差分异质互连通孔等效电路及其分布参数的全波提取方法
阅读说明：本技术 差分异质互连通孔等效电路及其分布参数的全波提取方法 (Differential heterogeneous interconnection through hole equivalent circuit and full wave extraction method of distribution parameters thereof ) 是由 张玉明 赵冉冉 吕红亮 王依璇 谭戴导 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供的一种差分异质互连通孔等效电路的分布参数的全波提取方法,获取差分异质互连通孔的物理结构的三维模型以及基于该三维模型建立的等效电路,使用该等效电路实现差分异质互连通孔的分析,可以降低计算等效电路分布参数复杂度,计算该三维模型的差分S参数矩阵,基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵,计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数,基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数,计算该等效电路的分布参数,可以降低分析差分异质互连通孔的复杂度。(The full wave extraction method of the distribution parameters of the differential heterogeneous interconnection through hole equivalent circuit provided by the embodiment of the invention obtains the three-dimensional model of the physical structure of the differential heterogeneous interconnection through hole and the equivalent circuit established based on the three-dimensional model, realizes the analysis of the differential heterogeneous interconnection through hole by using the equivalent circuit, the complexity of calculating the distribution parameters of the equivalent circuit can be reduced, a difference S parameter matrix of the three-dimensional model is calculated, the differential mode characteristic impedance, the common mode characteristic impedance, the odd mode propagation constant and the even mode propagation constant of the equivalent circuit are calculated based on the differential mode scattering parameter matrix and the common mode scattering parameter matrix, the distribution parameters of the equivalent circuit are calculated based on the differential mode characteristic impedance, the common mode characteristic impedance, the odd mode propagation constant and the even mode propagation constant of the equivalent circuit, and the complexity of analyzing the differential heterogeneous interconnection through holes can be reduced.)
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种差分异质互连通孔等效电路及其分布参数的全波提取方法。
背景技术
单片异质异构集成技术是一种半导体材料衬底上通过外延层转移技术集成一种或多种化合物半导体材料的技术，从而能够将不同材料的电路模块通过三维结构集成在同一块芯片上，充分利用多种半导体材料的技术优势，形成整个高性能电路系统，从而实现多种不同材料、器件及电路的高密度集成，充分利用现有半导体工艺中多种不同材料、不同器件类型的优异性能，在具有不同性能需求的部分，采用最符合其性能需求的半导体器件及工艺，形成优势互补，实现多种功能模块性能最大化，从而最大限度地提升整个集成电路性能，满足后摩尔时代对集成电路越来越高的性能需求。
在三维结构的单片异质集成电路中，异质互连通孔是实现底层电路与上层电路电连接的关键组件，因而成为影响系统整体性能的关键组件。异质互连通孔一般可分为单端异质互连通孔和差分异质互连通孔，单端异质互连通孔结构简单，但是对耦合噪声抑制能力弱，且传输损耗大，且为了保证高速信号的传输性能，在超高速集成电路系统中通常使用差分信号，单端异质互连通孔无法保证在差分传输技术中的信号完整性。因此，差分异质互连通孔是实现超高速三维单片异质集成系统的必要组件，它可以通过一对异质互连通孔传输差分信号。
差分异质互连通孔的结构剖面图如图1所示，每个异质互连通孔都需要经过底层半导体材料、BCB层和顶层半导体材料三种不同的衬底层，其与衬底的耦合效应及两个异质互连通孔之间的耦合效应都更加复杂，传统的基于物理意义的等效电路结构及分布参数提取方法将带来极大的计算量甚至难以计算，且在考虑不同通孔尺寸及材料时需要重新计算，更是增加了计算难度及人力物力消耗。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种差分异质互连通孔等效电路及其分布参数的全波提取方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供的一种差分异质互连通孔等效电路，包括：第一等效电阻R1、第二等效电阻R2、第一等效环路自电感L1、第二等效环路自电感L2、第一等效环路互电感Lm1、第二等效环路互电感Lm2、第一等效电导G1、第二等效电导G2、等效互电导Gm、第一等效电容C1、第二等效电容C2以及等效互电容Cm，所述第一等效环路自电感L1与第一等效环路互电感Lm1之差为第一等效电感L-Lm，所述第二等效环路自电感L2与第二等效环路互电感Lm2之差为第二等效电感L2-Lm2，所述第一等效电导G1的一端与所述第一等效电容C1的一端相连后接入电源地，所述第一等效电导 G1的另一端与所述第一等效电容C1的另一端相连后，分别与第一等效电阻R1的一端、所述等效互电导Gm的一端以及所述等效互电容Cm的一端相连，并接入信号源正端，所述等效互电导Gm的另一端与所述等效互电容 Cm的另一端相连后，分别与所述第二等效电阻R2的一端、所述第二等效电容C2的一端以及所述第二等效电导G2的一端相连，并接入信号源负端，所述第二等效电容C2的另一端与所述第二等效电导G2的另一端相连后接入电源地，所述第一等效电阻R1的另一端与第一等效电感L1-Lm1的一端相连，所述第二等效电感L1-Lm1的另一端连接信号输出端正端，所述第二等效电阻R2的另一端与第二等效电感L2-Lm2的一端相连，所述第二等效电感L2-Lm2的另一端连接信号输出端的负端。
第二方面，本发明提供的一种差分异质互连通孔等效电路的分布参数的全波提取方法包括：
获取差分异质互连通孔的物理结构的三维模型以及基于该三维模型建立的等效电路；
计算该三维模型的差分S参数矩阵；
其中，所述S参数矩阵包括：差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵；
基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数；
基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，计算该等效电路的分布参数。
可选的，所述等效电路包括：第一等效电阻R1、第二等效电阻R2、第一等效环路自电感L1、第二等效环路自电感L2、第一等效环路互电感Lm1、第二等效环路互电感Lm2、第一等效电导G1、第二等效电导G2、等效互电导Gm、第一等效电容C1、第二等效电容C2以及等效互电容Cm，所述第一等效环路自电感L1与第一等效环路互电感Lm1之差为第一等效电感L- Lm，所述第二等效环路自电感L2与第二等效环路互电感Lm2之差为第二等效电感L2-Lm2，所述第一等效电导G1的一端与所述第一等效电容C1的一端相连后接入电源地，所述第一等效电导G1的另一端与所述第一等效电容 C1的另一端相连后，分别与第一等效电阻R1的一端、所述等效互电导Gm的一端以及所述等效互电容Cm的一端相连，并接入信号源正端，所述等效互电导Gm的另一端与所述等效互电容Cm的另一端相连后，分别与所述第二等效电阻R2的一端、所述第二等效电容C2的一端以及所述第二等效电导G2的一端相连，并接入信号源负端，所述第二等效电容C2的另一端与所述第二等效电导G2的另一端相连后接入电源地，所述第一等效电阻R1 的另一端与第一等效电感L1-Lm1的一端相连，所述第二等效电感L1-Lm1的另一端连接信号输出端正端，所述第二等效电阻R2的另一端与第二等效电感L2-Lm2的一端相连，所述第二等效电感L2-Lm2的另一端连接信号输出端的负端。
可选的，所述基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数的步骤包括：
基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，使用预设的第一参数计算公式，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数；
其中，第一参数计算公式为：
其中，Zdiff0表示差模特征阻抗，Zcomm0表示共模特征阻抗，β表示奇模传播常数，βe表示偶模传播常数，Δdiff＝Sd1d1Sd2d2-Sd1d2Sd2d1，Δcomm＝Sc1c1Sc2c2-Sc1c2Sc2c1，Z0＝50Ω，差模散射参量矩阵为共模散射参量矩阵为：
可选的，所述基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，计算该等效电路的分布参数的步骤包括：
基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，使用第二参数计算公式，计算该等效电路的分布参数；
其中，分布参数包括：第一等效电阻R1的值、第二等效电阻R2的值、第一等效环路自电感L1的值、第二等效环路自电感L2的值、第一等效环路互电感Lm1的值、第二等效环路互电感Lm2的值、第一等效电导G1的值、第二等效电导G2的值、等效互电导Gm的值、第一等效电容C1的值、第二等效电容C2的值以及等效互电容Cm的值；
所述第二参数计算公式为：
Gi＝2Re(βe/Zcomm)i
Gm＝Re(βo/Zdiff)1-Re(βe/Zcomm)1＝Re(βo/Zdiff)2-Re(βe/Zcomm)2
Ci＝2Im(βe/Zcomm)i/ω
Cm＝(Im(βo/Zdiff)1-Im(βe/Zcomm)1)/ω＝(Im(βo/Zdiff)2-Im(βe/Zcomm)2)/ω
Gi其中，i的取值取1和2，Ri等效电阻的值，Lmi表示等效电感的值， Gi表示等效电导的值，Ci表示等效电容的值，Gm表示等效互电导的值，Gm表示等效互电容的值，Re()表示取括号内表达式的实部，Im()表示取括号内表达式的虚部，ω为差分异质互连通孔的工作角频率，
j为虚单位。
本发明实施例提供的一种差分异质互连通孔等效电路的分布参数的全波提取方法，获取差分异质互连通孔的物理结构的三维模型以及基于该三维模型建立的等效电路，使用该等效电路实现差分异质互连通孔的分析，可以降低计算等效电路分布参数复杂度，计算该三维模型的差分S参数矩阵，基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，计算该等效电路的分布参数，可以降低分析差分异质互连通孔的复杂度。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是差分异质互连通孔结构图；
图2是本发明提出的一种差分异质互连通孔等效电路结构图；
图3是本发明提出的一种差分异质互连通孔等效电路结构的分布参数的全波提取方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图2所示，本发明实施例提供的一种差分异质互连通孔等效电路，包括：第一等效电阻R1、第二等效电阻R2、第一等效环路自电感L1、第二等效环路自电感L2、第一等效环路互电感Lm1、第二等效环路互电感Lm2、第一等效电导G1、第二等效电导G2、等效互电导Gm、第一等效电容C1、第二等效电容C2以及等效互电容Cm，所述第一等效环路自电感L1与第一等效环路互电感Lm1之差为第一等效电感L-Lm，所述第二等效环路自电感 L2与第二等效环路互电感Lm2之差为第二等效电感L2-Lm2，所述第一等效电导G1的一端与所述第一等效电容C1的一端相连后接入电源地，所述第一等效电导G1的另一端与所述第一等效电容C1的另一端相连后，分别与第一等效电阻R1的一端、所述等效互电导Gm的一端以及所述等效互电容Cm的一端相连，并接入信号源正端，所述等效互电导Gm的另一端与所述等效互电容Cm的另一端相连后，分别与所述第二等效电阻R2的一端、所述第二等效电容C2的一端以及所述第二等效电导G2的一端相连，并接入信号源负端，所述第二等效电容C2的另一端与所述第二等效电导G2的另一端相连后接入电源地，所述第一等效电阻R1的另一端与第一等效电感L1- Lm1的一端相连，所述第二等效电感L1-Lm1的另一端连接信号输出端正端，所述第二等效电阻R2的另一端与第二等效电感L2-Lm2的一端相连，所述第二等效电感L2-Lm2的另一端连接信号输出端的负端。
可以，本发明建立的差分异质互连通孔等效电路，考虑了差分异质互连通孔与衬底之间的耦合效应以及两个差分异质互连通孔之间的邻近效应，并通过分布参数表示，不仅保证了结果的准确性，同时所包含电路元件较少，有助于对差分异质互连通孔进行深入分析且减小了参数提取的难度。
本发明公开了一种差分异质互连通孔的等效电路电路，包括第一等效电阻R1、第二等效电阻R2、第一等效环路自电感L1、第二等效环路自电感L2、第一等效环路互电感Lm1、第二等效环路互电感Lm2、第一等效电导 G1、第二等效电导G2、等效互电导Gm、第一等效电容C1、第二等效电容 C2以及等效互电容Cm，该等效电路结构简单，使用该等效电路实现差分异质互连通孔的分析，可以降低计算等效电路分布参数复杂度，同时降低分析差分异质互连通孔的复杂度。
实施例二
如图3所示，本发明实施例提供的一种差分异质互连通孔等效电路的分布参数的全波提取方法，包括：
S31，获取差分异质互连通孔的物理结构的三维模型以及基于该三维模型建立的等效电路；
可以理解，可以在全波仿真软件HFSS中建立该差分异质互连通孔的三维模型，即绘制该差分异质互连通孔。
S32，计算该三维模型的差分S参数矩阵；
其中，所述S参数矩阵包括：差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵；
其中，计算该差分异质互连通孔的差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵的过程与全波仿真软件HFSS中的方法相同，此处不再赘述。
S33，基于差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数；
S34，基于等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，计算该等效电路的分布参数。
本发明实施例提供的一种差分异质互连通孔等效电路的分布参数的全波提取方法，获取差分异质互连通孔的物理结构的三维模型以及基于该三维模型建立的等效电路，使用该等效电路实现差分异质互连通孔的分析，可以降低计算等效电路分布参数复杂度，计算该三维模型的差分S参数矩阵，基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，计算该等效电路的分布参数，可以降低分析差分异质互连通孔的复杂度。
实施例三
参考图2，本发明实施例二中的等效电路包括：第一等效电阻R1、第二等效电阻R2、第一等效环路自电感L1、第二等效环路自电感L2、第一等效环路互电感Lm1、第二等效环路互电感Lm2、第一等效电导G1、第二等效电导G2、等效互电导Gm、第一等效电容C1、第二等效电容C2以及等效互电容Cm，所述第一等效环路自电感L1与第一等效环路互电感Lm1之差为第一等效电感L-Lm，所述第二等效环路自电感L2与第二等效环路互电感Lm2之差为第二等效电感L2-Lm2，所述第一等效电导G1的一端与所述第一等效电容C1的一端相连后接入电源地，所述第一等效电导G1的另一端与所述第一等效电容C1的另一端相连后，分别与第一等效电阻R1的一端、所述等效互电导Gm的一端以及所述等效互电容Cm的一端相连，并接入信号源正端，所述等效互电导Gm的另一端与所述等效互电容Cm的另一端相连后，分别与所述第二等效电阻R2的一端、所述第二等效电容C2的一端以及所述第二等效电导G2的一端相连，并接入信号源负端，所述第二等效电容C2的另一端与所述第二等效电导G2的另一端相连后接入电源地，所述第一等效电阻R1的另一端与第一等效电感L1-Lm1的一端相连，所述第二等效电感L1-Lm1的另一端连接信号输出端正端，所述第二等效电阻R2 的另一端与第二等效电感L2-Lm2的一端相连，所述第二等效电感L2-Lm2的另一端连接信号输出端的负端。
实施例四
作为本发明可选的一种实施例，所述基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数的步骤包括：
基于所述差模散射参量矩阵和共模散射参量矩阵，使用预设的第一参数计算公式，计算该等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数；
其中，第一参数计算公式为：
其中，Zdiff0表示差模特征阻抗，Zcomm0表示共模特征阻抗，β表示奇模传播常数，βe表示偶模传播常数，Δdiff＝Sd1d1Sd2d2-Sd1d2Sd2d1，Δcomm＝Sc1c1Sc2c2-Sc1c2Sc2c1，Z0＝50Ω，差模散射参量矩阵为共模散射参量矩阵为：
实施例五
作为本发明可选的一种实施例，所述基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，计算该等效电路的分布参数的步骤包括：
基于所述等效电路的差模特征阻抗、共模特征阻抗、奇模传播常数以及偶模传播常数，使用第二参数计算公式，计算该等效电路的分布参数；
其中，分布参数包括：第一等效电阻R1的值、第二等效电阻R2的值、第一等效环路自电感L1的值、第二等效环路自电感L2的值、第一等效环路互电感Lm1的值、第二等效环路互电感Lm2的值、第一等效电导G1的值、第二等效电导G2的值、等效互电导Gm的值、第一等效电容C1的值、第二等效电容C2的值以及等效互电容Cm的值；
所述第二参数计算公式为：
Gi＝2Re(βe/Zcomm)i
Gm＝Re(βo/Zdiff)1-Re(βe/Zcomm)1＝Re(βo/Zdiff)2-Re(βe/Zcomm)2
Ci＝2Im(βe/Zcomm)i/ω
Cm＝(Im(βo/Zdiff)1-Im(βe/Zcomm)1)/ω＝(Im(βo/Zdiff)2-Im(βe/Zcomm)2)/ω
Gi其中，i的取值取1和2，Ri等效电阻的值，Lmi表示等效电感的值， Gi表示等效电导的值，Ci表示等效电容的值，Gm表示等效互电导的值，Gm表示等效互电容的值，Re()表示取括号内表达式的实部，Im()表示取括号内表达式的虚部，ω为差分异质互连通孔的工作角频率，j为虚单位。
(βoZdiff)1＝2(R1+jω(L1-Lm1))
(βoZdiff)2＝2(R2+jω(L2-Lm2))
(βeZcomm)1＝2(R1+jω(L1+Lm1))
(βeZcomm)2＝2(R2+jω(L2+Lm2))
(βo/Zdiff)1＝(G1+jωC1)/2+(Gm+jωCm)
(βo/Zdiff)2＝(G2+jωC2)/2+(Gm+jωCm)
(βe/Zcomm)1＝(G1+jωC1)/2
(βe/Zcomm)2＝(G2+jωC2)/2
可以理解，上述实部和虚部分离得到差分异质互连通孔的分布参数。
本发明提供的一种差分异质互连通孔等效电路的分布参数的全波提取方法对于不同通孔尺寸及不同频段仍具有适用性，具有精度高、运算快等优点。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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