三维CMOS集成电路技术研究

论述了三维集成电路(3D IC )的发展概况,介绍了近几年国外发展的各种三维集成电路技术,主要包括再结晶技术、埋层结构技术、选择性外延过生长技术和键合技术。并基于 SiGe 材料特性,提出了一种新型的 Si-SiGe 三维 CMOS 结构,即将第一层器件(Si nMOS)做在 SOI(Si on insulator)材料上,接着利用 SiO2/SiO2低温直接键合的方法形成第二层器件的有源层,然后做第二层器件(SiGe pMOS),最终形成完整的三维 CMOS结构。与目前所报道的 Si 基三维集成电路相比,该电路特性明显提高。

3D集成电路将如何实现?

三维集成电路的第一代商业应用,CMOS图像传感器和叠层存储器,将在完整的基础设施建立之前就开始。在第一部分,我们将回顾三维集成背后强大的推动因素以及支撑该技术的基础设施的现状,而在第二部分(下期),我们将探索一下三维集成电路技术的商业化。

三维电镀陶瓷基板激光封焊技术

气密封装是推动电子器件高可靠发展的一项重要技术,传统气密封装技术存在焊接温度高、热冲击大、应用范围窄等问题,无法满足三维电镀陶瓷基板气密封装要求。本文结合脉冲激光焊接的技术优势,研究了脉冲激光焊接三维电镀陶瓷基板实现气密封装,重点探讨了焊接过程中脉冲激光与材料相互作用模式,分析了焊接样品界面微观形貌、气密性、力学性能等。研究表明,焊接金属区裂纹的出现与基底金属铜向可伐侧的扩散密切相关;焊接过程稳定、焊接熔深小的热传导模式和过渡模式可以避免焊接裂纹出现。通过试验优化了焊接工艺参数,当激光峰值功率为120 W、脉冲宽度为1 ms、重叠率为80%时,三维陶瓷基板腔体结构获得了最佳高气密性,泄漏率为5.2×10^(-10)Pa·m^(3)/s,接头剪切强度为278.06 MPa,满足第三代半导体器件高可靠气密封装需求。

地球岩石圈和软流圈结构的3-D模拟

本文介绍国际岩石圈计划Ⅱ－４任务组关于地球岩石圈和软流圈结构多学科３－Ｄ模拟的基本研究思路和具体研究步骤，并概略介绍了结构数据库的建设和改进。

3-D寄生电容直接边界元提取的预条件方法

集成电路密度的不断提高对寄生电容提取的精度和速度提出了越来越高的要求,文章应用直接边界元法提取互连电容,对一种GMRES预条件算法做出修改并应用于实际计算中。两个典型算例的理论分析和实际计算表明,这种预条件方法可以降低方程的迭代次数约30%,明显减少方程求解时间。

放炮前预测3-D地震的价值

油公司发现进行3-D地震资料采集、处理和解释的成本估算比较容易,而与成本相关的价值预测对于获准初次采集3-D数据作业区域的预算却是必要的。本文阐述了放炮前如何预测3-D)地震的价值。结合财务和统计分析方法可以评估3-D信息的价值,其最终依赖于两个关键因素:

混合偏移:一种费用合理的3-D深度成像法

地面地震资料转换成地下图像的过程可被分成两部分:聚焦和定位。聚焦与保证来自不同炮检距的数据对同一同相轴有相长贡献有关。定位是指把聚焦同相轴转换成和所给的速度模型一致的深度图像。在叠前深度偏移里,两种运算可同时完成。然而,对于3-D资料来说,费用是可观的。叠前时间偏移更经济而且聚焦同相轴即使在中等速度变化情况下也很好,但有错误定位问题。混合偏移是一种费用合理的深度成像法,其使用叠前深度偏移来聚焦;使用反偏移来消除定位误差;并使用叠后深度偏移来恰当地定位。当横向速度变化是中等时,混合法能产生一个与速度场一致的深度图像。对于非常复杂的构造来说,它需要叠前深度偏移,混合法可以被用来建立一个初始速度模型,因此这将减少建立速度模型时的迭代次数。

3D-IC类同轴屏蔽型TSV的热力响应分析及结构优化

硅通孔(TSV)是解决三维集成电路(3D-IC)互连延迟问题的关键技术之一。TSV内部结构的变形失效,大多是由循环温度载荷产生的交变应力引起的。从信号完整性角度考虑,建立了接地TSV形状分别为圆柱形和椭圆柱形的类同轴屏蔽型TSV模型。基于最大Mises应力准则,对比分析了循环温度载荷对2种类同轴屏蔽型TSV热应力-应变的影响及最大应力点的主要失效形式。最后综合考虑TSV的几何参数对导体和凸块危险点Mises应力的影响,对椭圆柱形类同轴屏蔽型TSV结构进行多目标优化,将2种最优结构中2个危险点的Mises应力分别降低15.10%、17.18%和18.89%、6.74%。为提高TSV热可靠性的优化设计提供参考。

3-D对称采样

3-D地震勘探技术作为获得详细地下资料的方法,在工业上已得到了认可。但3-D地震数据采集的成本现在是将来也永远是相当高的。因此选择正确的观测系统显得特别重要。直到目前,还没有一套完整的理论能够告诉我们是什么构成一个优秀的3-D观测系统,这样一个系统如何去设计。本文提出的3-D对称采样理论的目的是填补这项空白,可以作为3-D观测系统设计和分析的坚实基础。从80代起,有关设计2-D勘探的理论和方法就开始发展起来。Anstey提出了叠加组合的方法,Ongkiehong和Askin提出了自动采集技术,Vermeer提出了对称采样技术。在本文中,2-D观测系统的对称采样理论扩展到目前正在使用的最重要的3-D观测系统中。在3-D对称采样中,观测系统的空间特征是基本要素,空间特征重要是因为大部分地震处理程序是在把相邻道合并到新输出道上的某个空间域进行的,而且解释人员必须把3-D地震数据体的空间特征成图。一段时间以来,曾出现了各式各样的测量观测系统来进行3-D地震数据采集。所有这些观测系统都是与5-D叠前波场(4个空间坐标轴描述了震源和检波点的位置,第5个坐标轴表示了旅行时)的全采样有关的折衷方法。因此得出,大多数观测系统可以被认为是5-D波场的3-D子集的集合,每一个子集仅有两个变化的空间坐标。每个子集的地震道的空间分布变化是缓慢而有规律的。该性质使3-D勘探具有空间连续性,如果子集的采样合适,并可延伸到最大范围时,就可以充分利用空间连续性。 2-D对称采样标准——等炮距和接收距及等炮检组合同样也用于3-D对称采样,但对不同的观测系统要附加不同的标准。正交观测系统(平行炮线与平行接收线正交的观测系统)的附加标准就是为了保证最大横测线炮检距等于最大纵测线炮检距。 3-D对称采样观测系统简化了3-D观测系统的设计。一张简单的地球物理要求清单(空间连续性、分辨率、浅目的层和深目的层的可绘图性、信噪比)限制了勘探参数的选取。在以上所考虑的因素中,也已隐含地照顾到了炮检距和方位角分布。在野外具体实施时,要求认真计划以防失去空间连续性。

印度尼西亚两次海底电缆3-D地震勘探

这两次3-D地震勘探位于远离爪哇北海岸的Jakarta和Cirebon两地之间,由ARCO印尼分公司与PERTAMINA公司协作采集的。具体由ELNUSA公司和法国CGG公司及其在印尼的子公司(GEOCO公司)合作实施。一次在Cilamaya附近的过渡带上进行了105km^2的3-D勘探考虑到施工便利等方面原因,采用了水中检波器的海底电缆。在海岸和极浅海区块采用沼泽型检波器,它由浅海震源提供海岸线下面的3-D覆盖。另一次3-D勘探覆盖了189km^2,位于Pamanukan以北35km,水深在35m～45m之间的油田开发区域。由于许多钻井平台、储油罐、锚系装置的存在使得双检波器海底电缆技术对于该区域比较理想。这两次勘探选择片状采集观测系统,因为它能够提供浅层覆盖以及障碍物下的所需数据的分布,并且便于在障碍物周围施工。海底电缆可以靠近平台沉放,并且具有低水平噪声的特征。声波定位技术提供精确的检波器位置,同时使水面浮筒的数量减到最少,因为它是主要的噪声源。最后,全方位执行质量控制(QC)过程,包括差分全球定位系统(DGPS)监测、定位控制、地震属性成图以及地震资料处理,用于为施工队伍提供反馈信息,便于优化施工过程。每个区块最后一炮记录完毕后的一周内,每一次勘探的两个现场处理后的3-D偏移数据块提供给解释人员进行初步作图。

诺基亚通信收购NICE Systems的3-D地理定位解决方案

诺基亚通信宣布已收购NICESystems广泛的高级地理定位功能解决方案,以增强自身的移动网络规划和优化能力。通过此次收购,诺基亚通信获得了丰富的工具和专业知识,以及进一步开发这些功能的权利。地理定位使用三维建模技术,旨在针对多厂商网络提供无与伦比的网络性能精确性。我们相信，通过结合诺基亚的服务专业知识，该技术可帮助深入了解移动宽带网络的流量趋势和性能。

快速发展的3-D互连

自从集成电路发明以来，芯片已无可辩驳地成为电子电路集成的最终形式。从那以后，集成度增加的速度就按照摩尔定律的预测稳步前进。摩尔定律的预测在未来若干年依然有效的观点目前仍被普遍接受，然而，一个同样被广泛认同的观点是，物理定律将使摩尔定律最初描述的发展趋势停止。在这种情况下，电子电路技术和电路设计的概念将进入一个新的发展阶段，互连线将在重要性和价值方面都得到提升。在被称作“超越摩尔定律”的新兴范式下，无论物理上还是使用上，在z轴方向组装都将变得越来越重要。目前在电子工业中第三维正被广泛关注，成为互连技术的主导。

具有三维聚酰胺脱盐网络结构的无纺布复合正渗透膜

利用间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC),直接在聚酯无纺布(NV)织物的多孔空间中进行界面聚合,形成大通量无纺布复合正渗透(NVC-FO)膜。NVC-FO膜在无纺布内部形成的多层次三维(3-D)聚酰胺结构,分布在30~50μm深的聚对苯二甲酸乙二醇酯支撑材料的内部。这种相对松散的有深度的3-D聚酰胺网络,不仅透水表面积大,而且可以避免薄层聚酰胺缺陷导致的高漏盐性,有较低的反向盐通量。进一步研究发现,在一定范围内降低单体质量分数(MPD 1%~0.01%,TMC 0.5%~0.005%),可以形成更宽广的3-D聚酰胺网络结构,在保持较低的反向盐通量的同时得到更高的水通量。使用1mol/L NaCl作为汲取溶液,优化的NVC-FO膜水通量最高可以达到193.54L/(m^2·h),反向盐通量为0.047mol/(m^2·h)。采用加压正渗透实验,发现这些高通量NVC-FO膜的盐穿透破裂压力在200~1400Pa之间,而且证实了降低单体质量分数会导致膜的耐压性能显著降低。尽管NVCFO膜的耐压性能有待提高,但是该研究有可能为构建高脱盐性能的FO膜提供一条新的思路。

基于三维拼接技术的三维测量系统的开发

提出一种利用参考底座对三维数据进行剪裁拼接的新方法并应用于360°三维全场测量。通过对测量算法、控制软件、云台以及计算机串口通信的系列研究,开发出相应的程序和控制硬件,最终建立了采用面结构光照明的、自动化的360°三维形貌测量系统。该系统给工业三维全场测量提供了一个可操作平台,精确度也达到了实用要求。

基于InSAR的三维地形匹配导航技术的研究与实现

研究了一种以干涉合成孔径雷达(In SAR)信息为基础的三维地形匹配导航系统,该系统采用基于3-D Zernike矩的三维地形匹配算法,同时针对3-D Zernike矩在地形匹配中计算实时性差的问题进行了改进。为验证系统的有效性和算法性能,搭建了基于VC++和Open Scene Graph的三维可视化软件仿真平台。仿真结果表明,基于3-D Zernike矩的三维地形匹配算法定位精确度高,对地形的适应能力强,算法的实时性问题得到了良好解决,系统具有较高的工程实用价值。

用于3D-ROM的Si薄膜二极管技术

3D-ROM存储器 在当今世界,微电子技术是发展最为迅猛的一门科学。微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能和性能价格比,因此便要求提高芯片的集成度,降低成本。这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。Intel公司创始人之一的Gordon E.Moore 1965年预言,微电子器件的集成度每隔三年就会增加4倍。近四十年来微电子的发展状况证实了摩尔定律的准确性。

三维动态无人机网络覆盖性能与信道容量分析

无人机(unmanned aerial vehicles,UAV)在空间内不规则分布和移动给系统设计带来巨大挑战,为了对UAV服务下的热点场景进行更加真实可靠地分析,基于随机几何和移动ad hoc网络(mobile ad hoc network,MANET)理论,构建了一种三维移动UAV网络模型。UAV群被建模为三维泊松点过程(three-dimensional Poisson point process,3-D PPP),可以在水平和竖直方向位移。为了进一步研究该系统的网络性能,考虑了2种服务模型:基站切换模型(base station handover model,BHM)和基站恒定模型(base station constant model,BCM)。通过推导服务距离分布以及其余基站干扰的拉普拉斯变换,得出该系统的覆盖概率和信道容量。通过仿真分析了不同参数指标对覆盖概率以及信道容量的影响。实验结果表明,与传统二维UAV网络模型相比,该三维动态模型能够更准确地反映实际情况,并且基于最近邻策略的基站切换能够显著提升网络性能。

一种面向3D-IC中TSV阵列的动态双重自修复方法

硅通孔(TSV)是三维集成电路(3D-IC)的关键技术之一,缺陷TSV的片上自修复对于提升3D-IC的可靠性具有重要意义。针对现有片上缺陷TSV自修复方式对冗余TSV数量依赖性较高、可靠性较低等问题,提出了一种包含硬修复和软修复的双重自修复方法。该方法既可以对随机出现的缺陷TSV进行冗余TSV替换,从而实现硬修复;也可以在冗余TSV数量不足时,通过两种不同的软修复策略,对信号进行"并串-串并"转换,实现局部范围内的软修复。该方法能有效减少由大量冗余TSV造成的面积开销,降低缺陷TSV修复率对冗余TSV数量的依赖性,提高缺陷TSV的修复率和3D-IC的可靠性。

一种改进的穿硅电容三维互连技术

针对硅通孔(through-silicon via,TSV)背面通孔外露工艺复杂度与成本较高、易遗留工艺隐患的问题,提出一种改进的穿硅电容(through-silicon capacitor,TSC)三维互连技术。首先,介绍TSC结构特点与工艺制作方法。其次,通过电磁仿真分析TSC互连电容耦合特性,结合传统收发电路与HSPICE仿真验证TSC互连在高频信号传输应用中的可行性。分析与仿真结果显示:TSC省去TSV背面通孔外露工艺可进一步降低成本及复杂工艺引入的可靠性隐患。采用孔半径2.5μm、孔高50μm单根TSC通道可实现15 Gbps高频信号传输,功耗约为0.045 mW/Gbps。研究表明,TSC互连是一种高可靠、低成本的三维互连结构,为实现高频三维集成电路(3D IC)提供一种可行的互连技术方案。

一种高选择性三阶带通三维频率选择表面

提出了一种具有高选择性和三阶带通响应的三维(3-D)频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)。该3-D FSS的单元结构由3个贴片金属方筒和3个介质方筒嵌套而成,产生3个传播路径。2个方形同轴路径提供方形槽谐振,产生2个传输极点,平行板路径提供半波长谐振,产生另一个传输极点,由此形成三阶通带。由于不同传播路径出射端处电场矢量相位反相,产生了3个传输零点,提升了频率选择性。通过场理论法和等效电路法分析了该3-D FSS的工作原理。加工出该3-D FSS实物,并进行了实验测试。可以发现,该3-D FSS能够实现平坦的通带、高选择性、良好的角度稳定性、双极化和较小的电尺寸。