發(fā)布時間：2020-08-22 06:51

【摘要】：建立印刷電路板和三維封裝互連中電源網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型是研究高速電路電源完整性的基礎(chǔ)。硅通孔(Through Silicon Via; TSV)互連技術(shù)以其在速度和寄生功耗方面優(yōu)越的電氣性能,以及和CMOS工藝很好的兼容性,已經(jīng)成為半導(dǎo)體工業(yè)三維集成系統(tǒng)中一種重要的互連技術(shù)。相關(guān)研究工作的深入開展,有利于解決制造和設(shè)計方面的技術(shù)難題,加速三維集成系統(tǒng)的發(fā)展進程。本文的工作主要研究高速板級電路和硅通孔三維封裝集成中的電磁特性,重點解決了高速電路板級電源網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的建模仿真問題和包含硅基半導(dǎo)體效應(yīng)的硅通孔互連的建模問題。論文首先提出了高速電路板及封裝中電源旁路結(jié)構(gòu)寄生電感的全波計算方法,研究了自阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗的分布特性及解耦方法,提出采用等效電路方法解決平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題；采用泊松方程和泊松-波爾茲曼方程分別計算了TSV互連的半導(dǎo)體特性,并將此特性在TSV各種結(jié)構(gòu)的建模中加以考慮；另外,論文還研究了瞬態(tài)電壓抑制器件SPICE模型參數(shù)的估算問題,通過靜電放電抗擾度的仿真和實驗驗證了建議的估算方法的有效性。論文的主要成果如下：1.基于散射系數(shù)方法提出了PCB電源旁路結(jié)構(gòu)中寄生電感的全波表達式；研究了通過微波網(wǎng)絡(luò)測試提取阻抗參數(shù)的方法,并采用低阻抗測試方法獲得了電容器件和電源平面的阻抗特性；建立了電容旁路結(jié)構(gòu)的全波等效電路模型,測試驗證了該電路模型的有效性。2.基于平面電路的邊界積分方程快速計算方法,提出了印制板基底材料的相對介電常數(shù)和損耗因子的提取方法,結(jié)合端口約減方法獲得了電源平面的自阻抗和轉(zhuǎn)移阻抗的分布特性,提出了轉(zhuǎn)換噪聲的分布式解耦方法。另外,在轉(zhuǎn)換噪聲抑制方面,通過將積分方程等效電路和傳輸線互連相結(jié)合的方法解決了平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)(Electromagnetic BandGap; EBG)設(shè)計中的尺寸定義問題,采用電路仿真實現(xiàn)了EBG結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,并引入了集總電感器作為單元間的連接方案,得到了更好的阻帶性能。提出的等效電路設(shè)計EBG結(jié)構(gòu)的方法和全波數(shù)值計算相比極大的縮短了設(shè)計周期和仿真計算時間。3.提出了TSV硅通孔電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性符合靜態(tài)偏置下的小信號概念,并推廣建立了TSV各種結(jié)構(gòu)的電磁信號傳輸模型。通過全耗盡假設(shè)下泊松方程推導(dǎo),提出了摻雜硅基底耗盡寬度的Lambertw函數(shù)表達式；研究了氧化層和半導(dǎo)體界面電荷對計算的影響；基于耗盡寬度的計算和耗盡層絕緣假設(shè),建立了電源網(wǎng)絡(luò)雙TSV結(jié)構(gòu)和多TSV電源陣列的等效電路計算模型；根據(jù)摻雜硅基等效電路模型,研究分析了摻雜硅襯底對雙線TSV結(jié)構(gòu)的信號傳輸影響。另外,還研究了Interposer中間層中TSV電源陣列對信號傳輸?shù)娜菪杂绊?提出了簡化計算模型。4.研究了硅基中電荷的精確分布,從而建立了高頻信號在TSV中的傳輸模型�；趫A柱坐標系下的泊松-波爾茲曼方程,推導(dǎo)計算后獲得了TSV互連半導(dǎo)體內(nèi)電荷的精確分布,提出了金屬-氧化物-半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor; MOS)電容的計算方法。基于電荷分布產(chǎn)生的電阻率變化,引入薄層電阻概念,結(jié)合部分元等效電路方法提取了TSV金屬部分與耗盡層間的電阻和電感,建立了單、雙TSV結(jié)構(gòu)的電阻-電感-電導(dǎo)-電容等效電路模型。5.提出一種靜電脈沖防護中瞬態(tài)電壓抑制器的等效電路模型參數(shù)估算方法,并研究了此估算模型在電子設(shè)備端口電磁脈沖抗擾設(shè)計中的應(yīng)用�；谒矐B(tài)電壓抑制器件的半導(dǎo)體物理機理,采用估算和測試相結(jié)合的方法獲取了其SPICE模型參數(shù),靜電抗擾度測試和仿真計算結(jié)果驗證了建議的估算方法的有效性。建立了瞬態(tài)抑制器件在敏感電子裝置端口的抗擾度分析等效電路模型,測試和仿真計算結(jié)果的比較驗證了建立的抗擾度電路模型的工程價值。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN41

【參考文獻】

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本文編號：2800392