【应用案例】如何进行“TSV阵列的建模和仿真”？

前言

硅通孔（Through Silicon Via，TSV）技术是一项高密度封装技术，它正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术，被认为是第四代封装技术。在2.5D/3D IC中TSV被大规模应用于芯片和封装基板的互连，以及芯片和芯片的互连。TSV技术通过铜、钨、多晶硅等填充，实现垂直电气互连。硅通孔技术可以通过垂直互连减小互联长度，降低信号延迟，降低寄生电容/电感，实现芯片间的低功耗、高速、宽带通信和实现器件集成的小型化。
在结构上，TSV的仿真模型一般可以简化为导电柱、种子层和隔离氧化层。TSV互连填充主要依靠电镀铜的方式进行。一般来说，在电镀前，孔内和表面需要导电的种子层覆盖，一般会以钛和铜为种子层，超高深径比或特殊结构可能需要采用金种子层。种子层是电镀的基本保障，在确保电镀顺利的同时提供导电特性。
本文介绍了采用芯和半导体ViaExpert软件进行TSV阵列的建模和仿真分析流程。TSV结构复杂，存在建模繁琐、分析不便等问题。对经常从事TSV仿真的工程师来说，如何利用工具模板快速对TSV阵列进行建模并仿真显得特别重要。

TSV阵列建模流程

1. 调用TSV模板

首先我们打开ViaExpert工具，选择菜单栏Modeling\Template\TSV图标；

图1：TSV模板选择

点击TSV图标后，可进入TSV建模向导界面；

图2：TSV向导窗口

2. Padstack 设置

接下来点击TSV Wizard中的Padstack/ Edit或者在Home 菜单下进入“Padstack”，根据TSV的信息设置Padstack的尺寸；

图3：Home菜单

在Pad Designer中Regular Pad为TSV的直径，Hole的尺寸可以根据TSV的结构进行设置，如果是100%的导电柱结构，则设置为和Regular Pad一样的Drill 尺寸。详细的俯视图和侧视图可以在窗口的右边进行Preview。

图4：Pad Designer

3. Stackup和Materials 设置

点击TSV Wizard中的Stackup/ Edit进入Stackup编辑界面，在该界面下用户可以根据硅材料的厚度来进行TSV高度的设置，通常在Si interposer中TSV厚度为50至100um不等。需要注意的是，在Materials编辑窗口中用户必须指定Si和SiO2的材料属性，尤其是Si作为半导体既需要定义Conductivity也需要定义Dk和Df值，这样确保仿真结果能够模拟真实材料特性对TSV所造成的影响。

图5：Stackup编辑窗口

4. TSV Array 设置

在TSV Wizard中的Array编辑区域，用户可以指定TSV阵列的数量和间距，在此案例中我们按照下列参数进行设置：

图6：TSV Array编辑

5. Limit Layer 设置

在TSV Wizard中的Limit Layer编辑区域；用户可以指定TSV种子层的金属厚度和电导率参数，因为其对结果影响微乎其微，一般在简化模型中也可不考虑此结构的影响。

图7：Limit Layer编辑

6. Insulation Layer 设置

在TSV Wizard中的Insulation编辑区域，用户可以指定TSV隔离氧化层的厚度和氧化物的Dk、Df值。在TSV的特性中，隔离氧化层对电性能影响较大，尤其在氧化层厚度较小时，导电柱和Silicon之间形成较大寄生电容，让信号的损耗随着频率上升急剧增加。

图8：Insulation Layer编辑

7. TSV Type 设置

在设置好以上参数以及模型的Boundary尺寸以后，点击Next，进入TSV种类的选择，用户可以根据设计需要将TSV阵列中TSV修改为Signal或者Ground类型。

图9：TSV类型编辑

点击Finish，即可完成TSV阵列的建模，仿真模型的Port会自动进行添加。

图10：TSV阵列3D视图

8. 求解器设置和启动

在Project Manager中右键Analysis进入Solver Option界面，用户可以根据要求选择S参数扫频范围、收敛条件以及Core Number等设置。

图11：求解器设置界面

在Project Manager中右键Analysis，选择Run Solver，求解器将开始对整个TSV阵列的结构进行S参数求解。在Progress的状态栏里可以查看仿真的进度。

图12：仿真进度窗口

9. 仿真结果查看

仿真完成以后，在Project Manager中Results下方会生成相应S参数结果，右键选择View Result可在SnpExpert中对仿真结果进行查看和分析。

图13：S参数分析窗口

总结

本文介绍了采用芯和半导体ViaExpert软件进行TSV阵列建模与仿真分析的完整流程，步骤包括：Padstack编辑、Stackup和Materials编辑、阵列编辑、隔离层设置、TSV类型选择等。通过预制模板的方式建立TSV阵列，用户可以有效地提高TSV建模和仿真效率，加快芯片的设计和迭代。