專(zhuān)利名稱(chēng)：：使用超材料的增強(qiáng)型襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及集成電路(IC)封裝。更特別地本發(fā)明涉及在封裝襯底中使用超材料(meta-material)，以減少可能在信號(hào)線上存在的噪聲。
背景技術(shù)：
：電子工業(yè)繼續(xù)依賴(lài)在半導(dǎo)體技術(shù)中的進(jìn)展，以在更緊湊的面積上實(shí)現(xiàn)更高功能的器件。對(duì)于許多實(shí)現(xiàn)更高功能的器件的應(yīng)用，要求在單個(gè)硅晶片中集成大量的電子器件。當(dāng)硅晶片的每給定面積上電子器件的數(shù)量增加時(shí)，制作工藝變得更為困難。各種半導(dǎo)體器件針對(duì)各種應(yīng)用以多種規(guī)則而制作。這樣的硅基半導(dǎo)體器件通常包括金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，例如p溝道MOS(PMOS)、n溝道MOS(NMOS)和互補(bǔ)MOS(CMOS)晶體管、雙極型晶體管、BiCMOS晶體管。這樣的MOSFET器件包括在導(dǎo)電柵極與類(lèi)似硅的襯底之間的絕緣材料；因此，這些器件通常稱(chēng)作IGFET(絕緣柵極FET)。這些半導(dǎo)體器件中的每個(gè)通常包括其上形成多個(gè)有源器件的半導(dǎo)體襯底。給定有源器件的特殊結(jié)構(gòu)可以在器件類(lèi)型之間變化。例如，在MOS晶體管中，有源器件通常包括源極和漏極區(qū)以及調(diào)制源極和漏極區(qū)之間電流的柵極電極。而且，這些器件可以是在多個(gè)晶片制作工藝中產(chǎn)生的數(shù)字或模擬器件，例如CMOS、BiCMOS、雙極型等等。所述襯底可以是硅、砷化鎵(GaAs)或其上適合于建立微電子電路的其它襯底。在進(jìn)行制作工藝后，硅晶片具有預(yù)定數(shù)量的器件。這些器件被測(cè)試。收集和封裝好的器件。當(dāng)將更高性能和更多功能嵌入到IC器件中時(shí)，向IC內(nèi)部和向IC外圍的其它部件發(fā)送信號(hào)成為一種挑戰(zhàn)。當(dāng)從一個(gè)芯片向另一個(gè)發(fā)送信號(hào)時(shí)，信號(hào)通常必須通過(guò)各種各樣的互連，例如封裝、印刷板電路板和插座。通常，通過(guò)這些實(shí)體的信號(hào)線的阻抗互不相同。由于在阻抗邊界處的能量反射，阻抗的不匹配一起線路上的噪聲。在互連處這種能量導(dǎo)致了共振響應(yīng)。典型地，這種共振處于不同于信號(hào)的頻率和時(shí)間，因此被認(rèn)為是電路中的噪聲。A.F.Starr等在他們的題目為"FabricationandCharacterizationofaNegative-Refractive-IndexCompositeMeta-materail"，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的PhysicalReviewB70，113102(2004)的論文中描寫(xiě)到"當(dāng)沒(méi)有許多設(shè)計(jì)折射系數(shù)為負(fù)的材料的可行方法時(shí)，一種嚴(yán)格的方法是設(shè)計(jì)介電常數(shù)(s)和磁導(dǎo)率(U)同時(shí)為負(fù)的材料，…當(dāng)沒(méi)有已知的e和y同時(shí)為負(fù)的自然存在的材料或化合物時(shí)，可以設(shè)計(jì)人造結(jié)構(gòu)材料，根據(jù)有效介質(zhì)論點(diǎn)得出在有限的頻帶內(nèi)它的有效的s和u都是負(fù)的。"這種其中封裝襯底的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率能夠在負(fù)方向被影響的超材料在高性能的IC器件中可能發(fā)揮作用。因此，需要以經(jīng)濟(jì)有效的方式使在IC器件的阻抗邊界處的噪聲最小化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過(guò)使用超材料作為襯底的絕緣體，可以有效地提高通過(guò)封裝的信號(hào)質(zhì)量。超材料是這樣的材料，設(shè)計(jì)用于使得信號(hào)以這樣的方式動(dòng)作，使信號(hào)形狀的行為好像介電常數(shù)和磁導(dǎo)率不同于所使用的絕緣體的實(shí)部介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。應(yīng)當(dāng)注意，相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率包括實(shí)部和虛部，也就是^-SK+jSK和m^^+Jm?？梢栽O(shè)計(jì)材料，以便使信號(hào)的響應(yīng)好像介電常數(shù)和磁導(dǎo)率具有負(fù)值。在本發(fā)明中，絕緣體材料設(shè)計(jì)用于減小由于信號(hào)線共振模式而出現(xiàn)的噪聲。超材料是在絕緣體中的導(dǎo)體的一種安排形式，它減小了在信號(hào)上的線路的共振響應(yīng)。在一個(gè)示例實(shí)施例中，襯底配置為超材料。所述超材料為在所述超材料上設(shè)置的具有預(yù)定長(zhǎng)度的信號(hào)線提供噪聲保護(hù)。所述襯底包括具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的介電材料(dielectricmaterial)。導(dǎo)電材料設(shè)置為具有總長(zhǎng)度(collectivelength)的預(yù)定形狀。介電材料包封導(dǎo)電材料，并且在距離頂側(cè)表面的第一預(yù)定距離和距離底側(cè)表面的第二預(yù)定距離處設(shè)置導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料的總長(zhǎng)度與信號(hào)線的預(yù)定長(zhǎng)度相當(dāng)。在另一個(gè)示例實(shí)施例中，存在具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的襯底，所述襯底配置為超材料，所述超材料為在頂側(cè)表面上限定的預(yù)定尺寸的信號(hào)線提供噪聲保護(hù)。所述襯底包括限定襯底的底側(cè)表面的導(dǎo)電電壓基準(zhǔn)平面。將導(dǎo)電線層配置為預(yù)定的形狀。在位于金屬接地平面之上的第一預(yù)定距離處設(shè)置導(dǎo)電線層，在位于在襯底的頂側(cè)表面上限定的信號(hào)線下面的第二預(yù)定距離處設(shè)置導(dǎo)電線層。介電材料包封導(dǎo)電線層；將介電材料限制在襯底的頂側(cè)表面和底側(cè)表面之間。導(dǎo)線的總尺寸與信號(hào)線的預(yù)定尺寸相當(dāng)。在又一示例實(shí)施例中，存在具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的襯底，將所述襯底配置為超材料。所述超材料為在頂側(cè)表面上限定的預(yù)定尺寸的信號(hào)線提供噪聲保護(hù)。所述襯底包括限定襯底的底側(cè)表面的導(dǎo)電接地平面。存在配置為多個(gè)預(yù)定形狀的導(dǎo)電材料層，在所述預(yù)定形狀中缺少一些導(dǎo)電材料。在導(dǎo)電接地平面之上的第一預(yù)定距離處設(shè)置導(dǎo)電材料層，并且在位于在襯底的頂側(cè)表面上限定的信號(hào)線下的第二預(yù)定距離處設(shè)置所述導(dǎo)電材料層。介電材料包圍導(dǎo)電材料層，并且將所述介電材料限定在襯底的頂側(cè)表面和底側(cè)表面之間。所述多個(gè)預(yù)定形狀的總尺寸與信號(hào)線的預(yù)定尺寸相當(dāng)。在再一示例實(shí)施例中，存在具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的襯底，所述襯底配置為超材料，所述超材料為在頂側(cè)表面上限制的信號(hào)線提供噪聲保護(hù)。所述襯底包括限定襯底的底側(cè)表面的導(dǎo)電接地平面。導(dǎo)電材料層配置為兩個(gè)同心的矩形；每個(gè)矩形具有在邊上大約中點(diǎn)位置處限定的凹口，第一矩形中的所述凹口與第二矩形中的所述凹口相對(duì)；所述第一矩形具有比第二矩形更小的周長(zhǎng)。在導(dǎo)電接地平面之上的第一預(yù)定距離處設(shè)置所述導(dǎo)電材料層，并且在在襯底頂側(cè)表面上限定的信號(hào)線之下的第二預(yù)定距離處設(shè)置所述導(dǎo)電材料層。介電材料包圍導(dǎo)電材料層；將介電材料限定在襯底的頂側(cè)表面和底側(cè)表面之間。兩個(gè)同心矩形的總尺寸與信號(hào)線的預(yù)定尺寸相當(dāng)。本實(shí)施例的特點(diǎn)包括導(dǎo)電材料層具有額外的比第一矩形更小周長(zhǎng)的內(nèi)部矩形，以及額外的四個(gè)外部的矩形，每個(gè)外部矩形都具有比第二矩形的周長(zhǎng)增量更大的周長(zhǎng)。在另一實(shí)施例中，存在使用來(lái)自二維電磁超材料(EM)模型的電阻電感電容(RLC)數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)超材料的方法，所述超材料是具有類(lèi)似矩形形狀的結(jié)構(gòu)。所述方法包括限定所述結(jié)構(gòu)所需的應(yīng)用參數(shù)以及構(gòu)建儲(chǔ)能電路。選擇儲(chǔ)能電路中的RLC值以獲得所需的信號(hào)響應(yīng)，并確定相應(yīng)幾何形狀的結(jié)構(gòu)。為尋找所需RLC電路值，對(duì)所述結(jié)構(gòu)的二維截面進(jìn)行仿真。計(jì)算結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和二維截面之一的等效RLC值。在另外一個(gè)示例實(shí)施例中，對(duì)于超材料，釆用二維EM模型計(jì)算導(dǎo)電材料層之間距離的方法，所述導(dǎo)電材料層包括第一平面上的信號(hào)傳輸線、第二平面中的三個(gè)矩形導(dǎo)電段的層以及在第三平面上的接地層。所述方法包括限定導(dǎo)電材料層的寬度、長(zhǎng)度和厚度的尺寸；限定尺寸包括限定從信號(hào)傳輸線到三個(gè)矩形導(dǎo)電段的第一距離，限定從三個(gè)矩形導(dǎo)電段的層到接地層的第二距離，以及限定所述三個(gè)矩形導(dǎo)電段每個(gè)之間的第三距離。在改變第一、第二和第三距離時(shí)，對(duì)LC參數(shù)進(jìn)行仿真。在改變信號(hào)線與三個(gè)矩形導(dǎo)電段之間的距離、三個(gè)矩形導(dǎo)電段的每個(gè)之間的距離以及三個(gè)矩形導(dǎo)電段和接地層之間的距離時(shí)，產(chǎn)生超材料的單位電容和單位電感的LC曲線。本發(fā)明的上述總結(jié)并不意欲代表本發(fā)明的每個(gè)公開(kāi)實(shí)施例或每個(gè)方面。下述的圖形和詳細(xì)描述中將提供其它的方面和示例實(shí)施例。結(jié)合附圖，考慮本發(fā)明的各種實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，可以更完整地理解本發(fā)明。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超材料襯底布局的立體圖；圖2為圖1的截面圖；圖3為絕緣襯底上的信號(hào)線的S參數(shù)的幅度與頻率的關(guān)系圖；圖4為圖1A的超材料襯底上的信號(hào)線的S參數(shù)的幅度與頻率的關(guān)系圖；圖5為用于測(cè)量超材料封裝性能的測(cè)試電路的示意圖；圖6為在400MHz的信號(hào)頻率時(shí)在超材料和標(biāo)準(zhǔn)材料上的信號(hào)線的輸出電壓與時(shí)間關(guān)系圖；圖7為在800MHz的信號(hào)頻率時(shí)在超材料和標(biāo)準(zhǔn)材料上的信號(hào)線的輸出電壓與時(shí)間關(guān)系圖；圖8為在2.5GHz的信號(hào)頻率時(shí)在超材料和標(biāo)準(zhǔn)材料上的信號(hào)線的輸出電壓與時(shí)間關(guān)系圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的超材料襯底布局的立體圖，所述布局具有七個(gè)同心正方形和條帶線；圖10為如圖9中所設(shè)置的在超材料上的信號(hào)線的輸出電壓與時(shí)間關(guān)系圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的具有類(lèi)矩形無(wú)金屬同心而且沒(méi)有條帶線區(qū)域的金屬層的超材料布局的立體圖；圖12為圖11的超材料布局上的信號(hào)線的S參數(shù)與頻率關(guān)系圖；圖13為五個(gè)不同實(shí)施例中的圖11的超材料布局上的信號(hào)線的輸出電壓與時(shí)間關(guān)系圖；圖14A為在絕緣襯底上的信號(hào)線的示意性代表(傳輸線)；圖14B為圖14A的傳輸線的S參數(shù)與頻率關(guān)系圖；圖15A為代表一系列儲(chǔ)能電路的超材料幾何圖形的模型；圖15B為圖15A儲(chǔ)能電路陣列的S參數(shù)與頻率關(guān)系曲線；圖16為用來(lái)估計(jì)類(lèi)矩形形狀及其對(duì)傳輸線耦合的電特性的二維截面結(jié)構(gòu)；圖17為相對(duì)于接地平米和那信號(hào)線與金屬的距離，不同的金屬高度(b)時(shí)信號(hào)線接地電容(Csg)與金屬間距(S)關(guān)系圖；圖18為信號(hào)線對(duì)金屬的電容(Csm)與間距(S)的關(guān)系圖；圖19為信號(hào)線接地電感(Ls)與間距(S)的關(guān)系圖；圖20為信號(hào)線對(duì)金屬的互感(Lksm)與間距的關(guān)系圖；以及圖21為金屬電感(Lm)與間距(S)的關(guān)系圖；以及圖22為用于獲得根據(jù)圖16的超材料的二維模型的尺寸的示例工藝的流程圖；圖23為對(duì)于BT襯底上的14mm線的相對(duì)磁導(dǎo)率(pR)和相對(duì)介電常數(shù)(SR)與頻率的關(guān)系圖；以及圖24為對(duì)于超材料上的14mm線的相對(duì)磁導(dǎo)率(HR)和相對(duì)介電常數(shù)(￡R)與頻率的關(guān)系圖。具體實(shí)施方式盡管本發(fā)明能夠改變?yōu)楦鞣N變型和替代的形式，其中的特征己經(jīng)通過(guò)圖中的例子所示出，以下將詳細(xì)描述。然而，并不意欲將本發(fā)明限制于所描述的特定實(shí)施例。相反地，意欲覆蓋所有在本發(fā)明權(quán)利要求限定的精神和范圍內(nèi)的修改、等同和替代。本發(fā)明對(duì)于減小在與在阻抗邊界處的信號(hào)反射相關(guān)聯(lián)的噪聲是有效的。通過(guò)超材料的使用，可以使得這種噪聲最小化。根據(jù)本發(fā)明的超材料是在絕緣層中的導(dǎo)體的排列，以減少當(dāng)信號(hào)在其中傳播時(shí)的線路共振響應(yīng)。在示例實(shí)施例中，存在導(dǎo)電材料的開(kāi)口平面的類(lèi)矩形形狀和匹配傳輸線長(zhǎng)度的導(dǎo)體的直線長(zhǎng)度的設(shè)置。圖l和圖2表示超材料的結(jié)構(gòu)。參考圖1，將襯底IO配置為超材料。將導(dǎo)電材料35的圖案(即圖形)設(shè)置為同心的"正方形-圓形25"(此后，描述為類(lèi)矩形的形狀，這種形狀可包括但不限于矩形、正方形等等)和金屬30的平直部分。信號(hào)線15為14mm的傳輸線，并且將超材料設(shè)計(jì)用于提高信號(hào)線的阻抗以減少信號(hào)噪聲。類(lèi)似矩形的形狀25的長(zhǎng)度總和與信號(hào)線15的長(zhǎng)度相當(dāng)(通?？梢云ヅ?。金屬30的平直部分與類(lèi)似矩形形狀25的寬度相匹配。在此實(shí)施例中，開(kāi)口的類(lèi)似矩形形狀25是實(shí)質(zhì)上具有2.5mm對(duì)徑(diameter)的正方形，導(dǎo)體的寬度為O.lmm，導(dǎo)體的高度為25nm。在類(lèi)似矩形形狀中的間隙45、50是0.2mm。信號(hào)線15的長(zhǎng)度為14mm，寬度為O.lmm，高度為25pm。在此超材料中的絕緣體是雙馬來(lái)酰亞胺三嗪(Bismaleiimidetriazine:BT)樹(shù)脂。參考圖2，可將襯底10構(gòu)造成多層55。層1是25pm厚的接地平面20。在接地平面20上，層2是100pm厚的絕緣材料。層3是限定金屬30的平直部分的部分，厚度為25pm。層4是另外一層100pm厚的絕緣材料。層5包括同心的類(lèi)似矩形形狀25的結(jié)構(gòu)，厚度也為25pm。在層5上具有10(Him厚度的絕緣材料層6。信號(hào)線15被限定在層7上；信號(hào)線15具有25pm的厚度。因此，對(duì)于例如使用在BGA封裝中使用的給定封裝襯底，本發(fā)明可在四金屬層中實(shí)現(xiàn)。參考圖3。對(duì)于以與圖1中相同的方式布置在BT樹(shù)脂絕緣體上的14mm信號(hào)傳輸線(Z。-83ohm)，但不包括金屬的類(lèi)似矩形形狀和條帶。存在S參數(shù)與頻率關(guān)系的曲線300。方波輸入信號(hào)通過(guò)信號(hào)線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。曲線305示出了當(dāng)頻率從lGHz增加到大約30GHz時(shí)，輸出電壓與輸入電壓的比率(比如，信號(hào)完整性)逐漸減小。隨著輸入頻率增加，波形的幅度減小，表明輸出的減小和通過(guò)信號(hào)傳輸線的傳輸?shù)臏p小。對(duì)于用于獲得本發(fā)明數(shù)據(jù)的ANSOFT所有的軟件(由PA，匹茲堡的ANSOFT公司授權(quán))，將EM模型網(wǎng)格算法的解限定在20GHz(它是7.5mm的邊緣長(zhǎng)度)。參考圖4。圖1和圖2中所示結(jié)構(gòu)具有仿真的S參數(shù)。S參數(shù)與頻率的關(guān)系圖400中示出了曲線405在10GHz和21GHz處分別具有兩個(gè)最小值410、420。這兩個(gè)頻率可看作在超材料上的信號(hào)線的共振頻率。10GHz和21GHz分別為第一和第二諧波頻率。除了這兩個(gè)頻率，圖3的Vo/Vw的向下趨勢(shì)在其它頻率中不存在。超材料結(jié)構(gòu)在從4GHz至25GHz的整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持S參數(shù)(例如，它與信號(hào)完整性有關(guān))大于0.60。為了精確計(jì)量襯底的性能，所述襯底配置為相對(duì)于通過(guò)在所述襯底上限定的金屬線傳播的信號(hào)的超材料，使用了測(cè)試電路。使用超材料的目的是為了匹配從輸入到輸出的傳輸線的阻抗，使得將最大的功率傳送到輸出端，并且使信號(hào)在線內(nèi)(在封裝互聯(lián)處)的信號(hào)反射最小化。根據(jù)從圖4的曲線中得到的S參數(shù)，可以在測(cè)試電路中示出在多個(gè)頻率處的信號(hào)質(zhì)量的提高。參考圖5。測(cè)試電路500具有向傳輸線提供方波輸入的信號(hào)源505。耦合到信號(hào)源505的是大約25ohm的負(fù)載阻抗510。耦合到負(fù)載阻抗510的是PCB材料515，它具有特征阻抗為50ohm的信號(hào)線(ZQ=50ohm，v=150Mm/s，長(zhǎng)度i.046m)。耦合到PCB材料515中的信號(hào)線的是布置在超材料封裝520上的信號(hào)線。用于普通傳輸線(沒(méi)有超材料)的信號(hào)線具有83ohms的特征阻抗(Z0=83ohm，v=150Mm/s，長(zhǎng)度-0.011m)，超材料的阻抗和長(zhǎng)度由圖3和圖4中仿真和描述的S參數(shù)得出。將50ohms的端子525耦合到超材料封裝520的輸出。將超材料封裝520的特性與PCB515的特性相匹配，使得當(dāng)信號(hào)505傳播通過(guò)時(shí)，PCB515和超材料封裝520之間的噪聲和反射最小化。使用圖5中所示的電路測(cè)試超材料封裝520。參考圖6。曲線600是V。^與時(shí)間的關(guān)系。在400MHz的輸入頻率時(shí)，針對(duì)普通BT樹(shù)脂材料和超材料測(cè)試了輸出電壓525與時(shí)間的關(guān)系。輸入電壓是方波。曲線605表示普通材料，而曲線610表示超材料。V。ut比在普通材料中高100mV。參考圖7，曲線700是V。ut與時(shí)間的關(guān)系。在800MHz的輸入頻率時(shí)，針對(duì)普通BT樹(shù)脂材料和超材料測(cè)量輸出電壓525與時(shí)間的關(guān)系。輸入電壓是方波。曲線705表示普通材料，而曲線710表示超材料。同樣，V。ut比在普通材料中也高100mV。參考圖8，曲線800是V。ut與時(shí)間的關(guān)系。在2.5GHz的輸入頻率時(shí)，針對(duì)普通BT樹(shù)脂材料和超材料測(cè)量輸出電壓525與時(shí)間的關(guān)系。輸入電壓是方。曲線805表示普通材料，而曲線810表示超材料。V。ut有大約200mV的提高。在另一示例實(shí)施例中，超材料采用與圖1和圖2中類(lèi)似的模式構(gòu)造。然而，具有額外的同心正方形。參考圖9。襯底900在絕緣襯底935上具有信號(hào)帶910。在信號(hào)帶910下面的是七個(gè)導(dǎo)電同心正方形920。每個(gè)正方形在給定邊的中心附近具有開(kāi)口925。正方形如此設(shè)置以使得開(kāi)口不在相鄰的正方形上存在。在七個(gè)同心正方形920下面，按照預(yù)定距離被絕緣襯底分離的金屬的直線帶940在由開(kāi)口925限定的區(qū)域下面延伸，并且沿橫斷信號(hào)帶910的方向確定方向。將超材料設(shè)置在接地平面。在高頻結(jié)構(gòu)仿真(HFSS)中，圖9的布局在圖5的測(cè)試電路中分析。參考圖IO，示出了對(duì)于兩個(gè)實(shí)施例和普通材料的輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線1000。曲線1005是2正方形襯底。曲線1010是普通襯底。曲線1015是7正方形材料。在另一示例實(shí)施例中，超材料由懸浮金屬構(gòu)造，其中限定了同心正方形的圖案。不存在同心正方形下面的條帶。參考圖U。超材料襯底1100在絕緣材料上具有信號(hào)線1110。在信號(hào)線下面的預(yù)定距離處，限定了具有同心正方形的懸浮金屬1120。與先前的實(shí)施例相反，正方形是無(wú)金屬的區(qū)域。在距離懸浮金屬1120的另一預(yù)定距離處是接地平面1130。這樣的金屬襯底可采用如圖2所述的多層構(gòu)造。可畫(huà)出圖11結(jié)構(gòu)的S參數(shù)。參考圖12。描述了S參數(shù)與頻率的關(guān)系曲線1200。曲線1205具有多個(gè)最小值。在7.5GHz、19GHz、21GHz、25GHz和28GHZ的最小值分別標(biāo)識(shí)為1210、1220、1225、1230和1235。這些最小值代表共振頻率及其諧波。在圖5的裝置中測(cè)試具有確定的S參數(shù)的超材料襯底。上述五種結(jié)構(gòu)的V。ut與時(shí)間關(guān)系的波形在圖13中描述。V。ut傳輸?shù)奶岣咴趨^(qū)1310中描述。曲線R描述了超材料被限定為金屬平面的效果，它具有如圖11中描述的BT材料中的正方形圖案。曲線G描述了圖9的7金屬正方形和條帶。曲線P描述圖1的2金屬正方形和條帶。曲線B描述在普通厚的BT電介質(zhì)上的傳輸線。曲線Y描述在普通薄的BT電介質(zhì)上的傳輸線。在給定的應(yīng)用中確定具體的超材料結(jié)構(gòu)。例如，考慮多個(gè)參數(shù)。這些參數(shù)可包括但不限于1)信號(hào)線的長(zhǎng)度、寬度、厚度；2)同心的類(lèi)似矩形形狀的數(shù)目、它們的尺寸；3)直條帶線的長(zhǎng)度、寬度、厚度；4)工作的頻率范圍；4)同心的類(lèi)似矩形到信號(hào)線的距離；5)直條帶線到同心的類(lèi)似矩形形狀的距離，等等。對(duì)于在工作頻率和線長(zhǎng)度的給定應(yīng)用，可使用多個(gè)根據(jù)本發(fā)明用來(lái)決定類(lèi)似矩形形狀的所需結(jié)構(gòu)的方法。為提供非常準(zhǔn)確的結(jié)果，可模擬整個(gè)超材料結(jié)構(gòu)(例如，圖1、圖9或圖11的結(jié)構(gòu))的三維結(jié)構(gòu)和信號(hào)傳輸線上的效果。一個(gè)方法考慮傳輸線的工作頻率和物理尺寸。根據(jù)那個(gè)信息，設(shè)計(jì)者可仿真多個(gè)三維EM模型，以得到對(duì)于應(yīng)用的最優(yōu)S參數(shù)響應(yīng)?？梢愿淖冾?lèi)似矩形形狀的幾何圖形、它們的相對(duì)位置以及它們到傳輸線和基準(zhǔn)電壓平面的距離。然而，需要完成這樣的任務(wù)的方法和時(shí)間與得到的精度相比不是成本經(jīng)濟(jì)的。一種幫助超材料形狀的優(yōu)化方法是考慮作為耦合到多個(gè)儲(chǔ)能電路的傳輸線的物理環(huán)境。(參考圖14A和圖15A)。向前參考圖1?？蓪⒔Y(jié)構(gòu)10模擬為耦合儲(chǔ)能電路1435的一系列144。每個(gè)儲(chǔ)能電路代表穿過(guò)超材料的六個(gè)圖形35之一的導(dǎo)電線15。圖14B中描述了圖14A中的傳輸線的S參數(shù)。圖15B中畫(huà)出了相似的儲(chǔ)能電路1435的系列1400的圖15A的參數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電路的電特性，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸線的所需響應(yīng)。在本方法中，盡管可能缺少三維結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度，仍可得到足夠的信息。類(lèi)似矩形的幾何圖形的二維截面可用來(lái)估計(jì)類(lèi)似矩形形狀和它們耦合到信號(hào)傳輸線的電特性。參考圖16。圖17到圖21中描述了對(duì)于60pm的金屬線寬的金屬信號(hào)線，改變類(lèi)似矩形段和它們到信號(hào)線以及電壓基準(zhǔn)平面(通常定義為地，在Ov)的距離得到的二維仿真結(jié)果。用來(lái)仿真圖16結(jié)構(gòu)和圖17-21的結(jié)果曲線的系統(tǒng)和軟件是ANSOFT2DExtractor(二維EM仿真器)。在圖16中，仿真了二維結(jié)構(gòu)。將具有三個(gè)導(dǎo)電帶(1431、1432、1433)的金屬1430按照與電壓基準(zhǔn)平面1410的垂直距離B分離。三個(gè)導(dǎo)電帶1431、1432和1433按照彼此之間的水平距離互相分離。信號(hào)線1420按照與金屬1430的垂直距離T分離。信號(hào)線1420和三個(gè)導(dǎo)電帶1431、1432和1433具有固定的寬度W。在一個(gè)示例實(shí)施例中，尺寸B、S和T范圍從大約60)am到大約100pm。信號(hào)線的寬度w和三個(gè)導(dǎo)電帶(1431，1432，1433)固定在大約60jdm。圖15A的儲(chǔ)能電路1435描述圖16的二維結(jié)構(gòu)的電路模型。因此，對(duì)于給定的信號(hào)傳輸線，在耦合儲(chǔ)能電路中，可以參考信號(hào)線電感(Ls)、信號(hào)線到金屬的電容(Csm)、信號(hào)線接地的電容(Cgm)、信號(hào)線到金屬的互感(Lkm)和金屬電感(Lm)。因此，調(diào)整耦合儲(chǔ)能LC的值以優(yōu)化通過(guò)傳輸線中的信號(hào)。圖17是在不同的垂直距離b和t處的單位電容(F/m)Csg與金屬間距(s)的關(guān)系圖。圖18是單位電容(F/m)Csm與金屬間距的關(guān)系圖。圖19是單位電感(H/m)Ls與金屬間距的關(guān)系圖。圖20是單位電感(H/m)Lksm與金屬的關(guān)系圖。圖21是單位電感(F/m)Lm與金屬間距的關(guān)系圖。這些分量Q、Csg、Ls、Lksm和Lm記載在圖15A的儲(chǔ)能電路1435中。向上參考圖16的結(jié)構(gòu)，可以利用五個(gè)圖，推導(dǎo)出針對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例設(shè)置的信號(hào)傳輸線和超材料的特定布局的合適的單位電容和單位電感值。在示例設(shè)計(jì)中，使用者在特異襯底上構(gòu)建信號(hào)傳輸線。金屬間距s的水平距離S限定在大約80^im，信號(hào)傳輸線到金屬的垂直距離T限定在8(Vm，并且金屬到電壓基準(zhǔn)平面1410的垂直距離B限定在80^im，以及信號(hào)傳輸線1420的寬度W是大約60(im。在這些預(yù)定參數(shù)中，單位電感和單位電容值可從圖中讀取。這些值提供一階近似，以為迭代到更準(zhǔn)確的值提供起始點(diǎn)。表l描述列舉得到的值。這些電容和電感值是那些已知圖16的二維模型的尺寸S、B、T和W，優(yōu)化通過(guò)信號(hào)線的信號(hào)的那些值。<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>同樣，可以確定，如果設(shè)計(jì)者需要特殊的電容和電感值(如在儲(chǔ)能電路1435中所示)，這些圖可用來(lái)尋找S、B、T和W的尺寸。表l的示例值在圖17-21中對(duì)于S-100nm以雙字母的AA、BB、CC等示出?？梢詫⑺枋龅募夹g(shù)編程在計(jì)算機(jī)中，以計(jì)算尺寸的范圍和電容/電感值。利用所采集的足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以推導(dǎo)出一系列的等式以模擬所需特性。圖17-21是在lGHz的輸入頻率下產(chǎn)生的。使用來(lái)自二維的電磁超材料(EM)模型的RLC數(shù)據(jù)的超材料設(shè)計(jì)的方法可用來(lái)構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的超材料結(jié)構(gòu)。為了確定用來(lái)構(gòu)造超材料的幾何尺寸和類(lèi)似矩形形狀(參考圖2)的尺寸，可按照?qǐng)D22的流程圖中描述的步驟。設(shè)計(jì)者確定2210應(yīng)用信號(hào)頻帶、信號(hào)線尺寸和信號(hào)線到電壓基準(zhǔn)平面(通常為接地平面)的距離。然后，構(gòu)建圖15中描述的儲(chǔ)能電路2220。設(shè)計(jì)者可決定是否為優(yōu)化信號(hào)響應(yīng)而優(yōu)化2230儲(chǔ)能電路RLC值，然后確定為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電路RLC值，需要什么樣的類(lèi)似矩形的幾何圖形?？商娲?，用戶可以為這個(gè)應(yīng)用產(chǎn)生與可生產(chǎn)的類(lèi)似矩形幾何圖形相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能電路RLC值的表。使用圖15A的電路可能不容易觀察到所需信號(hào)響應(yīng)。需要包括來(lái)自裸片和信號(hào)負(fù)載的信號(hào)電路的另一個(gè)電路，以確定所需響應(yīng)。那個(gè)電路可以類(lèi)似此專(zhuān)利申請(qǐng)中的圖5中的電路，或者包括更多應(yīng)用細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)者對(duì)二維(2D)截面進(jìn)行仿真2240，以尋找所需RLC儲(chǔ)能電路值或者可以根據(jù)制造設(shè)計(jì)規(guī)則從已知的可生產(chǎn)類(lèi)似矩形形狀產(chǎn)生RLC值的表2245(例如表1)。然后，對(duì)于給定的矩形長(zhǎng)度和2D截面，設(shè)計(jì)者計(jì)算2M0等效的類(lèi)似矩形形狀的RLC值。接著，在儲(chǔ)能電路中使用2260所需類(lèi)似矩形形狀的RLC值，并且驗(yàn)證信號(hào)響應(yīng)和可制作性。為了獲得更高的準(zhǔn)確率，推薦使用三維高頻模擬器(例如，HFSS)驗(yàn)證所述信號(hào)響應(yīng)2270，以驗(yàn)證由2D截面產(chǎn)生的類(lèi)似矩形形狀的幾何圖形，真正實(shí)現(xiàn)針對(duì)超材料的所需信號(hào)響應(yīng)。關(guān)于計(jì)算&和^的更多細(xì)節(jié)可在RichardW.Ziolkowski的論文"Design,Fabrication,andTestingofDoubleNegativeMetamaterials"IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION,VOL.51，N0.7，JULY2003中找到，將其全部結(jié)合在此作為參考。作為設(shè)計(jì)超材料的結(jié)果，可以觀察在輸入頻率范圍內(nèi)的SK和^的曲線。對(duì)于輸入頻率的限定范圍，可觀察到磁導(dǎo)率^K的實(shí)部分量變?yōu)樨?fù)值(PR<0)。在共振頻率處，所述曲線表現(xiàn)出峰值。參考圖23。對(duì)于BT襯底上的信號(hào)線的控制材料，畫(huà)出了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與頻率的關(guān)系。介電常數(shù)和磁導(dǎo)率具有實(shí)部和虛部。Sk和^的突部不會(huì)為負(fù)?？梢杂^察到曲線中的共振頻率峰值。參考圖24，在超材料上的信號(hào)線的磁導(dǎo)率的實(shí)部在大約2.50GHz到大約3.50GHz的頻率范圍變?yōu)樨?fù)值(在2410)。在共振頻率，可以在Sr和!^K的組成部分的曲線中看到峰值。結(jié)果，超材料的效果在使用頻率范圍內(nèi)提供增強(qiáng)的信號(hào)傳輸和更恒定的阻抗的維持。因此，提高了ic器件的性能。雖然本發(fā)明是參考幾個(gè)特定實(shí)施例描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可意識(shí)到在不脫離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對(duì)其進(jìn)行多種修改。權(quán)利要求1、一種配置為超材料的襯底(10)，所述超材料為設(shè)置于超材料上的具有預(yù)定長(zhǎng)度的信號(hào)線(15)提供噪聲保護(hù)，所述襯底包括具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的介電材料(2、4、6)；以及導(dǎo)電材料(30)，設(shè)置為具有總長(zhǎng)度的預(yù)定形狀(35)，所述導(dǎo)電材料由介電材料(2、4、6)包封，并且在距離頂側(cè)表面第一預(yù)定距離(55)和距離底側(cè)表面的第二預(yù)定距離(55)處設(shè)置所述導(dǎo)電材料(30)，其中導(dǎo)電材料(30)的總長(zhǎng)度與信號(hào)線(15)的預(yù)定長(zhǎng)度相當(dāng)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的襯底，其中所述預(yù)定形狀包括由在第一平面上的每一個(gè)均具有長(zhǎng)度和寬度的同心形狀的圖案組成的陣列，所述同心形狀的圖案設(shè)置在位于第二平面上的具有長(zhǎng)度和寬度的條帶線(20)上方。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的襯底，其中所述同心形狀(35)是規(guī)則多邊形，在中心點(diǎn)附近去除該規(guī)則多邊形的一邊(45、50)的一部分。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的襯底，其中所述同心形狀是類(lèi)似矩形。5、一種具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的襯底(900)，所述襯底配置為超材料，所述超材料為在頂側(cè)表面上限定的預(yù)定尺寸的信號(hào)線(910)提供噪聲保護(hù)，所述襯底包括-限定所述襯底的底側(cè)表面的導(dǎo)電電壓基準(zhǔn)平面(930);配置為預(yù)定形狀的導(dǎo)電線層(920),所述導(dǎo)電線層按照第一預(yù)定距離設(shè)置在導(dǎo)電電壓基準(zhǔn)平面上方，并且所述導(dǎo)電線層按照第二預(yù)定距離設(shè)置于在所述襯底的頂側(cè)表面上限定的信號(hào)線下方；包封所述導(dǎo)電線層的介電材料(935)，所述介電材料限制在所述襯底的頂側(cè)表面和底側(cè)表面之間；以及其中所述導(dǎo)電線的總尺寸與信號(hào)線的預(yù)定尺寸相當(dāng)。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的襯底，其中導(dǎo)電電壓基準(zhǔn)平面(930)是接地平面。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的襯底，其中導(dǎo)電線層在一個(gè)平面上包括一系列同心多邊形(920)，以及在第二平面上包括條帶(940)，所述同心多邊形和所述條帶彼此相距第三預(yù)定距離。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的襯底，其中所述同心多邊形是多個(gè)類(lèi)似矩形的形狀，每個(gè)類(lèi)似矩形形狀具有在其中限定的凹口(925)，并且在第一類(lèi)似矩形形狀中的凹口與在下一類(lèi)似矩形形狀中的凹口相對(duì)。9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的襯底，其中有凹口的類(lèi)似矩形形狀的個(gè)數(shù)至少是2。10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的襯底，其中有凹口的類(lèi)似矩形形狀的個(gè)數(shù)范圍從2到9。11、根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的襯底，其中有凹口的類(lèi)似矩形形狀是正方形。12、一種具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的襯底(1100)，所述襯底配置為超材料，所述超材料為在頂側(cè)表面上限定的預(yù)定尺寸的信號(hào)線(1110)提供噪聲保護(hù)，所述襯底包括-限定所述襯底的底側(cè)表面的導(dǎo)電接地平面(1130);導(dǎo)電材料層(1120)，配置為其中缺少一些導(dǎo)電材料的多個(gè)預(yù)定形狀，所述導(dǎo)電材料層按照第一預(yù)定距離設(shè)置在所述導(dǎo)電接地平面上方，并且所述導(dǎo)電材料層按照第二預(yù)定距離設(shè)置于在所述襯底的頂側(cè)表面上限定的信號(hào)線下方；包封所述導(dǎo)電材料層的介電材料(1140)，所述介電材料限定在所述襯底的頂側(cè)表面和底側(cè)表面之間；以及其中所述多個(gè)預(yù)定形狀的總尺寸與信號(hào)線的預(yù)定尺寸相當(dāng)。13、根據(jù)權(quán)利要求12所述的襯底，其中所述多個(gè)預(yù)定形狀包括多個(gè)同心的類(lèi)似矩形形狀。14、根據(jù)權(quán)利要求13所述的襯底，其中所述同心的類(lèi)似矩形形狀的個(gè)數(shù)至少是2。15、根據(jù)權(quán)利要求14所述的襯底，其中所述同心的類(lèi)似矩形形狀的個(gè)數(shù)范圍從2到9。16、根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的襯底，其中所述同心的類(lèi)似矩形形狀是正方形，每個(gè)正方形具有在其中限定的凹口，并且在第一正方形中的凹口與下一正方形中的凹口相對(duì)。17、一種具有頂側(cè)表面和底側(cè)表面的襯底，所述襯底配置為超材料，所述超材料為在頂側(cè)表面上限定的預(yù)定尺寸的信號(hào)線提供噪聲保護(hù)，所述襯底包括-限定在所述襯底的底側(cè)表面的導(dǎo)電接地平面；導(dǎo)電材料層，配置為兩個(gè)同心矩形，每個(gè)矩形具有在中點(diǎn)附近的一邊上限定的凹口，并且第一矩形中的凹口與第二矩形中的凹口相對(duì)，第一矩形具有比第二矩形更小的周長(zhǎng)，所述導(dǎo)電材料層按照第一預(yù)定距離設(shè)置在導(dǎo)電接地平面上方，并且所述導(dǎo)電材料層按照第二預(yù)定距離設(shè)置于在襯底的頂側(cè)表面上限定的信號(hào)線下方；包封所述導(dǎo)電材料層的介電材料，所述介電材料限制在襯底的頂側(cè)表面和底側(cè)表面之間；以及其中所述兩個(gè)同心矩形的總尺寸與信號(hào)線的預(yù)定尺寸相當(dāng)。18、根據(jù)權(quán)利要求17所述的襯底，其中所述導(dǎo)電材料層包括具有比第一矩形更小的周長(zhǎng)的額外的內(nèi)部矩形，以及額外的四個(gè)外部矩形，每個(gè)外部矩形均具有比第二矩形的周長(zhǎng)遞增的周長(zhǎng)。19、根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的襯底，其中所述同心矩形是正方形。20、根據(jù)權(quán)利要求17所述的襯底，其中所述導(dǎo)電材料層由金屬化片組成，所述金屬化片配置為缺少一些導(dǎo)電材料的多個(gè)矩形。21、根據(jù)權(quán)利要求19所述的襯底，其中所述導(dǎo)電材料層由金屬化片組成，所述金屬化片配置其中缺少導(dǎo)電材料的矩形。22、根據(jù)權(quán)利要求18所述的襯底，其中具有與額外的四個(gè)外部矩形的長(zhǎng)度相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度的條帶線位于導(dǎo)電層和導(dǎo)電接地平面之間，所述條帶線鄰近導(dǎo)電層，所述條帶線在每個(gè)矩形的凹口下延伸，所述條帶線具有與每個(gè)矩形的凹口的寬度相當(dāng)?shù)膶挾取?3、一種設(shè)計(jì)超材料的方法(2200)，使用來(lái)自二維電磁超材料(EM)模型的電阻-電感-電容(RLC)數(shù)據(jù)，所述方法包括為所述結(jié)構(gòu)限定所需應(yīng)用參數(shù)(2210);構(gòu)建儲(chǔ)能電路(2220);在儲(chǔ)能電路中選擇RLC值(2230)以獲得所需信號(hào)響應(yīng)，并確定對(duì)應(yīng)幾何形狀的結(jié)構(gòu)；對(duì)所述結(jié)構(gòu)的二維截面進(jìn)行仿真(2240)，以得到所需RLC儲(chǔ)能電路值；為結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和二維截面之一計(jì)算等效RLC值(2250)。24、根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中在儲(chǔ)能電路中選擇RLC值的步驟包括產(chǎn)生與針對(duì)應(yīng)用的可制造結(jié)構(gòu)幾何形狀相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能電路RLC值的表。25、根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的方法，其中對(duì)二維截面進(jìn)行的步驟還包括根據(jù)由制造設(shè)計(jì)規(guī)則導(dǎo)出的已知可制造結(jié)構(gòu)幾何形狀來(lái)產(chǎn)生RLC值(2245)的表。26、根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括在儲(chǔ)能電路中使用RLC值(2260);驗(yàn)證與相應(yīng)幾何形狀結(jié)構(gòu)相關(guān)的信號(hào)響應(yīng)(2270);以及驗(yàn)證可制造性。27、根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中驗(yàn)證信號(hào)響應(yīng)的步驟包括使用三維高頻仿真器(HFSS)。28、一種對(duì)于超材料、采用二維EM模型計(jì)算導(dǎo)電材料層之間的距離的方法，所述導(dǎo)電材料層包括第一平面(1420)上的信號(hào)傳輸線、第二平面中的三個(gè)矩形導(dǎo)電段(1431、1432、1433)的層(1430)以及第三平面上的接地層，所述方法包括-限定所述導(dǎo)電材料層的寬度(W)、長(zhǎng)度、厚度的尺寸，其中限定尺寸包括限定從所述信號(hào)傳輸線到所述三個(gè)矩形導(dǎo)電段的層的第一距離(T);限定從所述三個(gè)矩形導(dǎo)電段的層到所述接地層的第二距離(B);限定所述三個(gè)矩形導(dǎo)電段的每個(gè)之間的第三距離(S);在改變第一、第二和第三距離時(shí)對(duì)LC參數(shù)(AA、BB、CC、DD、EE、FF、GG、HH、JJ)進(jìn)行仿真；在改變所述信號(hào)線與三個(gè)矩形導(dǎo)電段之間、所述三個(gè)矩形導(dǎo)電段的每個(gè)之間以及所述三個(gè)矩形導(dǎo)電段和所述接地層之間的距離時(shí)，產(chǎn)生所述超材料的單位電容和單位電感的LC曲線。全文摘要在增強(qiáng)通過(guò)封裝的信號(hào)質(zhì)量時(shí)，可以使用超材料。將超材料設(shè)計(jì)用于使信號(hào)以這種方式動(dòng)作，使信號(hào)的形狀的行為好像介電常數(shù)和磁導(dǎo)率不同于使用的絕緣體的實(shí)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。在示例實(shí)施例中，襯底(10)配置為超材料。超材料為置于超材料之上具有預(yù)定長(zhǎng)度的信號(hào)線(15)提供噪聲保護(hù)。導(dǎo)電材料(30)設(shè)置為具有總長(zhǎng)度的預(yù)定的形狀(35)。介電材料包圍在導(dǎo)電材料周?chē)瑢?dǎo)電材料按照距離頂側(cè)表面的第一預(yù)定距離(55)和距離底側(cè)表面的第二預(yù)定距離設(shè)置。導(dǎo)電材料(30)的總長(zhǎng)度與信號(hào)線(15)的預(yù)定長(zhǎng)度相當(dāng)。文檔編號(hào)H01Q15/00GK101331606SQ200680047011公開(kāi)日2008年12月24日申請(qǐng)日期2006年12月15日優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日發(fā)明者克里斯·懷蘭德申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司