玻璃基RDL傳輸線的特征阻抗與損耗研究*

吳海鴻，任玉龍，徐 健，孫 鵬

（華進半導體封裝先導技術研發(fā)中心有限公司，江蘇無錫 214135）

1 引言

根據(jù)摩爾定律(Moore's Law)，集成電路上的晶體管數(shù)量每隔18個月便會翻一倍[1]。芯片上晶體管的尺寸越來越小，價格也更加便宜。然而，近年來受到光刻工藝和材料物理特性的限制，繼續(xù)縮小晶體管尺寸已經(jīng)困難重重，摩爾定律即將面臨失效。以轉(zhuǎn)接板技術為基礎的IC堆疊技術，即3D集成技術之一，作為未來高密度封裝的主流，被認為是突破摩爾定律和進一步提高芯片性能的重要手段[2]。

目前轉(zhuǎn)接板技術主要分為硅基和玻璃基兩種。硅基轉(zhuǎn)接板的工藝較為成熟，并且硅通孔(TSV)相較玻璃通孔(TGV)在工藝上更容易實現(xiàn)，因此硅基轉(zhuǎn)接板目前應用更為廣泛。然而硅基轉(zhuǎn)接板也存在一些缺陷：①硅材料的介電常數(shù)和損耗因子過大，若使用硅材料作為基板，在高頻情況下會使信號產(chǎn)生較大損耗；②硅為半導體材料通常還存在摻雜，需要在硅襯底上生長一層SiO2作為絕緣層，這增加了加工成本。這時玻璃基轉(zhuǎn)接板所具有的優(yōu)勢更加明顯，也為人們提供了另一種選擇。首先，玻璃是一種絕緣材料，沒有可自由移動的電荷，介電性能優(yōu)良。玻璃材料的損耗因子很小，即使在高頻情況下，信號也不會有較大損耗。玻璃和硅芯片的熱膨脹系數(shù)(CTE)很接近，兩者間的失配很小[3]。因此，可以預見，未來玻璃基轉(zhuǎn)接板將會占有重要地位，特別是在高頻高速場合下的應用。

我們知道，在高頻情況下，傳輸線的特征阻抗連續(xù)性會對信號質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。對于產(chǎn)品中的關鍵信號要求對其特征阻抗進行管控，例如單端信號為50 Ω，差分信號為100 Ω。目前有關玻璃基轉(zhuǎn)接板電學性能的研究較少，特別是對其RDL布線特征阻抗的研究更少?；诖?，本論文主要對玻璃基轉(zhuǎn)接板上RDL布線的特征阻抗進行研究，分析了布線間距和信號傳輸線寬度、參考地寬度等因素對其特征阻抗的影響情況，并對玻璃基RDL布線的高頻損耗進行了測試及研究。

2 玻璃基RDL的制備

通過化鍍在500 μm厚、12英寸玻璃晶圓的一面上生長Ti/Cu種子層。然后，在種子層上涂布光阻層，經(jīng)過曝光顯影，在光阻層特定區(qū)域進行開窗，露出種子層。接下來，通過電鍍在露出的種子層上生長RDL銅層，銅層厚度5 μm。去除光阻層和多余種子層。接著，在玻璃晶圓上涂布PI膠層，PI層厚度8 μm。在PI層上的特定區(qū)域進行曝光顯影，露出RDL層。最后，在露出的RDL層上化鍍生長鎳/金層，厚度3μm/0.05μm。工藝流程如圖1所示。材料厚度和電學參數(shù)如表1所示。最終完成的玻璃晶圓如圖2所示。晶圓上有用于研究的各種尺寸RDL布線，其中的幾種RDL布線樣式如圖3所示。

圖1 玻璃基RDL工藝流程

圖2 玻璃晶圓

圖3 RDL布線

表1 材料厚度及電學參數(shù)

3 傳輸線的特征阻抗

特征阻抗是傳輸線的一個重要參數(shù)，其物理意義是指信號傳輸時所受到的“阻力”大小，數(shù)值上為入射波或者反射波的電壓與電流之比。特征阻抗的公式如下[4]：

其中，Z0為傳輸線特征阻抗；RL為單位長度串聯(lián)電阻；LL為單位長度串聯(lián)電感；GL為單位長度并聯(lián)電導；CL為單位長度電容。

對于低損耗傳輸線，例如玻璃基RDL布線這類的傳輸線，式(1)可以簡化近似為：

對于差分對，其特征阻抗用差分阻抗Zdiff表示。

4 玻璃基RDL的共面波導結構

在介質(zhì)基底的一面設置中心導體，并在中心導體相鄰的兩側(cè)布有導體平面，這便構成了共面波導的結構。其中中心導體作為信號路徑，兩側(cè)的導體平面作為返回路徑或者稱為參考地。共面波導結構是RDL傳輸線的常見結構。為研究玻璃基RDL布線的電學特性，我們從信號傳輸線（以下簡稱信號線）寬度、布線間距（指信號線與參考地間距）、參考地寬度、金屬表面粗糙度等因素來考察對其特征阻抗的影響情況；建立了GSG（地-信號-地）和GSSG（地-信號-信號-地）結構，分別代表單端和差分信號的共面波導結構，如圖4所示。圖5為實測現(xiàn)場照片，在探針臺上進行測量，使用測量儀器為Tektronix DSA8200和Agilent N5244A，分別進行TDR和S參數(shù)測量。TDR(Time-Domain Reflectometry)即時域反射技術，是一種測量傳輸線特征阻抗的方法。S參數(shù)即散射參數(shù)，它可以反映各個頻點上信號的損耗情況、相位、延遲等信息。

我們也進行了仿真驗證，使用Ansoft HFSS 14.0建立三維全波模型，利用wave port作為激勵端口。建好的玻璃基RDL傳輸線的仿真模型如圖6所示。

圖4 單端和差分信號的共面波導結構

圖5 實測照片

圖6 玻璃基RDL仿真模型

5 仿真與實測的對比與分析

5.1 玻璃基RDL傳輸線的TDR仿真與測試

本文主要研究RDL共面波導結構在尺寸上的變化對單端以及差分信號特征阻抗的影響情況?？紤]的影響因素包括布線間距、信號線寬度、參考地寬度以及金屬表面粗糙度。TDR仿真及測試的傳輸線線長都設置為11 mm。

5.1.1 布線間距變化對特征阻抗的影響

首先研究布線間距變化的影響。間距的變化范圍如表2和表3所示。此時其他尺寸（如信號線寬度、參考地寬度、粗糙度）為定值，且差分對內(nèi)間距固定為125 μm（下文不再另作說明）。TDR實測與仿真的結果如圖7和表4所示。結果顯示，隨著間距的增加，RDL布線特征阻抗增大。單端布線間距為42 μm時，特征阻抗接近50 Ω；而差分布線間距為85 μm時，特征阻抗接近100 Ω。我們注意到TDR曲線的頭尾處波形震蕩較嚴重，這是因為在RDL布線的頭尾處是一圓形Pad，它與RDL布線主干上的阻抗不一致，引起了信號反射。因此，應該讀取TDR曲線中心附近的值，該處波形穩(wěn)定，能準確反映RDL布線的實際特征阻抗值。利用公式(2)進行分析，間距拉大，CL減小，LL增加，因此Z0增大。

表2 不同布線間距的單端RDL傳輸線尺寸

表3 不同布線間距的差分RDL傳輸線尺寸

5.1.2 信號線寬度對特征阻抗的影響

其次，研究信號線寬度對特征阻抗的影響。信號線寬度的變化如表5和表6所示。仿真和實測的結果如圖8和表7所示?？梢钥吹诫S著信號線寬度的增加，單端和差分的特征阻抗減小。仿真和實測的趨勢一致，結果也比較接近。根據(jù)公式(2)，信號線寬度增加，CL增加，LL減小，因此Z0減小。

5.1.3 參考地寬度對特征阻抗的影響

再次，研究參考地寬度對特征阻抗的影響。參考地寬度的變化如表8和表9所示。仿真和實測的結果如圖9和表10所示?？梢钥吹?，單端布線的特征阻抗隨著參考地寬度的增大而減小，在寬度大于150 μm后趨于不變。而對于差分布線，其特征阻抗隨著參考地寬度的增加，變化較小。究其原因，對于差分對而言，因為是緊耦合，兩根差分布線互為返回路徑，其中一根差分布線的返回電流一部分從另一根差分布線流過，其余的從參考地流過。另一方面，高頻情況下，由于鄰近效應，參考地中的返回電流集中分布在靠近信號線的一側(cè)，離信號線越遠，返回電流越少，對信號的影響也越小。

圖7 不同布線間距下單端和差分布線的TDR曲線

表4 不同布線間距下的特征阻抗

表5 不同信號線寬度的單端RDL傳輸線尺寸

表6 不同信號線寬度的差分RDL傳輸線尺寸

圖8 不同信號線寬度下單端和差分布線的TDR曲線

表7 不同信號線寬度下的特征阻抗

表8 不同參考地寬度的單端RDL傳輸線尺寸

表9 不同參考地寬度的差分RDL傳輸線尺寸

圖9 不同參考地寬度下單端和差分布線的TDR曲線

表10 不同參考地寬度下的特征阻抗

5.1.4 金屬表面粗糙度對特征阻抗的影響

最后，研究RDL的金屬表面粗糙度對特征阻抗的影響。所謂表面粗糙度是指材料表面微小峰谷的高低程度和間距情況，粗糙度越小則材料表面越光滑[5]。在制作玻璃基RDL銅線時，通過控制電鍍時的電流密度大小可以得到不同粗糙度的RDL銅線。圖10分別為電流密度1 ASD和8 ASD的電鍍條件下制作出的RDL銅線實物圖，ASD為電流密度單位，ASD=A/dm2。通過顯微鏡觀察，可以看出8 ASD電鍍條件比1 ASD電鍍條件制備的RDL銅線的表面粗糙度更大。利用白光干涉儀，我們可以得到較為精確的粗糙度值，圖11分別是使用該儀器觀察到的1 ASD和8 ASD電鍍條件下銅線表面的三維輪廓圖，并測得1 ASD電鍍條件下銅線表面粗糙度(Rq)為0.035 μm，8 ASD電鍍條件下銅線表面粗糙度 (Rq)為0.122 μm。兩種粗糙度的RDL傳輸線尺寸如表11和表12所示。仿真和實測的結果如圖12和表13所示。從結果可以看出，粗糙度的變化對特征阻抗的影響較小。不同粗糙度下，單端或差分布線的仿真TDR曲線幾乎重疊在一起，而單端或差分布線的實測TDR曲線差異也不大。

表11 不同粗糙度的單端RDL傳輸線尺寸

表12 不同粗糙度的差分RDL傳輸線尺寸

圖10 不同電鍍條件下制作的RDL銅線

圖11 不同電鍍條件下銅線的表面樣貌

圖12 不同粗糙度下單端和差分布線的TDR曲線

表13 不同粗糙度下的特征阻抗

5.2 玻璃基RDL傳輸線插入損耗的仿真與測試

插入損耗是指信號在傳輸線內(nèi)傳輸時，輸出端能量與輸入能量的比值的平方根。插入損耗一般用S參數(shù)的S21表示[6]。插入損耗的幅值越大則說明信號越是無損地傳輸。這里我們選擇的玻璃基單端RDL傳輸線尺寸如表14所示。根據(jù)之前的TDR實測數(shù)據(jù)，可知其特征阻抗約為51.7 Ω。設置布線長度分別是1 mm、5 mm和11 mm。圖13是插入損耗的實測與仿真結果，掃頻范圍是10 MHz～40 GHz。從結果可以看出隨著布線長度的增加，插入損耗降低，仿真和實測結果較接近。在40 GHz時，1 mm線長傳輸線的插入損耗約為-0.2 dB。

表14 玻璃基單端RDL傳輸線尺寸

圖13 不同線長玻璃基RDL傳輸線的插入損耗

圖14 硅基和玻璃基RDL布線插入損耗的實測對比

為了對比，我們選擇尺寸相同（具體尺寸如表14所示）、線長都為1 mm、襯底分別為硅基（摻雜硅）和玻璃基的RDL單端布線，同樣進行插入損耗的測試，結果如圖14所示，可以看出硅基RDL傳輸線的插入損耗遠小于玻璃基RDL傳輸線，在40 GHz時插入損耗達到了約-35 dB。

6 總結

本論文通過研究玻璃基RDL傳輸線的不同布線間距、信號線寬度、參考地寬度和表面粗糙度的變化對其特征阻抗的影響情況，為設計阻抗可控的玻璃基RDL傳輸線提供了參考；同時通過測試對比了相同尺寸下硅基和玻璃基RDL傳輸線在插入損耗上的差異，結果發(fā)現(xiàn)玻璃基RDL傳輸線在高頻下信號損耗小得多，因此更適合高頻高速場合下的應用。