3D-Integration has become a key solution to overcome technical challenges associated with the performance saturation and limitation of CMOS technologies. With shorter interconnection length and shorter electrical delay, 3D integration technology provides significant performance improvement in the high-speed and high-bandwidth system. To increase I/O density, however, organic substrate is the bottleneck of the high-density packaging. The concept of interposer is introduced as interconnecting medium to remove dimension gap between very fine-pitch chip and loose-pitch printed circuit board. The interposer leads to achieve high-bandwidth because of small pitch and wide I/O.
Currently, silicon is the material most often used in interposer fabrication. However silicon interposers show significant signal loss at the high frequency and high cost limits. Whereas glass has very low insertion loss because of its high electrical resistivity. Glass as an interposer material have advantages not only intrinsic electrical property but also better feasibility with CTE and most importantly large size availability. Massive production of glass interposer is possible since it is processed from large panel. These are why using glass for the interposer substrates can be a superior alternative to address the limitations of silicon interposer.
Through glass via (TGV) is most important technology in the glass interposer. Electrical characteristic of TGV determines the overall signal integrity of signal paths in 2.5D/3D system. It is essential to electrically model TGVs for analysis of overall 2.5D/3D IC system including digital or analog chip. In this paper, we proposed the scalable RLGC circuit model of a TGV channel. Each equation of RLGC is a function of design parameters such as height, diameter of through glass via and pitch between GS pair, and material properties such as permittivity of glass and polymer. Proposed model is verified up to 50GHz with full-3D simulation and measurement result.
Using the proposed model with parasitic components of through glass via, we analyzed the electrical characteristic of TGV in frequency and time domain. We compared the overall signal integrity of glass and silicon interposer channel including through package via. We observed s-parameter of via transition channel. Moreover we compared the characteristic impedance and eye diagram simulation results. The electrical characteristics of silicon and glass interposer channel are heavily affected by the design of through silicon via (TSV) and through glass via (TGV). Proposed scalable TGV channel model is applied to design of dual band WiFi front end module.
3차원 반도체는 기존의 CMOS 공정의 기술적 한계로 인한 성능 포화를 극복하기 위한 핵심 기술로 떠오르고 있다. 더 짧아진 연결 길이와 감소된 전기적 딜레이는 3차원 반도체의 고속 광대역 시스템에서의 전기적 성능을 크게 향상시킨다. 그러나, 기존의 두꺼운 전기배선으로 이루어진 유기체 기판은 입출력 개수를 제한한다. 인터포저는 미세 공정된 칩과 패키지 사이에 삽입되어 매개체 역할을 하며 둘 사이의 규모 차이를 줄이기 위하여 사용된다. 인터포저는 미세한 전기적 배선으로 인해 시스템의 입출력 개수를 증가시키며 광대역 패키지 구현을 실현시키고 있다.
최근에는 실리콘이 인터포저의 물질로서 가장 많이 사용되고 있으나 실리콘은 가격이 비싸고 고주파에서의 전기적 특성이 안 좋은 한계점을 가진다. 이에 반해 유리는 절연체로서 전기적 특성이 우수하고 고주파에서의 전기적 손실이 거의 없다. 또한, 기존의 패널 공정을 이용하여 대량 생산 가능하기 때문에 가격 면에서도 장점을 갖는다. 이러한 이유로 유리 인터포저는 실리콘 인터포저를 대체할 차세대 인터포저로 주목받고 있다.
유리 인터포저의 관통 유리 비아는 전체 3차원 시스템의 전기적 특성을 결정 짓는 핵심 기술이다. 따라서, 아날로그 또는 디지털 칩을 포함하는 3차원 패키지를 잘 설계하기 위해서는 관통 유리 비아 채널에 대한 전기적 모델링이 필요하다. 본 논문에서는 TGV(Through glass via) 채널에 대한 전기적 등가 회로 모델을 제시한다. 이 때, 각각의 회로를 구성하는 RLGC 식은 채널의 디자인 변수들을 포함에 다양한 구조와 물질의 채널에 모두 이용할 수 있도록 하였다. 제안된 모델은 시뮬레이션과 측정을 통하여 검증되었다.
검증된 모델을 통하여 각각의 디자인 변수들에 의한 전체 채널의 전기적 특성 변화를 분석하였다. 아이 다이어그램과 같은 시간 축 분석뿐만 아니라 s-parameter 결과를 이용한 주파수 축에서의 분석도 진행하였다. 또한, 구조적으로 비슷한 실리콘 채널과의 비교를 통해서 유리 채널의 갖는 특성들을 다시 한번 확인하였다. 마지막으로 제안된 모델을 사용하여 와이파이 프론트 앤드 모듈을 설계하고 전기적 특성을 분석하였다.
