带宽等效电路模型，并提取出其电阻、电容、电感等无源元件值，对于所提出的电路模型进行了时域分析，仿真给出了眼图。

关键词：系统级封装；穿透性硅通孔；等效电路；参数提取；眼图

中图分类号：TN 454

文献标志码：A

3D Modeling and analysis of through-silicon-vias in system in package

MIAO Min 1，2

，LIANG Lei 1，LI Zhen-song 1，XU Shu-fang 1，ZHANG Yue-xia 1

（1.Institute of Information Microsystem ，Beijing Information Science and Technology University ，Beijing 100101，China ；

2．National Key Laboratory of Micro /Nano Fabrication Technology ，Peking University ，Beijing 100871，China ）

Abstract ：The impact of physical configurations such as through silicon via （TSV ）radius ，TSV height and thickness of SiO2on the transmission performance of system in package （SIP ）is explored．A gigahertz equivalent circuit model of TSV in 3D Integrated Circuits is proposed and the values of passive elements within the model are extracted from full-wave scattering parameters．The proposed circuit model is analyzed in time domain ，and the eye-diagram is shown based on the proposed circuit model．

Key words ：system in package ；through silicon via ；equivalent circuit ；parameter extraction ；eye di-agram

收稿日期：2011-

05-08基金项目：中国国家高技术研究发展计划项目（863计划，

2007AA04Z352）；国家自然科学基金项目（60976083，60501007）；北京市自然科学基金项目（3102014）；北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室项目（KFKT-2010101）作者简介：缪

旻（1973—），男，云南昆明人，副教授，博士，主要从事微电子技术和通信工程方面的研究。

0引言

自从1965年英特尔公司的创始人之一戈登·摩

尔（Gordon Moore ）提出摩尔定律至今，

电子产品在功能器件密度、性能、价格方面一直在印证该定律的预测。如今，

45nm 的MOS 器件已经投入生产，10nm 的MOS 器件已经在实验室中成功制备。但是上述的两种方法却在实际中逐渐接近其物理极限。一方面，进一步降低特征尺寸，器件和电路运行将严重失真，所以特征尺寸低于10nm 的纳电子器件尚处于概念阶段；另一方面，上述先进封装技术的可靠性随着集成度的不断增加而趋于降低，同时成本却

趋于上升［1］

。这两方面的因素阻碍了摩尔定律的延续。系统级封装技术

［2］

（SIP ，system in package ）

作为三维集成与封装中的一种重要技术，成为能够

使微纳信息系统集成度不断提高延续的另一条技术

途径。图1展示了SIP 这一概念，用同种/不同种芯片（内存、射频、数字、处理器芯片及插入式衬底）的垂直集成实现高速集成电路系统的高密度封装。其中，SIP 技术中的芯片叠层间互连关系到信号传输速度、功耗乃至热可靠性，基于传统封装线焊技术的垂直层间互连方法由于走线长、单位长度电感量大等原因，已很难达到日趋高速化的数字、模拟乃至射频集成电路在集成为微系统时的要求。在此背景

下，穿透性硅通孔［3］

（TSV ，through silicon via ）为SIP 芯片叠层提供了最短的垂直互连路径，作为一种可

行的三维封装互连技术得到了迅猛发展。此外，随着系统复杂度的提高，器件的输入/输出I /O 引脚将

按照‘兰特定律’呈指数增长。由于TSV 垂直穿过硅基板，减少了对I /O 引脚位置的限制，从而可以满