基于多物理场耦合分析的机载天线仿真技术研究

为了预测、评估对物理场影响较为敏感的微带阵列天线在复杂的温度、应力等多物理场效应影响下的性能变化规律,本文从多场耦合的机理出发,立足于机载阵列天线装机状态下的复杂物理环境,深入分析阵列天线多物理场效应.通过将求解电大尺寸具有优势的多层快速多极子算法和计算温度场及结构场问题的有限元数值算法的联合运用,成功突破模型关联技术、网格共享技术、多物理场协同仿真控制等关键技术,形成了一套较为成熟的解决天线多物理场仿真中典型电热结构耦合问题的仿真流程.     

空心硅通孔的设计及其传输性能

硅通孔(TSV)能够实现信号的垂直传输,是微系统三维集成中的关键技术,在微波毫米波领域,硅通孔的高频传输特性成为研究的重点。针对微系统三维集成中,无源集成的硅基转接板的空心TSV垂直传输结构低损耗的传输要求,进行硅通孔的互连设计和传输性能分析。采用传输线校准方式,首先在硅基转接板上设计TSV阵列接地的共面波导(CPW)传输线和带TSV过孔的传输结构,并分别进行仿真分析,计算得出带TSV过孔的传输结构的插入损耗;然后通过后道TSV工艺,在硅基转接板上制作传输线和带TSV过孔的传输结构,用矢量网络分析仪法测试传输线和带TSV过孔的传输结构的插入损耗;最后计算得到单个TSV过孔的插入损耗,结果显示在0.1～30 GHz频段内其插入损耗S21≤0.1 dB,实现了基于TSV的低损耗信号传输。     

硅基纳机电探针及其敏感和执行特性

阐述了集成纳机电探针实现超高密度存储的工作原理 ,并对所设计的结构进行了力学理论计算和有限元模拟 .采用硅基微纳机械加工工艺 ,将压阻敏感器和电热纳米针尖一体集成到硅悬臂梁上 ,实现器件制作 .对加热电阻进行温度标定 ,得到了加热电阻与温度间二次关系曲线 .在此基础上对器件进行微秒级瞬态电热特性分析和测试 ,测试结果与理论计算结果和有限元模拟结果都有较好的吻合 .测试结果表明在 4 V脉冲电压下 ,加热时间为 3μs时 ,针尖温度达到 4 6 3.1 5 K,相应的加热电阻的降温时间常数为 6 .2 μs,数据写入速度达到近百 k Hz.悬臂梁上的压阻器件敏感     

基于TSV工艺的三维FPGA热分析

为探索三维现场可编程门阵列(FPGA)芯片温度的影响因素,提出一种三维FPGA有限元仿真模型。首先,利用商业有限元软件构建基于硅通孔(TSV)、微凸块、倒装焊共晶焊球、无源硅中介层、焊球阵列(BGA)焊球和印制电路板(PCB)的模型。然后,利用该模型从定性和定量的角度对不同TSV数目及堆叠层数的三维FPGA芯片进行温度分析。实验发现,底层芯片到顶层芯片的平均温度呈递增趋势,且各层芯片的平均温度随TSV数目的减少和堆叠层数的增加而升高。实验结果与已发表文献中的结果一致,表明提出的仿真模型在分析芯片温度的影响参数方面的可行性。     

三维堆叠封装TSV互连结构热扭耦合应力分析与优化

建立了三维硅通孔(TSV)芯片垂直堆叠封装结构有限元分析模型,对模型在热扭耦合加载下进行了仿真分析;分析了TSV材料参数与结构参数对TSV互连结构热扭耦合应力的影响;采用了响应面与模拟退火算法对在热扭耦合加载下TSV互连结构参数进行优化设计。结果表明：TSV互连结构最大热扭耦合应力应变位于铜柱与微凸点接触面外侧;微凸点材料为SAC387时,TSV互连结构热扭耦合应力最大,该应力随SiO₂层厚度的增大而增大,随铜柱直径的增大而先增大后减小,随铜柱高度的增大而减小;最优参数水平组合为铜柱直径50μm、铜柱高度85μm、SiO₂层厚度3μm,优化后的最大热扭耦合应力下降了5.3%。     

基于低温共烧陶瓷技术的Ku波段低噪声放大器

设计了一种基于低温共烧陶瓷(Low temperature co-fired ceramic)技术的Ku波段低噪声放大器。将低噪声放大器的MMIC芯片集成于LTCC基板中,利用三维全波电磁场软件设计和优化了LNA的无源模型,包括金丝、通孔阵列和多层地平面。金丝用来连接MMIC芯片和微带,通孔用来连接不同地平面。分析了两根平行金丝的π型等效模型并提取了该模型的参数,研究了通孔阵列的间距以得到良好的接地效果。为了得到LNA完整的仿真,将整个无源模型的电磁场数据导出到ADS软件中,并和MMIC芯片的S参数一起协同仿真,最终得到优化结果。测试结果表明该LNA在12~17GHz的频段内,具有40dB的增益,±1.215dB的带内平坦度,2.9dB的噪声系数。     

硅通孔互连技术的开发与应用

随着三维叠层封装、MEMS封装、垂直集成传感器阵列以及台面MOS功率器件倒装焊技术的开发,硅通孔互连技术正在受到越来越广泛的重视和研究。文中叙述了几种硅通孔互连技术的制造方法,以及它们在三维封装、MEMS封装、高密度硅基板、垂直集成传感器阵列和台面MOS功率器件等方面的应用。最后,进一步阐述了硅通孔互连中几项关键技术的研究现状以及存在的挑战。     

基于COMSOL的TSV电感多物理场耦合特性研究

基于硅通孔(TSV)技术,提出了应用于三维集成电路的三维螺旋电感.在实际应用中,TSV电感存在电场、温度场和力场之间的相互耦合,最终会影响TSV电感的实际电学性能.考虑P型和N型两种硅衬底材料,采用COMSOL仿真软件,对TSV电感进行多物理场耦合研究.结果表明,在P型硅衬底情况下,多物理场耦合的影响更大,TSV电感的...     

三维功率MOSFET器件的热可靠性设计

基于三维集成技术的功率MOSFET器件,在发热量大和散热难的双重压力下,热可靠性设计凸显得尤为重要。文中采用硅通孔散热方式,在三维功率器件内嵌入大量的散热硅通孔,以降低芯片内热阻,疏导功率器件产生的热量,保证器件有源区结温低于极限安全结温,可有效提高芯片的热可靠性。以100 V,60 A的功率VDMOS器件为研究对象,以提高芯片的热可靠性为目的,合理设计和充分优化了三维功率MOSFET器件的版图和散热硅通孔的布局。基于多物理场分析软件开展了大量的热可靠性仿真分析工作,并流片验证了设计的正确性。     

Ka频段硅基阵列天线设计

微带阵列天线是实现通信、测控等系统小型化的关键设备之一。为了进一步降低天线高度,对应用深腔刻蚀、硅通孔等微电子机械微纳加工技术,实现Ka频段硅基阵列天线的方案进行了分析研究。对常用的各种微波基板材料特性进行分析,结合3D封装集成需求,最终采用背面开腔的高阻硅材料,设计了同轴背馈硅基线极化4×4阵列天线。对天线阵元、馈线等结构进行了理论分析计算,并通过电磁场仿真软件进行优化验证,仿真结果表明指标满足系统要求。同时也对阵列天线在制造过程中的关键工艺问题进行了分析,研究了在硅基材料上实现微带阵列天线制造可行性,为今后相控阵中天线与微波有源电路3D系统级封装集成进行了有益探索。     

硅基纳机电探针及其敏感和执行特性

阐述了集成纳机电探针实现超高密度存储的工作原理,并对所设计的结构进行了力学理论计算和有限元模拟.采用硅基微纳机械加工工艺,将压阻敏感器和电热纳米针尖一体集成到硅悬臂梁上,实现器件制作.对加热电阻进行温度标定,得到了加热电阻与温度间二次关系曲线.在此基础上对器件进行微秒级瞬态电热特性分析和测试,测试结果与理论计算结果和有限元模拟结果都有较好的吻合.测试结果表明在4V脉冲电压下,加热时间为3μs 时,针尖温度达到463.15K,相应的加热电阻的降温时间常数为6.2μs,数据写入速度达到近百kHz.悬臂梁上的压阻器件敏感度(电阻相对变化)在2×10-7N预力作用针尖处时,达到了5.41×10-4,满足纳米数据坑读出灵敏度的要求.     

W波段硅基集成天线

针对小型化和易集成的应用要求,基于硅基三维集成工艺设计了一款W波段硅基集成天线.天线为8×8阵列天线,采用硅基晶圆多层堆叠的方式,使馈电网络与辐射贴片单元分隔开,采用硅通孔技术进行层间互联,传递微波信号.天线在高阻硅基板上制造,中心频率为95.8 GHz,工作频段为90.3～98.6 GHz,峰值增益为10dBi左右.     

硅基压电悬臂梁式微麦克风的设计与优化

设计了一种硅基PZT压电悬臂梁式微麦克风.这种微麦克风采用压电多层膜悬臂梁作为声压感受器件,采用有限元耦合场分析的方法对压电复合膜悬臂梁进行了有限元分析和模拟,研究了压电复合多层膜悬臂梁的结构参数与力学性能的关系,分析了影响微麦克风机电性能的多种因素,给出了优化的器件结构和工艺流程.     

三维封装TSV结构热失效性分析

随着集成电路向低功耗、小体积、高集成度方向发展,二维平面集成逐渐面临挑战.硅通孔(Through Silicon Via,TSV)能够实现芯片上下垂直互连,减小引线布线长度,是三维集成技术中的关键步骤.通过有限元仿真软件(Comsol Multiphysic)对TSV-Cu模型进行了热力学仿真,对比了不同电流密度下TS...     

硅通孔互连技术的开发与应用

随着三维叠层封装、MEMS封装、垂直集成传感器阵列以及台面MOS功率器件倒装焊技术的开发,硅通孔互连技术正在受到越来越广泛的重视和研究。本文叙述了几种硅通孔互连的制造方法,及其应用。最后,进一步阐述了硅通孔互连中几项关键技术的研究现状以及存在的挑战。     

基于TSV的三维集成螺旋电感等效电路模型

基于硅通孔(TSV)技术,可以实现微米级三维无源电感的片上集成,可应用于微波/射频电路及系统的微型化、一体化三维集成。考虑到三维集成电路及系统中复杂、高密度的电磁环境,在TSV电感的设计和使用中,必须对其电路性能及各项参数指标进行精确评估及建模。采用解析方法对电感进行等效电路构建和寄生参数建模,并通过流片测试对模型进行了验证。结果表明,模型的S参数结果与三维仿真结果吻合良好,证实了等效电路构建的精确性。采用所建立的等效电路模型可以提高TSV电感的设计精度和仿真效率,解决微波电路设计及三维电磁场仿真过程中硬件配置要求高、仿真速度慢等问题。     

ULSI中铜互连线通孔电热性能的数值模拟

利用三维有限元模型对Cu互连线通孔进行了电流密度、温度和温度梯度的分布进行了模拟,比较了具有不同阻挡层材料的通孔内的电流密度、温度和温度梯度的分布.对于同一阻挡层材料,进行了不同通孔倾斜角的模拟.模拟结果指出,通过优化通孔倾斜角和优选阻挡层材料可有效地改善通孔内的电流密度和温度的分布,提高ULSI通孔互连的可靠性,这对通孔的设计提供了有益的参考.     

硅基压电悬臂梁式微麦克风的设计与优化

设计了一种硅基PZT压电悬臂梁式微麦克风。这种微麦克风采用压电多层膜悬臂梁作为声压感受器件,采用有限元耦合场分析的方法对压电复合膜悬臂梁进行了有限元分析和模拟,研究了压电复合多层膜悬臂梁的结构参数与力学性能的关系,分析了影响微麦克风机电性能的多种因素,给出了优化的器件结构和工艺流程。     

2TF:一种协同考虑过硅通孔和热量的三维芯片布图规划算法

 三维芯片由多个平面器件层垂直堆叠而成,并通过过硅通孔(TSV,Through Silicon Via)进行层间互连,显著缩短了互连线长度、提高了芯片集成度.但三维芯片也带来了一系列问题,其中单个过硅通孔在目前的工艺尺寸下占据相对较大的芯片面积,且其相对滞后的对准技术亦降低了芯片良率,因此在三维芯片中引入过多的过硅通孔将增加芯片的制造和测试成本.垂直堆叠在使得芯片集成度急剧提高的同时也使得芯片的功耗密度在相同的面积上成倍增长,由此导致芯片发热量成倍增长.针对上述问题,本文提出了一种协同考虑过硅通孔和热量的三维芯片布图规划算法2TF,协同考虑了器件功耗、互连线功耗和过硅通孔数目.在MCNC标准电路上的实验结果表明,本文算法过硅通孔数目和芯片的峰值温度都有较大的降低.     

TSV 的电磁-热-结构耦合分析研究

基于三场的控制方程建立了电磁场、热场及结构场耦合分析的数学模型,推导出其等效积分“弱”解形式,研究了 TSV（Through Silicon Via,硅通孔技术）电磁-热-结构的多物理场耦合效应,分析了高斯脉冲加载条件下TSV 的温度和等效应力分布情况。仿真结果表明,在考虑三场耦合的情况下得到的结果更为准确,这将有助于 TSV的设计及对其性能进行相应的预测。