Si3P 之 interconnection

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文 章 导 读

在本公众号前面一期的文章中，本文作者首次提出一个新的概念：Si³P，用于加深对SiP含义的理解，其目的是为了使读者更为深入，更为全面、更为系统化地理解SiP中包含的相关技术。在这篇文章中，作者就Si³P中的interconnection做详细解读，是为深入解读Si³P的第二篇文章。

在首次提出Si³P 概念后，受到了大多数读者的肯定，但也有人认为是在玩文字游戏，具体情况到底如何呢？

上一篇文章中，我们对Si³P 中的第一个i，integration进行了详细阐述，受到了很多读者的好评。

下面，我们就对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的含义。

对于一颗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)

在这篇文章中，我们会用比较多的比拟手法来说明问题，虽然在严格物理意义上来说未必精确，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（要积极开动大脑，充分发挥您的想象力哦）！

    1   

电 磁 互 联

（interconnection of EM）

电磁互联，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中属于不同网络的的导体，这些导体包含Die pin、键合线、芯片的Bump、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最佳呢？

在SiP设计中，电磁互联的第一步就是互联关系的网络优化，这是和IC设计及PCB不同设计所不同的。因为在SiP设计中，无论封装引脚是几十个、几百个甚至几千个，都是需要设计师来对每个引脚的功能进行定义的。

那么，如果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。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封装引脚而达到网络互联最优。

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，这时候我们就需要用键合线、布线、过孔等，将芯片同网络的引脚互联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进行传输。

信号的传输是伴随着信号所产生的电磁场一起传输，信号在导体中进行传输，它所产生的电场和磁场在其周围的介质中和信号一起在传输。

信号有两个"速度",一个是其传递的物理速度，另一个是指其变化的速率。

信号传输的物理速度很快，在真空中和光速相同3x10^8m/s，在基板中约为光速的1/2（有机材料）或者1/3(陶瓷材料），即使这样也是很快的，一秒钟，在陶瓷基板中传输的信号至少绕地球2圈半了，有机材料中的则超过3圈半了。此外，信号传输的物理速度和信号的频率无关。

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。

上升时间

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。对于信号上升时间通常有两种：第一种定义为10-90上升时间，即信号从高电平的10%上升到90%所经历的时间。另一种是20-80上升时间，即信号从高电平的20%上升到80%所经历的时间。

特征阻抗信号沿着导体进行传输，导体通常被看作传输线。分析传输线时，一定要考虑其返回路径，单根的导体和其回流路径一起构成传输线。传输线的特征阻抗是指信号传输过程中，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性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的点产生反射。影响传输线特性阻抗的因素有：介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度，表面粗糙度等。通常，信号变化的越快，对特征阻抗的连续性要求越高。我们可以将信号的变化率比拟成行驶中的汽车，传输线比拟成公路，特征阻抗的变化比拟成路况的变化。

如果特征阻抗连续，汽车则会很平稳地前进，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，对于设计师来说，信号传输的道路是我们自己进行设计，所以可以控制的东西更多一些。传输线上的阻抗会受到线宽、铜厚、介质参数、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很普遍。例如，从芯片引脚Die pin到Bond Wire，从Bond Wire到基板，布线穿过过孔，切换到其它的层，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，但信号通常也能正常传输。正如路面虽有不平整，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”。研究信号的传输，除了理解特征阻抗，还需要深入理解信号完整性、串扰、延时和EMI。信号完整性SI（Signal Integrity），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。信号完整性主要研究过冲、反射、时序、振荡、等方面。

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。
我可以用一个现象来比拟串扰，当我们乘坐高铁飞驰时，遇到迎面有高铁通过，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，因为串扰也主要是由三个因素造成：1信号的上升时间，2两个信号线的间距，3信号线并行的长度。延时（Delay），指信号从发送端传输到接收端的时间差。虽然信号传输的速率很快，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，其介电常数接近4，信号的传输速度约为光速的1/2，在陶瓷介质中，其介电常数接近9，信号的传输速度约为光速的1/3。虽然看上去很快，但如果时间很短，信号传输的距离也很有限，例如1皮秒内，信号在有机基板传输距离为0.15mm，而在陶瓷基板传输距离仅为0.1mm。如果在陶瓷基板上布线，长度差距1mm，延迟为10皮秒。同一组高速信号，需要尽可能保持同样的延时，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。

EMI/EMC，电磁干扰/电磁兼容性。电磁干扰，是指电子设备自身工作过程中，产生电磁波，对外发射，从而对设备其它部分或外部设备造成干扰。电磁兼容性，是指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰，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一些不同，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。

电源和地（Power and Ground)了解完信号传输的相关内容，我们再来看看电源和地。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PI（Power Integrity），和信号完整性SI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，出现了电源完整性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分析主要研究电压降和电流密度，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。说了这么多，我们对电磁互联总结一下：
SiP中，电磁互联（interconnection of EM）的目的是为了信号的传递，其关键如下：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），其次要控制好车速（降低信号上升时间），还要考虑行车间距（防止串扰），规范行驶不干扰他车也不受他车干扰（EMI/EMC)，如果组队出行相互距离不要拉的太大（控制同组网络的延时差），另外，还要考虑其它因素，例如加满燃油，充满电，天气不能太恶劣等重要因素（供电电源、地平面的完整性），只有这样，我们才能顺利到达目的地（信号传输成功）！
    2   

热 互 联

（interconnection of Thermo)

和电磁互联需要关注特定的网络布线不同，热互联则需要有更为概括的视角。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，当然，有时候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，此外，大电流在传输的过程中也会使得导体发热，是次要的发热源。

关于SiP热量的传递方式，我们可以想象成泉水涌过大地。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），流过的地面有：水泥地，草地，沙地等（代表不同的导热层）。有的地面水流的快（热阻小），有的地面水流的慢（热阻大），有的地面存的水多（热容大），有的存不住多少水（热容小），最终，水会流入大海（热容无限大）。

这样，我们就可以得到一个代表热阻和热容的曲线，称之为热结构函数曲线。

热结构函数曲线的横轴代表热阻，是由不同层的热阻叠加，纵轴代表热容，是由不用层的热容叠加。
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不同，曲线上的拐点则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，则说明在这一层出现了空洞、接触不良等缺陷。有了热结构函数曲线，我们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），我们就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。

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，需要有专门的散热通道，这可以在结构设计中设计特殊的散热通道，如下图所示：

芯片1和芯片2（橙红色显示）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，如图，通过金属连接块将芯片直接和热沉相连，可以最大程度地减小热阻，顺利地将热量散发出去，其它芯片则可采用常规设计。在实际项目中，这种设计方法取得了良好的散热效果，当然，其结构复杂，成本高，另外，金属块和壳体的气密性也需要特殊的工艺，所以还要酌情使用。热互联，简单地说：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，保证芯片结温不超过限定的温度。

    3   

力 互 联

（interconnection of Force)

力互联，需要考虑来自SiP封装外部的力和内部产生的力。对SiP设计来说，考虑力互联主要的关注点是在不同器件或者不同材料的接触面。外部的力主要来源于冲击、震动、加速度等。内部的力主要来源于相对的变形，产生相对变形最主要的原因是温度的变化。外部力首先我们来看看外部力的影响，当一枚手机从高处跌落到地面，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，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，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、加速度作用于SiP时，会产生变形，当变形超过材料的承受能力时，就会发生物理损坏。对于SiP来说，最容易发生变形的地方在不同材料的连接处，例如：键合点、倒装焊的Bump，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、加速度的作用下发生变形。为了应对外部力对SiP的影响，一般需要做到以下几点：首先，SiP重量不能超标，在选用材料和尺寸上要严格控制，如果重量超标，则要考虑结构上的加固措施。其次，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。此外，键合线的长度和弯曲形状需要严格控制，避免由于冲击、震动而产生变形而搭丝的现象。通常，不同丝径的键合线其最大长度有严格的规定，长度超过限定的键合线，在塑料时，容易被塑封胶体的流动而冲击变形或者断开；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产生短路现象。
还有，SiP封装的引脚类型的选用也要充分考虑其承受力的情况，越是重量大的SiP，越需要强有力的引脚来支撑和固定。例如，重量和尺寸比较大的SiP，一般多采用插针式的PGA安装在PCB板上，表面贴装如BGA或者CGA由于PCB表面的承载力有限而不建议使用。
内部力
内部力主要来源于相对变形，几乎所有的材料都有热涨冷缩的特性，但不同材料的热涨冷缩的程度不相同，热膨胀系数CTE（coefficient of thermal expansion）就是用来描述单位温度变化所导致的长度量变化的参数，CTE不同的材料结合在一起，会由于温度的变化而产生相对变形从而产生相互的力。此外，不同的部分也会由于温度本身的不同也导致其变形的不同，从而产生相互的力，例如下图，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，导致产生热应力，在引脚处引起变形。

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

在SiP内部，由于热而产生的相对变形很常见，因此，对于芯片和基板的接触面，Interposer，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CET不同而导致SiP引脚的变形和产生应力。

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尺寸都很小，LCC尺寸可以稍大，QFP则可以做的更大，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。

QFN封装

       QFP封装

SiP中的芯片通过胶 (Bond Wire Chip)或者引脚(Flip Chip)固定在SiP基板上，SiP本身也通过引脚固定在PCB板上。我们可以将力互联想象成这样一种情景：芯片的引脚或者SiP的引脚固定后是不能移动的，就如我们双脚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（芯片引脚和基板分离）。所以，除了鞋子要结实（引脚强度），鞋带要系好（焊接强度），我们的腿和身体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）！

    4   

总 结

（in a nut shell)

对于一颗SiP来说，互联interconnection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)

这里，每一种互联都足够重要，都是SiP成功的关键因素！

最后，我们用形象的语言总结一下，对SiP中的互联interconnection来说：电，如城市繁忙车流——四通八达；热，如泉水涌过大地——有缓有急；力，如双脚踩着黏泥——站住了别挪窝！
最后，需要提醒读者注意的是：

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

请关注本公众号后面的文章！

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