[发明专利]一种基于同轴硅通孔工艺的三维片上环形定向耦合器

说明书

本发明涉及一种基于同轴硅通孔工艺的三维片上环形定向耦合器，包括：自上而下依次层叠设置的顶部布线层、衬底层和底部布线层，顶部布线层设置在衬底层的上表面，底部布线层设置在衬底层的下表面，顶部布线层内设置有顶部互连线，衬底层内垂直贯穿设置有若干TSV通孔和若干同轴TSV通孔，底部布线层内设置有底部互连线。本发明的基于同轴硅通孔工艺的三维片上环形定向耦合器，利用了同轴TSV内外层间的耦合特性并将其与衬底上下两部分多层布线交替连接，对电路拓扑中的耦合部分进行了等效，实现了1至4端口间结构的三维化，该结构相较于传统的耦合微带线结构其特性调整灵活度更高，减少了最小线间距等工艺限制的影响。

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种基于同轴硅通孔工艺的三维片上环形定向耦合器。

背景技术

片上无源器件技术能极大的提高系统整体的集成密度，缩短芯片与无源器件间的信号路径长度。但随着微波集成电路特征尺寸的减小，片上无源器件所占的布线面积比例逐步提升，极大影响了其设计灵活性与应用场景。为了解决此问题，基于先进的三维封装工艺如硅通孔TSV(Through silicon via)技术、重布线层RDL(Redistribution Layer)的片上无源器件成为了研究热点，其中应用最为广泛的为基于TSV的三维螺旋电感，除此之外，基于三维封装工艺的其它无源器件设计也正逐步受到关注。

定向耦合器作为微波通信系统中的重要组成器件，其各项参数是制约整体系统特性的关键一环。片上集成的定向耦合器考虑到与平面工艺的兼容性主要采用了微带线形式，根据其拓扑结构的不同主要包括两种：分支线与环形定向耦合器。其中，环形定向耦合器由于其制造工艺简单，可切换共模与差模输出等优点，被广泛运用于微波电子设备及天线馈电等应用场景中。

D.A.Letavin在其发表的著作中公布了多种紧凑的环形定向耦合器结构及布局。该设计在经典结构基础上进行了调整，通过引入曲折线结构压缩原先圆环导体回路所占用的布线空间，实现了紧凑的面积布局。这种结构存在的不足之处在于：采用曲折线方案仅能减少布线间空白处的面积，布线本身所占的平面空间并未减少，而曲折线最小间距受到工艺制程能力、线间寄生耦合电容等因素制约；同时随着工作频段的升高，最小线间距相对整体尺寸的比例提高，曲折线方案对面积的压缩效果也逐步减弱；因此采用该方案缩减环形耦合器面积存在局限。

Y.Cao等人在其发表的论文中公布了一种应用短路跨方向耦合线构建的平面微带环形耦合器，该结构中采用四分之一波长的短路跨方向耦合线等效替换了原传统结构中的四分之三波长传输线，使得设计的环形耦合器布线更紧凑，带宽更大。这种结构存在的不足之处在于：平面耦合线仍然需四分之一波长的电尺寸，因此其耦合部分在常规频段范围内需占据较多平面空间；同时，将该方案应用于片上环形耦合器设计时，其耦合特性将受到最小线间距等工艺因素的制约。

Q.Lu等人在其发表的论文中公布了一种基于硅通孔工艺的三维分支线型定向耦合器结构。该结构通过常规和同轴TSV结合实现了分支线型耦合器的拓扑结构，在保持了较大工作带宽的基础上提高了分支线耦合器的集成密度。这种结构存在的不足之处在于：其结构中同轴TSV仅将内部及外部导体作为普通互连用途，而未利用同轴TSV内外层间的耦合特性进一步优化拓扑，压缩结构的电尺寸；同时，其基于双层堆叠芯片工艺及TSV作为分支线的方案主要针对三维电路场景下分支线型耦合器结构而专门设计，其设计方法与结构并不适用于构建片上集成的环形定向耦合器，而分支线型与环形耦合器在输出信号相位差、隔离度等方面具有较大差异，应用场景间无法相互替代。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于同轴硅通孔工艺的三维片上环形定向耦合器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于同轴硅通孔工艺的三维片上环形定向耦合器，包括：自上而下依次层叠设置的顶部布线层、衬底层和底部布线层，所述顶部布线层设置在所述衬底层的上表面，所述底部布线层设置在所述衬底层的下表面；