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2.3 Si³P之interconnection

前面对Si³P中的第一个“i”——integration进行了详细阐述,下面对Si³P 中的第二个“i”——interconnection进行详细解读。

Interconnection中文翻译为“互联”,在这里我们理解为互联以及通过互联进行信息或能量传递。

对于SiP来说,互联主要可分为以下三个领域:

· 电磁互联(Interconnection of EM)

· 热互联(Interconnection of Thermo)

· 力互联(Interconnection of Force)

本节内容中会用到比较多的比喻来说明问题,虽然在严格物理意义上来说这些比喻未必精确,但却比较形象化,具有一定的画面感,便于形象记忆,也更容易被读者所理解。因此,需要读者积极开动大脑,充分发挥想象力。

图2-18所示为所有SiP设计都需要考虑的互联技术示意图。

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图2-18 所有SiP设计都需要考虑的互联技术示意图

2.3.1 电磁互联

电磁互联(interconnection of EM)研究的对象是信号。信号的传递是需要特定的路径的,这些路径就是SiP中属于不同网络的导体,这些导体包括芯片引脚、键合线、芯片的Bump(凸点)、基板中的布线、过孔、封装引脚等。那么,如何做到每个网络的导体互联都是最佳的呢?

1.网络优化

在SiP设计中,电磁互联的第一步就是互联关系的网络优化,这与IC和PCB设计不同。因为在SiP设计中,无论封装引脚是几十个、几百个还是几千个,都需要设计师对每个引脚的功能进行定义。那么,如何能做到最佳的定义呢?这就是网络优化需要关注的内容,网络优化的基本原则就是交叉最少、互联最短。

在有些EDA软件中有专门的网络优化工具,也可以通过软件自动交换引脚来优化互联关系。如果软件自动优化还不能满足要求,则可通过手动交换SiP封装引脚来达到网络互联最优的目的。图2-19所示为网络自动优化前后的比较。

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图2-19 网络自动优化前后的比较

网络优化完成后,需要将这些互联关系通过金属导体连接起来,这时候就需要用Bond Wire、Trace、Via、Bump等将芯片相同网络的引脚互连,以及从芯片引脚连接到SiP封装引脚,信号就是在这些金属导体上传输的。图2-20所示为信号从芯片到封装的传输路径。

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图2-20 信号从芯片到封装的传输路径

2.上升时间

信号伴随着信号所产生的电磁场一起传输,当信号在导体中传输时,它所产生的电场和磁场在其周围的介质中一同传输。

信号有两个“速度”,一个是其传输的物理速度,另一个是信号的变化速率。

信号传输的物理速度非常快,在真空中与光速相同(3×108 m/s),在基板中约为光速的1/2(有机材料)或1/3(陶瓷材料)。信号传输的物理速度与信号的频率无关。

信号的变化速率则是有慢有快,并且是可以控制的,通常以从低电平变化到高电平的时间来衡量,称之为上升时间。图2-21所示为信号上升时间和下降时间示意图。

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图2-21 信号上升时间和下降时间示意图

一般来说,信号上升时间并不是信号从低电平上升到高电平所经历的时间,而是其中的一部分时间。信号上升时间通常有两种定义:一种是信号从高电平的10%上升到90%所经历的时间。另一种是信号从高电平的20%上升到80%所经历的时间。

3.特征阻抗

信号沿着导体传输,导体通常被看作传输线。在分析传输线时,一定要考虑信号的返回路径,单根导体和信号回流路径一起构成传输线。

传输线的特征阻抗是指在信号传输过程中,传输线中某一点的瞬时电压和电流的比值,用Z0表示。信号在传输的过程中,如果传输路径上的特征阻抗发生变化,信号就会在阻抗不连续的点处产生反射。影响传输线特征阻抗的因素有介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度和表面粗糙度等。

通常,信号变化得越快,对特征阻抗的连续性要求越高。我们可以用汽车在公路上行驶来比喻信号在传输线上传输,如图2-22所示。将信号的变化率比作行驶中的汽车,将传输线比作公路,将特征阻抗的变化比作路况的变化。

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图2-22 用汽车在公路上行驶比喻信号在传输线上传输

如果路面平整(特征阻抗连续),汽车则会很平稳地前进(信号顺利传输);如果路面出现坑洼(阻抗不连续),汽车则可能发生颠簸(信号反射);如果路面出现大坑(严重阻抗不连续),汽车则可能驶出路面(信号传输失败)。如果车速快(高速信号),需要尽可能走高速公路(路面平整,阻抗连续性好),如果路面情况不好,则要尽可能降低车速(降低信号的上升时间)。

正如人们常说的,如果路况不好,车速就放慢一点,安全到达目的地就行。信号传输也是同样的道理,在满足功能的前提下,尽可能降低信号的变化率。同时,要优化并设计好信号的传输路径,对于设计人员来说,信号传输的道路是自己设计的,所以可以控制的参数更多一些。

传输线上的阻抗会受线宽、铜箔厚度、介电常数、介质厚度等多个参数的影响,所以在信号的传输过程中,传输路径上阻抗不连续的情况很普遍。例如,从芯片引脚(Die Pin)到键合线,从键合线到基板,布线穿越过孔切换到其他层,连接到封装引脚,从封装引脚到PCB,等等,都会或多或少地存在阻抗不连续的情况,但信号通常也能正常传输。正如路面虽有坎坷,车辆也能正常到达目的地,重要的是在不同的路面上行驶,要控制好合适的车速。针对不同类型的高速信号,则要规划、设计并建造好相应的“道路”。

4.信号完整性、串扰、延时和EMI

研究信号的传输,除了要理解特征阻抗,还需要深入理解信号完整性、串扰、延时和电磁干扰(EMI)。

信号完整性(Signal Integrity,SI)是指接收端能正确地辨识信号,从而做出正确的响应。当接收端不能正常响应或者信号质量不能使系统稳定工作时,就出现了信号完整性问题。有关信号完整性主要研究过冲、反射、时序、振荡、等方面的问题。图2-23所示为是信号完整性眼图。

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图2-23 信号完整性眼图

串扰(Crosstalk)研究的是信号线之间的耦合和干扰、信号线之间的互感和互容引起信号线上的干扰。

可以用下面的现象来比喻串扰:当我们乘坐高铁飞驰时,遇到旁边有一辆高铁相向而驰,车身会受到一股巨大的扰动力。这个扰动力主要由三个因素决定:①车速;②车间距;③车身长度。这个现象可以帮助我们理解串扰,串扰也主要由三个因素造成:①信号的上升时间(车速);②两根信号线的间距(车间距);③信号线并行的长度(车身长度)。

延时(Delay)指信号从发送端传输到接收端的时间差。虽然信号传输的速度很快,但是随着频率的提高,对延时的要求也越来越高。在有机材料基板中,介电常数接近4,信号的传输速度约为光速的1/2;在陶瓷基板中,介电常数接近9,信号的传输速度约为光速的1/3。一组信号为了达到相等的延时,通常采用蛇形绕线来控制,如图2-24所示。

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图2-24 通过蛇形绕线控制延时

虽然信号传输的速度很快,但如果时间很短,信号传输的距离也有限,如在1 ps内,信号在有机材料基板中的传输距离为0.15 mm,而在陶瓷基板中的传输距离仅为0.1 mm。如果在陶瓷基板上布线,长度差距1 mm,延迟为10 ps。

同一组高速信号,需要尽可能保持同样的延时,在就需要在布线中采取等长的策略,对于差分信号,N和P两根网络的延时也需要尽可能保持一致。

下面介绍电磁干扰/电磁兼容性(EMI/EMC)。EMI指电子设备在工作过程中,产生电磁波并向外发射,从而对设备其他部分或外部设备造成干扰。EMC指设备所产生的电磁能量既不对其他设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。

通常,EMI和信号完整性有强相关性,信号完整性好的信号EMI指标通常比较好,信号完整性较差的信号EMI指标也比较差。EMI/EMC研究的对象和信号完整性有些不同,信号完整性研究的对象通常在PCB或SiP基板级别,而EMI/EMC的研究对象通常为设备级别。

5.电源和地

介绍完信号传输的相关内容,接下来介绍电源和地(Power and Ground)。

电源和地也是一类特殊的信号,一般以平面层的形式出现,并作为信号的参考平面,传输线的回流路径通常是信号在参考平面上投影。如果参考平面不完整,信号的投影被切断,回流路径出现问题,同样会产生信号完整性问题。

电源完整性(Power Integrity,PI)和信号完整性相对应。随着系统复杂程度的提高,电源轨的增多以及对电源要求的提高,电源平面通常要分割成很多小块,随之出现了电源完整性的概念。

PI研究通常包括直流(Direct Current,DC)分析和交流(Alternating Current,AC)分析。DC分析主要研究电源的压降和电流密度,确保器件能够正常供电,同时基板的局部不能电流密度过大,可以通过修改平面层分割形状、增加过孔、加粗布线来优化。AC分析主要研究的是平面层阻抗、电源纹波、平面层噪声等问题,可以通过合理地电容分配,平面层位置/平面层形状的调整来进行优化。

下面对SiP中的电磁互联做总结。

当我们用一辆行驶中的车辆来比喻信号传输时,首先要规划好行车路线(网络优化),然后把路修平整(阻抗控制布线),接着要控制好车速(缩短信号上升时间),还要考虑行车间距(防止串扰),保证不干扰其他车辆也不受其他车辆干扰(EMI/EMC)。如果组队出行,车辆相互之间不要距离太远(控制同组网络的延时差)。另外,还要考虑其他因素,例如,加满燃油、充满电、天气不能太恶劣等环境因素(供电电源的稳定性、参考地平面的完整性),只有这样才能顺利到达目的地(信号传输成功)。

2.3.2 热互联

热互联(interconnection of Thermo)与电磁互联的不同之处在于,电磁互联需要关注特定的网络布线,而热互联需要有更为广泛的视角。在SiP设计中,热互联一般主要通过选择合适的导热材料来实现,此外,热互联有时也需要设计特定的热通道。

热的传递方式有传导、对流和辐射三种,在SiP中,热传递的方式以传导为主。

在SiP内部,裸芯片(Bare Chip)是主要的发热源;大电流在传输的过程中也会使导体发热,是次要的发热源。

1.传热比拟

关于SiP中的热传递,我们可以想象成泉水漫过大地。泉眼就是发热源,水从泉眼涌出向四面八方流动,水更容易流向地势低的地方(热阻小)。水流经过水泥地、草地、沙地等(代表不同的导热层),有的地方水流速度快(热阻小),有的地方水流速度慢(热阻大),有的地方存的水多(热容大),有的地方存的水少(热容小)。最终,水会流入大海(热容无限大)。图2-25所示为通过泉水流过大地比喻SiP中的热传递示意图。

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图2-25 通过泉水流过大地比喻SiP中的热传递示意图

2.热结构函数曲线

图2-26所示为热结构函数曲线,该曲线可以表示热阻与热容的关系。

热结构函数曲线的横坐标代表热阻,由不同层的热阻叠加;纵坐标代表热容,由不同层的热容叠加。曲线从裸芯片的有源区开始,到外界的空间结束。

因为不同材料的热阻和热容的不同,热结构函数曲线的斜率会随材料变化而变化,曲线上的拐点是不同材料的分界点,这种特性可以帮助我们分析SiP封装结构中出现的缺陷。例如,某个SiP的热结构函数曲线和大样本值发生了明显偏离,说明在这一层出现了空洞、接触不良等缺陷。

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图2-26 热结构函数曲线

有了热结构函数曲线,就可以通过特定的测试方法(人为制造结构函数曲线分离点的方法)得到芯片或者SiP的结壳热阻(Junction to Case),以及结到空气的热阻(Junction to Air)。

有效控制热传递过程中不同材料层的热阻和热容,就可以解决SiP中的热互联和热传递问题。SiP中通常有多个芯片(发热源),我们可以想象成有多个“泉眼”一起涌出泉水并流过不同类型的地面,这比单个发热源的传热情况要复杂一些,但其道理是相通的。

3.特别散热通道

在SiP中还有一种情况,个别芯片的功耗非常大,需要通过特别的散热通道进行散热,如图2-27所示。图中芯片1和芯片2的功耗非常大,普通的散热通道无法解决其散热问题,可为其设计特别的散热通道。通过金属连接块将芯片直接与热沉相连,可以最大限度地减小热阻,顺利地将热量散发出去,其他芯片采用常规设计即可。

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图2-27 通过特别的散热通道进行散热

在实际项目中,这种设计方法取得了良好的散热效果,但这种方法结构复杂、成本高。另外,金属连接块和壳体的气密性也需要特殊的工艺,所以还要酌情使用。

简言之,热互联就是将芯片散发的热量及时且有效地导出到外部空间,降低SiP内外温度差,保证芯片的结温不超过限定的温度。

2.3.3 力互联

力互联(interconnection of Force)包括外部力(来自SiP外部的力)和内部力(内部产生的力)。

对SiP设计来说,考虑力互联主要的关注点是不同器件或不同材料的接触面。外部力主要来自冲击、震动、加速度等。内部力主要来自相对变形,产生相对变形最主要的原因是温度的变化。

1.外部力

下面介绍外部力(External Force)的影响。

当手机从高处跌落地面时,手机受到的冲击会传递到电路板进而传递到SiP及其内部的裸芯片;当汽车行驶在颠簸的路面时,车载电子设备受到的震动会传递到电路板进而传递到SiP及其内部的芯片;当火箭或导弹从发射台起飞时,产生的加速度会传递到电路板进而传递到SiP及其内部的芯片。

由于物体本身惯性的影响,当源于外部的冲击、震动或加速度作用于SiP时,会产生形变,当形变超过材料的承受能力时,就会发生物理损坏。对于SiP来说,最容易发生形变的地方是不同材料的连接处,如键合点、倒装焊凸点、SiP封装的引脚等处。另外,陶瓷封装或者金属封装内部为空腔结构,键合线处于两端支撑、中间悬空的状态,也容易在冲击、震动或加速度的作用下发生形变。

为了应对外部力对SiP的影响,一般需要做到以下几点:

① SiP器件的质量不能超标,要严格控制器件选用的的材料和尺寸,如果质量超标,则要考虑结构上的加固措施。

② SiP内部器件固定采用的胶或者焊接材料,也需要通过试验验证其强度是否能满足冲击、震动、加速度的要求。

③ 需要严格控制键合线的长度和弯曲形状,避免由于冲击、震动产生形变而搭丝的现象。通常不同丝径键合线的最大长度有严格的规定,长度超过限定的键合线,在塑封灌胶时,容易被塑封胶体的流动冲击发生形变或者断开;在陶瓷或者金属封装中,则会造成塌丝现象,或者在剧烈震动时互相碰撞搭丝从而发生短路。

④ 在选用SiP封装的引脚类型时也要充分考虑其承受力的情况,质量越大的SiP,越需要强有力的引脚来支撑和固定。例如,质量和尺寸比较大的SiP,一般多采用插针式的PGA安装在PCB板上,由于PCB表面的承载力有限,表面贴装技术(如BGA或CGA)需要慎重选择。

2.内部力

内部力(Internal Force)主要来源于相对形变,几乎所有的材料都有热胀冷缩的特性,但不同材料热胀冷缩的程度不同。热膨胀系数是用来描述物体单位温度变化所导致的长度变化的参数,热膨胀系数不同的材料结合在一起,会由于温度的变化而产生相对形变,从而产生相互作用力。

此外,SiP中不同的部件也会由于温度的不同而导致其相对形变,从而产生相互作用力。例如,器件发热导致膨胀,而安装基板并未发热,因而器件相对尺寸变大,产生热应力,在引脚处引起形变。

需要注意的是,温度的变化一般是反复的、长期的,即使短期内的物理形变并没有损坏器件,但长期的疲劳变形会导致器件损坏,所以设在计时需要考虑足够的余量。

在SiP内部,由于热而产生的相对形变很常见,因此,芯片和基板的接触面、中介层、倒装焊凸点等都是需要重点考虑的。同时,要考虑SiP本身和其安装的PCB板也会由于热膨胀系数的不同导致SiP引脚变形而产生应力。通过键合线进行电气连接的芯片一般通过胶或者胶膜固定在SiP基板上,其固定胶或者胶膜都需要经过严格的热冲击和热循环试验。对于倒装焊芯片,为了缓冲应力集中,在倒装焊芯片的底部,需要底部填充(Underfill)填充胶。

在SiP外部,SiP的引脚和PCB的接触点的形变,则是需要重点考虑的。

这里有一个引脚类型的选择问题,例如,我们通常看到的QFN(Quad Flat No-leads Package,方形扁平无引脚封装)尺寸都很小,LCC(Leaded Chip Carrier,有引线芯片载体)尺寸可以稍大,QFP(Quad Flat Package,方形扁平封装)则可以做得更大,其原因在于,不同的引脚类型可以承受的相对变形大小是不同的。所以在选择SiP封装类型时,要充分考虑不同类型的封装引脚可以承受的变形能力。一般来说,封装尺寸越大,引脚需要承受的变形能力也要越强。

图2-28所示为QFN封装与QFP封装引脚的比较,可以看出QFP封装的引脚可以承受较大的变形,因此QFP可应用在尺寸较大的封装上,而QFN封装引脚由于承受变形的能力非常有限,所以只能用在小尺寸封装上。

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图2-28 QFN封装QFP封装引脚的比较

SiP中的芯片通过胶(Bond Wire Chip)或者Bump(Flip Chip)固定在SiP基板上,SiP本身也通过引脚固定在PCB板上。

可以将力互联想象成这样的情景:芯片的引脚或者SiP的引脚固定后是不能移动的,就如同我们双脚站在黏性很大的地面上。如果受到外力的拉扯(例如有人在推你或者在拉你),我们腿部和身体都可以承受一定的变形,但如果外力太大,我们的脚就可能从鞋子中脱离(芯片引脚和与基板分离)。所以,除了鞋子要结实(引脚强度大),鞋带要系好(焊接强度大),我们的腿和身体所能承受的变形也是有一定程度的(器件体和引脚承受变形的能力),太大的变形或者力,再结实的鞋子也会脱落(引脚脱落)。

2.3.4 互联(interconnection)小结

对于一个SiP来说,互联主要可分为以下三个领域:

· 电磁互联(interconnection of EM);

· 热互联(interconnection of Thermo);

· 力互联(interconnection of Force)。

每一种互联都足够重要,都是SiP成功的关键因素,用形象的语言总结一下,对SiP中的互联来说:

· 电,如同城市繁忙车流——四通八达;

· 热,如同泉水涌过大地——有缓有急;

· 力,如同双脚踩着黏泥——站住了别挪窝。

集成(Integration)是SiP技术发展的基础,互联(interconnection)是SiP技术发展的关键,后面要继续讨论Si³P中的智能(intelligence),同样是SiP技术的精髓所在。