芯片倒裝封裝中焊球及銅互連對高速差分信號傳輸特性影響的仿真研究*

孟 真，張興成，劉 謀，唐 璇，閻躍鵬

（中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

1 引言

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，集成度越來越高，芯片上的輸入輸出（I/O）端子數(shù)急速增長，引線鍵合（WB）技術(shù)和載帶自動焊（TAB）技術(shù)已不能滿足高集成度半導(dǎo)體發(fā)展需求。倒裝焊互連技術(shù)是將芯片的有源區(qū)面對基板，在芯片的有源區(qū)面上直接制作凸焊點(diǎn)陣列作為I/O端子并以倒扣的方式焊接于基板上，從而實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的互連。倒裝焊技術(shù)使封裝內(nèi)的互連長度大大縮短從而大幅減小信號延遲，可以在相同面積下布置更多的I/O端子，同時(shí)還可使焊點(diǎn)節(jié)距增大，更能適應(yīng)半導(dǎo)體高集成化的發(fā)展需求[1～3]。

而隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)的處理能力和傳輸速率不斷提高，CPU、內(nèi)存以及各種數(shù)據(jù)傳輸總線的運(yùn)行頻率都在不斷提高。如以Intel i7-4790K和AMDFX-9590等CPU為代表的數(shù)字電路時(shí)鐘頻率已經(jīng)接近5 GHz，而高速串行總線SATA Revision 3.0、PCI-E 3.0單通道數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)6 Gb/s、8 Gb/s。與模擬信號不同，數(shù)字信號的波形非正弦波而是矩形波或類矩形波，因此數(shù)字信號為了達(dá)到良好的傳輸特性需要保證其多次諧波也具有較好的傳輸性。因此高速數(shù)字電路中要求互連結(jié)構(gòu)在0～30 GHz甚至更大帶寬內(nèi)均需具有良好的傳輸性能。

隨著數(shù)字電路運(yùn)行頻率的提高，為了實(shí)現(xiàn)更好的信號傳輸性能，差分信號已經(jīng)取代單端信號成為數(shù)字電路中最通用的高速信號傳輸方式。因此差分對焊球和差分對銅互連結(jié)構(gòu)將會是倒裝芯片封裝技術(shù)中一種不可避免的互連結(jié)構(gòu)[4～5]。而現(xiàn)有針對芯片封裝中高速互連結(jié)構(gòu)電傳輸特性的研究一般僅局限于單端信號，對差分信號的研究近乎空缺。本文即針對芯片倒裝封裝中高速差分信號在焊球和封裝基板銅互連這兩種典型互連結(jié)構(gòu)中的傳輸特性進(jìn)行分析研究。

如圖1所示，芯片倒裝封裝在芯片側(cè)，與釬料直接接觸并參與化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域稱之為凸點(diǎn)下金屬化層（Under-Bump Metallization，UBM），倒裝芯片通過凸焊點(diǎn)與UBM發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電、熱互連。在基板側(cè)，作為焊盤基本金屬的Cu表面常覆蓋一層鍍層或保護(hù)膜防止在回流焊組裝前Cu焊盤被氧化[6～7]。焊球則用于連接上部芯片裸片的焊盤與下部封裝基板焊盤，其主要材料為有鉛焊料如Sn63Pb37或者無鉛焊料如Sn3.0Ag0.5Cu等[8～9]。常用的倒裝芯片封裝的焊球直徑有1.27 mm、1.00 mm、0.80 mm、0.65 mm、0.50 mm、0.30 mm、0.20 mm和0.10 mm等，焊球節(jié)距一般隨著焊球尺寸減小而相應(yīng)縮小。

圖1 芯片倒裝封裝中的焊球、銅互連結(jié)構(gòu)示意圖

由于高頻差分信號在兩條互連線上傳輸時(shí)會存在電磁耦合效應(yīng)，因此不同的焊球尺寸和節(jié)距會對差分信號的電傳輸特性產(chǎn)生影響。差分信號傳輸時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更好的差模傳輸特性并減小共模干擾的影響，要求傳輸時(shí)兩條互連線必須是等長度的。理想的實(shí)現(xiàn)方式是在設(shè)計(jì)差分對互連線時(shí)保持近距離、平行、等長度走線。

但是在倒裝芯片封裝中差分信號的起始端兩個(gè)端點(diǎn)的間距與終止端兩個(gè)端點(diǎn)的間距時(shí)常是不同的，并且由于焊球密度較大導(dǎo)致走線空間緊缺。因此在設(shè)計(jì)差分信號互連線時(shí)常常會出現(xiàn)無法采用平行等長度互連線的情況。而非平行式互連方式由于走線不同位置間距離等因素的差異會導(dǎo)致差分對互連線在不同位置的電磁耦合效應(yīng)出現(xiàn)差異，因此會影響差分信號的電傳輸特性。

本文將對芯片倒裝封裝中的焊球和封裝基板銅互連線進(jìn)行建模，分析焊球的直徑、節(jié)距以及銅互連的走線方式等因素對差分信號傳輸特性的影響。

2 差分對焊球結(jié)構(gòu)的尺寸、節(jié)距參數(shù)對差分信號傳輸特性的影響

本文主要對焊球的差分電傳輸特性進(jìn)行研究，由于“凸點(diǎn)下金屬化層”或“表面鍍層”厚度較薄，因此這兩個(gè)結(jié)構(gòu)中對電信號傳輸構(gòu)成影響的主要結(jié)構(gòu)為Cu層。本文中建立了如圖2所示的基本差分對焊球模型，模型中間部分則為焊球，其形狀為切去上下部分的理想圓球，本模型中設(shè)定上下部分切除比例均為焊球直徑的10%。焊球材料為現(xiàn)階段主流無鉛焊接工藝中最常用的Sn3.0Ag0.5Cu材料，焊球半徑為D，相鄰焊球間的節(jié)距為L。焊球上下部設(shè)置為正方體焊盤，模型中上下焊盤材料均設(shè)置為Cu，厚度為h，邊長為Lp。

圖2 差分對焊球模型

圖3 理想焊球陣列模型

如圖3所示，本文在圖2所示的基本差分對焊球模型基礎(chǔ)上，針對倒裝封裝中的焊球陣列進(jìn)行理想化建模，“Ball_1”、“Ball_2”設(shè)置為差分對，而周邊標(biāo)注為GND的焊球則設(shè)置為接地回路。本文在剔除“Ball_1”、“Ball_2”的引出線影響的情況下單獨(dú)研究周邊焊球?qū)Σ罘謱盖騻鬏斕匦缘挠绊憽?/p>

如圖3所示，模型中設(shè)定的焊盤邊長與焊球直徑等長，焊球間節(jié)距為焊球直徑的2倍，即：Lp=2D，L=4D。分別設(shè)置焊球的半徑D為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.325 mm、0.40 mm、0.50 mm、0.635 mm，采用全波電磁仿真軟件HFSS對0.1 GHz～30 GHz的頻段進(jìn)行電磁場分析，以研究焊球直徑為0.1 mm、0.2 mm、0.30 mm、0.50 mm、0.65 mm、0.80 mm、1.00 mm、1.27 mm的焊球在傳輸差分信號時(shí)的性能。

圖4中由上至下的曲線分別給出了焊球半徑D為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.325 mm、0.40 mm、0.50 mm、0.635 mm時(shí)的差模信號正向傳輸特性?？梢园l(fā)現(xiàn)在15 GHz以下頻段，在各個(gè)尺寸下差模信號的正向傳輸衰減幅度均隨著頻率的增加而單向增大，且焊球尺寸越大，差模信號正向傳輸衰減幅度越大。

但圖4中可以發(fā)現(xiàn)在15 GHz以上頻段，當(dāng)焊球直徑大于0.65 mm時(shí)差模信號的正向傳輸衰減幅度卻不再隨著頻率增加而單向增大，而是呈多向變化的曲線關(guān)系。

圖4 差模信號正向傳輸衰減幅度

而圖5中由下至上的曲線分別給出了焊球半徑D分別為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.325 mm、0.40 mm、0.50 mm、0.635 mm時(shí)的共模信號的近端串?dāng)_特性，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊球直徑小于0.5 mm時(shí)，共模信號的近端串?dāng)_隨著頻率的增大而單向增大，且共模信號近端串?dāng)_曲線的斜率隨著頻率增加而逐漸減小。

圖5 共模信號近端串?dāng)_幅度

而當(dāng)焊球直徑大于0.65 mm時(shí)，共模信號的近端串?dāng)_在0～5 GHz較低頻段內(nèi)仍隨著頻率增大而增大，且曲線斜率逐漸變小，但是在更高頻段內(nèi)，隨著頻率增大共模信號的近端串?dāng)_卻反向減小至一個(gè)負(fù)極值，在負(fù)極值后共模信號的近端串?dāng)_則隨著頻率增大而急劇增大。

因此可知在本文模型所設(shè)定的條件下，當(dāng)焊球直徑大于0.65 mm時(shí)，在頻率大于負(fù)極值的頻段內(nèi)，由于共模信號的近端串?dāng)_會急劇增大，當(dāng)周邊存在干擾信號時(shí)，差模信號的多次諧波會受到很大的近端共模串?dāng)_影響而無法實(shí)現(xiàn)良好的傳輸，差分信號的傳輸特性會受到很大的影響而惡化。

因此，本文所設(shè)定的倒裝芯片封裝模型中，在焊球節(jié)距為焊球直徑2倍的情況下，現(xiàn)階段常用的直徑為0.1～1.27 mm的焊球中采用越小尺寸的焊球越能在寬頻內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的高速差分信號傳輸特性。

3 差分對銅互連結(jié)構(gòu)對差分信號傳輸特性的影響

封裝基板中實(shí)現(xiàn)差分信號互連時(shí)，理想情況是保持兩條差分互連線近距離平行走線，但實(shí)現(xiàn)時(shí)往往會出現(xiàn)差分對互連線的起始端間距與終止端間距不相等的情況，本文對這種情況進(jìn)行了建模以研究何種走線方式能夠?qū)崿F(xiàn)更好的差分信號傳輸特性。

如圖6所示，對起始于裸片焊盤、通過焊球連接至基板表面后又通過銅互連結(jié)構(gòu)連接至遠(yuǎn)處終止端的三種典型的互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模。

圖6中（a）、（b）、（c）中兩條差分對互連線的寬度均為0.1 mm，厚度均為20 μm，材料為Cu。它們的左側(cè)起始端如圖6（d）、（e）所示，焊球直徑設(shè)定為0.1 mm，焊球間節(jié)距為0.2 mm。右側(cè)終止端則是一個(gè)長度為0.2 mm的普通焊盤，厚度、材質(zhì)均與傳輸線一致，因此文中將其直接認(rèn)作互連線的一部分。

圖6（a）、（b）、（c）中兩條差分對互連線的總長度均為3.2 mm。圖6（a）中終止端焊盤間距與起始端相同，為0.2 mm，圖6（b）、（c）中終止端焊盤間距與起始端不同，走線方式如圖6（b）、（c）所示，在一條互連中采用了蛇形彎曲來實(shí)現(xiàn)與另一條互連的等長度走線。

圖6（a）中互連結(jié)構(gòu)的走線方式為平行式差分對互連線，（b）、（c）則為非平行式差分對互連線，（b）中的差分對走線中起始端與終止端直線距離較短的互連線采用內(nèi)彎的方式實(shí)現(xiàn)等長走線，而（c）中則采取外彎的方式進(jìn)行走線。

本文采用全波電磁仿真軟件HFSS對0.1 GHz～30 GHz頻段內(nèi)的差分信號在（a）、（b）、（c）3種走線方式下的差模信號正向傳輸特性進(jìn)行了分析。

圖6 平行式及內(nèi)外式、外彎式非平行互連結(jié)構(gòu)模型

圖7中由上至下的曲線分別給出了圖6（a）、（b）、（c）所示的平行式走線、內(nèi)彎式非平行走線、外彎式非平行走線3種方式下0.1 GHz～30 GHz頻段內(nèi)差分信號的正向傳輸特性?？梢园l(fā)現(xiàn)平行式走線的正向傳輸衰減幅度最小、性能最優(yōu)，非平行方式中內(nèi)彎式走線優(yōu)于外彎式走線，這是由于內(nèi)彎式走線相較于外彎式走線兩條互連線之間的電磁耦合效應(yīng)更大，更利于差模信號的傳輸。

通過仿真可知在圖6所給出的3種長度為3.2 mm的等長度差分對走線中，10 GHz處內(nèi)彎式非平行走線相較于平行式走線會多衰減0.35 dB，而外彎式非平行走線相較于內(nèi)彎式非平行走線多衰減0.15 dB。20 GHz處內(nèi)彎式非平行走線相較于平行式走線，會多衰減0.74 dB，而外彎式非平行走線相較于內(nèi)彎式非平行走線多衰減0.34 dB。30 GHz處內(nèi)彎式非平行走線相較于平行式走線會多衰減0.52 dB，而外彎式非平行走線相較于內(nèi)彎式非平行走線多衰減0.40 dB。

圖7 不同互連結(jié)構(gòu)下差模信號的正向傳輸特性

因此在芯片倒裝封裝中設(shè)計(jì)差分對互連線時(shí)應(yīng)該盡量采取平行式走線，而當(dāng)起始端和終止端間距不一致無法采取平行式走線而必須采用非平行式走線的情況下，需要對一條互連線進(jìn)行彎曲以實(shí)現(xiàn)差分對等長度走線時(shí)，應(yīng)該盡量采取朝向另一條互連線一側(cè)內(nèi)彎式的走線，這種內(nèi)彎式的走線方式能夠?qū)崿F(xiàn)更好的差分信號傳輸性能。

4 結(jié)論

本文針對芯片倒裝封裝中焊球和銅互連線兩種互連結(jié)構(gòu)對差分信號傳輸特性的影響進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)在芯片倒裝封裝中在本文所設(shè)定的焊球節(jié)距為焊球直徑2倍的情況下，現(xiàn)階段常用的直徑為0.1 mm～1.27 mm的焊球中采用更小尺寸的焊球能夠在更高的頻段和更寬的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的差分信號傳輸特性。而在平面互連線設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對差分信號盡量采取平行式走線的互連方式，在差分信號的起始端間距和終止端間距不等長而必須采用非平行式互連走線方式時(shí)，則應(yīng)該采用內(nèi)彎式走線方式，盡量使差分對的兩條走線相互靠近，增大差模信號間的電磁場耦合度，可以獲得更好的差模信號傳輸特性。

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