一种新型柱形POP堆叠封装的信号完整性研究

邢志强

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安，710068）

一种新型柱形POP堆叠封装的信号完整性研究

邢志强

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安，710068）

多层Package-on-Package（POP）堆叠封装技术因具有良好的灵活性与扩展性，广泛应用于数字电子产品的制造中。同时，信号在3D集成封装中的速度不断提高，要求封装互连结构具有良好的信号完整性。本文基于一种新型柱形POP封装结构，通过仿真分析工具建立等效模型，分析相邻两层芯片间信号传输过程中噪声干扰对信号的影响以及提高信号质量的方法。对比在不同高度和半径情况下，柱形POP堆叠结构与传统POP堆叠结构上的信号传输质量，证明前者在信号完整性方面的优越性。

堆叠；POP封装；信号完整性

0 引言

作为典型的3D堆叠封装，POP封装目前是一种十分具有发展前景的封装形式。随着堆叠工艺水平的发展，一些新型的POP堆叠封装形式被提出，例如节能型POP封装[1]和穿宿孔(TMV) POP封装[2]。在当前电子产品向高速度方向发展的趋势下，新的POP封装要得到广泛应用，必须验证其在信号传输方面的性能，从而确定其应用场合与范围。因而新型POP封装的信号完整性问题值得特别关注[3]。

传统的POP堆叠封装是将多层BGA封装形式的器件在垂直方向上进行堆叠，各层器件通过焊球来进行连接后形成[4]。本文所研究的是一种新型柱形POP封装结构。不同于传统的POP封装，其各层器件之间通过铜柱相连，其封装形式如图1所示[5]。相比于传统的POP封装，柱形POP封装在稳定性与抑制塌陷与翘曲方面具有明显优势。而本文将分析其信号传输质量的性能，研究其在信号完整性方面的优越性。

图1 新型柱形POP堆叠封装结构

本文将通过电磁仿真软件Ansoft HFSS建立POP封装等效模型，研究引线键合线在上下两层芯片间传输问题。此次研究通过对比，主要分析信号线在噪声干扰源下以及不同长度和半径的铜柱和焊球情况下，其插入损耗（IL）情况。同时，分析在不同的信号返回路径情况下，其回波损耗（RL）情况。

1 信号传输模型

POP封装内各层芯片的输出都是通过引线键合连接到基板上的，再在基板通过走线分配到各个管脚输出，因而可以将引线等效为嵌入板中的微带线来建立等效模型。本文对柱形POP封装中两层间微带线传输建立如图2所示等效模型。

图2 柱形POP封装微带线传输模型

此结构包括Board1、Ground1、Air、Ground2和Board五层结构。微带线Trace1在上层板Board1介质中进行传输，通过Gnd1层过孔连接在焊盘上，Air层的铜柱连接上下两层焊盘后将信号传输到Board2层中的微带线Trace2。信号传输过程中会经过介质突变，并受到外部噪声干扰。在此情况下，应用电磁仿真软件Ansoft HFSS建立如图3所示3D的模型，其中Board1和Board2材料为常见的FR4介质，微带线与地层均采用理想导体介质，H和R分别代表空气层的高度以及铜柱和焊锡球的直径。

图3 柱形POP封装HFSS模型

传统POP封装使用凸点连接技术，基于焊锡球实现上下两层相连，如图4所示，其中焊锡球的半径和高度都对微带线的传输特性有较大影响。作为比较，建立了传统POP封装的HFSS 3D的模型，如图5所示。

图4 传统POP封装微带线传输模型

图5 传统POP封装HFSS模型

2 仿真与分析

POP封装中的集成电路内存在许多的开关管，开关管的同时通断会产生系统内的SSN噪声，需要在有噪声的情况下分析插入损耗特性。同时，在无噪声的情况下分析不同R和H时的插入损耗。在有返回路径的情况下，分析模型的回波损耗特性。按照惯用方式,插入损耗与回波损耗分别用S21与S11参数来表征。

2.1 噪声下的信号传输性能

HFSS模型中在Board1中放置一个集总端口激励用来代表封装内产生的系统噪声。在H=0.5mm，R=0.5mm的情况下，分别仿真柱形POP模型与传统POP模型端口1与端口3之间的插入损耗，仿真结果如图6所示。

图6 Port1与Port3之间的插入损耗(IL)

由图可知，两种模型的传输信号分别会在1.8GHz与2.3GHz处发生谐振，信号质量急剧下降。除谐振点之外，柱形POP封装相比传统POP封装，具有更好的信号传输质量，容纳噪声能力更强，如图中虚线所示。

2.2 不同H与R下信号传输性能

在无噪声情况下，按照表1所示尺寸，分别在不同H与不同R情况下进行仿真。

表 I 两个模型的尺寸

在H不变，R变化时，仿真结果如图7所示。

图7 Port1与Port2之间在不同R的插入损耗(IL)

在R不变，H变化时，仿真结果如图8所示。

图8 Port1与Port2之间在不同H的插入损耗(IL)

由仿真结果可知，传输信号在7.3GHz左右发生谐振，信号质量下降。相比传统POP封装，柱形POP封装在各个尺寸下谐振量均较小，衰减量均较少，信号传输质量更好。

2.3 不同返回路径情况下的信号传输性能

通过在地平面间添加过孔，可为信号线提供返回路径，从而提高信号质量。在一个过孔与两个过孔的情况下，分别仿真柱形POP模型与传统POP模型端口1与端口2之间的插入损耗，仿真结果如图9所示。

图9 Port1与Port2之间的回波损耗(RL)

3 结论

本文通过建立新型柱形POP封装的HFSS等效模型，从层间信号传输质量的角度，分析了噪声源、铜柱尺寸以及不同返回路径对封装信号完整性的影响。通过与传统POP封装模型的对比，得知在有噪声源，不同尺寸以及不同返回路径的情况下，柱形POP封装内的信号传输均具有较好的传输质量。研究结果为新型柱形POP封装的实际应用提供了理论依据。

[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.