陶瓷封裝BGA傳輸結構的信號完整性研究

Study on Signal Integrity of BGA Transmission Structure of Ceramic Package

YAN Junhao SHAO Wenlong YU Ximeng YANG Zhentao DUAN Qiang LIU Linjie (The13th Research Institute ofChina Electronics Technology Group Corporation)

Abstract:According tothepackagingrequirementsofhigh-frequencyandhigh-speedintegratedcircuits，aBGAdifferential signal transmisionstructurebasedonlow-temperatureco-firedceramic (LCC)technologyisproposed，withanalation frequencyrangeofDC\\~40GHz.Theoveralltransmision structure includes anuppersubstrate，alowersubstrate，andsolder ballsmade ofceramic materials.The overal transmission performanceof theBGA diferentialsignal transmissionstructure Wasanalyzed through simulationsoftware.This paper evaluates the performance of transmision structures fromtwo aspects: timedomainandfrequencydomain.Inthetime domain，thesignal integrityofthe transmisionstructure ischaracterized by thescattering parameters tested byavector network analyzerand the eye diagram displayedbyanoscilloscope.Itfocuses on analyzing the impact of transmision loss and crosstalk onthe signal eye diagram of thestructure.In the frequencydomain， the scatering parameters testedbyavectornetwork analyzer areused tocharacterizethequalityofthechanel tansmission signal，andthetestingandsimulationhavegoodconsistencywithintheconsiderationoferorrange.Theresultsoffrequency domaintestsshow thatfromDC to 40GHz ，the return loss of the differential transmission structure isbetter than 15dB，and the insertion lossis better than O.5 dB.

Keywords:BGA transmission structure; signal integrity; eye diagram; ceramic package

0 引言

隨著5G信息技術的快速發展，高頻、高速的數字電路頻譜趨向于微波毫米波頻率范圍，可達幾十 GHz 。此時高頻、高速芯片中傳輸信號的波長可以與封裝結構中的互連線尺寸互相比擬，因而封裝互連線中將出現“傳輸線效應”，引起衰減、反射、振鈴、串擾、時延等問題，微波毫米波封裝技術面臨著高頻、高速、大功率帶來的信號完整性問題[-2]。在上述情況下，BGA（ballgrid array，球柵陣列）傳輸結構的信號完整性成為一個重要的研究課題。基于多層共燒陶瓷的BGA高度集成SIP（systeminpackage，系統級封裝）可以滿足芯片對高頻高速系統級封裝的需求3]，應用較為廣泛。

目前已有很多對應用于高速數字電路和微波毫米波集成電路的寬帶BGA封裝結構的研究，基本上其傳輸帶寬在DC\\~50GHz4。但研究的重點大部分放在傳輸結構的阻抗優化方面，且基于單端的傳輸結構。在測試方面僅僅通過矢量網絡分析儀測試的S參數來評估整個被測試系統的信號傳輸質量，包括反射、損耗、串擾等[5]。盡管S參數被廣泛用來表征無源互連系統的傳輸特性，但是在高速數字電路的信號完整性分析方面確實存在實際的局限性，信號完整性分析需要考慮頻域和時域兩個維度，僅具有互連的頻域行為模型是不足夠的。而受到頻域測試帶寬的限制，測試設備的影響，測試所得到的S參數可能無法滿足其基本特性，即互易性、無源性和因果性。這將導致無法借助于S參數，在電路仿真軟件中構建鏈路仿真。此外，現如今一些關于傳輸結構的信號完整性研究6-8]，主要是基于平面傳輸結構，基于BGA差分傳輸結構的信號完整性研究還很少。綜上，本文主要研究了BGA差分傳輸結構，從時域和頻域兩個方面來評估傳輸結構的性能。

1 仿真分析

了完善而多樣的技術，其中眼圖測量技術是最基本的技術。對于數字信號采用二進制編碼“0”“1”來傳遞信號，“0”和“1”分別通過低電平和高電平來表示。以3個bit為例，不同“0”“1”信號的碼型排列組合可以有000-111共8種組合，在時域上將足夠多的上述序列按某一個基準點對齊，然后疊加其波形后累計顯示，就形成了眼圖，如圖1所示。數字信號的眼圖中包含豐富的信息，能夠評估數字信號的整體品質。由于多次信號的疊加，眼圖的信號線變粗，眼圖線條的粗細直觀的顯示了橫向上時間的抖動和縱向上電壓的噪聲，眼圖兩個相鄰交叉點間的橫軸空白距離稱為眼寬，它反映了傳輸線上信號的穩定時間。上下電壓間的縱軸空白距離稱為眼高，它反映了傳輸線上信號的噪聲容限。所以眼圖曲線越細，眼高越高和眼寬越大，信號的質量也就越好。

首先仿真對比了不同損耗下的眼圖質量，互連線的長度和材料的介電損耗因子的差別都會導致差分BGA傳輸結構的插人損耗變化。圖2是傳輸線長度分別為 8mm 和 16mm 時，差分BGA傳輸結構的插人損耗隨頻率變化曲線。圖3展示了不同插人損耗下的仿真眼圖，其中（a）是 L=8mm 時的仿真眼圖，（b）是 _L=16mm 時的仿真眼圖，兩者的關鍵參數對比如表1所示。可以看出插入損耗主要影響眼圖的眼高，損耗的增大導致眼高值從 473mv 下降到404mv ，可以理解為插入損耗越大，信號電壓波形的幅值就會衰減的越嚴重，表現在眼圖上就是眼目前在測量信號完整性問題方面已經發展出高減小，噪聲增大。而信噪比是眼幅度與高低電平噪聲有效值之和的比值，由此可以推出損耗越大，信噪比將越小，表1中的數值證明了這種變化趨勢，損耗的增大導致信噪比從32.15下降到 19.61 。可以預測當鏈路的損耗太大時，眼圖的眼高將逐漸減小，最終呈現閉合狀態，傳輸通道將無法有效傳輸信號。

其次仿真對比了不同串擾下的眼圖質量。圖4（a），（b）分別展示了GSGSG（地-信號-地-信號-地）和GSSG（地-信號-信號-地）兩種差分傳輸形式的近端串擾和遠端串擾，可以看出，相比于GSSG，以一排接地過孔隔離的GSGSG差分傳輸結構，其近端串擾和遠端串擾都有相應的改善，兩者的差值在5dB左右。

進一步的，將四端口S參數代人到眼圖仿真電路原理圖中，可以對比分析差分傳輸線間的串擾對信號傳輸質量的影響情況。圖5（a）（b）展示了不同差分模型下的仿真眼圖，其中（a）是GSGSG差分傳輸結構的仿真眼圖，（b）是GSSG差分傳輸結構的仿真眼圖。兩者的關鍵參數對比如表2所示。可以看出串擾主要影響眼圖的眼高和抖動，當串擾增大時，眼高值從 .434mv 下降到 408mv ，串擾作為噪聲疊加到傳輸信號上，使得眼圖的上下信號線變粗，最終導致眼高減小。從表2中可以看出，串擾的增大會導致眼圖抖動增大，GSGSG差分傳輸結構的仿真眼圖抖動值為0.83，而GSSG差分傳輸結構的仿真眼圖抖動值為1.83。這是因為差分傳輸線間串擾越大，對傳輸信號的干擾就越大，數字信號在傳輸過程中就越容易產生誤碼，因此對于高精度要求的數字信號，可以采用GSGSG差分傳輸結構來提升系統的穩定性。

2 測試驗證

基于多層共燒陶瓷技術加工所得的基板如圖6所示，圖6（a）是上基板、下基板和BGA焊球焊接組裝在一起的俯視圖，圖6(b是上基板、下基板和BGA焊球焊接組裝在一起的側視圖。整體傳輸結構包括了采用ferro陶瓷材料制作的上基板、下基板以及信號傳輸焊球，上差分傳輸線和下差分傳輸線通過信號傳輸焊球進行連接。上下基板各延伸出1mm 的凸臺結構，差分傳輸線從基板內部延伸到凸臺結構上，凸臺結構上的差分線等效于芯片鍵合所需的鍵合指，也作為與探針臺的探針連接的部位。選取的ferro陶瓷材料，其介電常數 εr=5.9 ，介電損耗因子 tand=0.004 。上基板和下基板均采用多層共燒陶瓷技術，將9層陶瓷片疊加層壓形成，其中每層陶瓷片的厚度 h=0.10mm 。在每層上印刷信號走線以及大面積的接地結構。平面圖形采用金漿料印刷而成。利用沖孔制造信號過孔和相鄰的回流傳輸接地孔結構。垂直信號過孔采用金漿料填充。

隨著信號傳輸速率的不斷提高，為了實現信號完整性，有各種相關參數需要優化，例如，過孔，承接托盤，反焊盤，走線寬度，走線彎折形式，接地大面積的設計等。通過協同優化其參數如過孔孔徑，焊盤反焊盤直徑，走線寬度等可以大限度的減少阻抗不連續和串擾。本文通過電磁仿真軟件，仿真得到各結構的優化尺寸。使用4端口67GHz矢量網絡分析儀進行散射參數的測量，使用具有350μm 間距GSGSG配置的高頻探針與組裝件搭接。結果如圖7所示，在 DC～40GHz 頻段內，BGA差分傳輸結構的回波損耗 S11<-15dB ，插入損耗S21>-0.5dB 。仿真與測試結果具有一致性。

3結語

本文介紹了一種基于多層共燒陶瓷技術的BGA差分信號傳輸結構，應用頻段從D Φ_C～40GHz ，適用于封裝高速高頻芯片，并從頻域和時域兩個方向上分析該結構的傳輸性能。時域上眼圖仿真結果說明了該傳輸結構具有良好的信號完整性。在頻域方面，使用矢量網絡分析儀測試的散射參數來表征通道傳輸信號的質量。測試與仿真具有較好的相符性，從I )C～40GHz ，差分傳輸結構的回波損耗優于15dB，插入損耗優于 0.5dB 。

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