（微电子学与固体电子学专业论文）基于sip的高速芯片协同测试.pdf

摘要 摘要 系统级封装( s i p s y s t e mi np a c k a g e ) 技术是在单个封装内采用堆叠、平铺、 基板内埋置方法集成多个裸片及外围器件，完成一定系统功能的高密度集成技术。 系统级封装直接利用裸片进行组装，通过对有源器件堆叠和无源器件埋入实现具 有完整功能的微系统。本文所讨论的协同测试技术是系统级封装测试技术的一个 分支。封装系统中的协同测试是对封装过程中完整或不完整的子系统进行测试， 目标是检验加工误差导致的信号完整性、电源完整性等问题，对仿真方法和仿真 模型进行验证和校准，以实现用户定制的测试。协同测试技术预期解决复杂环境 下三维电磁结构的时域、频域特性、与电路系统相接合的系统级设计、仿真、测 试问题。 本文以自行研发的2 5 g b p s 光互连芯片为载体，对单一信号传输路径上的三 维电磁结构进行仿真和测试。主要介绍了系统级封装概念和国内外发展状况，以 及系统级封装所要解决的关键技术问题；阐述待测芯片的电路结构，完成测试端 口的设计和测试端口防静电保护电路设计；完成了测试系统的设计、传输线设计、 解决了传输线上的信号完整性问题和电磁兼容性问题；根据芯片测试要求实现芯 片内可调型数字模块中测试向量的生成、f p g a 对待测芯片配置的时序逻辑，得到 测试向量的波形观测结果并加以分析；最后提出多重软件交互式仿真和建模方法、 高速信号传输时s 参数的评估方法，解决b o n d i n g 线和传输线的阻抗匹配问题、 分析了测试仪器对测试结果的影响，得到了可用于参数化模型拟合的偏差数据。 本文研究成果能为系统级封装设计和测试提供了较为实际的解决方案和思路，通 过对芯片和测试平台的仿真、测试为复杂封装系统内的电磁干扰、信号串扰等问 题提供了研究思路。最终验证了微波电路设计理论与工业制造所得实物电路之间 的电气特性差异，对比所得关键传输路径上模型与实际测试结果得到模型参数偏 差，实验结果数据可用于参数化模型的校准，为将来传输路径上参数化模型的拟 合、封装设计误差分析、封装测试方法提供了一些研究基础。 关键词：系统级封装光互连芯片协同测试信号完整性信号串扰模型校准 a b s t r a c t 1 1 i 一一 a b s t r a c t t h es i pi san e wa n de m e r g i n gs y s t e mt e c h n o l o g yc o n c e p ti nw h i c h t h ed e v i c e ， p a c k a g e ，a n ds y s t e mb o a r da r em i n i a t u r i z e di n t oas m g l e s y s t e mp a c k a g e w i t ha l lt h e n e e d e ds y s t e mf u n c t i o n s t l l i sa r t i c l ed i s c u s s e dm ec o t e s t i n gt e c h n o l o g yi s ab r a n c ho ft h es i pt e s t i n g c o t e s t i n gi sap r o c e s sw h i c hi sc o m p l e t eo ri n c o m p l e t es u b s y s t e mt e s t i n g ，t h eg o a l 1 s t os o l v es i g n a li n t e g r i t y ，p o w e ri n t e g r i t yi s s u e s c a u s e db yp r o c e s s m ge r r o r sd u n n g m a n u f a c t u f e a sw e l la st oi m p l e m e n tt h ec a l i b r a t i o na n dv e r i f i c a t i o no f t h es i m u l a t i o n m o d e la n dc a l lf o rm er e q u i r e m e n t so fc u s t o m i z e dt e s t b a s e do nt h ep r a c t i c a ls i t u a “o n ， t h i sp a p e r - su s e2 5 g b p so p t i c a li n t e r c o n n e c tc h i p a st h ec a r e e r , m a i n l yr e s e a r c n t _ h r e e d j 梳e n s i o n a ls t m c t u r eo f 也ee l e c t r o m a g n e t i co ns i n g l et r a n s m i s s i o np a t ht h r o u g h s i m u l a t i o na n dt e s t i n g c h a p t e r o n em a i n l yr e l a t e d t o c o n c e p t s o fs i pa n d d e v e l o p m e n to ft h es i t u a t i o ni nw o r l d w i d e t h es e c o n dc h a p t e ri s d e v o t e dt ot h e s t m c t l _ l r eo ft h ec h i pu n d e rt e s t ，d e s i g no ft e s tp o r t s ，t h ep r i n c i p l eo fe s dt e s t i n g c h a p t e ri i id i s c u s s e dt h ed u td e s i g n ，d e s i g no ft r a n s m i s s i o nl i n e s ，a sw e l l a ss i g n a l i n t e g r i t va n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo nt r a n s m i s s i o nl i n e s t h ef o u r t hc h a p t e r 1 s a b o u tt e s tp a t t e r ng e n e r a t i o ni na d j u s t a b l e c h i pd i g i t a lm o d u l e ，l o g i cc o n f i g u r a t i o nf o r c b j pu n d e rt e s t ，o b s e r v a t i o n sa n da n a l y s i st e s t f o rv e c t o r s c h a p t e rvs t u d ym u l t i p l e s o r w a r ei 1 1 t e r a c t i v es i m u l a t i o na n dm o d e l i n g ，i m p e d a n c em a t c h i n gp r o b l e m o nb o n d i n g w i r ea 1 1 dt l l et r a n s m i s s i o nl i n e ，e v a l u a t i v em e t h o do ft h esp a r a m e t e r s1 1 11 1 i 曲s p e e d s i 蛆a lt r a n s m i s s i o nf i e l d ，t e s t i n ge r r o rf r o ma t e t h er e s u l t so fp a p e rp r o v i d es o m e p r a c t i c a ls o l u t i o n s 孤di d e a sf o rs i pt e s t a n dd e s i g n ，t h r o u g ht h ec h i pt e s t i n ga n d s i m u l a t i o np r o v i d es o m er e s e a r c hm e t h o d sf o re l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s 1 印a l c r o s s t a l ka n do t h e ri s s u e si nc o m p l i c a t e dp a c k a g es y s t e m ，t h e e r r o rd a t eb e t - w e e n 仃a n s m i s s i o nm o d e la n da c t u a lt e s tr e s u l t sc a nb eu s e dt o c a l i b r a t i o no fp a r a m e t r i c m o d e la n dp r o v i d es o m eb a s i sf o rm o d e lf i t t i n gi nf u t u r e k e yw o r d ：s y s t e mi np a c k a g e s i g n a lc r o s s t a l k o p t i c a li n t e r c o n n e c t s i g n a li n t e g r i t y m o d e lc a l i b r a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的相关责任。 本人签名：日期兰塑3 ：2 ：zz 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本学位论文属于，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：拉萄翻 日期趔旦：2 ：丕z 导师签名：咎日期互丝乡生生 第章绪论 第一章绪论 系统级封装( s y s t e m - i n p a c k a g e ) 技术 系统级封装是近年兴起的种高密度集成技术幽外对此项技术的研究也不 足二卜年，但由于搠有众多的电气性能优势和市场应用价值，近年来该技术在世 界范围内受到广泛的重视和关注。本章主要介绍系统级劐装的概念和研究思路， 前半部分主要阐述技术实现方法和性能优势。后半部分主要概括国内外研究状况 和系统级封装所涉及的技术领域和研究范围，由此引出本文所研究的系统级封装 协同授0 试技术。 1 1 1 系统级封装概念 系统缴封装( s y s t e m i n p a c k a g e ，s i p 或s y s t e m o n - p a c k a g e ，s o p ) 技术是在单 个封装内集成多个裸片及外围器件，完成一定系统功能的高密度集成技术。裸片 可以采用堆叠、平铺、基板内埋置方法，外围器件采用薄膜形式埋置在基板内和 表面安装技术，实现电子系统小型化、高性能、多功能、高可靠性和低成本。从 上世纪9 0 年代提出以来，系统级封装技术经过了学术讨论和理论准备，现己到了 政府，企业和学术界大规模投入资源进行技术基础研究与应用开发的阶段，并广 泛认为代表了今后电子技术发展的方向之一。 图1 1 推动学术和企业界投入巨大资源的原因【2 1 2 0 0 5 年9 月2 8 日的“电子新闻”( e l e c t r o n i c sn e w s ) 引述份权威市场分折 基，：s i p ( s y s t c m j np a c k a g e ) 的高建芯片协同测试 报告说，2 0 0 4 年到2 0 0 9 年s o p s i p 的市场将以每年2 0 9 6 的速度增长。另一份报 告指出2 0 0 5 年与s o p s i p 相关的高密度封装( h i g h d e n s i t y p a c k a g e ) 市场实际增 长了s 0 5 。世界上几乎所有的大型电子企业以及相关的材料、机械、化工企业也都 纷纷投入资源加入s o p s i p 的技术研发。根据同一份研究报告，推动学术和企业 界投入巨大资源的原因是：小型化( 3 7 5 ) ，高性能( 5 1 ) 和低价格( 1 2 ) 见图1 1 。 基于这些原因，s 0 p s i p 正在快速发展，并推动着传统的电子技术观念从电子元件、 基板到i c 发生改变。例如，电阻电容等无源器件将不再是分离的元件，而是以薄 膜层压或其它方式埋入到基板里；滤波器、耦合器等射频无源微带器件也集成在 基扳内，使基板具有某种功能，而不再是单纯的元件联接载体。i c 也将没有封装 而是直接用裸片或者w l p ( w a f e rl e v e lp a c k a g e ) 。由于高度集成化，电子系统的 性能将由于连线缩短、时延减小、损耗降低而丈幅提高。同时，由于无源元件埋 入基扳内系统的可靠性与电性能将得到大幅改善，原来安装无源元件的位置可 节约出来安装更多的i c ，使系统的功能更多更强，或者不安装i c 而使系统更小。 因此，s o p s i p 技术将是电子系统集成化，小型化，微型化的有效路径之一。 系统级封装的概念可用图1 2 来描述。以消费类电子为例，未来的电子产品 将所有的功能集成在一个很小的体积内，例如将电脑、音响、游戏、电视、地理 导航( g p s ) 、m p 3 、无线通信、p d a 、电子相框、摄像等等集成在一个手表大小的体 积内。在医学上，可将传感器、数据处理器、无线传输等等集成在一个很小的胶 囊里，植八人体或吞服或注入血管，可适时监测病人的身体状况或进行其它医学 检查和治疗。 嘲i2 系统级封装的应用”( 资料来源p a c k a g er e s e a r c hc e n t e r ，g e o r g i at e c h ) 第一章绪论 1 1 2 系统级封装的地位和优势 为达到系统集成的目的，当前世界上的主要系统集成技术路线有以下三种： 1 系统芯片集成技术( s y s t e m - o n c h i p - - r a ms o c ) 2 多芯片封装技术( m u l t i - c h i p m o d u l e - - d - - m c m ) 3 系统级封装技术( s y s t e m - i n p a c k a g e s i p ) 系统芯片集成技术是将很多功能模块集成在单一的半导体片上。例如，在一 块硅片上集成微处理器、内存、输入输出控制器，或者在砷化镓上集成高频无线 收发模块、数字处理模块等以完成系统的微型化。多芯片封装技术是将多个不同 功能的半导体裸片平铺或重叠安装在一个基板上，然后封装起来。由于多芯片封 装的基板只是起到将这些裸片联接起来的作用，并无其它功能，所以多芯片封装 技术只能是子系统而不能是真正意义上的系统集成技术。系统级封装技术是将不 同功能的裸片以平面或者重叠方式，表面安装或者埋入基板，同时将尽可能多的 无源元件埋入基板并使基板功能化，表面只安装有源元件和尽可能少的无源元件。 这是真正意义上的系统集成，因为它包含了一个电子系统的所有元器件。相比较 而言，系统芯片集成技术在集成无源元件时将受到从设计、材料到工艺的严重限 制，因而影响到系统的功能，很难完成真正的系统集成。从另一角度看，系统芯 片集成技术已经提出了四十多年，但至今发展缓慢，远低于人们当初的预期。原 因是多方面的，主要是系统芯片集成涉及到各个模块的接口，各模块的相互影响， 以及各模块的知识产权等问题。这是一个十分复杂的系统工程。系统芯片集成工 艺中各种半导体材料之间很难兼容。另外，如果定义的系统越大，设计难度越高。 半导体面积越大，生产成品率越低。大面积还会导致信号传输延时增加、衰减增 大等负面影响。从事系统芯片集成的专家也承认芯片系统集成的难度远远超过预 期。 系统封装技术正好克服系统芯片集成技术的缺点。各个模块可单独设计与优 化，互不影响。基板材料选用灵活，从低温陶瓷到各种有机材料，功能材料( 埋入 电阻电容) 的兼容性好。多i c 的高密度安装不但不会影响系统性能，还可进一步 提升系统集成度。例如，在一块半导体片上集成3 2 位的b u s 是件困难的事，但在 高密度基板上集成1 2 8 位的b u s 并不是多大的问题。另一个最大的优点，尤其对 中国来说，系统封装技术不涉及各模块的知识产权，从而避免纠纷，找到一个发 展自主知识产权的突破口。系统芯片集成技术与系统封装技术的比较列入表1 1 中。 4 基于s i p ( s y s t e mi np a c k a g e ) 的高速芯片协同测试 表1 1 系统芯片集成技术与系统封装技术比较 系统芯片集成技术( s o c )系统封装技术( s o p s i p ) 优点缺点优点缺点 高度集成化开发周期长开发周期短相对于s o c 体 小面积不同工艺i p易于多功能集积较大 高性能c o r e 无法集成成工艺要求比传 投入大有源和无源元统p c b 高 成本高件同时集成不受限缺乏系统设计 集成难度大制模拟软件 有线无线模块材料易于兼容 兼容性差p c b 传统工艺 无源元件集成 现有设计与模 困难拟软件可支持大部 大面积i c 成品分工作 率低低成本 多功能系统集高可靠性 成不易系统定义灵活 缺乏设计软件不涉及各i c 的 知识产权交叉，知识产权 不易协调 封装技术中的一个分支集成技术三维芯片集成，它的代表是裸芯片堆叠技术， 见图1 3 。这种技术的出现是人们希望扩展芯片功能的自然延伸。例如为了扩展存 储能力，将多个小容量的d r a m 重叠组装再封装起来构成大的记忆模块；或者将c p u 与m e m o r y 堆叠，提高c p u 的性能，等等。由于这种技术只是扩展芯片的功能，并 不是从系统出发，尽管有入把它称作s i p ，但它仍然不是真正意义上的系统级集成 技术。 印刷电路板( p c b ) 是以系统实现为目，包含所有支持系统工作的有源无源元件 的系统设计技术。为了使系统小型化，人们提出了许多集成方法，如表面贴装 ( s m t ) 、更小的电阻电容( 0 2 0 1 ，0 1 0 0 5 ) 、精细线宽、超薄b u i l d - u p 、微孔重叠等。 但是要进步加大集成度缩小面积，所有这些技术都面临越来越大的考验。电阻 电容很难做得更小，现有工艺也很难支持更精细的图形。现在表面连线与图形的 密度越来越大，不远的将来，为满足高性能需求，要求把光学系统、射频系统、 第一章绪论 有源无源元件埋入基板，印刷电路板己不能支持未来高密度系统集成的发展，但 是如果加入高密度集成技术，印刷电路板就成为系统级封装的基础。 系统芯片集成、印刷电路板和多芯片堆叠技术与系统级封装集成技术的关系 见图1 4 。图中表明，系统级封装技术既不与系统芯片集成技术冲突，也不试图取 代多裸芯片堆叠技术，而且是系统印刷板的技术的提升，是基于系统芯片集成技 术、多裸芯片堆叠和芯片组装技术的再集成，其优点是：多功能、小体积、低成 本、高性能和高可靠性。以使用基材划分，系统级封装有两类：低温共烧陶瓷( l o w t e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c l t c c ) 和有机高分子基材。本项目采用有机高 分子基材、除材料与工艺的研究方面外，其它研究方面是两种基材共同的。必须 指出的是，尽管l t c c 的高频性能好，但由于价格高，有源与无源元件埋八时材料 兼容性差，大面积加工成品率低等原因，其应用受到限制。至今只有小规模的用 于射频前端小面积的子系统集成和军事用途。这也是为什么大多数公司，包括像 i n t e l 。i b m t i 等等，并不大规模采用该技术的原因。 固l _ 3 多裸芯片堆叠 图14 电子系统高密度集成与系统芯片集成，三维芯片堆叠和系统母板的区别与关系。 系统级封装的目的是要使电子系统小型化、高性能、多功能。一个电子系统 除了集成电路外还有大量的电阻电容等无源元件。根据摩尔定理，集成电路每十 八个月性能翻一翻，或者说晶体管的密度提高一倍。但无源元件，如电阻电容远 6 基于s i p ( s y s t e mi np a c k a g e ) 的高速芯片协同测试 不能达到这个速度，体积很难缩小。要使系统体积进一步缩小，无源元件必须缩 小或采用另外的方法来制作无源元件。系统级封装技术中的一项主要技术就是采 用薄、厚膜电阻电容工艺【5 】将电阻电容埋入基板中，从而减少表面安装元件，达到 系统缩小的目的。将元件埋入基板有很多好处。首先，由于元件埋入基板后，元 件之间的连线缩短或简化，寄生参数可大幅减小，在高频高速条件下，系统性能 可得到提高。无源元件的埋入还可使元件本身的寄生参数降低。例如埋入电阻可 大大降低电阻的寄生电感和寄生电容；埋入电容可大幅减小电容的寄生电感和电 阻。设计还是对系统性能来说寄生参数的减小都具有重要意义。第二，元件埋入 基板后，由于元件与基板形成一体，系统可靠性得到增强。第三，元件埋入基板 后，表面安装的元件数量减少，从而可以缩小系统体积，或者节约出来的空间可 用来安装更多的元件，使系统的功能增多。第四，由于埋入的元件节约了空间， 一块基板上可制作更多的模块，尽管基板的制作费用可能上升，但单位模块的价 格可能是下降。所以埋入元件还可能使采用系统级封装技术的模块的成本下降。 综上所述，系统级封装技术具有其他技术不具有的许多优点、高密度、兼容 性好、高可靠性、高性能、低成本、多功能等。它促使电子行业以及相关行业发 展，不仅对电子高端产品，同时在它发展中的每一单项技术对现有的技术提升也 具有重要作用。 1 2s i p 的国内外发展状况 乔冶亚州理工学院封装研究中心( p a c k a g i n gr e s e a r c hc e n t e r ，g e o r g i a i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 由美国政府，工业界和其他机构共同出资建立的目前 世界上s o p 技术研究与开发规模最大，涉及范围最广，最有影响力的研究中心。 自1 9 9 3 年建立以来，十多来年发表s o p 论文六百余篇，各类发明专利三百余件。 研究内容几乎覆盖了s o p 的所有方面。从设计、算法，材料工艺，到可靠性，测 量等等。图1 5 是该中心的s o p 示意图。 第一章绪论 c p o $ 1 s u b s t r a t e l o hc 1 e h i g ht n o ( h l hf s 图15s o p 横切面结构示意圈 g e 是最早开始进行s o p s i p 研究的企业之一。他们提出的“芯片第一” ( d i ef i r s t ) 是目前最为成功的s 0 p s i p 工艺。2 0 0 6 年，g e 展示了数个s o p 的产 品和研究样机。图l6 所示是将所有有源无源元件埋入基板的一个全球定位系统 模块。从图中可见整个模块己没有任何表面元件，半透明的基材隐略可见埋入的 元件和连线。 凋蠢圃 图16g e 在2 0 0 0 年展示的6 p s 模块。图178 t o s h i b a 5 层裸片重叠封装的m 叫 采用s o p s i p 的“d i e f i r s t ”技术 t o s h i b a 是世界上s i p s o p 发展的主要公司之一。目前宣称已能提供s i p 设计 和模拟服务，用初级s i p 元件生产的手机，d v d m p 3 ，硬盘驱动等产品。图17 表 示了t o s b i b a 的多芯片重叠技术，这实际上是m c m 技术。 国内还没有系统地进行s o p s i p 的专门研究，个别零星的相关研究仅存在于 少数学校和科研机构，虽然2 0 0 6 年度的国家自然科学基金中列有一项重点项目 ( s i p 的参数提取，但这仅是s o p s i p 涉及的研究领域中的一部份。中科院微电 子所吴德馨院士2 0 0 4 年曾在粤港台论坛演讲论述s i p ，并呼吁我国应加大系统级 封装( s o p s i p ) 的研发的力度。中国电子学会封装技术分会主席毕克允教授2 0 0 5 年在i c e p t 国际会议上强调s i p 技术应看成是电子技术发展的方向。 2 0 0 3 年，清华大学成立微电子研究院，下设有一个封装研究中心正在进行一 基- j s i p ( s v s t e 丌_ 1 np a c k a g e ) 的高述芯竹协q 测试 些封装材料、薄膜材料、工艺、重叠m c m 、l t c c 的研究工作，还没有看到s o p s i p 的研究报道。 上海交通大学李征帆教授领导的研究小组对多层介质互连线电磁建模和参数 提取，芯片互连线建模，馈电接地板同步开关噪声进行建模和快速分析，其研究 主要侧重于电路板中多层布线的电磁场理论分析，并在2 0 0 4 年获国家自然科学奖。 1 3s i p 的研究领域 系统级封装技术是把尽可能多的无源和小功率有源元件埋入基板内，基板表 面只安装习；能埋入的有源器件和无源器件。图18 绘出了高密度电子集成模块的 横切面。这是在一块核心基板( c o r e ) 上根据需要逐层造出( b u i l d u p ) 各元件联线 层、各有源无源元件埋八层、光学系统层等。再在造好的基板上用倒装形式 ( f l i p c h i p ) 或引线键合( w i r e b o u n d ) 方式安装上各个i c 和m e b s n ，也包括不能 埋入的无源元件和传感器。图1 8 绘出的是双面结构，可根据要求制成单面结构。 辱鳝 图18 高密度系统级封装横载面示意图 系统级封装的研究内容可用图l9 来表示。 图19 系统级封装技术的六个研究方山 归纳起来，系统级封装所研究的科学内容有以下六个方面 第一章绪论 9 1 三维电磁与热场分析与设计原理 芯片、封装与印刷电路板是三维重叠的结构，高度密集的众多连线与结构， 不同的材料使电磁场分布十分复杂，引发严重隔离度、信号波形畸变、串扰等信 号完整性问题和电源完整性问题，以及e m i e m c 问题。 模拟电路与数字电路在系统级封装中将高度集成在一起，强数字信号将对弱 射频信号形成强烈干扰。射频电路模块设计与数字电路模块的设计目前使用不同 方法和工具。现在的方法和工具还不能有效地分析与设计混合电路。 2 功能材料、基板材料 系统级封装与高密度集成的关键技术之一是将电容，电阻，电感等无源元件 用薄厚膜工艺埋入基板中，需要多种功能材料。例如埋入电容需要高介电常数、 低损耗、超薄、高耐压的材料；埋入电感需要高磁导率、低损耗的材料、埋入天 线需要介电常数与磁导率相同并且低损耗的材料等等。 系统级封装和高密度集成技术需要使用的基板能有效地提高系统的机械稳定 性、可靠性与各有源无源元件埋入时的兼容性。如果利用原位表面修饰法制备表 面化学结构可控的无机纳米微粒，并添加到聚合物基板中，基板材料导热性能和 机械性能将同时提高。 3 基板工艺 系统级封装与高密度集成技术必然需要更加细小的连线、通孔、焊盘等。制 作这些精细线【7 】与图形必须对相关基础工艺所涉及的科学问题进行研究，如薄膜工 艺中的化学蚀刻与精细线宽和图形的相互作用原理：缺陷产生原理与等级标定方 法；表面张力控制与微孔缺陷关系，缺陷产生与发展机理与控制方法；具有复杂 材料的埋入无源元件时的光刻，蚀刻发展过程；含有埋入元件的多层基板微应力 匹配等等。有机基板上直径为数十微米的微孔加工过程中，材料性质对微孔对准、 重叠、充填等的作用机理。用于有源器件埋入的空腔三维结构微应力控制问题等。 4 微组装 由于采用裸片或三维重叠裸片，随着芯片工艺的进步，采用小间距的裸片进 行微组装或者将裸片埋入基板，也就是在基板工艺过程中进行的组装工艺，将对 传统组装工艺提出挑战。这些挑战还包括在系统中还要将传感器集成进去。 三维堆叠可有效地扩展芯片的功能和减小系统面积。涉及裸片减薄、键合、 微小焊距、倒装焊、塞孔等基本工艺与技术。裸片、成片、分离器件的混合组装 工艺，小尺寸分离器件的紧贴组装工艺。 5 测试 埋入无源器件的一个显著的优点是极小的寄生参数。但在此条件下如何测量 却是一项挑战，因为由测量仪器本身带来的固有参数可能已经与元件的寄生参数 1 0 基于s i p ( s y s l e mi np a c k a g e ) 的高速芯片协同测试 在同一个量级上，严重地影响了测量的精确度【8 1 。例如对埋入电容测量，寄生电感 与微探头的固有电感几乎一样，必须将它们精确地分开。类似的情形将发生在其 他元件的测量上。 模拟的准确度必须经过测试验证，以保证其指导设计的意义。必须进行协同 设计，测试对比，以及仿真校验。在高密度集成的条件下，校验方法是一项挑战。 系统级封装是一个复杂的工艺过程，其中有源无源器件需要埋入基板，为了 提高成品率，埋入器件的指标和性能需要在基板加工过程中分步进行测试p 】。但由 于系统级封装体积小、集成度高、元件数量大、工艺过程复杂，如何保证系统级 封装的完好率，必须研究出一套完整的可测试设计方法，能在不同阶段，针对不 同测试内容进行测试与评估，这其实是在高密度集成条件下的o - i n 性问题【1 0 1 。 6 可靠性 众多的无源和有源元件集成很小的范围内必然产生严重的热问题，再加上系 统级封装中的不同功能材料使用，使得系统级封装的可靠性问题尤为突出。选取 材料、工艺流程、设计过程中的热分析与可靠性分析以及热管理模拟与对策，到 最后的热测试是需要仔细研究的重点问题。 系统级封装不是特指某一个产品，也不是特指某一个技术，它是许多技术的 融合。更确切地说，系统级封装可以理解为是一个目标。为达到这个目标，必须 面对所有的挑战，解决所遇到的问题，克服所有的困难。在这个过程中的每一个 进步其实就是现有技术的进步，由于是共性技术，就可以立即用于现今的实际产 品，总体来看就是电子行业的进步【8 1 。所有技术的进步反过来又奠定了系统级封装 的基础，使系统级封装得以实现。由此可见，系统级封装是电子系统的高度集成， 由此对应的是为实现系统级封装所采用技术的高度集成。 1 4s i p 中的协同测试概念与本文工作介绍 协同测试目的是实现工艺偏差导致的封装系统功能错误的测试、模型校准以 及用户定制的t u r n k e y 测试，侧重于功能测试，包括信号参量的测试、埋入器件 的测试、e m i e m c 测试、热场测试等。 封装系统功能的协同测试，对封装过程或封装后的完整或不完整的子系统进 行测试，目标是检验加工误差导致的信号完整性、电源完整性等问题，对仿真方 法和仿真模型进行验证和校准，以及实现用户定制的测试，主要从以下几个方面入 手：微小参量的测量与校准、埋入器件的测试、测试信号的产生与故障的注入、 e m c e m i 测试、热场的测量。这部分测试与应用、设计、仿真和失效分析有一定的 协同。 第一章绪论 本文主要以2 0 0 6 年国家8 6 3 项目芯片一芯片间高速高密度并行光互连关键 技术研究为背景，结合光模块封装过程中所涉及的系统级封装协同测试问题进 行初步的探索性研究。针对模块封装中关键信号传输路径的传输线和裸片上的 b o n d i n g 线建模方法进行研究，再通过对光互连芯片的电测试进一步校正传输路径 模型。本文是从实际工程项目出发，结合系统级封装协同测试特殊需求进行的基 础性研究，第一章主要涉及系统级封装概念和国内外发展状况，以及系统级封装 所要解决的关键技术问题，以此引出本文所讨论的协同测试技术在s i p 研究领域 内所处位置。第二章描述待测光互连芯片的结构、测试端口的设计原则及数字模 块的预测试配置原理、测试端口防静电保护原理及e s d 电路结构设计方案。第三 章阐述基于c o b 测试技术的射频电路设计方法，主要讨论测试系统中电路结构的 设计方法和射频电路板级设计中的阻抗匹配和信号保护原理，其中包括电源滤波 网络设计、传输线设计、以及传输线上的信号完整性问题和电磁兼容性问题。第 四章专门针对芯片内可调型数字模块中测试向量的生成、数字设计软件i s e 的设 计流程、f p g a 对待测芯片配置的时序逻辑、测试向量的观测结果及分析，提出解 决方案。第五章详细探讨多重软件交互式仿真和建模方法、b o n d i n g 线和传输线的 阻抗匹配问题、高速信号传输时s 参数的评估方法、测试仪器对测试结果的影响 等，其中涉及电磁波求解边界条件、有限元分析、微波二端口网络等微波电路基 础理论。本文目的是使校正的模型能够达到一定的精度，然后给封装设计者提供 足够的仿真信息，这样就可以大大提高系统级封装的设计效率。 第二章待测芯片结构与可测性设计 第二章待测芯片结构与可测性设计 待测芯片的结构和电气特性是测试工作的基础，本文以自行研发的光互连芯 片为研究载体，通过对芯片的测试完成协同测试的研究目的。本章主要阐述用于 光互连接收端芯片和发送端芯片电路结构，首先介绍发送端激光驱动器及其接口 电路设计思路和模块结构、接收端跨阻放大器和限幅放大器电路结构，然后提出 能满足芯片测试要求的测试端口设计方案，最后叙述实现芯片防静电保护的e s d 电路设计方法。 2 1 1 光电互连系统 2 1 待测芯片设计思路及用途 光电互连的系统框图如图2 1 所示： d r i v e r o p n e a lt r a n s t m 协 i ! 蔓硝 i o t o d e t e e t o r l z i i i 么二。i j i ：a m p l i f i e r m e d i u m ：o p t i c a lr e e e 妇 图2 1 光电互连系统框图 光互连系统包括以下几个部分：光发射机、光源器件、光媒质、光检测器、 光接收机。在发射端，光发射机将输入的电压信号转换为大的电流信号用于调制 光源。输出的光通过光媒质传播，光媒质可以是光纤、自由空间或者波导。在光 媒质中传播的光信号在接受端被光检测器检测，并转化为相应的电流脉冲信号。 光接收机将光检测器检测到的电流信号再次转换为电压信号并将其放大到一定幅 度，使其能够作为数字信号进行后端处理。其中的主要部分是电光转换和光电转 换器件，即驱动器和接受器的设计，这两部分直接影响到整个光互连系统的性能 好坏：而传导媒质也有很关键的作用。光接口部分的耦合问题也设计当中需重要 的问题，光源及光检测器都有一定的转换效率，因此在进行电光或者光电转换时， 1 4 基于s i p ( s y s t e mi np a c k a g e ) 的高速芯片协同测试 传播媒质与电路模块的接口设计也是主要的部分，光纤的传输方式受到光线与电 路模块接口耦合效率的影响，其传播距离受到限制，要实现远距离的传输需要采 用大电流，这会相应提高功耗；而自由空间传输受到的影响因素更多，诸如发送 与接受之间的障碍物、光的聚合性等等；而光波导的设计能够将光的传输路径设 计在p c b 内，使光电或电光转换模块与其接口无须经过其他的材料或部件，而直 接进行耦合，因此这种方式能够在很大程度上提高电与光的转换效率，能够充分 利用资源并实现低功耗的目的。 2 2 2 激光驱动器( d r j v e r ) 激光驱动器可以看作是一个简单的电流开关，与被数据流调制的输入信号相 关。激光器的输出光功率是输入电流的函数。如果激光器的温度发生变化，那么 大的电流波动也会发生。类似的，在驱动电压上的一个很小的波动，都能导致电 流和输出功率的显著变化。由于这个原因，加之电流开关的速度特性，激光二极 管能够被电流驱动。 通常情况下，在大多数的光系统中，电光接口限制了系统的最大速度。激光 驱动器和光接收机是非常重要的部件，它们能够决定光系统的性能。在高速情况 下，驱动器能否作为可靠的光信号产生器是非常关键的。激光驱动器设计的其中 一个重要的挑战是在很短的上升和下降时间内传输几十毫安的电流，因为带宽对 于大的输出电流来说是需要平衡的内容。 按照调制方式分类，光发射机电路通常有两类。一种是直接调制发射机，由 激光二极管和驱动电路组成。如图2 2 所示 图2 2 直接调制框图 如上图所示，输入数据流被激光驱动器直接调制，激光二极管按照逻辑电平 第二章待测芯片结构与可测性设计 “0 ”或“1 ”输出光信号。虽然很多调制电路结构已经被研究，但最简单和最常 用的调制结构仍是直接调制方式，根据数据类型发射光强，被称为开关键( 0 0 k ) 。 然而，当数据速率提高时，直接调制激光器容易导致传输振荡，也被称为驰 张振荡器。这种现象的发生是由于强度与激励发光时的粒子反转耦合造成的。这 种振荡引起输出光脉冲的波形失真( r i n g i n g ) 和信号光谱线的拓宽，从而导致光 线中的物理散射。这种散射导致码间干扰( i s i ) 1 9 于激光器c h i r p 的存在，因 此会增大位错率( b e r ) 。 但是当前的研究主要集中在发展直接调制激光器上，因为这种发射机有许多 的优点，诸如低花费、低功耗而且结构简单。另外，许多技术被用于克服与直接 调制有关的问题上，比如，减少c h i r p 的方式和通过激光器件的物理调整去抑制 驰张振荡。因此，对于1 0 g b p s 短距离系统，直接调制发射机有其特殊的优势。 另一种光发射机类型是外部调制方式，由驱动器、激光二极管和一个外部调 制器组成，这种结构能够获得低的c h i r p ，甚至负的c h i r p ，从而支持光线内部的 散射。外部调制方式能够实现较高的连接效率和低的连接噪声，但是需要高功率 的激光器，高电输入功率，并且花费昂贵。在这种调制方式中，如图2 3 所示 图2 3 外部调制框图 这种激光器能够维持恒定的光发射状态，而且外部调制器可根据外部供电电压调 制输出光强。 2 2 3 光接收机前端放大( t i a ) 光接收机是光通信系统中的重要组成部分，其作用主要是将经光纤或者波导 传输衰减和畸变后的微弱光脉冲信号通过光电转换、放大以及后续处理转换为与 发射端相对应的数字脉冲信号。常用的光接收机结构如图2 4 所示，主要包括： 1 6 基于s i p ( s y s t e mi np a c k a g e ) 的高速芯片协同测试 光探测器、前端放大电路、数据恢复电路和解复用电路。 光 信 号 前端放大电路l 图2 4 光接收机结构 从上图可以看出，光接收机前端放大电路主要包括前置放大器和主放大器。 其中，自动增益控制是前置放大器设计的一部分。 前端放大电路之前的光探测器( p d ，p h o t o d i o d e s ) 是光电转换器件，其作用 是将接收到的光脉冲信号转换成电流脉冲信号。一般，对光探测器的基本要求是 高光电转换效率、低附加噪声和比较快的响应速度。 前置放大器是整个光接收机系统中最为关键的器件，它决定了整个接收机系 统的灵敏度和带宽。其作用是将光探测器输出的微弱电流脉冲信号转换成一定幅 度的电压脉冲信号( 一般为几十到几百m v ) 。一般而言，对前置放大器最基本的 要求为高增益、低噪声和高带宽。高增益是为了保证整个光接收机系统的低噪声 特性；低噪声则是要保证电路的输入信号不被噪声淹没；高带宽是电路高数据传 输速率的要求。通常，在对前置放大器要求有很大的动态范围时，就可能出现单 个的电路不能同时满足设计需求，致使在某些幅度的输入信号上输出信号达不到 预定的要求，而某些幅度的输入信号则可能使电路中的管子偏离预先设计的工作 区。而自动增益控制( a g c ，a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) 电路正是为解决这一问题 而来的。 主放大器的作用是将来自前置放大器的输出信号( 一般为几十m v ) 放大并保 持在一定的幅度内，以满足后续数据判决和时钟恢复电路输入电平的需要。除了 高速度和高增益的要求，此放大器另一个重要的性能指标是在较大的输入动态范 围内，保持输出电平幅度的恒定。 单独设计光接收机前端放大电路时还需要一个输出缓冲电路，该电路一般包 括在主放大器的设计中。输出缓冲是为了便于驱动片外的电路或者数据判决恢复 电路。因此，要求其有足够的驱动能力。 第二章待测芯片结构与可测性设计 2 2 发送端芯片( d r j 三r ) 与接收端芯片( t i a ) 电路结构 2 2 1 发送端电路结构 激光驱动器的设计原理主要是通过驱动器为激光器提供恒定的调制电流和偏 置电流，并通过串行差分电压数据流控制差分驱动器的开关实现调制激光器的发 光。图2 5 演示了激光驱动器的基本电路结构原理图： v d d v d d l jl a s e r c u r r m l ts v d t h 霉c l k c i k o u t k 塾 u 2 一： v s c 7 6 4 0 一r e g _ w ； s 创一2 0 r e g | 一跳 s e n ：一 p n 舟h l