用于倒装芯片设计的高效的重新布线层布线技术

随着对更多输入/输出(I/O)要求的提高，传统线绑定封装将不能有效支持上千的I/O。倒装芯片装配技术被广泛用于代替线绑定技术，因为它不仅能减小芯片面积，而且支持多得多的I/O。倒装芯片还能极大地减小电感，从而支持高速信号，并拥有更好的热传导性能。倒装芯片球栅阵列(FCBGA)也被越来越多地用于高I/O数量的芯片。

图1：倒装芯片横截面：信号线经过包括重新布线层在内的三个面。

重新布线层(RDL)是倒装芯片组件中芯片与封装之间的接口界面(图1)。重新布线层是一个额外的金属层，由核心金属顶部走线组成，用于将裸片的I/O焊盘向外绑定到诸如凸点焊盘等其它位置。凸点通常以栅格图案布置，每个凸点都浇铸有两个焊盘(一个在顶部，一个在底部)，它们分别连接重新布线层和封装基板。因此重新布线层被用作连接I/O焊盘和凸点焊盘的层。

图2：自由分配(FA)和预分配(PA)是两种焊盘分配方法。外围I/O(PI/O)和区域I/O(AI/O)是两种倒装芯片结构。

倒装芯片结构与焊盘分配

以往研究已经明确了两种倒装芯片结构和两种焊盘分配方法，如图2所示。自由分配(FA)和预分配(PA)是两种焊盘分配方法，而外围I/O(PI/O)和区域I/O(AI/O)是两种倒装芯片结构。

两种焊盘分配方法的区别在于凸点焊盘和I/O焊盘之间的映射是否定义为输入。自由分配的问题是，每个I/O焊盘都可以自由分配到任意凸点焊盘，因此分配与布线需要一起考虑。而对预分配来说，每个I/O焊盘必须连接指定的凸点焊盘，因此需要解决复杂的交叉连接问题。预分配问题的解决比自动分配要难，但对设计师来说则更加方便。

两种倒装芯片结构分别代表不同的I/O布局图案。AI/O和PI/O的挑战分别在于将I/O放在中心区域和将I/O放在裸片外围。目前PI/O更加流行，因为它简单，设计成本低，虽然AI/O理论上可以提供更好的性能。

图3给出了一个PI/O例子。外围一圈绿色矩形代表I/O焊盘。红色和黄色圆圈代表电源和地凸点，而蓝色圆圈代表信号凸点。位于裸片中央的那些电源/地凸点被分类为网状类型，信号凸点被分类为栅格类型。

图3：重新布线层顶视图，图中显示了栅格图案的凸点焊盘和外围的I/O焊盘。

上述所有工作都集中在单层布线。它们将布线限制在一个金属层，每个网络都必须在这个层完成布线。一般的目标是尽可能地减少走线长度。优化算法需要在布通率为100%的前提下完成。这种方法被证明可以很好地解决每种重新布线层的布线问题，前提是存在单层解决方案。

实用的重新布线层布线方案

重新布线层布线和凸点分配都是额外的实现任务，它们有助于设计从线绑定过渡到倒装芯片。凸点分配的意思是将每个凸点分配到指定的I/O焊盘。由于对大多数设计来说I/O焊盘位于裸片外围，因此飞线和信号走线看起来像是从芯片中心到四周边界的网状图案。

图3显示的是一个使用两层重新布线层的真实比例设计例子。金属层10(M10)和金属层9(M9)完成所有信号网络布线，并分别实现电源/地(PG)网格和电源布线。通常有数量众多的信号网络需要布线。凸点焊盘的占用面积比较大，在布线阶段常被认为是影响布线的障碍。

图4：拥挤的重新布线层的布线解决方案。

图4(a)显示了一个拥挤的重新布线层例子，其中netA、netB……netF这6条网络显示为飞线。这种设计如此拥塞，以致于在单个层(如M10)上根本不可能达到100%的布通率。一种解决方案是增加重新布线层(如M10)的面积。这相当于增加裸片尺寸，如图4(b)所示。另外一种解决方案是再增加一层重新布线层(如M11)，如图4(c)所示。虽然从工程角度看具有实际可操作性，但从成本角度看两种解决方案都是不可接受的。

替代性框架

一种更实用的选项是被称为伪单层布线的概念，它要占用已有金属层(如M9)上的一小块区域。如果所占用的区域用于非性能关键功能，这种方法就具有可操作性，并且极具成本效益。

在图4(d)中，M9的一些区域(粉色区域)被用来完成布线。这里我们假设边界线(打点的灰线)和裸片边界之间的区域用于辅助布线。伪单层布线方法规避了成本问题，而且降低了拥挤布线的难度。虽然前述工作集中于单层布线，但伪单层布线在小块区域内使用了两层布线。

这种方法适用于重新布线层，因为M9通常用于连接电源地和I/O焊盘，而且最重要的M9功能是将电源平均分配到内核中的每个逻辑门。结果M9外围区域的重要性就没有中心区域高，使得信号网络能够与电源地网络共享M9外围区域。

图5：分别位于第9层和第10层的第一和第二个重新布线层。电源地网放置在M_inner^L9。可布线的区域是M_outer^L10 ∪ M_inner^L10 ∪ M_outer^L9。

重新布线层布线的问题表现在连接凸点焊盘Bi和输入/输出焊盘Oi之间的网络Ni。第一和第二个重新布线层分别是M9和M10，见图5。我们根据边界线将这个区域命名为内部/外部区域。整个重新布线层被划分为4个区：M_inner^L9、M_outer^L9、M_inner^L10和M_outer^L10。