三维封装电磁干扰的分析与防护设计
本文选题：三维封装 + 硅通孔 ； 参考：《浙江大学》2017年博士论文
【摘要】：随着二维集成电路集成度的不断提升,金属互连延时和功耗成为制约集成电路性能提升的主要因素,三维封装有望为集成电路的继续小型化、多功能、高速度和高集成度发展带来契机。但另一方面,三维封装作为一种异质集成的解决方案,糅合了半导体材料、绝缘材料、金属材料、合金材料等各种异质材料,导致三维封装内部电磁环境极其恶劣;同时三维封装具有多辐射源的特点,多辐射源的外部辐射相互叠加,总体辐射强度增强,极易致使封装体对外部电路产生电磁干扰。所以,三维集成电路的“封装内干扰”和“封装外干扰”的电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,EMC)问题成为三维封装的重点研究方向之一。针对三维封装面临的电磁干扰与辐射问题,本论文深入研究其电磁特性精确建模与电磁屏蔽结构设计,并取得了以下创新性成果:首先,针对“封装内干扰”的EMC问题,本文基于传输线理论推导了三维封装中硅通孔(Through Silicon Via,TSV)及水平重分布层(Redistribution Layer,RDL)结构的等效电路模型,以精确表征物理结构参数和材料参数对三维封装中TSV电磁特性的影响。此外,针对三维封装内大规模TSV/玻璃通孔(Through Glass Via,TGV)阵列仿真时间长的难点,本文基于柱面波模式,开发了精确的场-路协同仿真方法,该方法充分考虑了电磁波在TSV/TGV阵列之间的多次反射和散射。仿真和实验结果显示该方法能有效地分析三维封装中大规模TSV/TGV阵列的电磁特性,同时与现有的电磁软件相比,极大地减少了计算时间。其次,在分析“封装外干扰”问题中,针对三维封装结构复杂难以精确建模以及计算量巨大的实际难点,本文提出了等效辐射源方法,即利用等效偶极子表征三维封装的电磁辐射特性。根据近场扫描数据的不同,该方法分为基于近场幅度和相位扫描的等效辐射源方法和基于无相位近场扫描的等效辐射源方法。基于近场幅度和相位扫描的等效辐射源方法中采用正则法求解等效偶极子模型,并联合三维全波方法分析其对周围电路的电磁干扰。对于基于无相位近场扫描的等效辐射源方法,本文提出利用差分进化算法来求解该非线性电磁逆问题。基于本文提出的方法开发了噪声源重构软件,应用于公司实际智能手机的电磁兼容分析中:利用等效辐射源有效地分析了手机中某功能模块的电磁辐射特性,并探究了等效辐射源精度和偶极子数量的关系;针对手机/基站的时钟电路,实验结果显示等效辐射源的辐射特性和原时钟芯片的辐射特性具有较好的一致性,等效辐射源耦合到手机天线端口的能量与频谱仪测试结果的最大误差小于6dBm,且对于10个偶极子的等效辐射源模型而言,差分进化算法的优化时间仅为64秒。最后,基于对三维封装电磁干扰和辐射特性的深入分析,本文提出了 TSV转接板双面电磁屏蔽结构设计,推导了其等效电路模型,并通过仿真验证了该等效电路的准确性。和传统TSV传输结构相比,该电磁屏蔽结构具有较小的插入损耗、金属和介质损耗,因此该双面电磁屏蔽结构能有效改善三维封装中TSV信号传输特性和减小电磁耦合。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN405
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，本文编号：1734913
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