王启东+Daniel+Guidotti+曹立强+万里兮+叶甜春

摘 要： 基于不断发展的系统级封装技术，提出了一种用于芯片间高速互连的新型可集成的物理器件：硅基毫米波介质填充波导。文中阐述了该器件的物理原理，采用建模、仿真相结合的方法对该模块进行了结构设计，利用新的设计思路结合半导体工艺解决了毫米波互连结构内部的反射、电压驻波比（VSWR）、信号耦合、准TEM?TE?准TEM转换传输问题以及毫米波互连结构阵列中信号泄露的问题，并利用半导体与MEMS加工工艺加以实现。测试结果表明宽度为680 μm的单通道矩形波导，-10 dB带宽为9.8 GHz，相对带宽为12.56%；传输损耗为1 dB/cm，工作频带内相邻波导之间串扰低于-40 dB，可以形成大阵列并进行集成，从而实现芯片间数据的并行传输。

关键词： 毫米波； 介质填充波导； 芯片间互连； 系统级封装

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0083?04

Research on millimeter?wave dielectric filled rectangular waveguide for system?in?package

WANG Qi?dong1， 2， Daniel Guidotti1， 2， 3， CAO Li?qiang1， 2， WAN Li?xi1， 2， YE Tian?chun1， 2

（1. Institute of Microelectronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029， China；

2. National Center for Advanced Packaging （NCAP China）， Wuxi 214135， China； 3. Georgia Institute of Technology， Atlanta， USA）

Abstract： With the boost of system?in?package （SiP） technology， a brand new physical component for chip?to?chip high?speed interconnection is proposed in this paper. The physical principle is described. The method to combine the modeling with simulation was used to design the structure of the module. In combination with the semiconductor technology， the new design method is utilized to solved the problems of reflection inside millimeter wave interconnection structure， VSWR （voltage standing wave ratio）， signal coupling， quasi TEM?TE?quasi TEM transition and signal leakage in millimeter wave interconnection structure array. The state?of?art planar semiconductor process and MEMS process are applied to the implementation of the component. The testing result indicates the single channel rectangular waveguide with width of 680 um has -10 dB bandwidth at 9.8 GHz， the relative bandwidth is 12.56%， transmission loss is 1dB/cm， and the crosstalk between adjacent channels is below -40 dB. The silicon filled rectangular waveguides are able to be integrated into big array to realize the high bandwidth parallel communication from chip to chip.

Keywords： millimeter wave； dielectric filled waveguide； chip to chip interconnection； system?in?package

0 引 言

高速电路信号传输的码率在过去几十年中不断增加，上升沿越来越陡直，这意味着信号中的高频分量也在不断提升，其对应的波长已经与封装尺寸接近。由于超级计算机的处理器与内存之间存在大数据量传输的需求，世界范围的重要研究机构先后加入高性能计算节点的内存墙解决方案的研究。研究热点主要集中在内存架构的优化[1]、内存的新型封装形式[2]、高速光学互连[3]、高速铜互连[4]、新型互连方式[5]等。随着半导体加工工艺、MEMS工艺、三维堆叠技术的迅猛发展以及CMOS在毫米波波段显示出的取代Ⅲ?Ⅴ族芯片的能力，结合毫米波高带宽的优势，我们提出了用于短距离高速连接的毫米波介质波导器件。……