DC-55 GHz高性能焊球陣列封裝用非垂直互連結(jié)構(gòu)

劉林杰， 郝 躍， 周揚帆， 王 軻， 喬志壯

（1.西安電子科技大學，陜西 西安 710000；2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊 050000）

1 引 言

隨著通訊系統(tǒng)小型化、輕量化、陣列化及多功能一體化發(fā)展趨勢，與之相配套的高頻、高速、寬帶的封裝外殼需求迫切。特別是數(shù)字系統(tǒng)中，更高的數(shù)據(jù)速率、更大的集成密度以及更多的輸入/輸出信號成為主流的發(fā)展方向[1-6］。高速信號的傳輸信道需要低損耗材料[7-9］以及良好的信號完整性設(shè)計[10-13］，在超高速串行器（SERializer） /解串器（DESerializer） SerDes 應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高，信號通道的帶寬越來越寬，對封裝結(jié)構(gòu)的帶寬要求也越來越高。

球柵陣列（Ball Grid Array， BGA）因體積小、引腳多、信號完整性優(yōu)異等優(yōu)點，而成為射頻微波和高速IC廣泛采用的封裝類型。信號通過印制電路板（Printed Circuit Board， PCB）的表層傳輸線饋送至埋層帶線，然后通過PCB板上方的球柵結(jié)構(gòu)傳輸至陶瓷基板的“類同軸”互連結(jié)構(gòu)，再到水平埋層帶線，最后將陶瓷基板中的傳輸線與芯片連接，完成封裝。在信號傳輸過程中，陶瓷基板與焊球的過渡連接上有一個關(guān)鍵的互連結(jié)構(gòu)，目前主要采用垂直互連結(jié)構(gòu)[14-15］，帶寬可達0.5~20 GHz[16］。在進一步的三維封裝結(jié)構(gòu)研究中，通過在焊球周圍增加接地焊球和大面積金屬化，引入補償電容、屏蔽輻射電磁波，頻率可提高至K波段，帶寬拓展為DC-35 GHz[17-18］。

在毫米波以上頻段，傳統(tǒng)的BGA垂直互連結(jié)構(gòu)拐角處存在阻抗突變，特征阻抗不連續(xù)，導致信號插入損耗和回波損耗變差，從而影響信號傳輸。本文基于“類同軸”互連結(jié)構(gòu)，提出一種新型非90°垂直結(jié)構(gòu)，通過陶瓷介電層之間金屬化通孔的錯位設(shè)計，改善垂直過孔與水平傳輸線轉(zhuǎn)彎處的阻抗突變，通過三維電磁場建模、仿真、樣品制作和測試，驗證了新型非垂直互連結(jié)構(gòu)能夠有效增加帶寬，最終設(shè)計并實現(xiàn)了DC-55 GHz低損耗互連結(jié)構(gòu)，可滿足高速數(shù)字和寬帶射頻電路的應(yīng)用。

2 非垂直互連結(jié)構(gòu)模型

2.1 互連結(jié)構(gòu)模型建立

典型BGA封裝示意圖如圖1所示。本文采用三維電磁仿真軟件High Frequency Structure Simulator（HFSS）建立了“類同軸”互連結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。該模型由上、下兩相似陶瓷部件構(gòu)成準背靠背模型，射頻信號（圖2中帶箭頭信號線標注）由下陶瓷部件表層共面波導（Coplanar Waveguide， CPW）傳輸至埋層帶線，經(jīng)下陶瓷“類同軸”結(jié)構(gòu)非垂直轉(zhuǎn)換方式[19-20］將信號通過BGA傳輸至旋轉(zhuǎn)180°鏡像對稱的上陶瓷“類同軸”結(jié)構(gòu)中，經(jīng)上層CPW輸出?！邦愅S”非垂直互連結(jié)構(gòu)由多層陶瓷的過孔連接形成，每一層陶瓷由射頻信號線以及外圍的接地屏蔽線構(gòu)成。

圖1 球柵陣列封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Framework of ball grid array package

圖2 非垂直互連結(jié)構(gòu)準背靠背模型Fig.2 Quasi back-to-back model of non-vertical intercon?nection structure

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

圖2為互連結(jié)構(gòu)模型，4個關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為[21-23］：錯位角度ψ、錯位階梯級數(shù)n、信號焊球半徑r以及信號焊球與屏蔽焊球間距d。

非垂直互連結(jié)構(gòu)是利用每一層陶瓷的信號孔之間錯位設(shè)計完成的，錯位角度ψ分別取90°（垂直互連結(jié)構(gòu)），105°，120°，135°，150°，以研究不同傳輸角度對信號回波損耗和插入損耗的影響，同時角度也與互連傳輸結(jié)構(gòu)的體積以及傳輸路徑相關(guān)，需要結(jié)合工程折中考慮。

非垂直互連結(jié)構(gòu)是基于多層結(jié)構(gòu)傳輸模型，因此階梯級數(shù)直接影響性能，本文分別仿真了兩階、四階、六階梯錯位結(jié)構(gòu)。類同軸結(jié)構(gòu)的特征阻抗計算公式為：

式中：r為信號焊球半徑，d為信號與屏蔽焊球之間的中心間距，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

仿真中，設(shè)置屏蔽與信號焊球之間的中心間距為0.6，0.8，1.0 mm，計算出50 Ω阻抗匹配時相對應(yīng)的焊球直徑分別為0.3，0.4，0.5 mm。

2.3 制作工藝

互連結(jié)構(gòu)均使用介電常數(shù)為9.8、損耗角正切值為0.003的90%氧化鋁陶瓷，使用高溫共燒陶 瓷（High Temperature Co-fired Ceramic， HTCC）技術(shù)[24］分體加工而成，BGA球材料為Pb90Sn10，工藝采用回流焊法?；贖TCC技術(shù)，陶瓷結(jié)構(gòu)件經(jīng)流延、落料、沖孔、填孔、印刷、疊片、層壓、熱切、燒結(jié)、鍍鎳、鍍金等步驟制作而成?！邦愅S”非垂直互連結(jié)構(gòu)由陶瓷件中金屬化過孔與印刷的金屬化傳輸線連接而成。

3 仿真分析

為了改善40 GHz以上信號的傳輸性能，這里采用錯位角度、階梯階數(shù)、焊球直徑和焊球間距4個參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。HFSS仿真結(jié)果以S參數(shù)形式體現(xiàn)，仿真頻率為DC-67 GHz，以驗證優(yōu)化方法的有效性。

3.1 錯位角度

如圖3（a）所示，錯位角度從90°增加到105°時，在40 GHz以下，90°垂直結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢，但頻率大于40 GHz時，90°垂直結(jié)構(gòu)的插入損耗急速增加。這是因為射頻信號傳輸通過直角時不連續(xù)，產(chǎn)生高次模，從而增加了信號的高頻損耗，這也印證了90°垂直結(jié)構(gòu)在寬帶高頻應(yīng)用的局限性。當105°≤ψ≤135°，截止頻率大于60 GHz。從圖3（b）可以看出，90°垂直結(jié)構(gòu)在45 GHz以上性能惡化，ψ=105°，120°在20~40 GHz頻段內(nèi)性能較差，ψ=135°則滿足DC-55 GHz頻帶內(nèi)回波損耗均大于20 dB。綜合考慮尺寸和性能，本文選擇135°作為錯位角度。

圖3 不同錯位角度非垂直結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of non-vertical structures with different misalignment angles

3.2 階梯級數(shù)

圖4為不同錯位階梯級數(shù)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)仿真結(jié)果。圖4（a）為插入損耗仿真曲線，可以看到，隨著階梯級數(shù)的增加，在DC-55 GHz頻率內(nèi)插入損耗從1.5 dB降低到0.6 dB。這是因為每一階階梯都是由金屬化過孔和水平金屬化傳輸線構(gòu)成的，可以看成LC諧振結(jié)構(gòu)，因此階梯數(shù)的增加相當于串聯(lián)LC級數(shù)的增加，可以有效地改善阻抗的突變，優(yōu)化高頻段的傳輸性能，達到擴展帶寬的目的。圖4（b）為回波損耗仿真曲線，可以看出，六級階梯回波損耗在DC-55 GHz大于18 dB，隨著級數(shù)的增加，截至頻率點在后移，但在工藝中，陶瓷片的層數(shù)過多，導致陶瓷件厚度過大，工藝難度增加，綜合考慮錯位階梯為6階。

圖4 不同階梯數(shù)非垂直結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of non-vertical structures with different number of steps

3.3 焊球直徑和焊球間距

屏蔽焊球與信號焊球之間的中心間距d為0.6，0.8，1.0 mm時，對應(yīng)信號焊球直徑分別為0.3，0.4，0.5 mm，對3種結(jié)構(gòu)進行仿真，仿真結(jié)果見圖5。3種結(jié)構(gòu)的截止頻率分別為50，60，65 GHz，焊球直徑和接地焊球之間的中心間距分別為0.3和0.6 mm時截止頻率最高。這也說明隨著焊球球徑以及焊球之間中心間距的減小，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用帶寬變寬。

圖5 不同球徑、節(jié)距非垂直結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of non-vertical structures with different solder ball radii and pitches

3.4 優(yōu)化結(jié)果

基于以上參數(shù)分析，最終采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：錯位角度為135°，錯位階數(shù)為6階，焊球直徑、接地焊球之間中心間距分別為0.3，0.6 mm，電磁場仿真結(jié)果如圖6（a）所示?？梢钥吹竭B接部分的電場分布，阻抗的不連續(xù)性得到了改善，由圖6（b）可知，準背靠背傳輸結(jié)構(gòu)應(yīng)用頻段DC-55 GHz，帶內(nèi)回波損耗大于20 dB， 插入損耗小于0.6 dB。

圖6 非垂直互連結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Optimized result of non-vertical interconnection structure

4 實 驗

根據(jù)仿真的優(yōu)化尺寸加工陶瓷結(jié)構(gòu)件，實物如圖7（a）所示。該結(jié)構(gòu)外形尺寸為4 mm×6 mm×3 mm，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀配合250 μm的GSG探針對樣品進行測試，如圖7（b）所示。圖7（c）和7（d）分別為上、下瓷件實物圖，圖8為測試結(jié)果。測試結(jié)果表明，非垂直互連過渡結(jié)構(gòu)的最高應(yīng)用頻率可達55 GHz，準背靠背過渡結(jié)構(gòu)在DC-55 GHz的插入損耗小于1.5 dB，回波損耗大于15 dB。

圖7 非垂直結(jié)構(gòu)準背靠背實物Fig.7 Quasi back-to-back physical map of non-vertical in?terconnection structure

圖8 非垂直互連結(jié)構(gòu)測試結(jié)果Fig.8 Test results of non-vertical interconnection struc?ture

為了評估新型非垂直互連結(jié)構(gòu)的傳輸特性，本文在ADS軟件中建立了評估電路，如圖9所示。隨機信號源產(chǎn)生不同速率的信號，經(jīng)過互連結(jié)構(gòu)，利用實測的S參數(shù)計算分析，末端得到眼圖分析結(jié)果，通過眼圖的數(shù)據(jù)來判斷互連結(jié)構(gòu)的傳輸性能。

圖9 信號傳輸仿真結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Block diagram of signal transmission simulation structure

圖10（a）給出了BitRate=56 Gb/s不歸零碼（Non Return Zero Code， NRZ）的傳輸眼圖， 眼高為89.4%，眼寬為95.48%；增加BitRate至112 Gbps，圖10（b）眼圖顯示眼高為41.1%，眼寬為78.5%。同時評估了脈沖幅度調(diào)制PAM4信號，BitRate為112 Gb/s，如圖11所示，眼寬為67.9%。

圖10 傳輸眼圖Fig.10 Transmission eye diagrams

由圖10和圖11可見，本文提出的非垂直互連結(jié)構(gòu)在未引入預加重、均衡等常用手段來補償頻域衰減的情況下，信道的原始特性即可滿足56 G/112 G NRZ，112 G PAM4高 速 信 號 的傳輸。

圖11 112 Gb/s PAM4信號傳輸眼圖Fig.11 Eye diagrams for the 112 Gb/s PAM4

5 結(jié) 論

本文設(shè)計并制作了一種寬帶高性能非垂直互連結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的錯位角度為135°，階梯階數(shù)為6階，焊球直徑和接地焊球之間的中心間距分別為0.3 mm和0.6 mm。測試結(jié)果表明，在DC-55 GHz頻帶內(nèi)該結(jié)構(gòu)的插入損耗小于1.5 dB，回波損耗大于15 dB，在高速數(shù)字和寬帶射頻電路BGA封裝中具有顯著優(yōu)勢。利用ADS建立評估模型，實測結(jié)果表明,該互連結(jié)構(gòu)能夠滿足56 G/112 G NRZ,112 G PAM4信號的高速傳輸。