(A) study on signal integrity in high density universal chiplet interconnect

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The silicon bridge, a 2.5D packaging technology, currently implements interconnections through Micro Bump bonding. This study investigated the impact of pad size, wiring structure, length, and material on signal transmission characteristics when applying hybrid bonding to the silicon bridge to achieve 3.5D packaging technology. Based on the Bump Map pad structure specified in the UCIe Standard, the channel wiring was designed with Curved and Straight routing structures, and the pad size was swept across diameters of 25, 20, 12.5, 5, and 2 μm. For pads with a diameter of 25 μm, the pad material was limited to Sn-Ag Micro Bump, and the channel length was set to 5 mm to verify signal integrity (SI) according to the UCIe Standard SI specifications. The findings demonstrate that satisfying all conditions of the UCIe Standard inherently requires misalignment between the pad regions of chips. If misalignment is not permitted, a Curved routing structure must be used for the bridge wiring. Furthermore, under the condition of identical width and spacing of the bridge wiring, a maximum of 1.7 μm was feasible, highlighting the need for further development to improve crosstalk performance. This study confirms that when establishing chiplet interface standards based on the UCIe Standard, additional structural conditions for the interconnection map or considerations of signal integrity during map design must be incorporated.

국문 초록 (Abstract)

2.5D 패키지 기술인 실리콘 브릿지는 현재Micro Bump 본딩을 통한 연결을 구현하고 있다. 실리콘 브릿지에 하이브리드 본딩을 적용하여 3.5D 패키지 기술을 구현할 경우 패드의 사이즈, 배선의 형태, 길이, 재료의 신호전달특성 영향 비교를 진행하였다. UCIe Standard에서 제시한 Bump Map 패드 구조를 기준으로 채널 배선의 라우팅 구조를 Curved/Straight 구조로 설계하고, 패드 사이즈를 직경 25/20/12.5/5/2 um로 Sweep진행하고, 25um일 때 기준으로 패드 재료만 Micro Bump의 Sn-Ag일 경우와 채널 길이가 5mm일 경우로 하여 UCIe Standard의 SI Spec 기준에 맞게 SI확인을 진행하였다. 이 연구를 통해 UCIe Standard의 모든 조건을 만족시키기 위해서는 칩 간의 패드 영역사이의 오정렬이 필연적으로 존재해야만 하며, 오정렬을 허용하지 않을 경우 브릿지 배선에 Curved 라우팅 구조를 사용해야만 하고, 브릿지 배선의 Width/Spacing이 동일할 경우를 기준으로 최대 1.7um까지 사용이 가능하고, Crosstalk 개선을 위한 개발 필요성을 확인하였다. 본 논문은 UCIe를 기준으로 진행한 결과 칩렛 인터페이스 규격을 제시할 때 interconnection map에 대한 구조적인 조건의 추가 또는 map 설계 시 신호무결성에 대한 고려가 추가적으로 필요한 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Background 4
• 2.1. SiP 4
• 2.2. Si Bridge 5
• A. Compare to Si Interposer 6
• 2.3. Signal Integrity 7
• A. Insertion Loss / Return Loss (IL/RL) 8
• B. Cross Talk (XT) 9
• C. Eye Diagram 10
• 2.4. Shielding 11
• 2.5. SnGn Structure 12
• 2.6. PAD Structure 13
• 2.7. UCIe Standard 14
• 2.8 Hybrid Bonding 15
• 3. Proposal 16
• 3.1 UCIe Standard Condition 16
• 3.2 Trace Channel Structure 17
• 3.3 Pad Area Routing Structure 23
• 3.4 Proposal Structure 26
• 3.5 Simulation Setting 29
• 4. Simulation Result 31
• 4.1. Straight Routing Structure 31
• A. Micro Bump VS Cu Bonding 31
• B. Pad Size Sweep 33
• C. 5mm Channel Reach 36
• 4.2. Curved Routing Structure 39
• A. Micro Bump VS Cu Bonding 39
• B. Pad Size Sweep 41
• C. 5mm Channel Reach 44
• 4.3. Result Summary 47
• A. S12 Result Table 47
• B. S22 Result Table 49
• 4.4. Result Analysis 51
• 4.5. MPW for Simulation Validation 53
• 5. Conclusion 55
• References 57
• Korean Abstract 59