如何利用工具模板快速对TSV阵列进行建模
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。
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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。
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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。
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