DC-55 GHz高性能焊球陣列封裝用非垂直互連結構

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

隨著通訊系統小型化、輕量化、陣列化及多功能一體化發展趨勢，與之相配套的高頻、高速、寬帶的封裝外殼需求迫切。特別是數字系統中，更高的數據速率、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計[10-13］，在超高速串行器（SERializer） /解串器（DESerializer） SerDes 應用中，數據傳輸速率越來越高，信號通道的帶寬越來越寬，對封裝結構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、信號完整性優異等優點，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板上方的球柵結構傳輸至陶瓷基板的“類同軸”互連結構，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鍵的互連結構，目前主要采用垂直互連結構[14-15］，帶寬可達0.5~20 GHz[16］。在進一步的三維封裝結構研究中，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，傳統的BGA垂直互連結構拐角處存在阻抗突變，特征阻抗不連續，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”互連結構，提出一種新型非90°垂直結構，通過陶瓷介電層之間金屬化通孔的錯位設計，改善垂直過孔與水平傳輸線轉彎處的阻抗突變，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構能夠有效增加帶寬，最終設計并實現了DC-55 GHz低損耗互連結構，可滿足高速數字和寬帶射頻電路的應用。

2 非垂直互連結構模型

2.1 互連結構模型建立

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”互連結構模型，如圖1所示。該模型由上、下兩相似陶瓷部件構成準背靠背模型，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，經下陶瓷“類同軸”結構非垂直轉換方式[19-20］將信號通過BGA傳輸至旋轉180°鏡像對稱的上陶瓷“類同軸”結構中，經上層CPW輸出。“類同軸”非垂直互連結構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成。

圖1 球柵陣列封裝結構示意圖Fig.1 Framework of ball grid array package

圖2 非垂直互連結構準背靠背模型Fig.2 Quasi back-to-back model of non-vertical intercon?nection structure

2.2 結構參數設置

圖2為互連結構模型，4個關鍵的結構參數為[21-23］：錯位角度ψ、錯位階梯級數n、信號焊球半徑r以及信號焊球與屏蔽焊球間距d。

非垂直互連結構是利用每一層陶瓷的信號孔之間錯位設計完成的，錯位角度ψ分別取90°（垂直互連結構），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構的體積以及傳輸路徑相關，需要結合工程折中考慮。

非垂直互連結構是基于多層結構傳輸模型，因此階梯級數直接影響性能，本文分別仿真了兩階、四階、六階梯錯位結構。類同軸結構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為介質的相對介電常數。

仿真中，設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阻抗匹配時相對應的焊球直徑分別為0.3，0.4，0.5 mm。

2.3 制作工藝

互連結構均使用介電常數為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[24］分體加工而成，BGA球材料為Pb90Sn10，工藝采用回流焊法。基于HTCC技術，陶瓷結構件經流延、落料、沖孔、填孔、印刷、疊片、層壓、熱切、燒結、鍍鎳、鍍金等步驟制作而成。“類同軸”非垂直互連結構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、焊球直徑和焊球間距4個參數進行優化設計。HFSS仿真結果以S參數形式體現，仿真頻率為DC-67 GHz，以驗證優化方法的有效性。

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°垂直結構具有優勢，但頻率大于40 GHz時，90°垂直結構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，產生高次模，從而增加了信號的高頻損耗，這也印證了90°垂直結構在寬帶高頻應用的局限性。當105°≤ψ≤135°，截止頻率大于60 GHz。從圖3（b）可以看出，90°垂直結構在45 GHz以上性能惡化，ψ=105°，120°在20~40 GHz頻段內性能較差，ψ=135°則滿足DC-55 GHz頻帶內回波損耗均大于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構仿真結果Fig.3 Simulation results of non-vertical structures with different misalignment angles

3.2 階梯級數

圖4為不同錯位階梯級數結構的S參數仿真結果。圖4（a）為插入損耗仿真曲線，可以看到，隨著階梯級數的增加，在DC-55 GHz頻率內插入損耗從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成的，可以看成LC諧振結構，因此階梯數的增加相當于串聯LC級數的增加，可以有效地改善阻抗的突變，優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，隨著級數的增加，截至頻率點在后移，但在工藝中，陶瓷片的層數過多，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 不同階梯數非垂直結構仿真結果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，對應信號焊球直徑分別為0.3，0.4，0.5 mm，對3種結構進行仿真，仿真結果見圖5。3種結構的截止頻率分別為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，該結構的應用帶寬變寬。

圖5 不同球徑、節距非垂直結構的仿真結果Fig.5 Simulation results of non-vertical structures with different solder ball radii and pitches

3.4 優化結果

基于以上參數分析，最終采用的結構參數如下：錯位角度為135°，錯位階數為6階，焊球直徑、接地焊球之間中心間距分別為0.3，0.6 mm，電磁場仿真結果如圖6（a）所示。可以看到連接部分的電場分布，阻抗的不連續性得到了改善，由圖6（b）可知，準背靠背傳輸結構應用頻段DC-55 GHz，帶內回波損耗大于20 dB， 插入損耗小于0.6 dB。

圖6 非垂直互連結構的優化結果Fig.6 Optimized result of non-vertical interconnection structure

4 實 驗

根據仿真的優化尺寸加工陶瓷結構件，實物如圖7（a）所示。該結構外形尺寸為4 mm×6 mm×3 mm，采用矢量網絡分析儀配合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為測試結果。測試結果表明，非垂直互連過渡結構的最高應用頻率可達55 GHz，準背靠背過渡結構在DC-55 GHz的插入損耗小于1.5 dB，回波損耗大于15 dB。

圖7 非垂直結構準背靠背實物Fig.7 Quasi back-to-back physical map of non-vertical in?terconnection structure

圖8 非垂直互連結構測試結果Fig.8 Test results of non-vertical interconnection struc?ture

為了評估新型非垂直互連結構的傳輸特性，本文在ADS軟件中建立了評估電路，如圖9所示。隨機信號源產生不同速率的信號，經過互連結構，利用實測的S參數計算分析，末端得到眼圖分析結果，通過眼圖的數據來判斷互連結構的傳輸性能。

圖9 信號傳輸仿真結構框圖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構在未引入預加重、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 論

本文設計并制作了一種寬帶高性能非垂直互連結構，該結構的錯位角度為135°，階梯階數為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。測試結果表明，在DC-55 GHz頻帶內該結構的插入損耗小于1.5 dB，回波損耗大于15 dB，在高速數字和寬帶射頻電路BGA封裝中具有顯著優勢。利用ADS建立評估模型，實測結果表明,該互連結構能夠滿足56 G/112 G NRZ,112 G PAM4信號的高速傳輸。