Si3P 之 interconnection
文 章 導(dǎo) 讀在本公眾號(hào)前面一期的文章中,本文作者首次提出一個(gè)新的概念:Si3P,用于加深對(duì)SiP含義的理解,其目的是為了使讀者更為深入,更為全面、更為系統(tǒng)化地理解SiP中包含的相關(guān)技術(shù)。在這篇文章中,作者就Si3P中的interconnection做詳細(xì)解讀,是為深入解讀Si3P的第二篇文章。
在首次提出Si3P?概念后,受到了大多數(shù)讀者的肯定,但也有人認(rèn)為是在玩文字游戲,具體情況到底如何呢?上一篇文章中,我們對(duì)Si3P?中的第一個(gè)i,integration進(jìn)行了詳細(xì)闡述,受到了很多讀者的好評(píng)。
下面,我們就對(duì)Si3P?中的第二個(gè)i,interconnection進(jìn)行詳細(xì)解讀。interconnection中文翻譯為“互聯(lián)”,在這里我們理解為互聯(lián)以及通過(guò)互聯(lián)進(jìn)行信息或能量傳遞的含義。
對(duì)于一顆SiP來(lái)說(shuō),互聯(lián)主要可分為以下三個(gè)領(lǐng)域:
- 電磁互聯(lián)(interconnection of EM)
- 熱互聯(lián)(interconnection of Thermo)
- 力互聯(lián)(interconnection of Force)

在這篇文章中,我們會(huì)用比較多的比擬手法來(lái)說(shuō)明問(wèn)題,雖然在嚴(yán)格物理意義上來(lái)說(shuō)未必精確,但卻比較形象化,具有一定的畫(huà)面感,便于形象記憶,也更容易被讀者所理解(要積極開(kāi)動(dòng)大腦,充分發(fā)揮您的想象力哦)!
?? ?1 ??電 磁 互 聯(lián)(interconnection of EM)
電磁互聯(lián),研究的對(duì)象是信號(hào)。信號(hào)的傳遞,是需要特定的路徑的,這些路徑就是SiP中屬于不同網(wǎng)絡(luò)的的導(dǎo)體,這些導(dǎo)體包含Die pin、鍵合線、芯片的Bump、基板中的布線、過(guò)孔、封裝引腳等。那么,如何做到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)體互聯(lián)最佳呢?在SiP設(shè)計(jì)中,電磁互聯(lián)的第一步就是互聯(lián)關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,這是和IC設(shè)計(jì)及PCB不同設(shè)計(jì)所不同的。因?yàn)樵赟iP設(shè)計(jì)中,無(wú)論封裝引腳是幾十個(gè)、幾百個(gè)甚至幾千個(gè),都是需要設(shè)計(jì)師來(lái)對(duì)每個(gè)引腳的功能進(jìn)行定義的。那么,如果能做到最佳的定義呢?這就是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要關(guān)注的內(nèi)容,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基本原則就是交叉最少,互聯(lián)最短。有些EDA軟件中有專門的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具,也可以通過(guò)軟件自動(dòng)交換引腳來(lái)優(yōu)化互聯(lián)關(guān)系。


信號(hào)的傳輸是伴隨著信號(hào)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)一起傳輸,信號(hào)在導(dǎo)體中進(jìn)行傳輸,它所產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在其周圍的介質(zhì)中和信號(hào)一起在傳輸。信號(hào)有兩個(gè)"速度",一個(gè)是其傳遞的物理速度,另一個(gè)是指其變化的速率。信號(hào)傳輸?shù)奈锢硭俣群芸?,在真空中和光速相?x10^8m/s,在基板中約為光速的1/2(有機(jī)材料)或者1/3(陶瓷材料),即使這樣也是很快的,一秒鐘,在陶瓷基板中傳輸?shù)男盘?hào)至少繞地球2圈半了,有機(jī)材料中的則超過(guò)3圈半了。此外,信號(hào)傳輸?shù)奈锢硭俣?/span>和信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。信號(hào)的變化速率則是有慢有快,并且是可以控制的,通常以從低電平變化到高電平的時(shí)間來(lái)衡量,稱之為上升時(shí)間。上升時(shí)間一般來(lái)說(shuō),信號(hào)上升時(shí)間并不是信號(hào)從低電平上升到高電平所經(jīng)歷的時(shí)間,而是其中的一部分。對(duì)于信號(hào)上升時(shí)間通常有兩種:第一種定義為10-90上升時(shí)間,即信號(hào)從高電平的10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間。另一種是20-80上升時(shí)間,即信號(hào)從高電平的20%上升到80%所經(jīng)歷的時(shí)間。

特征阻抗信號(hào)沿著導(dǎo)體進(jìn)行傳輸,導(dǎo)體通常被看作傳輸線。分析傳輸線時(shí),一定要考慮其返回路徑,單根的導(dǎo)體和其回流路徑一起構(gòu)成傳輸線。傳輸線的特征阻抗是指信號(hào)傳輸過(guò)程中,傳輸線中某一點(diǎn)的瞬時(shí)電壓和電流的比值,用Z0表示:



我可以用一個(gè)現(xiàn)象來(lái)比擬串?dāng)_,當(dāng)我們乘坐高鐵飛馳時(shí),遇到迎面有高鐵通過(guò),車身會(huì)受到一股巨大的擾動(dòng)力,這個(gè)擾動(dòng)力主要由三個(gè)因素決定:1車速、2車間距、3車身長(zhǎng)度,這個(gè)現(xiàn)象可以幫助我們理解串?dāng)_,因?yàn)榇當(dāng)_也主要是由三個(gè)因素造成:1信號(hào)的上升時(shí)間,2兩個(gè)信號(hào)線的間距,3信號(hào)線并行的長(zhǎng)度。



電源和地(Power and Ground)了解完信號(hào)傳輸?shù)南嚓P(guān)內(nèi)容,我們?cè)賮?lái)看看電源和地。電源和地也是一類特殊的信號(hào),一般以平面層的形式出現(xiàn),并作為信號(hào)的參考平面,傳輸線的回流路徑通常是信號(hào)在參考平面上投影。如果參考平面不完整,信號(hào)的投影被切斷,回流路徑出現(xiàn)問(wèn)題,同樣會(huì)產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題。
電源完整性PI(Power?Integrity),和信號(hào)完整性SI相對(duì)應(yīng)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高,電源軌的增多以及對(duì)電源要求的提高,電源平面通常要分割成很多小塊,出現(xiàn)了電源完整性PI的概念。PI研究通常包括直流DC(Direct Current)分析和交流AC(Alternating Current)分析。

SiP中,電磁互聯(lián)(interconnection of EM)的目的是為了信號(hào)的傳遞,其關(guān)鍵如下:首先要規(guī)劃好行車路線(網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化),然后把路修平整(阻抗控制布線),其次要控制好車速(降低信號(hào)上升時(shí)間),還要考慮行車間距(防止串?dāng)_),規(guī)范行駛不干擾他車也不受他車干擾(EMI/EMC),如果組隊(duì)出行相互距離不要拉的太大(控制同組網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)差),另外,還要考慮其它因素,例如加滿燃油,充滿電,天氣不能太惡劣等重要因素(供電電源、地平面的完整性),只有這樣,我們才能順利到達(dá)目的地(信號(hào)傳輸成功)!
?? ?2 ??熱 互 聯(lián)(interconnection of Thermo)
和電磁互聯(lián)需要關(guān)注特定的網(wǎng)絡(luò)布線不同,熱互聯(lián)則需要有更為概括的視角。在SiP設(shè)計(jì)中,熱互聯(lián)一般主要通過(guò)選擇合適的導(dǎo)熱材料來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)然,有時(shí)候也需要設(shè)計(jì)特定的熱通道。熱的傳遞方式有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種,在SiP中,熱傳遞的方式以傳導(dǎo)為主。
在SiP內(nèi)部,裸芯片Bare Chip是主要的發(fā)熱源,此外,大電流在傳輸?shù)倪^(guò)程中也會(huì)使得導(dǎo)體發(fā)熱,是次要的發(fā)熱源。關(guān)于SiP熱量的傳遞方式,我們可以想象成泉水涌過(guò)大地。泉眼就是發(fā)熱源,水從泉眼涌出向四面八方流動(dòng),水更容易流向地勢(shì)低的地方(熱阻?。?,流過(guò)的地面有:水泥地,草地,沙地等(代表不同的導(dǎo)熱層)。有的地面水流的快(熱阻小),有的地面水流的慢(熱阻大),有的地面存的水多(熱容大),有的存不住多少水(熱容小),最終,水會(huì)流入大海(熱容無(wú)限大)。

這樣,我們就可以得到一個(gè)代表熱阻和熱容的曲線,稱之為熱結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線。

熱結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的橫軸代表熱阻,是由不同層的熱阻疊加,縱軸代表熱容,是由不用層的熱容疊加。
因?yàn)椴煌牧系臒嶙韬蜔崛莸牟煌?,熱結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線的斜率會(huì)隨材料變化而不同,曲線上的拐點(diǎn)則是不同材料的分界點(diǎn),這種特性可以幫助我們分析SiP封裝結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的缺陷,例如,某個(gè)SiP的熱結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線和大樣本值發(fā)生了明顯偏離,則說(shuō)明在這一層出現(xiàn)了空洞、接觸不良等缺陷。有了熱結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線,我們就可以通過(guò)特定的測(cè)試方法(人為制造結(jié)構(gòu)函數(shù)曲線分離點(diǎn)的方法),得到芯片或者SiP的結(jié)殼熱阻(Junction to Case),以及結(jié)到空氣的熱阻(Junction to Air)。有效控制熱傳遞過(guò)程中不同材料層的熱阻和熱容,就可以解決SiP中的熱互聯(lián)和熱傳遞問(wèn)題。
SiP中通常有多個(gè)芯片(發(fā)熱源),我們就可以想象成有多個(gè)泉眼,一起涌出泉水并流過(guò)不同類型的地面,這比單個(gè)發(fā)熱源的傳熱情況要復(fù)雜一些,但其道理是相通的。
特別散熱通道
在SiP中還有一種情況,個(gè)別芯片的功耗非常大,需要有專門的散熱通道,這可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)特殊的散熱通道,如下圖所示:

?? ?3 ??力 互 聯(lián)(interconnection of Force)
力互聯(lián),需要考慮來(lái)自SiP封裝外部的力和內(nèi)部產(chǎn)生的力。對(duì)SiP設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),考慮力互聯(lián)主要的關(guān)注點(diǎn)是在不同器件或者不同材料的接觸面。外部的力主要來(lái)源于沖擊、震動(dòng)、加速度等。內(nèi)部的力主要來(lái)源于相對(duì)的變形,產(chǎn)生相對(duì)變形最主要的原因是溫度的變化。外部力首先我們來(lái)看看外部力的影響,當(dāng)一枚手機(jī)從高處跌落到地面,手機(jī)受到的沖擊會(huì)傳遞到電路板進(jìn)而傳遞到SiP及其內(nèi)部的裸芯片;




還有,SiP封裝的引腳類型的選用也要充分考慮其承受力的情況,越是重量大的SiP,越需要強(qiáng)有力的引腳來(lái)支撐和固定。例如,重量和尺寸比較大的SiP,一般多采用插針式的PGA安裝在PCB板上,表面貼裝如BGA或者CGA由于PCB表面的承載力有限而不建議使用。
內(nèi)部力
內(nèi)部力主要來(lái)源于相對(duì)變形,幾乎所有的材料都有熱漲冷縮的特性,但不同材料的熱漲冷縮的程度不相同,熱膨脹系數(shù)CTE(coefficient of thermal expansion)就是用來(lái)描述單位溫度變化所導(dǎo)致的長(zhǎng)度量變化的參數(shù),CTE不同的材料結(jié)合在一起,會(huì)由于溫度的變化而產(chǎn)生相對(duì)變形從而產(chǎn)生相互的力。此外,不同的部分也會(huì)由于溫度本身的不同也導(dǎo)致其變形的不同,從而產(chǎn)生相互的力,例如下圖,器件發(fā)熱導(dǎo)致膨脹,而安裝基板并未發(fā)熱,因而器件相對(duì)尺寸變大,導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力,在引腳處引起變形。

另外,需要注意的是,溫度的變化一般是反復(fù)的、長(zhǎng)期的,即使短期內(nèi)的物理變形并沒(méi)有損壞器件,而長(zhǎng)期的疲勞變形會(huì)導(dǎo)致器件損壞,所以設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮足夠的余量。在SiP內(nèi)部,由于熱而產(chǎn)生的相對(duì)變形很常見(jiàn),因此,對(duì)于芯片和基板的接觸面,Interposer,倒裝焊凸點(diǎn)等都是需要重點(diǎn)考慮的,同時(shí),要考慮SiP本身和其安裝的PCB板也會(huì)由于CET不同而導(dǎo)致SiP引腳的變形和產(chǎn)生應(yīng)力。通過(guò)鍵合線進(jìn)行電氣連接的芯片一般通過(guò)膠或者膠膜固定在SiP基板上,其固定膠或者膠膜,都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的熱沖擊和熱循環(huán)試驗(yàn)。對(duì)于倒裝焊芯片,為了緩沖應(yīng)力集中,在倒裝焊芯片的底部,需要填充underfill 填充膠。



SiP中的芯片通過(guò)膠 (Bond Wire Chip)或者引腳(Flip Chip)固定在SiP基板上,SiP本身也通過(guò)引腳固定在PCB板上。我們可以將力互聯(lián)想象成這樣一種情景:芯片的引腳或者SiP的引腳固定后是不能移動(dòng)的,就如我們雙腳站在粘性很大的地面上。如果受到外力的拉扯(例如有人在推或者拉你),我們腿部和身體都可以承受一定的變形,但如果外力太大,我們的腳就可能從鞋子中脫離(芯片引腳和基板分離)。所以,除了鞋子要結(jié)實(shí)(引腳強(qiáng)度),鞋帶要系好(焊接強(qiáng)度),我們的腿和身體承受的變形也是有一定程度的(器件體和引腳承受變形的能力),太大的變形或者力,再結(jié)實(shí)的鞋子也會(huì)脫落(引腳脫落)!
?? ?4 ??總 結(jié)(in a nut shell)
對(duì)于一顆SiP來(lái)說(shuō),互聯(lián)interconnection主要可分為以下三個(gè)領(lǐng)域:電磁互聯(lián)(interconnection of EM)熱互聯(lián)(interconnection of Thermo)力互聯(lián)(interconnection of Force)這里,每一種互聯(lián)都足夠重要,都是SiP成功的關(guān)鍵因素!最后,我們用形象的語(yǔ)言總結(jié)一下,對(duì)SiP中的互聯(lián)interconnection來(lái)說(shuō):電,如城市繁忙車流——四通八達(dá);熱,如泉水涌過(guò)大地——有緩有急;力,如雙腳踩著黏泥——站住了別挪窩!
最后,需要提醒讀者注意的是:集成-Integration是SiP技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)(Foundation),互聯(lián)-interconnection是SiP技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵(Hinge),后面我們要繼續(xù)討論Si3P中的?intelligence智能,同樣是SiP技術(shù)的精髓所在。請(qǐng)關(guān)注本公眾號(hào)后面的文章!
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Si3P 之 integration
- 電,如城市繁忙車流,四通八達(dá)
- 熱,如泉水涌過(guò)大地,有緩有急
- 力,如雙腳踩著黏泥,站住了別挪窩
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