Si3P 之 interconnection

rc="https://img.21ic.com/weixin/tr/2021-08/12/021azjqd083.jpg">

文 章 導(dǎo) 讀

在本公眾號前面一期的文章中，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。

下面，我們就對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)以及通過互聯(lián)進(jìn)行信息或能量傳遞的含義。

對于一顆SiP來說，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，我們會用比較多的比擬手法來說明問題，雖然在嚴(yán)格物理意義上來說未必精確，但卻比較形象化，具有一定的畫面感，便于形象記憶，也更容易被讀者所理解（要積極開動大腦，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)，研究的對象是信號。

信號的傳遞，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)師來對每個(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，也可以通過軟件自動交換引腳來優(yōu)化互聯(lián)關(guān)系。

如果軟件自動優(yōu)化還不能滿足要求，則可通過手動交換SiP封裝引腳而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)最優(yōu)。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化完成后，需要將這些互聯(lián)關(guān)系通過金屬導(dǎo)體連接起來，這時(shí)候我們就需要用鍵合線、布線、過孔等，將芯片同網(wǎng)絡(luò)的引腳互聯(lián)以及從芯片引腳連接到SiP封裝引腳，信號就是在這些金屬導(dǎo)體上進(jìn)行傳輸。

信號的傳輸是伴隨著信號所產(chǎn)生的電磁場一起傳輸，信號在導(dǎo)體中進(jìn)行傳輸，它所產(chǎn)生的電場和磁場在其周圍的介質(zhì)中和信號一起在傳輸。

信號有兩個(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)男盘栔辽倮@地球2圈半了，有機(jī)材料中的則超過3圈半了。此外，信號傳輸?shù)奈锢硭俣?/span>和信號的頻率無關(guān)。

信號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)間來衡量，稱之為上升時(shí)間。

上升時(shí)間

一般來說，信號上升時(shí)間并不是信號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。對于信號上升時(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，即信號從高電平的20%上升到80%所經(jīng)歷的時(shí)間。

特征阻抗信號沿著導(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傳輸過程中，傳輸線中某一點(diǎn)的瞬時(shí)電壓和電流的比值，用Z0表示：信號在傳輸?shù)倪^程中，如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化，信號就會在阻抗不連續(xù)的點(diǎn)產(chǎn)生反射。影響傳輸線特性阻抗的因素有：介電常數(shù)、介質(zhì)厚度、線寬、銅箔厚度，表面粗糙度等。通常，信號變化的越快，對特征阻抗的連續(xù)性要求越高。我們可以將信號的變化率比擬成行駛中的汽車，傳輸線比擬成公路，特征阻抗的變化比擬成路況的變化。

如果特征阻抗連續(xù)，汽車則會很平穩(wěn)地前進(jìn)，如果路面出現(xiàn)坑洼（阻抗不連續(xù)），汽車則可能發(fā)生顛簸（信號反射），如果路面出現(xiàn)大坑（嚴(yán)重阻抗不連續(xù)），汽車則可能駛出路面（信號傳輸失?。?。如果車速快（高速信號），需要盡可能走高速公路（路面平整，阻抗連續(xù)性好），如果路面情況不好，則盡可能降低車速（降低信號的上升時(shí)間）。正如人們常說的，如果路況不好，車速就放慢一點(diǎn)，安全到達(dá)目的地就行。信號傳輸也是同樣的道理，在滿足功能的前提下，盡可能降低信號的變化率。同時(shí)，要優(yōu)化并設(shè)計(jì)好信號的傳輸路徑，對于設(shè)計(jì)師來說，信號傳輸?shù)牡缆肥俏覀冏约哼M(jìn)行設(shè)計(jì)，所以可以控制的東西更多一些。傳輸線上的阻抗會受到線寬、銅厚、介質(zhì)參數(shù)、介質(zhì)厚度等多個(gè)參數(shù)的影響，所以在信號的傳輸過程中，傳輸路徑上阻抗不連續(xù)很普遍。例如，從芯片引腳Die pin到Bond Wire，從Bond Wire到基板，布線穿過過孔，切換到其它的層，連接到封裝引腳，從封裝引腳到PCB，等等，都會或多或少地存在阻抗不連續(xù)，但信號通常也能正常傳輸。正如路面雖有不平整，車輛也能正常到達(dá)目的地，重要的是在不同的路面上行駛，要控制好合適的車速。針對不同類型的高速信號，則要規(guī)劃、設(shè)計(jì)并建造好相應(yīng)的“道路”。研究信號的傳輸，除了理解特征阻抗，還需要深入理解信號完整性、串?dāng)_、延時(shí)和EMI。信號完整性SI（Signal Integrity），是指接收端能正確地辨識信號，從而做出正確的響應(yīng)。當(dāng)接收端不能正常響應(yīng)或者信號質(zhì)量不能使系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，就出現(xiàn)了信號完整性問題。信號完整性主要研究過沖、反射、時(shí)序、振蕩、等方面。

串?dāng)_（Crosstalk），研究的是信號線之間的耦合和干擾、信號線之間的互感和互容引起信號線上的干擾。
我可以用一個(gè)現(xiàn)象來比擬串?dāng)_，當(dāng)我們乘坐高鐵飛馳時(shí)，遇到迎面有高鐵通過，車身會受到一股巨大的擾動力，這個(gè)擾動力主要由三個(gè)因素決定：1車速、2車間距、3車身長度，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信號的上升時(shí)間，2兩個(gè)信號線的間距，3信號線并行的長度。延時(shí)（Delay），指信號從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩说臅r(shí)間差。雖然信號傳輸?shù)乃俾屎芸?，但是隨著頻率的提高，對延時(shí)的要求也越來越高。在有機(jī)材料基板中，其介電常數(shù)接近4，信號的傳輸速度約為光速的1/2，在陶瓷介質(zhì)中，其介電常數(shù)接近9，信號的傳輸速度約為光速的1/3。雖然看上去很快，但如果時(shí)間很短，信號傳輸?shù)木嚯x也很有限，例如1皮秒內(nèi)，信號在有機(jī)基板傳輸距離為0.15mm，而在陶瓷基板傳輸距離僅為0.1mm。如果在陶瓷基板上布線，長度差距1mm，延遲為10皮秒。同一組高速信號，需要盡可能保持同樣的延時(shí)，就需要在布線中采取等長的策略，對于差分信號，N和P兩根網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)也需要盡可能保持一致。

EMI/EMC，電磁干擾/電磁兼容性。電磁干擾，是指電子設(shè)備自身工作過程中，產(chǎn)生電磁波，對外發(fā)射，從而對設(shè)備其它部分或外部設(shè)備造成干擾。電磁兼容性，是指設(shè)備所產(chǎn)生的電磁能量既不對其它設(shè)備產(chǎn)生干擾，也不受其他設(shè)備的電磁能量干擾的能力。通常，EMI和信號完整性有強(qiáng)相關(guān)性，信號完整性好的信號EMI指標(biāo)通常比較好，信號完整性差的信號EMI指標(biāo)也比較差。EMI/EMC研究的對象和信號完整性有一些不同，信號完整性研究的對象通常在PCB或SiP基板級別，而EMI/EMC 的研究對象通常為設(shè)備級。

電源和地（Power and Ground)了解完信號傳輸?shù)南嚓P(guān)內(nèi)容，我們再來看看電源和地。電源和地也是一類特殊的信號，一般以平面層的形式出現(xiàn)，并作為信號的參考平面，傳輸線的回流路徑通常是信號在參考平面上投影。如果參考平面不完整，信號的投影被切斷，回流路徑出現(xiàn)問題，同樣會產(chǎn)生信號完整性問題。
電源完整性PI（Power?Integrity），和信號完整性SI相對應(yīng)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，電源軌的增多以及對電源要求的提高，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。

DC分析主要研究電壓降和電流密度，確保器件能夠正常供電，同時(shí)基板的局部不能電流密度過大，可以通過修改平面層分割形狀，增加過孔，加粗布線來優(yōu)化。AC分析主要研究的是平面層阻抗，電源紋波，平面層噪聲等問題，可以通過合理地電容分配，平面層位置、平面層形狀的調(diào)整來進(jìn)行優(yōu)化。說了這么多，我們對電磁互聯(lián)總結(jié)一下：
SiP中，電磁互聯(lián)（interconnection of EM）的目的是為了信號的傳遞，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)一般主要通過選擇合適的導(dǎo)熱材料來實(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^程中也會使得導(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大地。泉眼就是發(fā)熱源，水從泉眼涌出向四面八方流動，水更容易流向地勢低的地方（熱阻小），流過的地面有：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?。?，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?。罱K，水會流入大海（熱容無限大）。

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，我們就可以通過特定的測試方法（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：

芯片1和芯片2（橙紅色顯示）功耗非常大，普通的散熱通道無法解決其散熱問題，可為其設(shè)計(jì)特別的散熱通道，如圖，通過金屬連接塊將芯片直接和熱沉相連，可以最大程度地減小熱阻，順利地將熱量散發(fā)出去，其它芯片則可采用常規(guī)設(shè)計(jì)。在實(shí)際項(xiàng)目中，這種設(shè)計(jì)方法取得了良好的散熱效果，當(dāng)然，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，另外，金屬塊和殼體的氣密性也需要特殊的工藝，所以還要酌情使用。熱互聯(lián)，簡單地說：就是將芯片散發(fā)的熱量及時(shí)且有效地導(dǎo)出到外部空間，降低SiP內(nèi)外溫度差，保證芯片結(jié)溫不超過限定的溫度。

?? ?3 ??

力 互 聯(lián)

（interconnection of Force)

力互聯(lián)，需要考慮來自SiP封裝外部的力和內(nèi)部產(chǎn)生的力。對SiP設(shè)計(jì)來說，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。外部的力主要來源于沖擊、震動、加速度等。內(nèi)部的力主要來源于相對的變形，產(chǎn)生相對變形最主要的原因是溫度的變化。外部力首先我們來看看外部力的影響，當(dāng)一枚手機(jī)從高處跌落到地面，手機(jī)受到的沖擊會傳遞到電路板進(jìn)而傳遞到SiP及其內(nèi)部的裸芯片；

當(dāng)汽車行駛在顛簸的路面，車載電子設(shè)備受到的震動會傳遞到電路板進(jìn)而傳遞到SiP及其內(nèi)部的芯片；當(dāng)火箭或?qū)棌陌l(fā)射臺起飛，產(chǎn)生的加速度會傳遞到電路板進(jìn)而傳遞到SiP及其內(nèi)部的芯片。

由于物體本身慣性的影響，當(dāng)源于外部的沖擊、震動、加速度作用于SiP時(shí)，會產(chǎn)生變形，當(dāng)變形超過材料的承受能力時(shí)，就會發(fā)生物理損壞。對于SiP來說，最容易發(fā)生變形的地方在不同材料的連接處，例如：鍵合點(diǎn)、倒裝焊的Bump，SiP封裝的引腳等處。另外，陶瓷封裝或者金屬封裝內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，鍵合線處于兩端支撐中間懸空的狀態(tài)，也容易在沖擊、震動、加速度的作用下發(fā)生變形。為了應(yīng)對外部力對SiP的影響，一般需要做到以下幾點(diǎn)：首先，SiP重量不能超標(biāo)，在選用材料和尺寸上要嚴(yán)格控制，如果重量超標(biāo)，則要考慮結(jié)構(gòu)上的加固措施。其次，SiP內(nèi)部器件固定采用的膠或者焊接材料，也需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證其強(qiáng)度是否能滿足沖擊、震動、加速度的要求。此外，鍵合線的長度和彎曲形狀需要嚴(yán)格控制，避免由于沖擊、震動而產(chǎn)生變形而搭絲的現(xiàn)象。通常，不同絲徑的鍵合線其最大長度有嚴(yán)格的規(guī)定，長度超過限定的鍵合線，在塑料時(shí)，容易被塑封膠體的流動而沖擊變形或者斷開；在陶瓷或者金屬封裝中，則會造成塌絲現(xiàn)象或者在劇烈震動時(shí)互相碰撞搭絲從而產(chǎn)生短路現(xiàn)象。
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)部力主要來源于相對變形，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）就是用來描述單位溫度變化所導(dǎo)致的長度量變化的參數(shù)，CTE不同的材料結(jié)合在一起，會由于溫度的變化而產(chǎn)生相對變形從而產(chǎn)生相互的力。此外，不同的部分也會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、長期的，即使短期內(nèi)的物理變形并沒有損壞器件，而長期的疲勞變形會導(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)生的相對變形很常見，因此，對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板也會由于CET不同而導(dǎo)致SiP引腳的變形和產(chǎn)生應(yīng)力。

通過鍵合線進(jìn)行電氣連接的芯片一般通過膠或者膠膜固定在SiP基板上，其固定膠或者膠膜，都需要經(jīng)過嚴(yán)格的熱沖擊和熱循環(huán)試驗(yàn)。

對于倒裝焊芯片，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。

在SiP外部，SiP的引腳和PCB的接觸點(diǎn)的形變，則是需要重點(diǎn)考慮的。

這里有一個(gè)引腳類型的選擇問題，例如，我們通常看到的QFN尺寸都很小，LCC尺寸可以稍大，QFP則可以做的更大，其原因在于：不同的引腳類型可以承受的相對變形大小是不同的。所以，在選擇SiP封裝類型時(shí)，要充分考慮不同類型的封裝引腳可以承受的變形能力。

QFN封裝

? ?????QFP封裝

SiP中的芯片通過膠 (Bond Wire Chip)或者引腳(Flip Chip)固定在SiP基板上，SiP本身也通過引腳固定在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)的鞋子也會脫落（引腳脫落）！

?? ?4 ??

總 結(jié)

（in a nut shell)

對于一顆SiP來說，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，我們用形象的語言總結(jié)一下，對SiP中的互聯(lián)interconnection來說：電，如城市繁忙車流——四通八達(dá)；熱，如泉水涌過大地——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。

請關(guān)注本公眾號后面的文章！

一定要讀的相關(guān)文章：

• 概念深入：從SiP到Si3P

• Si3P 之 integration

• 電，如城市繁忙車流，四通八達(dá)
• 熱，如泉水涌過大地，有緩有急
• 力，如雙腳踩著黏泥，站住了別挪窩

本文系作者原創(chuàng)，如有轉(zhuǎn)載，請注明出處！