IC封装中互连线信号完整性的研究

高雪莲，陈银红，雷晓明

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206)

1 引言

随着电子产品芯片复杂度不断提高，噪声容限、功耗和特征尺寸不断降低，同时随着互连线所传输的脉冲信号扩展到微波、毫米波频段，互连线已不能简单视为无电阻、无电容、无电感的金属导线。在高频或交流的情况下，信号的波长已与互连线的尺寸处于同一数量级，信号脉冲在互连线上呈现明显的波动效应。因此，在现代高速大规模集成电路系统中，封装结构尤其是互连线系统对整个电路系统电特性的影响日趋明显，对互连、封装结构电特性的分析在整个高速集成电路系统的分析和设计中占有越来越重要的地位。

2 建模与仿真

本仿真首先采用基于有限元法（Finite Element Method，FEM）的三维电磁场软件Ansoft Q3D，建立不同管脚电压输入时芯片管脚的三维物理模型，然后对模型划分网格，利用有限元法进行分析，得到精确的电容电感矩阵参数；接着采用参数提取方法提取部分等效管脚参数值；最后，利用优化仿真功能不断改进参数得到较理想的结果。

2.1 建立模型

首先需要建立不同管脚电压输入时芯片管脚的三维物理模型。IC封装的互连线封装外壳模型由基板（host_board）、填充材料板（trans_board）、地（trans_gnd）、引线（pin）、封装外壳（body）、上下压焊块（hpad，tpad）等部分构成，各个部分的结构尺寸和材料参数的设定参见表1。

表1 互连线各个部分尺寸和材料设定参数

由于该模型具有对称性，所以本实验选取模型的四分之一建立。通过确定芯片封装结构尺寸，定义模型的材料属性（电导率、电介质常数、磁介质电常数及电介质损耗参数）以及模型的布尔运算，最终完成Q3D有限元模型的建立，图1（a）和（b）分别示出了所建立模型的透视图及侧视图。

2.2 模型分析

Ansoft Q3D Extractor将所建立的模型自动划分为若干个节点，节点相互连接形成网格，每个网格可以称为一个有限元。对模型进行合理的网格划分才能保证用较少的计算资源和时间得到高频下芯片电容、电感矩阵分布等有价值的数据，封装模型网络分配图如图2所示。

在完成网络分配的工作后，需要对提取线路两端口的网络源端（Source）和末端（Sink）进行设置，因为该操作会影响信号流及表面电流密度场的方向，从而影响互感的正负值。本文将临近芯片的下接合垫Tpad定义为源端，上接合垫Hpad定义为末端（Sink）。

图1 封装模型透视图（a）及侧视图（b）

图2 模型网格分配图

2.3 参数提取

通过对芯片不同管脚施加高低电平，预测产生的电容、电感，进而减小矩阵规模，对矩阵进行优化，可得到较好的电容电感的矩阵参数及表面电流密度场。本实验在100MHz和1GHz的频率下分别提取同一根引线（pin14）的RLC参数，实验数据如表2所示。由表2可知，随着频率的提高，由于趋肤效应和介质的耗散因子存在，传输线上的交流电阻值增大，电感减小。

表2 100MHz 和1GHz频率下引线的RLC参数

对电源进行编辑，可得到不同电源分配状态下各管脚的电容分布，如图3。由图3可以看出管脚电平设置为高电平时的电容值大，管脚为低电平时的电容值小，多根相邻高电平引线间的互电容效应十分明显。本实验产生的电容密度范围为3.2920～1.4102×103C/m2。图4为一根高电平引线（pin14）上交流场表面电流密度分布矢量图。

图3 各管脚的电容分布

图4 交流场表面电流密度分布矢量图

3 互连线信号完整性分析

通过对该封装模型的同一根引线在100MHz和1GHz下进行参数三维的提取计算，在得到RLC值后，可对关键的信号线路（如时钟和高速信号控制线）和最长信号线进行仿真分析，从而验证频率与信号完整性之间的关系。

结合Multisim软件，根据所提取的参数建立一个单根引线（pin14）的Ⅱ端口等效电路，其中R1为传输线的特性阻抗50Ω，R2、L1和C1分别为引线在相应频率下提取的自电阻、自电容和自电感，V1为方波信号源，如图5所示。

图5 Ⅱ端口等效电路图

我们首先将信号源设为频率为100MHz、电压为5V的方波，通过示波器我们可以观察节点2（node 2）处的输出波形，如图6所示。 接着我们将信号源频率提高到1GHz，并将Ⅱ端口等效电路RLC变换到1GHz下的对应参数，输出波形如图7所示。

通过比对上述两组实验，可以明显观察到，100MHz的频率下，信号没有出现失真，而当信号频率提高到1GHz时，信号出现明显失真，既在1GHz的时钟频率下信号已无法完整地通过引线，此时必须要继续优化设计，才能保证系统正常工作。

图6 100MHz时信号的输出波形

图7 1GHz时信号的输出波形

4 总 结

一般来说，在封装的寄生参数中，电阻和电导对信号的影响较小，电容也只有pF级，而电感达到nH级，对信号的完整性影响作用较大，而这种影响在高频状态下更为明显，所以要优化寄生参数尤其是电感的寄生参数。在IC产品设计初期，封装设计者应同步进行IC封装寄生参数的提取分析，对封装外壳和引线管脚的电容、电感进行评估，尽量减少封装设计的寄生参数，提高器件的工作性能。同时，芯片的引线和封装引线位置一旦确定，通过缩短信号线长度或增加信号线布线宽度等传统方法优化寄生参数的作用十分有限，因此可充分考虑封装、PCB和芯片三者协同设计的方法和理念，不断调整和优化封装寄生参数，以期有效改进封装的电特性并降低封装成本及研发周期。

[1] 陆春荣.IC封装中寄生参数的研究[J].中国学术期刊，2007，1-4.

[2] 尹文言.高速电路馈电接地系统的电源完整性和电磁兼容研究[J].中国学术期刊，2007.

[3] 周燕，孙玲，景为平. IC封装中引线键合互联特性分析[J].中国集成电路，2006（11）：55-56.

[4] 龙乐.射频系统封装的发展现状和影响[J].电子与封装，2011，11（7）：9-11.

[5] 徐炀，李茂松，陈鹏，黄大志.基于CQFP64线外壳的封装寄生参数研究[J].微电子学，2008（4）：507-509.

[6] Hai-Young, Lee. Wideband Characterization of a Typical Bonding Wire for Microwave and Millimeter-wave Integrated Circuits[J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 1995（43）: 63-68.