DC-55 GHz高性能焊球阵列封装用非垂直互连结构

刘林杰， 郝 跃， 周扬帆， 王 轲， 乔志壮

（1.西安电子科技大学，陕西 西安 710000；2.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050000）

1 引 言

随着通讯系统小型化、轻量化、阵列化及多功能一体化发展趋势，与之相配套的高频、高速、宽带的封装外壳需求迫切。特别是数字系统中，更高的数据速率、更大的集成密度以及更多的输入/输出信号成为主流的发展方向[1-6］。高速信号的传输信道需要低损耗材料[7-9］以及良好的信号完整性设计[10-13］，在超高速串行器（SERializer） /解串器（DESerializer） SerDes 应用中，数据传输速率越来越高，信号通道的带宽越来越宽，对封装结构的带宽要求也越来越高。

球栅阵列（Ball Grid Array， BGA）因体积小、引脚多、信号完整性优异等优点，而成为射频微波和高速IC广泛采用的封装类型。信号通过印制电路板（Printed Circuit Board， PCB）的表层传输线馈送至埋层带线，然后通过PCB板上方的球栅结构传输至陶瓷基板的“类同轴”互连结构，再到水平埋层带线，最后将陶瓷基板中的传输线与芯片连接，完成封装。在信号传输过程中，陶瓷基板与焊球的过渡连接上有一个关键的互连结构，目前主要采用垂直互连结构[14-15］，带宽可达0.5~20 GHz[16］。在进一步的三维封装结构研究中，通过在焊球周围增加接地焊球和大面积金属化，引入补偿电容、屏蔽辐射电磁波，频率可提高至K波段，带宽拓展为DC-35 GHz[17-18］。

在毫米波以上频段，传统的BGA垂直互连结构拐角处存在阻抗突变，特征阻抗不连续，导致信号插入损耗和回波损耗变差，从而影响信号传输。本文基于“类同轴”互连结构，提出一种新型非90°垂直结构，通过陶瓷介电层之间金属化通孔的错位设计，改善垂直过孔与水平传输线转弯处的阻抗突变，通过三维电磁场建模、仿真、样品制作和测试，验证了新型非垂直互连结构能够有效增加带宽，最终设计并实现了DC-55 GHz低损耗互连结构，可满足高速数字和宽带射频电路的应用。

2 非垂直互连结构模型

2.1 互连结构模型建立

典型BGA封装示意图如图1所示。本文采用三维电磁仿真软件High Frequency Structure Simulator（HFSS）建立了“类同轴”互连结构模型，如图1所示。该模型由上、下两相似陶瓷部件构成准背靠背模型，射频信号（图2中带箭头信号线标注）由下陶瓷部件表层共面波导（Coplanar Waveguide， CPW）传输至埋层带线，经下陶瓷“类同轴”结构非垂直转换方式[19-20］将信号通过BGA传输至旋转180°镜像对称的上陶瓷“类同轴”结构中，经上层CPW输出。“类同轴”非垂直互连结构由多层陶瓷的过孔连接形成，每一层陶瓷由射频信号线以及外围的接地屏蔽线构成。

图1 球栅阵列封装结构示意图Fig.1 Framework of ball grid array package

图2 非垂直互连结构准背靠背模型Fig.2 Quasi back-to-back model of non-vertical intercon⁃nection structure

2.2 结构参数设置

图2为互连结构模型，4个关键的结构参数为[21-23］：错位角度ψ、错位阶梯级数n、信号焊球半径r以及信号焊球与屏蔽焊球间距d。

非垂直互连结构是利用每一层陶瓷的信号孔之间错位设计完成的，错位角度ψ分别取90°（垂直互连结构），105°，120°，135°，150°，以研究不同传输角度对信号回波损耗和插入损耗的影响，同时角度也与互连传输结构的体积以及传输路径相关，需要结合工程折中考虑。

非垂直互连结构是基于多层结构传输模型，因此阶梯级数直接影响性能，本文分别仿真了两阶、四阶、六阶梯错位结构。类同轴结构的特征阻抗计算公式为：

式中：r为信号焊球半径，d为信号与屏蔽焊球之间的中心间距，εr为介质的相对介电常数。

仿真中，设置屏蔽与信号焊球之间的中心间距为0.6，0.8，1.0 mm，计算出50 Ω阻抗匹配时相对应的焊球直径分别为0.3，0.4，0.5 mm。

2.3 制作工艺

互连结构均使用介电常数为9.8、损耗角正切值为0.003的90%氧化铝陶瓷，使用高温共烧陶 瓷（High Temperature Co-fired Ceramic， HTCC）技术[24］分体加工而成，BGA球材料为Pb90Sn10，工艺采用回流焊法。基于HTCC技术，陶瓷结构件经流延、落料、冲孔、填孔、印刷、叠片、层压、热切、烧结、镀镍、镀金等步骤制作而成。“类同轴”非垂直互连结构由陶瓷件中金属化过孔与印刷的金属化传输线连接而成。

3 仿真分析

为了改善40 GHz以上信号的传输性能，这里采用错位角度、阶梯阶数、焊球直径和焊球间距4个参数进行优化设计。HFSS仿真结果以S参数形式体现，仿真频率为DC-67 GHz，以验证优化方法的有效性。

3.1 错位角度

如图3（a）所示，错位角度从90°增加到105°时，在40 GHz以下，90°垂直结构具有优势，但频率大于40 GHz时，90°垂直结构的插入损耗急速增加。这是因为射频信号传输通过直角时不连续，产生高次模，从而增加了信号的高频损耗，这也印证了90°垂直结构在宽带高频应用的局限性。当105°≤ψ≤135°，截止频率大于60 GHz。从图3（b）可以看出，90°垂直结构在45 GHz以上性能恶化，ψ=105°，120°在20~40 GHz频段内性能较差，ψ=135°则满足DC-55 GHz频带内回波损耗均大于20 dB。综合考虑尺寸和性能，本文选择135°作为错位角度。

图3 不同错位角度非垂直结构仿真结果Fig.3 Simulation results of non-vertical structures with different misalignment angles

3.2 阶梯级数

图4为不同错位阶梯级数结构的S参数仿真结果。图4（a）为插入损耗仿真曲线，可以看到，随着阶梯级数的增加，在DC-55 GHz频率内插入损耗从1.5 dB降低到0.6 dB。这是因为每一阶阶梯都是由金属化过孔和水平金属化传输线构成的，可以看成LC谐振结构，因此阶梯数的增加相当于串联LC级数的增加，可以有效地改善阻抗的突变，优化高频段的传输性能，达到扩展带宽的目的。图4（b）为回波损耗仿真曲线，可以看出，六级阶梯回波损耗在DC-55 GHz大于18 dB，随着级数的增加，截至频率点在后移，但在工艺中，陶瓷片的层数过多，导致陶瓷件厚度过大，工艺难度增加，综合考虑错位阶梯为6阶。

图4 不同阶梯数非垂直结构仿真结果Fig.4 Simulation results of non-vertical structures with different number of steps

3.3 焊球直径和焊球间距

屏蔽焊球与信号焊球之间的中心间距d为0.6，0.8，1.0 mm时，对应信号焊球直径分别为0.3，0.4，0.5 mm，对3种结构进行仿真，仿真结果见图5。3种结构的截止频率分别为50，60，65 GHz，焊球直径和接地焊球之间的中心间距分别为0.3和0.6 mm时截止频率最高。这也说明随着焊球球径以及焊球之间中心间距的减小，该结构的应用带宽变宽。

图5 不同球径、节距非垂直结构的仿真结果Fig.5 Simulation results of non-vertical structures with different solder ball radii and pitches

3.4 优化结果

基于以上参数分析，最终采用的结构参数如下：错位角度为135°，错位阶数为6阶，焊球直径、接地焊球之间中心间距分别为0.3，0.6 mm，电磁场仿真结果如图6（a）所示。可以看到连接部分的电场分布，阻抗的不连续性得到了改善，由图6（b）可知，准背靠背传输结构应用频段DC-55 GHz，带内回波损耗大于20 dB， 插入损耗小于0.6 dB。

图6 非垂直互连结构的优化结果Fig.6 Optimized result of non-vertical interconnection structure

4 实 验

根据仿真的优化尺寸加工陶瓷结构件，实物如图7（a）所示。该结构外形尺寸为4 mm×6 mm×3 mm，采用矢量网络分析仪配合250 μm的GSG探针对样品进行测试，如图7（b）所示。图7（c）和7（d）分别为上、下瓷件实物图，图8为测试结果。测试结果表明，非垂直互连过渡结构的最高应用频率可达55 GHz，准背靠背过渡结构在DC-55 GHz的插入损耗小于1.5 dB，回波损耗大于15 dB。

图7 非垂直结构准背靠背实物Fig.7 Quasi back-to-back physical map of non-vertical in⁃terconnection structure

图8 非垂直互连结构测试结果Fig.8 Test results of non-vertical interconnection struc⁃ture

为了评估新型非垂直互连结构的传输特性，本文在ADS软件中建立了评估电路，如图9所示。随机信号源产生不同速率的信号，经过互连结构，利用实测的S参数计算分析，末端得到眼图分析结果，通过眼图的数据来判断互连结构的传输性能。

图9 信号传输仿真结构框图Fig.9 Block diagram of signal transmission simulation structure

图10（a）给出了BitRate=56 Gb/s不归零码（Non Return Zero Code， NRZ）的传输眼图， 眼高为89.4%，眼宽为95.48%；增加BitRate至112 Gbps，图10（b）眼图显示眼高为41.1%，眼宽为78.5%。同时评估了脉冲幅度调制PAM4信号，BitRate为112 Gb/s，如图11所示，眼宽为67.9%。

图10 传输眼图Fig.10 Transmission eye diagrams

由图10和图11可见，本文提出的非垂直互连结构在未引入预加重、均衡等常用手段来补偿频域衰减的情况下，信道的原始特性即可满足56 G/112 G NRZ，112 G PAM4高 速 信 号 的传输。

图11 112 Gb/s PAM4信号传输眼图Fig.11 Eye diagrams for the 112 Gb/s PAM4

5 结 论

本文设计并制作了一种宽带高性能非垂直互连结构，该结构的错位角度为135°，阶梯阶数为6阶，焊球直径和接地焊球之间的中心间距分别为0.3 mm和0.6 mm。测试结果表明，在DC-55 GHz频带内该结构的插入损耗小于1.5 dB，回波损耗大于15 dB，在高速数字和宽带射频电路BGA封装中具有显著优势。利用ADS建立评估模型，实测结果表明,该互连结构能够满足56 G/112 G NRZ,112 G PAM4信号的高速传输。