芯片倒装封装中焊球及铜互连对高速差分信号传输特性影响的仿真研究*

孟 真，张兴成，刘 谋，唐 璇，阎跃鹏

（中国科学院微电子研究所，北京 100029）

1 引言

随着半导体集成电路技术的飞速发展，集成度越来越高，芯片上的输入输出（I/O）端子数急速增长，引线键合（WB）技术和载带自动焊（TAB）技术已不能满足高集成度半导体发展需求。倒装焊互连技术是将芯片的有源区面对基板，在芯片的有源区面上直接制作凸焊点阵列作为I/O端子并以倒扣的方式焊接于基板上，从而实现芯片与基板间的互连。倒装焊技术使封装内的互连长度大大缩短从而大幅减小信号延迟，可以在相同面积下布置更多的I/O端子，同时还可使焊点节距增大，更能适应半导体高集成化的发展需求[1～3]。

而随着信息技术的高速发展，数据的处理能力和传输速率不断提高，CPU、内存以及各种数据传输总线的运行频率都在不断提高。如以Intel i7-4790K和AMDFX-9590等CPU为代表的数字电路时钟频率已经接近5 GHz，而高速串行总线SATA Revision 3.0、PCI-E 3.0单通道数据传输速率可达6 Gb/s、8 Gb/s。与模拟信号不同，数字信号的波形非正弦波而是矩形波或类矩形波，因此数字信号为了达到良好的传输特性需要保证其多次谐波也具有较好的传输性。因此高速数字电路中要求互连结构在0～30 GHz甚至更大带宽内均需具有良好的传输性能。

随着数字电路运行频率的提高，为了实现更好的信号传输性能，差分信号已经取代单端信号成为数字电路中最通用的高速信号传输方式。因此差分对焊球和差分对铜互连结构将会是倒装芯片封装技术中一种不可避免的互连结构[4～5]。而现有针对芯片封装中高速互连结构电传输特性的研究一般仅局限于单端信号，对差分信号的研究近乎空缺。本文即针对芯片倒装封装中高速差分信号在焊球和封装基板铜互连这两种典型互连结构中的传输特性进行分析研究。

如图1所示，芯片倒装封装在芯片侧，与钎料直接接触并参与化学反应的区域称之为凸点下金属化层（Under-Bump Metallization，UBM），倒装芯片通过凸焊点与UBM发生化学反应实现电、热互连。在基板侧，作为焊盘基本金属的Cu表面常覆盖一层镀层或保护膜防止在回流焊组装前Cu焊盘被氧化[6～7]。焊球则用于连接上部芯片裸片的焊盘与下部封装基板焊盘，其主要材料为有铅焊料如Sn63Pb37或者无铅焊料如Sn3.0Ag0.5Cu等[8～9]。常用的倒装芯片封装的焊球直径有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，焊球节距一般随着焊球尺寸减小而相应缩小。

图1 芯片倒装封装中的焊球、铜互连结构示意图

由于高频差分信号在两条互连线上传输时会存在电磁耦合效应，因此不同的焊球尺寸和节距会对差分信号的电传输特性产生影响。差分信号传输时为了实现更好的差模传输特性并减小共模干扰的影响，要求传输时两条互连线必须是等长度的。理想的实现方式是在设计差分对互连线时保持近距离、平行、等长度走线。

但是在倒装芯片封装中差分信号的起始端两个端点的间距与终止端两个端点的间距时常是不同的，并且由于焊球密度较大导致走线空间紧缺。因此在设计差分信号互连线时常常会出现无法采用平行等长度互连线的情况。而非平行式互连方式由于走线不同位置间距离等因素的差异会导致差分对互连线在不同位置的电磁耦合效应出现差异，因此会影响差分信号的电传输特性。

本文将对芯片倒装封装中的焊球和封装基板铜互连线进行建模，分析焊球的直径、节距以及铜互连的走线方式等因素对差分信号传输特性的影响。

2 差分对焊球结构的尺寸、节距参数对差分信号传输特性的影响

本文主要对焊球的差分电传输特性进行研究，由于“凸点下金属化层”或“表面镀层”厚度较薄，因此这两个结构中对电信号传输构成影响的主要结构为Cu层。本文中建立了如图2所示的基本差分对焊球模型，模型中间部分则为焊球，其形状为切去上下部分的理想圆球，本模型中设定上下部分切除比例均为焊球直径的10%。焊球材料为现阶段主流无铅焊接工艺中最常用的Sn3.0Ag0.5Cu材料，焊球半径为D，相邻焊球间的节距为L。焊球上下部设置为正方体焊盘，模型中上下焊盘材料均设置为Cu，厚度为h，边长为Lp。

图2 差分对焊球模型

图3 理想焊球阵列模型

如图3所示，本文在图2所示的基本差分对焊球模型基础上，针对倒装封装中的焊球阵列进行理想化建模，“Ball_1”、“Ball_2”设置为差分对，而周边标注为GND的焊球则设置为接地回路。本文在剔除“Ball_1”、“Ball_2”的引出线影响的情况下单独研究周边焊球对差分对焊球传输特性的影响。

如图3所示，模型中设定的焊盘边长与焊球直径等长，焊球间节距为焊球直径的2倍，即：Lp=2D，L=4D。分别设置焊球的半径D为0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.325 mm、0.40 mm、0.50 mm、0.635 mm，采用全波电磁仿真软件HFSS对0.1 GHz～30 GHz的频段进行电磁场分析，以研究焊球直径为0.1 mm、0.2 mm、0.30 mm、0.50 mm、0.65 mm、0.80 mm、1.00 mm、1.27 mm的焊球在传输差分信号时的性能。

图4中由上至下的曲线分别给出了焊球半径D为0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.325 mm、0.40 mm、0.50 mm、0.635 mm时的差模信号正向传输特性。可以发现在15 GHz以下频段，在各个尺寸下差模信号的正向传输衰减幅度均随着频率的增加而单向增大，且焊球尺寸越大，差模信号正向传输衰减幅度越大。

但图4中可以发现在15 GHz以上频段，当焊球直径大于0.65 mm时差模信号的正向传输衰减幅度却不再随着频率增加而单向增大，而是呈多向变化的曲线关系。

图4 差模信号正向传输衰减幅度

而图5中由下至上的曲线分别给出了焊球半径D分别为0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm、0.25 mm、0.325 mm、0.40 mm、0.50 mm、0.635 mm时的共模信号的近端串扰特性，可以发现当焊球直径小于0.5 mm时，共模信号的近端串扰随着频率的增大而单向增大，且共模信号近端串扰曲线的斜率随着频率增加而逐渐减小。

图5 共模信号近端串扰幅度

而当焊球直径大于0.65 mm时，共模信号的近端串扰在0～5 GHz较低频段内仍随着频率增大而增大，且曲线斜率逐渐变小，但是在更高频段内，随着频率增大共模信号的近端串扰却反向减小至一个负极值，在负极值后共模信号的近端串扰则随着频率增大而急剧增大。

因此可知在本文模型所设定的条件下，当焊球直径大于0.65 mm时，在频率大于负极值的频段内，由于共模信号的近端串扰会急剧增大，当周边存在干扰信号时，差模信号的多次谐波会受到很大的近端共模串扰影响而无法实现良好的传输，差分信号的传输特性会受到很大的影响而恶化。

因此，本文所设定的倒装芯片封装模型中，在焊球节距为焊球直径2倍的情况下，现阶段常用的直径为0.1～1.27 mm的焊球中采用越小尺寸的焊球越能在宽频内实现更好的高速差分信号传输特性。

3 差分对铜互连结构对差分信号传输特性的影响

封装基板中实现差分信号互连时，理想情况是保持两条差分互连线近距离平行走线，但实现时往往会出现差分对互连线的起始端间距与终止端间距不相等的情况，本文对这种情况进行了建模以研究何种走线方式能够实现更好的差分信号传输特性。

如图6所示，对起始于裸片焊盘、通过焊球连接至基板表面后又通过铜互连结构连接至远处终止端的三种典型的互连结构进行了建模。

图6中（a）、（b）、（c）中两条差分对互连线的宽度均为0.1 mm，厚度均为20 μm，材料为Cu。它们的左侧起始端如图6（d）、（e）所示，焊球直径设定为0.1 mm，焊球间节距为0.2 mm。右侧终止端则是一个长度为0.2 mm的普通焊盘，厚度、材质均与传输线一致，因此文中将其直接认作互连线的一部分。

图6（a）、（b）、（c）中两条差分对互连线的总长度均为3.2 mm。图6（a）中终止端焊盘间距与起始端相同，为0.2 mm，图6（b）、（c）中终止端焊盘间距与起始端不同，走线方式如图6（b）、（c）所示，在一条互连中采用了蛇形弯曲来实现与另一条互连的等长度走线。

图6（a）中互连结构的走线方式为平行式差分对互连线，（b）、（c）则为非平行式差分对互连线，（b）中的差分对走线中起始端与终止端直线距离较短的互连线采用内弯的方式实现等长走线，而（c）中则采取外弯的方式进行走线。

本文采用全波电磁仿真软件HFSS对0.1 GHz～30 GHz频段内的差分信号在（a）、（b）、（c）3种走线方式下的差模信号正向传输特性进行了分析。

图6 平行式及内外式、外弯式非平行互连结构模型

图7中由上至下的曲线分别给出了图6（a）、（b）、（c）所示的平行式走线、内弯式非平行走线、外弯式非平行走线3种方式下0.1 GHz～30 GHz频段内差分信号的正向传输特性。可以发现平行式走线的正向传输衰减幅度最小、性能最优，非平行方式中内弯式走线优于外弯式走线，这是由于内弯式走线相较于外弯式走线两条互连线之间的电磁耦合效应更大，更利于差模信号的传输。

通过仿真可知在图6所给出的3种长度为3.2 mm的等长度差分对走线中，10 GHz处内弯式非平行走线相较于平行式走线会多衰减0.35 dB，而外弯式非平行走线相较于内弯式非平行走线多衰减0.15 dB。20 GHz处内弯式非平行走线相较于平行式走线，会多衰减0.74 dB，而外弯式非平行走线相较于内弯式非平行走线多衰减0.34 dB。30 GHz处内弯式非平行走线相较于平行式走线会多衰减0.52 dB，而外弯式非平行走线相较于内弯式非平行走线多衰减0.40 dB。

图7 不同互连结构下差模信号的正向传输特性

因此在芯片倒装封装中设计差分对互连线时应该尽量采取平行式走线，而当起始端和终止端间距不一致无法采取平行式走线而必须采用非平行式走线的情况下，需要对一条互连线进行弯曲以实现差分对等长度走线时，应该尽量采取朝向另一条互连线一侧内弯式的走线，这种内弯式的走线方式能够实现更好的差分信号传输性能。

4 结论

本文针对芯片倒装封装中焊球和铜互连线两种互连结构对差分信号传输特性的影响进行了研究。研究发现在芯片倒装封装中在本文所设定的焊球节距为焊球直径2倍的情况下，现阶段常用的直径为0.1 mm～1.27 mm的焊球中采用更小尺寸的焊球能够在更高的频段和更宽的带宽内实现更好的差分信号传输特性。而在平面互连线设计中，应该对差分信号尽量采取平行式走线的互连方式，在差分信号的起始端间距和终止端间距不等长而必须采用非平行式互连走线方式时，则应该采用内弯式走线方式，尽量使差分对的两条走线相互靠近，增大差模信号间的电磁场耦合度，可以获得更好的差模信号传输特性。

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