DDR 接口在時鐘信號的上升沿和下降沿傳輸數據。該技術已被用作 DDR 同步動態隨機存取存儲器 （SDRAM）、微處理器前端總線、Ultra3 小型計算機系統接口 （SCSI） 和加速圖形端口總線的通信鏈路。在每個周期中，數據在時鐘的上升沿和下降沿進行采樣，最大數據頻率通常是時鐘頻率的兩倍。

DDR 技術的趨勢是朝著更高的數據速率和更低的電壓水平發展。為了使系統準確運行，必須優化其信號完整性性能并滿足某些最低要求。盡管 DDR2/DDR3 接口不如串行鏈路接口快，但信號完整性問題明顯更具挑戰性，DDR4 將成為更大的問題。這是由于這些接口的并行與串行性質。串擾和電源噪聲等信號完整性問題在并行接口中占主導地位，并且隨著數據速率的提高而逐漸惡化。

隨著行業轉向 DDR3 和更高的數據速率，可以可靠地對數據進行采樣的數據有效窗口或單位間隔 （UI） 穩步縮小，并且對信號完整性問題的敏感性急劇增加。在這些高數據速率下，封裝成為一個重要的考慮因素，尤其是在芯片互連方法方面。當前的 IDT DDR3 封裝配置為引線鍵合芯片。以下討論將重點介紹將 DDR3 裸片更改為倒裝芯片類型的好處，并展示由此產生的性能優勢。

DDR 接口挑戰

第一代 DDR 接口旨在以 400 Mtps 的最大數據速率發送和接收數據，相應的位周期或 UI 為 2.5 ns。這些接口通常使用 2.5 V 電源。當前的 DDR3 接口運行速度為 1，600 Mtps，而基于 DDR4 的系統預計運行速度為 3，200 Mtps。在該數據速率下，每個 UI 僅約 312.5 ps，電源電壓降至 1.2 V。

DDR 技術的這種演變為物理互連設計帶來了幾個挑戰：

縮短位周期：更短的位周期導致更短的建立和保持時間幀，使得時鐘和數據信號之間的時序難以滿足。

快速信號邊沿：為了適應不斷縮小的位周期，信號邊沿越來越尖銳，加劇了串擾和電源噪聲性能問題。

較低的電壓電平：對于 2.5 V 電源，5% 的噪聲容限導致芯片電源和接地節點的最大可接受噪聲電平為 125 mV。對于 1.2 V 電源，同樣 5% 的噪聲容限在相同的電源和接地節點上轉換為僅 60 mV 的可接受噪聲。互連設計和選擇成為滿足這些嚴格噪聲容限的關鍵組件。

封裝是整個系統互連的關鍵組成部分，不理想的封裝互連選擇會顯著降低器件性能。當前的 IDT DDR3 器件使用引線鍵合將芯片連接到封裝基板。引線鍵合的 3D 特性使得控制由攻擊信號發出的電磁場極其難以管理。一般來說，引線鍵合本質上是電感性的，兩條相鄰導線之間的互感是信號間串擾的主要貢獻者。感應焊線還會導致電源阻抗增加，從而導致芯片上的電源噪聲增加。

移除這些引線鍵合并將芯片到封裝互連轉換為倒裝芯片將消除信號完整性問題的一個關鍵來源，而不會影響整體封裝形狀因數。圖 1 顯示了兩種芯片到封裝互連類型的橫截面，所有其他特性都相同。

圖 1：兩種類型的芯片到封裝互連包括引線鍵合（左）和倒裝芯片（右）。

了解串擾

串擾是由于電磁信號能量通過互電容（電場耦合）和互感（磁場耦合）從一個導體泄漏到另一個導體而引起的。

電容串擾

在受害者-入侵者情況下，電容串擾將電流從入侵者線路注入到受害者線路上，串擾幅度與電壓變化率和兩條線路之間的互電容量成正比。注入的能量將分裂并流向受害線路的兩端——兩端是近端（靠近驅動器側）和遠端（靠近接收器側）。

感應串擾

由于互感耦合引起的串擾會在受擾線上感應出電壓，該電壓與驅動線上的電流變化率和兩個導體之間的互感大小成正比。由感應電壓引起的電流從遠端流向近端（根據楞次定律），與驅動線的方向相反。

在基于基板的封裝中，串擾可分為封裝互連的傳輸線部分的串擾和封裝互連的 3D 結構中的串擾，例如通孔、引線鍵合和焊球。在封裝結構的傳輸線部分，串擾主要是電磁的，而在 3D 部分則主要是感應的。對于大多數封裝應用，遠端串擾幾乎總是負面的，將來自封裝 3D 部分的感應串擾確定為主要的串擾機制。由于消除了引線鍵合（互感降低），封裝的倒裝芯片版本顯示的遠端串擾比引線鍵合版本少得多，如圖 2 所示。

圖 2：倒裝芯片封裝（紅線）在干擾線切換時在受擾線上產生的串擾比引線鍵合封裝（綠線）要小。

對模態延遲的串擾效應

信號通過導體的飛行時間取決于相鄰耦合導體的切換方式。隨著導體之間的串擾增加，這種飛行時間的差異會加劇。在多導體系統中，有三種可能的開關模式：靜音模式、奇數模式和偶數模式：

靜默模式：如果受擾信號的上升和下降時間與相鄰耦合的干擾信號不一致，或者受擾信號保持靜默，這種切換模式稱為靜默模式。

奇模式：如果相鄰耦合干擾源的上升和下降時間與受擾信號一致，并且如果干擾源與切換信號異相 180° 切換，則這種切換模式稱為奇模式。

偶數模式：當相鄰入侵者的開關與受害信號同相且同時，這種切換模式稱為偶數模式。

在耦合系統中，經歷奇模式切換的信號總是最早到達接收器，其次是處于安靜模式的信號，最后是經歷偶模式的信號。隨著串擾的增加，I/O 組中的切換信號之間的信號飛行時間擴展也會增加。在使用公共時鐘對多個并行信號位進行采樣的 DDR 類型系統中，這種由串擾引起的偏移的擴展會對可用于正確時鐘的建立和保持時間窗口產生不利影響。并且隨著數據速率隨著 UI 中的相關縮小而增加，減少串擾以改善建立/保持時間窗口將變得至關重要。

圖 3 比較了兩種封裝類型的模態延遲擴展。引線鍵合延遲更加分散，總模態延遲擴展為 41 ps，而倒裝芯片變化僅為 15 ps。由于 DDR4 應用程序的 UI 預計將是 DDR3 的一半，引線鍵合封裝的封裝偏差增加將使時序難以滿足，因此倒裝芯片將成為首選的互連選項。

圖 3：在模態延遲擴展的比較中，引線鍵合封裝比倒裝芯片封裝顯示出更大的延遲擴展，紅色為奇數模式，藍色為安靜模式，粉紅色為偶數模式。

向芯片供電

有效地向芯片供電需要降低從芯片電源和接地節點向外看的供電網絡的輸入阻抗。封裝類型和芯片到封裝基板互連技術是整個系統供電網絡的關鍵組成部分。封裝阻抗很大程度上取決于由電源和接地互連形成的環路面積以及所使用的芯片到封裝互連方法的類型。從該環路中消除引線鍵合可降低環路電感，從而將阻抗降低 50% 以上，從而降低芯片上的電源噪聲。降噪幅度將是最佳 DDR4 接口性能的要求。

由于采用 DDR4 將需要更嚴格的噪聲和時序預算，倒裝芯片將成為芯片到封裝互連的首選技術。在這些高數據速率下，固有的電感性引線鍵合會影響串擾、時序和電源噪聲性能。通過提供優于引線鍵合互連的關鍵優勢，倒裝芯片顯著提高了 DDR 接口的重要性能指標。

審核編輯：郭婷