《三维集成无源电路设计》面向射频前端系统，采用基于硅通孔(TSV)的三维集成技术，研究小型化、可集成化无源元件等核心科学问题，介绍相关前沿领域和研究进展，重点论述基于TSV的滤波器、分支线耦合器、功分器、变压器等关键技术，可为关键前沿领域的战略研究布局和技术融通创新提供基础性、通用性的理论基础，技术手段和知识储备，为推进三维集成技术在电子信息系统领域的产业化提供关键技术储备和理论支撑。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 硅通孔三维集成关键技术概述 1
1.2 国内外研究进展 3
1.2.1 TSV技术研究现状 4
1.2.2 基于TSV的三维滤波器 5
1.2.3 基于TSV的三维分支线定向耦合器 11
1.2.4 基于TSV的三维功分器 14
1.2.5 基于TSV的三维变压器 15
1.3 本书主要内容及安排 16
参考文献 17
第2章 基于TSV的毫米波交指型带通滤波器 24
2.1 基于TSV的毫米波均匀阻抗交指型带通滤波器 24
2.1.1 奇偶模阻抗法 25
2.1.2 基于TSV的改进耦合系数法 30
2.2 基于TSV的V波段均匀阻抗交指滤波器设计 32
2.2.1 结构设计 32
2.2.2 结果与分析 37
2.3 基于TSV的W波段均匀阻抗交指滤波器设计 39
2.3.1 结构设计 39
2.3.2 结果与分析 42
2.4 基于TSV的W波段SIR交指型带通滤波器设计 46
2.4.1 结构设计 46
2.4.2 结果与分析 51
2.5 基于TSV的U波段SIR双交指型带通滤波器设计 57
2.5.1 结构设计 57
2.5.2 结果与分析 59
2.6 小结 63
参考文献 63
第3章 基于TSV的无反射滤波器设计 65
3.1 基于TSV的对称结构无反射滤波器设计 65
3.1.1 基础对称结构无反射滤波器设计 66
3.1.2 对称结构无反射滤波器的优化 81
3.2 基于TSV的互补双工无反射滤波器设计 87
3.2.1 互补双工无反射滤波器 87
3.2.2 逆切比雪夫型互补双工无反射滤波器 92
3.2.3 环路互补双工无反射滤波器 96
3.3 小结 102
参考文献 103
第4章 三维集成共模噪声抑制滤波器设计 104
4.1 滤波器原理及主要特性 104
4.1.1 滤波器原理 105
4.1.2 滤波器主要特性 106
4.2 基于全通滤波器的共模噪声抑制滤波器设计 106
4.2.1 滤波器拓扑结构设计 107
4.2.2 电容、电感结构设计 111
4.2.3 滤波器物理结构设计 112
4.2.4 特性分析 115
4.2.5 工艺描述 120
4.3 基于低通滤波器的共模噪声抑制滤波器设计 122
4.3.1 滤波器拓扑结构设计 122
4.3.2 电容、电感结构设计 131
4.3.3 滤波器物理结构设计 133
4.3.4 特性分析 135
4.3.5 基于LPF 的高阶共模噪声抑制滤波器设计 139
4.4 小结 146
参考文献 147
第5章 基于TSV的分支线耦合器设计 149
5.1 基于TSV的集总参数分支线耦合器设计 149
5.1.1 应用π形线圈的分支线耦合器 150
5.1.2 应用π形线圈的宽带分支线耦合器 162
5.1.3 基于TSV的双频分支线耦合器 170
5.2 基于TSV的分布参数分支线耦合器设计 177
5.2.1 基于同轴TSV和CPW的三维毫米波分支线耦合器 177
5.2.2 基于三维*折传输线的小型化毫米波分支线耦合器 184
5.3 小结 188
参考文献 188
第6章 基于TSV的功分器设计 190
6.1 基于TSV的单频功分器设计 190
6.1.1 TSV单频功分器设计 191
6.1.2 TSV单频功分器仿真与分析 194
6.2 基于TSV的双频功分器设计 199
6.2.1 基于集总参数变化的双频功分器设计与仿真 199
6.2.2 基于频率变化的双频功分器设计与仿真 209
6.3 小结 212
参考文献 213
第7章 基于TSV的变压器 214
7.1 基于TSV的嵌套结构变压器 214
7.1.1 结构设计 214
7.1.2 仿真与分析 217
7.1.3 变压器设计中的相关问题讨论 222
7.1.4 制造工艺流程与测试方法 227
7.2 基于TSV的对称结构变压器 229
7.2.1 结构设计 230
7.2.2 仿真与分析 232
7.2.3 等效电路模型建立与验证 238
7.2.4 制造工艺流程 240
7.3 基于同轴TSV的变压器 242
7.3.1 结构设计 242
7.3.2 仿真与分析 242
7.4 小结 245
参考文献 246

第1章绪论
　　1.1硅通孔三维集成关键技术概述
　　随着集成电路规模越来越大，集成度的不断增加和晶体管特征尺寸的不断减小，集成电路的尺寸越来越小，集成电路速度、功耗等性能和尺寸的改善越来越小，也越来越困难。由戈登？摩尔(Gordon Moore)提出的摩尔定律已经不能满足当下集成电路的发展需求[1-3]。为了指导集成电路的发展，科研人员对摩尔定律进行了补充和扩展，并且在超越摩尔定律(more than Moore’slaw)的方向上引人多种新技术。其中，三维集成电路(three-dimensional integrated circuit，3DIC)的提出，在不减小晶体管特征尺寸和增加功耗的同时，从减小互连线长度的角度实现了减小信号传输延迟和芯片面积的目的，进而提升芯片性能。图1-1为3DIC结构的示意图[4]。三维集成技术的研究可以指导集成电路沿着摩尔定律进一步发展，甚至实现“超越摩尔定律”[5]。
　　图1-1三维集成电路结构的示意图
　　硅通孔(throughsiliconvia，TSV)技术作为一种三维集成技术，不仅可以实现异构芯片的垂直互连和电气连接，还可以提供低损耗的垂直互连，增加带宽，成为众多三维集成技术研究中*流行的技术之一。
　　当集成电路为二维平面形式时，随着特征尺寸的减小，晶体管在制造中面积缩小，导致金属互连层增加，从而产生较大的互连延迟。在130nm和110nm工艺节点之间，互连延迟的增加大于晶体管性能的提升，互连延迟已经不可忽视，随着尺寸的进一步缩小，在65nm工艺节点这个情况将更加严峻[6，7]。这也意味着随着片上集成器件数量的增加，与摩尔定律预测的半导体行业趋势相比，单片芯片性能可能会下降，消除互连延迟成为未来集成电路需要重点关注的问题。
　　3DIC为解决互连延迟问题提供了有效的方案，可以通过硅通孔垂直互连堆叠多个器件和电路层的方式缩短芯片间互连长度，从而获得更高的封装密度，并使不同类型的芯片在同一区域的异构集成成为可能，它被认为是克服摩尔定律尺寸限制的*有希望的替代方案之一[8]。图1-2给出了系统集成技术的发展趋势，三维异质集成通过将载体衬底或中间介质层合并在一起来减小互连长度，缩小尺寸，同时具有低延迟、低功耗和高速度的优点[9]。
　　图1-2系统集成技术的发展趋势[9]
　　MEMS-微电子机械系统；Analog-模拟；RF-射频；Passives-无源器件；Digital-数字；EmbeddedPassives-嵌入式无源器件；Substrate-衬底；Integration-集成通过三维异构集成，可以将包括存储器、MEMS、天线、RF、模拟/数字在内的不同功能模块堆叠到封装中。图1-3是基于TSV的3D异构集成系统，其中硅通孔和重新布线层(redistribution layer，RDL)作为关键的互连线起到重要的作用，不仅可以提供更短的互连长度，而且具有更短的线延迟、更少的寄生效应和更高的时钟频率，从而提高整体系统的性能。三维系统集成作为全球微电子封装和系统集成中*重要的关键技术之一，在传感器、处理器、存储器和收发器等多个设备的异构集成方面具有特殊优势，被广泛应用于处理器-存储器协同架构系统、图像传感器系统以及多RF系统。在此背景下，TSV技术已成为三维系统架构的关键组件，通过在具有TSV的硅中介层顶部使用具有低寄生性的细间距输人/输出(mput/output，I/O)和高密度布线，类似逻辑的高引脚数IC可以非常有效地与传感器、存储器互连，形成紧凑的系统级封装(system in package，SIP)。
　　TSV技术和三维异构集成的诸多优势使其逐渐成为半导体行业的主流。一方面，近些年个人计算机、高性能计算和数据中心等存储市场的增长，对高性能、低能耗和占地面积小的存储驱动器，以及更高逻辑存储器带宽和更低芯片互连延迟的日益增长的需求推动三维异构集成技术的发展[11，12]。另一方面，
　　在射频模块和微电子器件的集成领域，TSV技术也展现了显著的优势，通过使用3DIC/TSV技术堆叠芯片，可以为射频/微波电路的设计和集成提供更大的灵活性。图1-3显示了用于射频微电子器件的3D异构集成的结构概念图，芯片通过引线键合或倒装芯片技术连接到介质层，其中RFTSV为IC芯片和印刷电路板提供垂直电信号互连，接地TSV能够起到抑制衬底串扰的作用[13]。Ebefors等[14]提出的高密度集成自适应RF前端天线模块，由RF-MEMS开关阵列和嵌人式三维射频集成无源器件(3DRF-IPD)组成，通过细间距的TSV进行三维互连和晶圆级封装可以显著减小MEMS器件尺寸并且降低成本，其中高0电感器采用基于TSV的三维片上电感结构实现，*终对整个模块进行二次成型。由此可见，TSV和三维集成为目前高质量射频系统面临的高度小型化和集成化的挑战提供了解决方案。
　　图1-3基于TSV的3D异构集成系统
　　综上所述，3D集成和TSV技术不仅可以解决传统的互连延迟问题，而且为射频和微波电路的设计和集成提供了更大的灵活性。近些年随着三维集成技术的发展，针对TSV的射频微波器件也开始被研究，基于TSV的电感器、电容器和无源滤波器已经被设计研发，和传统结构相比，不但在尺寸上具有很大的优势，而且在高频段具有高可靠性和低损耗等优良的电学特性。因此，研究基于TSV的小型化无源器件对未来高质量的射频和无线通信系统的发展具有重要的意义。
　　1.2国内外研究进展
　　鉴于TSV和三维集成技术在微型化、高密度系统集成方面的巨大优势，基于TSV的三维集成技术研究是国际学术前沿的热点领域。
　　西方发达国家近年来大力研发基于TSV的三维集成技术，并制订了详细的后期研究计划。美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)先后推出的“半导体技术先期研究网络”计划和“电子复兴”计划，都把三维单芯片系统集成作为主要技术突破手段，以确保在电子领域的领先地位。欧盟先后启动的“电子微系统立方体”计划和“人脑”计划，都把三维集成和TSV技术作为实施芯片系统“微型化”和“智能化”异质异构化集成的主要实施方案。我国也一直倡导推进电子信息系统的智能化、微型化、集成化，在系统、模块和芯片各个层次安排了高密度TSV相关技术攻关计划。同时，我国许多高校与研究所微电子、光电子、微纳电子、电子元器件和先进制造技术等相关专业预研计划和基金计划都安排了针对性的技术研究和项目支持。
　　在具体理论细节和技术实施上，经过近年来的技术攻关和探索，基于TSV的三维集成技术已经取得全面突破，形成了全套、成熟的三维集成技术体系，主要分为以下几个方面：TSV结构建模及互连传输、三维集成电路热管理、基于TSV的三维无源器件、基于TSV的三维无源滤波器等。
　　1.2.1TSV技术研究现状
　　TSV作为三维集成关键技术之一，在国内外已得到广泛研究，针对TSV的研究主要包括多场物理耦合、电学和热学特性、电阻-电感-电导-电容(RLGC)解析模型、衬底噪声、可靠性和故障分析、结构及制备工艺创新、TSV技术应用等方面。其中，关于TSV技术应用的研究主要包括MEMS与传感器、固态硬盘、存储器、处理器、光电集成、系统级封装(SIP)、现场可编程门阵列(FPGA)，以及射频、微波高频器件的设计等。
　　近些年，将TSV技术应用于射频系统和射频无源器件的研究屡见不鲜，Krishnamurthy等[15]提出了一种用于14nm三栅极互补金属氧化物半导体(CMOS)的三维堆叠管芯应用的数字控制的完全集成电压调节器。采用具有平面磁芯的三维TSV电感器，三维TSV电感器和集成电压调节器(IVR)有源电路集成在同一个单芯片上，三维TSV电感器测量的电感密度为111nH/mm2，是迄今为止所有功率电感器中密度*大的，比传统的平面螺旋电感器高20倍，证明了这种电感结构的真正潜力，且对TSV结构进行改进可以在不影响功率密度的前提下提高整体效率。Gou等[16]提出了一种基于硅通孔的三维集成电感器的精确模型，该模型考虑了内部电感和重新布线层(RDL)电感的详细计算，可以更精确地获得三维电感器的总电感。Shin等[17]提出采用TSV集成无源器件(itegrated passive devices，IPD)技术的集总元件高精度X波段带通滤波器，实现了低成本和紧凑的结构。
　　在TSV无源器件方面的研究，由于TSV在高频下的优良电学特性，新加坡科学技术研究局微电子研究院[18]研究了一种基于TSV的毫米波空腔背隙天线，该结构可以与有源电路集成在一起，大幅度减小尺寸，且抑制了电磁干扰，保持了固有的高增益和宽带宽；在TSV传感器的研究方面，东南大学[19]研究了一种基于TSV的传感芯片，传感电路采用高阻硅衬底，电路封装采用陶瓷芯片，通过在硅衬底采用凹槽式设计，显著抑制芯片中不必要的侧向热传导，从而提高微机械风传感器的灵敏度；在关于TSV的功分器研究方面，国际商业机器公司(IBM)半导体研发部[2。]设计了一种应用于毫米波电路的TSV片上威尔金森(Wilkinson)功分器，其性能符合高性能毫米波设计的标准，在毫米波相控阵天线系统中可以实现系统尺寸优势；在TSV电感器和电容器的研究方面，Yin等[21]基于寄生参数和等效电路模型，提出了TSV螺旋电感器和TSV交指型电容器，并根据集总电感电容(LC)结构研究了一种TSV宽阻带超紧凑低通滤波器(low-pass filter，LPF)，具有良好的通带反射能力和更高的阻带衰减。此外，Lu等[22]提出了一种采用等效90°传输线段和同轴TSV的3dB三维紧凑定向耦合器，其中心频率为100GHz，带宽达到20GHz。在TSV的存储器应用方面，由Hachiya等[12]提出了基于TSV的集成固态硬盘(SSD)和存储级存储器(SCM)，使用TSV实现的SSD具有速度快、能耗低、耐久性高等优点；关于TSV带通滤波器方面的研究，Wang等[23]研究了一种基于TSV的小型化基片集成波导(SIW)太赫兹带通滤波器，采用有限元法和模式匹配法研究了滤波器的滤波特性，使用圆柱TSV结构代替原有的矩形TSV结构，具有超紧凑的尺寸和优越的滤波特性。
　　Xiong等[24]提出了基于TSV的三维片上Marchand巴伦。利用基于TSV和RDL的3D封装工艺，建立了*折耦合路径，3D结构可以有效地减少芯片上的面积，同时保持良好的平衡特性。此外，该结构可以与三维集成电路灵活集成，以实现不同堆叠层之间的信号转换。Hou等[25]提出了一种适用于多波段的开关控制带阻滤波器(BSF)，该滤波器采用内部硅微加工工艺，通过TSV将两个堆叠的BSF与开关异质集成，具有带宽较宽、边缘尖锐、尺寸紧凑和集成度高等特点。
　　1.2.2基于TSV的三维滤波器
　　微波滤波器是无线网络基站前端网络*重要的组件之一，具有带通、带阻、低通和高通四种功能形式。带通滤波器是一种只允许通过特定频率范围内的频率分量，同时将该频率范围外的所有频率分量抑制到极低水平的滤波器，其对信号的选择能力越强，通信系统对外界的抗干扰能力也就越强。
　　交指型带通滤波器主要由介质基板、谐振器单元、输人输出馈线，以及接地平面构成。在介质基板的研究方面，陈松[26]研究了使用高介电常数复合型陶瓷材料作为介质基板制作微带交指型带通滤波器，虽然在尺寸上基本满足了目前对于滤波器小型化的要求，但在滤波器的传输性能方面还有较大缺陷，传输损耗较大；翟琼华[27]提出了一种设计方法，该方法结合MEMS技术，采用高阻硅制作介质基板，将阶跃阻抗谐振器作为微带交指结构的谐振单元，可以使结构尺寸更小，阻带衰减更大，并且可以调节寄生通带，使传输性能更加稳定。此外，通过在谐振器的外围制作金属孔阵列，对内部的滤波器电路起到电磁屏蔽的作用，有效避免谐振器电