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(shù)的快速發(fā)展，高頻、高速的數(shù)字電路頻譜趨向于微波毫米波頻率范圍，可達(dá)幾十 GHz 。此時(shí)高頻、高速芯片中傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)可以與封裝結(jié)構(gòu)中的互連線(xiàn)尺寸互相比擬，因而封裝互連線(xiàn)中將出現(xiàn)“傳輸線(xiàn)效應(yīng)”，引起衰減、反射、振鈴、串?dāng)_、時(shí)延等問(wèn)題，微波毫米波封裝技術(shù)面臨著高頻、高速、大功率帶來(lái)的信號(hào)完整性問(wèn)題[-2]。在上述情況下，BGA（ballgrid array，球柵陣列）傳輸結(jié)構(gòu)的信號(hào)完整性成為一個(gè)重要的研究課題?；诙鄬庸矡沾傻腂GA高度集成SIP（systeminpackage，系統(tǒng)級(jí)封裝）可以滿(mǎn)足芯片對(duì)高頻高速系統(tǒng)級(jí)封裝的需求3]，應(yīng)用較為廣泛。

目前已有很多對(duì)應(yīng)用于高速數(shù)字電路和微波毫米波集成電路的寬帶BGA封裝結(jié)構(gòu)的研究，基本上其傳輸帶寬在DC\\~50GHz4。但研究的重點(diǎn)大部分放在傳輸結(jié)構(gòu)的阻抗優(yōu)化方面，且基于單端的傳輸結(jié)構(gòu)。在測(cè)試方面僅僅通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的S參數(shù)來(lái)評(píng)估整個(gè)被測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量，包括反射、損耗、串?dāng)_等[5]。盡管S參數(shù)被廣泛用來(lái)表征無(wú)源互連系統(tǒng)的傳輸特性，但是在高速數(shù)字電路的信號(hào)完整性分析方面確實(shí)存在實(shí)際的局限性，信號(hào)完整性分析需要考慮頻域和時(shí)域兩個(gè)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(cè)試帶寬的限制，測(cè)試設(shè)備的影響，測(cè)試所得到的S參數(shù)可能無(wú)法滿(mǎn)足其基本特性，即互易性、無(wú)源性和因果性。這將導(dǎo)致無(wú)法借助于S參數(shù)，在電路仿真軟件中構(gòu)建鏈路仿真。此外，現(xiàn)如今一些關(guān)于傳輸結(jié)構(gòu)的信號(hào)完整性研究6-8]，主要是基于平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)，基于BGA差分傳輸結(jié)構(gòu)的信號(hào)完整性研究還很少。綜上，本文主要研究了BGA差分傳輸結(jié)構(gòu)，從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面來(lái)評(píng)估傳輸結(jié)構(gòu)的性能。

1 仿真分析

了完善而多樣的技術(shù)，其中眼圖測(cè)量技術(shù)是最基本的技術(shù)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)采用二進(jìn)制編碼“0”“1”來(lái)傳遞信號(hào)，“0”和“1”分別通過(guò)低電平和高電平來(lái)表示。以3個(gè)bit為例，不同“0”“1”信號(hào)的碼型排列組合可以有000-111共8種組合，在時(shí)域上將足夠多的上述序列按某一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊，然后疊加其波形后累計(jì)顯示，就形成了眼圖，如圖1所示。數(shù)字信號(hào)的眼圖中包含豐富的信息，能夠評(píng)估數(shù)字信號(hào)的整體品質(zhì)。由于多次信號(hào)的疊加，眼圖的信號(hào)線(xiàn)變粗，眼圖線(xiàn)條的粗細(xì)直觀的顯示了橫向上時(shí)間的抖動(dòng)和縱向上電壓的噪聲，眼圖兩個(gè)相鄰交叉點(diǎn)間的橫軸空白距離稱(chēng)為眼寬，它反映了傳輸線(xiàn)上信號(hào)的穩(wěn)定時(shí)間。上下電壓間的縱軸空白距離稱(chēng)為眼高，它反映了傳輸線(xiàn)上信號(hào)的噪聲容限。所以眼圖曲線(xiàn)越細(xì)，眼高越高和眼寬越大，信號(hào)的質(zhì)量也就越好。

首先仿真對(duì)比了不同損耗下的眼圖質(zhì)量，互連線(xiàn)的長(zhǎng)度和材料的介電損耗因子的差別都會(huì)導(dǎo)致差分BGA傳輸結(jié)構(gòu)的插人損耗變化。圖2是傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度分別為 8mm 和 16mm 時(shí)，差分BGA傳輸結(jié)構(gòu)的插人損耗隨頻率變化曲線(xiàn)。圖3展示了不同插人損耗下的仿真眼圖，其中（a）是 L=8mm 時(shí)的仿真眼圖，（b）是 _L=16mm 時(shí)的仿真眼圖，兩者的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表1所示?？梢钥闯霾迦霌p耗主要影響眼圖的眼高，損耗的增大導(dǎo)致眼高值從 473mv 下降到404mv ，可以理解為插入損耗越大，信號(hào)電壓波形的幅值就會(huì)衰減的越嚴(yán)重，表現(xiàn)在眼圖上就是眼目前在測(cè)量信號(hào)完整性問(wèn)題方面已經(jīng)發(fā)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(shù)值證明了這種變化趨勢(shì)，損耗的增大導(dǎo)致信噪比從32.15下降到 19.61 ?？梢灶A(yù)測(cè)當(dāng)鏈路的損耗太大時(shí)，眼圖的眼高將逐漸減小，最終呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，傳輸通道將無(wú)法有效傳輸信號(hào)。

其次仿真對(duì)比了不同串?dāng)_下的眼圖質(zhì)量。圖4（a），（b）分別展示了GSGSG（地-信號(hào)-地-信號(hào)-地）和GSSG（地-信號(hào)-信號(hào)-地）兩種差分傳輸形式的近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_，可以看出，相比于GSSG，以一排接地過(guò)孔隔離的GSGSG差分傳輸結(jié)構(gòu)，其近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_都有相應(yīng)的改善，兩者的差值在5dB左右。

進(jìn)一步的，將四端口S參數(shù)代人到眼圖仿真電路原理圖中，可以對(duì)比分析差分傳輸線(xiàn)間的串?dāng)_對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)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(jié)構(gòu)的仿真眼圖，（b）是GSSG差分傳輸結(jié)構(gòu)的仿真眼圖。兩者的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比如表2所示?？梢钥闯龃?dāng)_主要影響眼圖的眼高和抖動(dòng)，當(dāng)串?dāng)_增大時(shí)，眼高值從 .434mv 下降到 408mv ，串?dāng)_作為噪聲疊加到傳輸信號(hào)上，使得眼圖的上下信號(hào)線(xiàn)變粗，最終導(dǎo)致眼高減小。從表2中可以看出，串?dāng)_的增大會(huì)導(dǎo)致眼圖抖動(dòng)增大，GSGSG差分傳輸結(jié)構(gòu)的仿真眼圖抖動(dòng)值為0.83，而GSSG差分傳輸結(jié)構(gòu)的仿真眼圖抖動(dòng)值為1.83。這是因?yàn)椴罘謧鬏斁€(xiàn)間串?dāng)_越大，對(duì)傳輸信號(hào)的干擾就越大，數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中就越容易產(chǎn)生誤碼，因此對(duì)于高精度要求的數(shù)字信號(hào)，可以采用GSGSG差分傳輸結(jié)構(gòu)來(lái)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 測(cè)試驗(yàn)證

基于多層共燒陶瓷技術(shù)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(cè)視圖。整體傳輸結(jié)構(gòu)包括了采用ferro陶瓷材料制作的上基板、下基板以及信號(hào)傳輸焊球，上差分傳輸線(xiàn)和下差分傳輸線(xiàn)通過(guò)信號(hào)傳輸焊球進(jìn)行連接。上下基板各延伸出1mm 的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，差分傳輸線(xiàn)從基板內(nèi)部延伸到凸臺(tái)結(jié)構(gòu)上，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)上的差分線(xiàn)等效于芯片鍵合所需的鍵合指，也作為與探針臺(tái)的探針連接的部位。選取的ferro陶瓷材料，其介電常數(shù) 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(shù)，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(hào)走線(xiàn)以及大面積的接地結(jié)構(gòu)。平面圖形采用金漿料印刷而成。利用沖孔制造信號(hào)過(guò)孔和相鄰的回流傳輸接地孔結(jié)構(gòu)。垂直信號(hào)過(guò)孔采用金漿料填充。

隨著信號(hào)傳輸速率的不斷提高，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性，有各種相關(guān)參數(shù)需要優(yōu)化，例如，過(guò)孔，承接托盤(pán)，反焊盤(pán)，走線(xiàn)寬度，走線(xiàn)彎折形式，接地大面積的設(shè)計(jì)等。通過(guò)協(xié)同優(yōu)化其參數(shù)如過(guò)孔孔徑，焊盤(pán)反焊盤(pán)直徑，走線(xiàn)寬度等可以大限度的減少阻抗不連續(xù)和串?dāng)_。本文通過(guò)電磁仿真軟件，仿真得到各結(jié)構(gòu)的優(yōu)化尺寸。使用4端口67GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行散射參數(shù)的測(cè)量，使用具有350μm 間距GSGSG配置的高頻探針與組裝件搭接。結(jié)果如圖7所示，在 DC～40GHz 頻段內(nèi)，BGA差分傳輸結(jié)構(gòu)的回波損耗 S11<-15dB ，插入損耗S21>-0.5dB 。仿真與測(cè)試結(jié)果具有一致性。

3結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于多層共燒陶瓷技術(shù)的BGA差分信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)，應(yīng)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(shí)域兩個(gè)方向上分析該結(jié)構(gòu)的傳輸性能。時(shí)域上眼圖仿真結(jié)果說(shuō)明了該傳輸結(jié)構(gòu)具有良好的信號(hào)完整性。在頻域方面，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試的散射參數(shù)來(lái)表征通道傳輸信號(hào)的質(zhì)量。測(cè)試與仿真具有較好的相符性，從I )C～40GHz ，差分傳輸結(jié)構(gòu)的回波損耗優(yōu)于15dB，插入損耗優(yōu)于 0.5dB 。

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