针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器及其设计方法。有源均衡器限制了系统带宽，接口能量损耗多。本发明专利技术无源均衡器的第一无源均衡器包括第一金属线以及连接在第一金属线两端的第一连接线和第二连接线；第二无源均衡器包括第二金属线以及连接在第二金属线两端的第三连接线和第四连接线；第一金属线和第二金属线均呈平面上的螺旋线。本发明专利技术设计方法首先利用制造工艺信息计算第一金属线和第二金属线的电学参数，包括目标电阻和目标电感，然后利用一组闭式数学表达式和多目标优化函数求得结构参数。本发明专利技术有效解决数字差分信号传输系统中存在的码间串扰问题，使传输频带变得平坦，有效提高了高速数字信号的传输质量，设计方法效率高。

Passive Equalizer for Differential Silicon Through-hole Transmission Channel and Its Design Method

The invention discloses a passive equalizer for a differential silicon through-hole transmission channel and a design method thereof. Active equalizer limits the bandwidth of the system and consumes much energy at the interface. The first passive equalizer of the passive equalizer comprises a first metal wire and a first connecting line and a second connecting line connected at both ends of the first metal wire; the second passive equalizer comprises a second metal wire and a third connecting line and a fourth connecting line connected at both ends of the second metal wire; the first metal wire and the second metal wire are spiral lines on a plane. The design method of the invention first calculates the electrical parameters of the first and second metal wires, including the target resistance and the target inductance, using the manufacturing process information, and then obtains the structural parameters by using a set of closed mathematical expressions and multi-objective optimization functions. The invention effectively solves the problem of intersymbol interference existing in the digital differential signal transmission system, makes the transmission frequency band become flat, effectively improves the transmission quality of high-speed digital signal, and has high design efficiency.

【技术实现步骤摘要】
针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器及其设计方法
本专利技术属于无源电子器件
，涉及一种针对三维集成电路中差分硅通孔传输通道的无源均衡器及其设计方法。
技术介绍
差分传输方式已经成为高速数字信号传输系统的一项重要技术。差分传输对外界干扰拥有较高的效抑制能力，可有效提升信号的传输质量。在三维集成电路中，针对硅通孔技术的差分传输结构可以有效提高系统集成度、降低能量损耗、提高系统稳定性。对此，研究人员提出地-信号-信号-地(Ground-Signal-Signal-Ground,G-S-S-G)结构的差分硅通孔和片上互连线传输结构来改善高速信号的传输质量，来降低信号传输路径中的共模噪声。但随着信号频率提高到GHz频段，由硅通孔和片上互连线结构导致的信号传输损耗也变得越来越严重。硅通孔周围的氧化层所形成的氧化层电容会起到隔绝直流泄漏的作用，但会加剧高频信号泄漏到衬底中。随着三维集成电路堆叠层数的增加，基于硅通孔的差分传输通道造成的传输损耗变得越来越明显，具体表现在高速数字信号传输系统中眼图的质量变差。此外，差分传输结构也很难解决数字通信系统中存在的码间串扰问题。随着信号传输速率的提高，硅衬底造成的频率损耗也带来了显著的码间串扰问题。因此，在针对硅通孔的高速数字信号传输系统中需要均衡器来提高信号的传输质量。有源均衡器是解决码间串扰问题最普遍和传统的方法，但其带来的限制系统带宽和过多的接口能量损耗等负面效应影响了其功能的发挥。因此无源均衡器更适用于高带宽、低功耗系统，其更具发展潜力。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的一个目的是提出一种针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器，此结构利用电阻-电感(Resistance-Inductance,RL)谐振电路的思路设计而成。此结构可以有效解决数字差分信号传输系统中存在的码间串扰问题，使传输频带变得平坦，有效提高了高速数字信号的传输质量。本专利技术的另一个目的是提出针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的结构参数设计方法，该方法基于一组闭式数学表达式和多目标优化函数，可以快速地获得均衡器的实际结构参数，有效地提高了设计效率。本专利技术针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器，包括结构完全相同的第一无源均衡器和第二无源均衡器。所述的第一无源均衡器包括第一金属线以及连接在第一金属线两端的第一连接线和第二连接线；所述的第二无源均衡器包括第二金属线以及连接在第二金属线两端的第三连接线和第四连接线；第一金属线和第二金属线的整体形状均呈平面上的螺旋线。所述的螺旋线为多条直线拼接而成，且相邻两条直线的弯折角均为90°。进一步，所述的第一无源均衡器和第二无源均衡器与差分传输结构连接时，第一金属线和第二金属线均位于金属层M2上，第二连接线和第三连接线的输入端口以及第一连接线和第四连接线的输出端口均位于金属层M1上；第一无源均衡器通过第一连接线与差分传输结构的第一片上互连线相连，且通过第二连接线与差分传输结构的第二片上互连线相连；第二无源均衡器通过第三连接线与差分传输结构的第三片上互连线相连，且通过第四连接线与差分传输结构的第四片上互连线相连。该针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的设计方法，具体如下：步骤一，输入差分硅通孔的制造工艺信息，制造工艺信息包括硅通孔内芯半径、外部氧化层厚度、片上绝缘层厚度、片上互连线厚度、片上互连线宽度、片上互连线高度、硅衬底厚度、硅衬底的电学参数；硅衬底的电学参数包括介电常数、磁导率和电导率。步骤二，利用制造工艺信息计算第一金属线和第二金属线的电学参数，包括目标电阻Rtarget和目标电感Ltarget。步骤三，利用一组闭式数学表达式和多目标优化函数，求得结构参数，结构参数包括第一金属线和第二金属线的宽度w、厚度t、相邻两匝中平行直线之间的间隙s、匝数n和内部空隙直径Din，第一金属线或第二金属线的最内部一圈共有两对相对的直线，且该两对相对的直线的相对距离相等，内部空隙直径Din为第一金属线或第二金属线最内部一圈其中一对相对的两条直线的距离。进一步，采用闭式数学表达式(1)-(7)计算第一金属线和第二金属线的实际电阻R和实际电感L，具体如下：实际电阻R为：其中ρCu为第一金属线或第二金属线的电阻率(本实施例金属线材质为铜)，l为第一金属线或第二金属线的长度，表示为：其中Ni为n取整后的值；实际电感L由多部分组成，包括自电感Lself、反向互电感Lneg和正向互电感Lpos，其中，自电感为：式中等效长度μ0为真空磁导率。反向互电感Lneg为：正向互电感Lpos为：其中dav表示为：实际电感计算为：L＝Lself-Lneg+Lpos(7)。进一步，利用基于遗传算法的多目标优化函数对闭式数学表达式(1)-(7)进行优化，从而得到w、t、s、n和Din结构参数，使第一金属线和第二金属线的电学参数最接近当前差分硅通孔的目标电学参数，具体优化问题用数学表达式表示为：minF1＝[R-Rtarget],minF2＝[L-Ltarget]式中，R和L均是W、s、t、n、Din的函数，w、s、t、n、Din需满足：本专利技术的有益效果主要体现在：1、本专利技术可使得差分信号传输系统的频带变得平坦，显著提高了高频差分信号的传输质量，尤其体现在使高速数字差分传输系统眼图质量变好；2、本专利技术可针对目标均衡器的电阻和电感参数，利用一组闭式的结构表达式和基于遗传算法的多目标优化方法对均衡器结构参数进行准确设计；3、本专利技术提出的设计方法具有快速设计和精确设计等优点；4、本专利技术适用于高带宽、低功耗差分信号传输系统。附图说明图1为硅通孔结构的纵截面剖切示意图；图2A本专利技术无源均衡器的结构立体图；图2B为本专利技术无源均衡器与片上互连线的连接示意图；图3为本专利技术无源均衡器与差分硅通孔传输通道的整体连接示意图；图4为本专利技术针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的工作效果图；图5A为差分硅通孔传输通道的传输眼图；图5B为加入本专利技术均衡器之后差分硅通孔传输通道的传输眼图；图中：101、第一金属内芯，102、第一外部绝缘层，103、第二硅通孔金属内芯，104、第二外部氧化层，105、第三硅通孔金属内芯，106、第三外部氧化层，107、第四硅通孔金属内芯，108、第四外部氧化层，109、硅衬底，201、第一片上互连线，202、第二片上互连线，203、第三片上互连线，204、第四片上互连线，205、片上绝缘层，301、第一无源均衡器，302、第一连接线，303、第二连接线，401、第二无源均衡器，402、第四连接线，403、第三连接线。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。图1为现有硅通孔的纵截面剖切示意图，其位于硅衬底109中，包括第一金属内芯101和第一外部氧化层102。第一金属内芯101材质为铜或钨。第一外部绝缘层102一般选用二氧化硅材料来防止漏电流，若选用铜，为防止铜原子的扩散作用，还会在第一金属内芯101与第一外部绝缘层102间加一层隔离层。图2A和图2B为本专利技术针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器结构图，包括结构完全相同的第一无源均衡器301和第二无源均衡器401。第一无源均衡器301包括第一金属线以及连接在第一金属线两端的第一连接线302和第二连接线303；第二无源均衡器401包括第二金属线以及连接在第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器，其特征在于：包括结构完全相同的第一无源均衡器和第二无源均衡器；所述的第一无源均衡器包括第一金属线以及连接在第一金属线两端的第一连接线和第二连接线；所述的第二无源均衡器包括第二金属线以及连接在第二金属线两端的第三连接线和第四连接线；第一金属线和第二金属线的整体形状均呈平面上的螺旋线；所述的螺旋线为多条直线拼接而成，且相邻两条直线的弯折角均为90°。

【技术特征摘要】
1.针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器，其特征在于：包括结构完全相同的第一无源均衡器和第二无源均衡器；所述的第一无源均衡器包括第一金属线以及连接在第一金属线两端的第一连接线和第二连接线；所述的第二无源均衡器包括第二金属线以及连接在第二金属线两端的第三连接线和第四连接线；第一金属线和第二金属线的整体形状均呈平面上的螺旋线；所述的螺旋线为多条直线拼接而成，且相邻两条直线的弯折角均为90°。2.根据权利要求1所述的针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器，其特征在于：所述的第一无源均衡器和第二无源均衡器与差分传输结构连接时，第一金属线和第二金属线均位于金属层M2上，第二连接线和第三连接线的输入端口以及第一连接线和第四连接线的输出端口均位于金属层M1上；第一无源均衡器通过第一连接线与差分传输结构的第一片上互连线相连，且通过第二连接线与差分传输结构的第二片上互连线相连；第二无源均衡器通过第三连接线与差分传输结构的第三片上互连线相连，且通过第四连接线与差分传输结构的第四片上互连线相连。3.根据权利要求1所述的针对差分硅通孔传输通道的无源均衡器的设计方法，其特征在于：该方法具体如下：步骤一，输入差分硅通孔的制造工艺信息，制造工艺信息包括硅通孔内芯半径、外部氧化层厚度、片上绝缘层厚度、片上互连线厚度、片上互连线宽度、片上互连线高度、硅衬底厚度、硅衬底的电学参数；硅衬底的电学参数包括介电常数、磁导率和电导率；步骤二，利用制造工艺信息计算第一金属线和第二金属线的电学参数，包括目标电阻Rtarget和目标电感Ltarget；步骤三，利用一组闭式数...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文生，傅楷，王晶，胡月，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33