一種新型柱形POP堆疊封裝的信號完整性研究

邢志強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安，710068）

一種新型柱形POP堆疊封裝的信號完整性研究

邢志強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安，710068）

多層Package-on-Package（POP）堆疊封裝技術(shù)因具有良好的靈活性與擴(kuò)展性，廣泛應(yīng)用于數(shù)字電子產(chǎn)品的制造中。同時，信號在3D集成封裝中的速度不斷提高，要求封裝互連結(jié)構(gòu)具有良好的信號完整性。本文基于一種新型柱形POP封裝結(jié)構(gòu)，通過仿真分析工具建立等效模型，分析相鄰兩層芯片間信號傳輸過程中噪聲干擾對信號的影響以及提高信號質(zhì)量的方法。對比在不同高度和半徑情況下，柱形POP堆疊結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)POP堆疊結(jié)構(gòu)上的信號傳輸質(zhì)量，證明前者在信號完整性方面的優(yōu)越性。

堆疊；POP封裝；信號完整性

0 引言

作為典型的3D堆疊封裝，POP封裝目前是一種十分具有發(fā)展前景的封裝形式。隨著堆疊工藝水平的發(fā)展，一些新型的POP堆疊封裝形式被提出，例如節(jié)能型POP封裝[1]和穿宿孔(TMV) POP封裝[2]。在當(dāng)前電子產(chǎn)品向高速度方向發(fā)展的趨勢下，新的POP封裝要得到廣泛應(yīng)用，必須驗(yàn)證其在信號傳輸方面的性能，從而確定其應(yīng)用場合與范圍。因而新型POP封裝的信號完整性問題值得特別關(guān)注[3]。

傳統(tǒng)的POP堆疊封裝是將多層BGA封裝形式的器件在垂直方向上進(jìn)行堆疊，各層器件通過焊球來進(jìn)行連接后形成[4]。本文所研究的是一種新型柱形POP封裝結(jié)構(gòu)。不同于傳統(tǒng)的POP封裝，其各層器件之間通過銅柱相連，其封裝形式如圖1所示[5]。相比于傳統(tǒng)的POP封裝，柱形POP封裝在穩(wěn)定性與抑制塌陷與翹曲方面具有明顯優(yōu)勢。而本文將分析其信號傳輸質(zhì)量的性能，研究其在信號完整性方面的優(yōu)越性。

圖1 新型柱形POP堆疊封裝結(jié)構(gòu)

本文將通過電磁仿真軟件Ansoft HFSS建立POP封裝等效模型，研究引線鍵合線在上下兩層芯片間傳輸問題。此次研究通過對比，主要分析信號線在噪聲干擾源下以及不同長度和半徑的銅柱和焊球情況下，其插入損耗（IL）情況。同時，分析在不同的信號返回路徑情況下，其回波損耗（RL）情況。

1 信號傳輸模型

POP封裝內(nèi)各層芯片的輸出都是通過引線鍵合連接到基板上的，再在基板通過走線分配到各個管腳輸出，因而可以將引線等效為嵌入板中的微帶線來建立等效模型。本文對柱形POP封裝中兩層間微帶線傳輸建立如圖2所示等效模型。

圖2 柱形POP封裝微帶線傳輸模型

此結(jié)構(gòu)包括Board1、Ground1、Air、Ground2和Board五層結(jié)構(gòu)。微帶線Trace1在上層板Board1介質(zhì)中進(jìn)行傳輸，通過Gnd1層過孔連接在焊盤上，Air層的銅柱連接上下兩層焊盤后將信號傳輸?shù)紹oard2層中的微帶線Trace2。信號傳輸過程中會經(jīng)過介質(zhì)突變，并受到外部噪聲干擾。在此情況下，應(yīng)用電磁仿真軟件Ansoft HFSS建立如圖3所示3D的模型，其中Board1和Board2材料為常見的FR4介質(zhì)，微帶線與地層均采用理想導(dǎo)體介質(zhì)，H和R分別代表空氣層的高度以及銅柱和焊錫球的直徑。

圖3 柱形POP封裝HFSS模型

傳統(tǒng)POP封裝使用凸點(diǎn)連接技術(shù)，基于焊錫球?qū)崿F(xiàn)上下兩層相連，如圖4所示，其中焊錫球的半徑和高度都對微帶線的傳輸特性有較大影響。作為比較，建立了傳統(tǒng)POP封裝的HFSS 3D的模型，如圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)POP封裝微帶線傳輸模型

圖5 傳統(tǒng)POP封裝HFSS模型

2 仿真與分析

POP封裝中的集成電路內(nèi)存在許多的開關(guān)管，開關(guān)管的同時通斷會產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)的SSN噪聲，需要在有噪聲的情況下分析插入損耗特性。同時，在無噪聲的情況下分析不同R和H時的插入損耗。在有返回路徑的情況下，分析模型的回波損耗特性。按照慣用方式,插入損耗與回波損耗分別用S21與S11參數(shù)來表征。

2.1 噪聲下的信號傳輸性能

HFSS模型中在Board1中放置一個集總端口激勵用來代表封裝內(nèi)產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲。在H=0.5mm，R=0.5mm的情況下，分別仿真柱形POP模型與傳統(tǒng)POP模型端口1與端口3之間的插入損耗，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 Port1與Port3之間的插入損耗(IL)

由圖可知，兩種模型的傳輸信號分別會在1.8GHz與2.3GHz處發(fā)生諧振，信號質(zhì)量急劇下降。除諧振點(diǎn)之外，柱形POP封裝相比傳統(tǒng)POP封裝，具有更好的信號傳輸質(zhì)量，容納噪聲能力更強(qiáng)，如圖中虛線所示。

2.2 不同H與R下信號傳輸性能

在無噪聲情況下，按照表1所示尺寸，分別在不同H與不同R情況下進(jìn)行仿真。

表 I 兩個模型的尺寸

在H不變，R變化時，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 Port1與Port2之間在不同R的插入損耗(IL)

在R不變，H變化時，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 Port1與Port2之間在不同H的插入損耗(IL)

由仿真結(jié)果可知，傳輸信號在7.3GHz左右發(fā)生諧振，信號質(zhì)量下降。相比傳統(tǒng)POP封裝，柱形POP封裝在各個尺寸下諧振量均較小，衰減量均較少，信號傳輸質(zhì)量更好。

2.3 不同返回路徑情況下的信號傳輸性能

通過在地平面間添加過孔，可為信號線提供返回路徑，從而提高信號質(zhì)量。在一個過孔與兩個過孔的情況下，分別仿真柱形POP模型與傳統(tǒng)POP模型端口1與端口2之間的插入損耗，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 Port1與Port2之間的回波損耗(RL)

3 結(jié)論

本文通過建立新型柱形POP封裝的HFSS等效模型，從層間信號傳輸質(zhì)量的角度，分析了噪聲源、銅柱尺寸以及不同返回路徑對封裝信號完整性的影響。通過與傳統(tǒng)POP封裝模型的對比，得知在有噪聲源，不同尺寸以及不同返回路徑的情況下，柱形POP封裝內(nèi)的信號傳輸均具有較好的傳輸質(zhì)量。研究結(jié)果為新型柱形POP封裝的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

[1]Jinseong Kim, Kiwook Lee, Dongjoo Park, Taekyung Hwang, Kwangho Kim, Daebyoung Kang, Jaedong Kim, Choonheung Lee, Christopher Scanlan, CJ Berry, Curtis Zwenger, Lee Smith, Moody Dreiza, Robert Darveaux,“Application of Through Mold Via (TMV) as PoP Base Package”, Proceeding of 58th ECTC, 2008, pp.1089-1092.

[2]P. Sun, V. Leung, D. Yang, D. Shi, “Development of a Novel Cost-Effective Package-on-Package (PoP) Solution”, ICEPT-HDP, 2009, p46.

[3]Paolo Pulici, Gian Vanalli, Michele Dellutri. “Signal Integrity Flow for System-in-Package and Package-on-Package Devices”, Proceedings of the IEEE, Vol. 97, No. 1, Jan. 2009, pp.84-95.

[4]RongHua Hong and Jun Wang: 11th International Conference on Electronic Packaging Technology& High Density, Xi’an, China. 2010, p. 764.

[5]Shi Lingfeng, Xiao Yuanming, Zhang Ke, Jia Jun, Liu Chen, Lai Xinquan, “A Novel Four Layers Package on Package Stacking Technique”, Advanced Packaging Materials (APM) 2011 International Symposium, pp. 399 - 402.

Study of Signal Integrity for A Novel Stacked Cylindrical PoP

Xing Zhiqiang
(No.20th Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation,Xi`an Shaanxi,710068)

The multilayer Package-on-Package (POP) stacking technique is widely applied in the area of portable electronics, which has better flexibility and expansibility. Meanwhile, the signal speed in 3D integration packages increases continuously, which requires package interconnect structure to have good signal integrity. In this paper, based on a novel stacked cylindrical POP package structure, a design about the noise interference problem of signal transmission between the neighboring layers of chip and the approach to improve signal quality is present by building equivalent models. In the different height and radius cases, a comparison between cylindrical POP package and traditional POP package indicates that the former has a superiority on signal integrity.

stacked-die; Package-on-Package(POP); signal integrity.