Elektrische Modellbildung, Charakterisierung und Entwurf von Silizium Durchkontaktierungen für Anwendungen in integrierten Systemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus-Dieter Lang; Professor Dr. Christian Schuster
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220562460

• Erstellungsjahr: 2016

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Projektes wurden elektrische Durchkontaktierungen in Silizium-Substraten (Through Silicon Vias, TSVs) sowohl mit neu entwickelten Simulationsmethoden als auch mit Hochfrequenzmessungen elektromagnetisch charakterisiert. Als Grundlage dafür wurden umfangreiche Materialcharakterisierungen sowohl des Siliziums-Substrats selbst als auch der Passivierungsschichten vorgenommen. Die komplementären Modellierungsansätze wurden jeweils validiert und eine hohe numerische Effizienz und die Verwendbarkeit auch für große Arrays gezeigt, für einen großen Bereich der Frequenz, der Material- und der Geometrieparameter. Mit der Durchführung diese Projektes konnten Erkenntnisse gewonnen werden hinsichtlich der für die Verwendung der Physik-basierten Via-Modellierungsmethoden notwendigen Anpassungen für TSVs sowie der hinsichtlich der Abgrenzung der zwei vorgeschlagenen, komplementären Modellierungsansätze. Weiterhin wurden in ihrem Umfang ganz neue Ergebnisse in Bezug auf das Übersprechen in großen Via-Anordnungen (Arrays) produziert und wertvolle Erfahrungen in Bezug auf Herstellung und messtechnische Charakterisierung von TSV-Teststrukturen gesammelt. In zukünftigen Untersuchungen sollten weitere messtechnische Validierungen werden, die die elektromagnetischen Umgebungen der TSV-Anordnungen berücksichtigen, und eine noch genauere Eingrenzung der Anwendbarkeit der in diesem Projekt entwickelten Modellierungsansätze vorgenommen werden. Darauf basierend könnten dann konkrete Entwürfe für Anwendungen wie beispielsweise TSV-Verbindungen für digitale Signale hoher Datenraten geschehen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Application of the Transverse Resonance Method for Efficient Extraction of the Dispersion Relation of Arbitrary Layers in Silicon Interposers” IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Paris, France, May 12-15, 2013
  David Dahl, Xiaomin Duan, Anne Beyreuther, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
  
• “Applying a Physics-Based Via Model for the Simulation of Through Silicon Vias”, IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems (EPEPS), San Jose, CA, USA, October 27-30, 2013
  David Dahl, Xiaomin Duan, Anne Beyreuther, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
  
• “Modeling, Fabrication and Mesasurement of TSVs for Advanced Integration of RF/High-Speed Components”, 13th IEEE Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), Austin, TX, USA, January 21-23, 2013
  Klaus-Dieter Lang, Ivan Ndip, Stephan Guttowski
  
• “Analysis of Wave Propagation along Coaxial Through Silicon Vias Using a Matrix Method”, IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Ghent, Belgium, May 11-14, 2014
  David Dahl, Anne Beyreuther, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
  
• “Analytical, Numerical,- and Measurement-Based Methods for Extracting the Electrical Parameters of Through Silicon Vias (TSVs)”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 4, no. 3, March 2014
  Ivan Ndip, Kai Zoschke, Kai Löbbicke, Jürgen Wolf, Stephan Guttowski, Herbert Reichl, Klaus-Dieter Lang, Heino Henke
  
• “Comparison of Passivation Materials for High frequency 3D Packaging Application up to 110 GHz”, European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition (EMPC), Friedrichshafen, Germany, September 14-16, 2015
  Xiaomin Duan, Mathias Böttcher, Stephan Dobritz, David Dahl, Christian Schuster, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang
  
• “Efficient Analysis of Wave Propagation for Through-Silicon- Via Pairs using Multipole Expansion Method”, IEEE Workshop on Signal and Power Integrity (SPI), Berlin, Germany, May 10-13, 2015
  Xiaomin Duan, David Dahl, Christian Schuster, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang
  
• “Efficient Computation of Localized Fields for Through Silicon Via Modeling Up to 500 GHz”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 5, no. 12, Dezember 2015
  David Dahl, Xiaomin Duan, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster
  
• “A Rigorous Approach for the Modeling of Through-Silicon-Via Pairs Using Multipole Expansions”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 6, no. 1, Januar 2016
  Xiaomin Duan, David Dahl, Ivan Ndip, Klaus-Dieter Lang, Christian Schuster