《电子技术应用》
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SiP系统级封装设计仿真技术
2017年电子技术应用第7期
李 扬
奥肯思科技有限公司,北京100045
摘要: SiP(System in Package)系统级封装技术正成为当前电子技术发展的热点,国际国内许多研究院所和公司已经将SiP技术作为最新的重要发展方向。首先阐述了SiP系统级封装的设计仿真技术及应用,然后结合实际工程项目,详细介绍了SiP最新的设计和仿真方法,并提出SiP设计仿真中应注意的问题。
中图分类号: TN603.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.012
中文引用格式: 李扬. SiP系统级封装设计仿真技术[J].电子技术应用,2017,43(7):47-50,54.
英文引用格式: Li Yang. SiP-system in package design and simulation technology[J].Application of Electronic Technique,2017,43(7):47-50,54.
SiP-system in package design and simulation technology
Li Yang
AcconSys Technology Co.,Ltd,Beijing 100045,China
Abstract: SiP(System in Package) technology is becoming a hot spot of current electronic technology development, many international and domestic research institutes and companies see SiP technology as an important development direction. This paper introduces SiP design and simulation technology and application, based on practical engineering projects, describes the latest design and simulation methods, and puts forward the problems that should be paid attention to in SiP design and simulation process.
Key words : SiP-system in package;bond wire;cavity;chip stack;SiP simulation

0 引言

    SiP系统级封装是一种最新的电子封装和系统集成技术,目前正成为电子技术发展的热点,受到了来自多方面的关注。这些关注者既来源于传统的封装Package设计者,也来源于传统的MCM设计者,更多来源于传统的PCB设计者,甚至SoC的设计者也开始密切关注SiP。

    和Package比较而言,SiP是系统级的多芯片封装,能够完成独立的系统功能。和MCM比较而言,SiP是3D立体化的多芯片封装,其3D主要体现在芯片堆叠和基板腔体上。同时,SiP的规模和所能完成的功能也比MCM有较大提升。和PCB比较而言,SiP技术的优势主要体现在小型化、低功耗、高性能方面。实现和PCB同样的功能,SiP只需要PCB面积的10~20%左右,功耗的40%左右,性能也会有较大的提升。和SoC比较而言,SiP技术的优势体现在周期短、成本低、易成功等方面。实现同样的功能,SiP只需要SoC研发时间的10~20%,成本的10~15%左右,并且更容易取得成功。

1 应用在SiP设计仿真中的技术

    SiP设计是集高级封装设计、MCM设计、PCB设计之大成,同时又和IC设计密切相关。在SiP设计中,主要包含的技术有:键合线(Wire Bonding)、芯片堆叠(Die Stacks)、腔体(Cavity)、倒装焊(Flip Chip)及重分布层(RDL)、高密度基板(HDI)、埋入式无源元件(Embedded Passive)、参数化射频电路(RF)等技术。

    同时,为了先导的IC芯片设计以及后续PCB设计协同,SiP设计中会应用到多版图项目设计技术。

    图1给出了IC裸芯片、SiP封装、PCB板级系统三者之间的关系。IC裸芯片被封装在SiP中,SiP又被安装在PCB之上。信号在三者之间相互传递,电源从外部设备提供到PCB→SiP→IC裸芯片。从整个系统应用的环节上来说,三者之间是密不可分的。

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    为了提高设计效率以及应对突发紧急的项目,SiP设计中会应用多人协同设计,这包括原理图多人协同设计和版图多人协同设计。

    另外,因为SiP具有3D立体化的特点,需要设计工具支持3D实时显示和3D DRC检查等功能。

    除了设计技术,仿真技术也是保证SiP产品成功的重要环节,其中包含信号完整性仿真、电源完整性仿真、热分析、电热联合仿真以及3D电磁场仿真等。

2 SiP设计仿真流程

    为了确保SiP项目能够取得成功,遵循严格而规范的设计流程是必不可少的。通过多个实际SiP项目的成功经验,现将SiP的设计仿真流程总结如下,参看图2,SiP设计仿真流程主要包含12个步骤:

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    (1)设计方案定义,主要包括:SiP相关资料收集、裸芯片物理尺寸、管脚定义、能否采购等。封装类型是采用BGA还是其他封装形式、封装尺寸的确定、管脚间距、数目的确定。采用自定义管脚排列方式还是采用标准封装。封装工艺和材料选择,根据其应用领域选择塑料封装、陶瓷封装或金属封装。

    (2)建库及库管理,主要包括原理图符号库、IC裸芯片库、BGA封装库、Part库以及仿真模型库等建立。

    (3)原理图设计,主要包括原理图输入,射频原理设计以及原理图协同设计等。

    (4)设计前仿真,可和原理图设计同步进行,通过假定分析,确定设计层叠结构、关键信号的网络拓扑结构、阻抗匹配,以及电源平面的分割、电容种类及型号选择等。对数模混合电路根据需要进行电路功能仿真。

    (5)工艺确定,主要是为了确定SiP采用哪种工艺,如Wire Bonding、FlipChip、TAB、TSV等。基板上是否要挖腔体,采用单面腔体还是双面腔体,以及腔体结构等。同时要考虑是否做芯片堆叠Chip stack,基板的层数以及层叠结构等通常在这一步要确定下来。

    (6)基板层叠设置,约束规则设置,根据工艺确定及设计复杂程度进行SiP基板层叠结构设置,包括层数以及层叠结构的选择,是采用m+N+m(其中m代表激光孔,N代表机械孔)或者ALIVH等层叠结构。约束规则设置主要包括网络分类、网络类规则、间距规则、电气规则、区域规则等。

    (7)器件布局,确定裸芯片在SiP封装中的位置。如果芯片需要放置到腔体里,则需要确定腔体的深度以及是单阶还是多阶腔体,腔体形状的绘制和属性设置等;如果需要设计芯片堆叠,则堆叠芯片后再进行布局。

    (8)引线键合、布线和敷铜,主要确定引线键合方式是单层键合还是多层键合、键合线模型选择、电源环设置;交互式手工布线或自动布线、电源层分割、射频电路设计,埋阻、埋容的自动综合等。

    (9)版图设计检查,检查版图设计中的DRC错误并进行修正,确保设计的正确性。

    (10)设计后仿真

    将版图设计数据导出到仿真工具,进行信号完整性、电源完整性、电磁场及热等方面的仿真。解决由于信号质量、供电不足、噪声等产生的问题,以及由于芯片功耗过大而发生的过热问题,确保产品工作的稳定和可靠性。后仿真如果顺利通过,则进入到下一步,如果不能通过则需要回到前仿真,进行优化后重新设计和仿真。

    (11)后处理及生产文件

    输出包括Gerber、Drill、BOM、DXF、IDF、GDSII、ODB++等格式的文件。

    (12)电子结构一体化设计

    电子设计软件ECAD工具主要完成的是SiP内部的设计,包括基板设计和芯片组装、键合等,而SiP的外壳等数据通常需要通过结构设计软件MCAD来确定,如陶瓷封装的金属框架、盖板、塑封的模封,BGA的焊球,金属封装的外壳等,需要电子结构一体化设计完成。

    所有流程走完,SiP设计仿真结束,进入生产环节。

3 SiP设计仿真技术在实际项目的应用

    结合某SiP项目的实际应用,阐述SiP设计仿真的流程及具体问题的解决方法。

    SiP设计和仿真采用了Mentor Graphics最新的Xpedition软件高级封装功能模块及相关的仿真工具。

3.1 从方案定义到工艺确定

    首先是设计方案定义,该SiP是一款应用在航空航天项目中的计算机系统SiP,其原理和在航天项目中成功应用的PCB主板基本相同, 原理图设计主要参考原有的主板进行设计。由于需要扇出的引脚数量较多,所以选择BGA封装形式。由于该产品工作环境苛刻,所以选择陶瓷封装。该SiP包含的主要的裸芯片为CPU、FPGA、DDRIII、SRAM和3片Flash。在有限的空间内,无法在单面完成布局,因此选择双面器件布局的方案,其中尺寸较大的FPGA放在基板背面,并采用腔体嵌入,周围为BGA焊球区域,其他芯片放置在基板正面,整体方案如图3所示。

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    下一步是创建所需要的元器件库,包括裸芯片库、无源器件库和BGA封装库。这部分工作由中心库管理工具来完成,分别创建焊盘Padstacks,创建原理符号Symbol,创建版图单元Cell,然后把Symbol和Cell对应起来,形成器件Part,就可以直接在原理图中使用了。需要注意的是Padstack、symbol、Cell的信息都可以从上游IC设计的输出文件中获取,并通过建库向导来创建,这样既保证了效率,又避免出错。

    库创建完成后,进入原理图设计阶段。其主要工作是确定硬件系统结构以及使用的总线等,从库中调用元器件,放置到原理图并进行正确的网络互连。在原理图设计过程中或设计完成后,可在原理图中抽取关键网络进行设计前仿真。通过LineSim-link功能,可直接将选择的关键网络传递到仿真工具HyperLynx前仿真环境LineSim中,然后加载器件模型,进行前仿真。

    该SiP主要由数字电路组成,无需做数模混合电路仿真。另外,由于电源种类不多,每种电源都能有充足的空间分布,所以也无需做电源完整性前仿真。前仿真主要工作是完成信号完整性仿真。

    根据LineSim前仿真结果,对原理图进行了优化设计,确定了网络拓扑结构,关键网络的匹配方式,部分网络增加了匹配电阻,确定了关键信号的布线策略。

    下一步进入工艺阶段。工艺确定是前面方案定义阶段的细化,该SiP包含的所有IC裸芯片均支持键合工艺,布局上采用双面布局,FPGA和CPU因为引脚数量比较多,键合线多层排列,均要设计多阶腔体阶,将芯片放置在腔体内部,这样,多层键合时外层键合线跨度和弧度均能有效减小,提高键合线的稳定性。参看图4。

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    该SiP工艺确定包括:Bond wire,基板多阶腔体,芯片堆叠等工艺。

3.2 SiP版图设计

    工艺确定后,进入层叠设置和规则设置阶段,该设计中采用多层HTCC陶瓷基板,首先按照前面工艺确定的要求,绘制双面多阶腔体,然后进行器件布局。需要注意的是,BGA封装也作为一个器件,布局到基板的背面,作为信号对外通路以及外部供电的接口。布局完成后进行规则设置,在CES(Constraint Edit System)中设置线宽、线间距、等长、差分等规则。另外还需要合理分配电源、地平面层,选择合适的过孔等。规则设置完后,进行裸芯片的键合,将芯片与基板电气连接。

    因为Bond wire、芯片堆叠及腔体都是3D元素,所以要结合2D和3D设计环境进行操作,图5所示为完成布局和键合后的SiP设计在3D环境中的截图。为了更清楚地检查Bond wire细节以及顶层CPU和底层FPGA的位置,可以选择3D局部检查。图6为键合完成后的3D侧面局部截图,可以清楚地看出CPU、FPGA的键合图和它们的相对位置,从此图也可以看出腔体结构大大减小了外层Bond wire的跨距和弧度,增加了Bond wire的稳定性,提高了SiP的抗震动和冲击能力。

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    随后,进入版图布线和覆铜环节。完成后做版图DRC检查环节,这两步基本和PCB设计大同小异,在此不做赘述。DRC检查通过后,版图设计完成。

3.3 SiP设计后仿真

    版图设计完成后,需要对关键网络进行仿真。因为SiP的3D立体特性,二维的仿真工具已无法解决问题,需要采用三维仿真工具抽取三维模型。这里采用HyperLynx Full-Wave Solver抽取版图设计的3D模型,因为3D电磁场仿真对系统资源和内存要求都很高,一般抽取关键网络及其参考网络周边的局部3D模型,在满足仿真精度的要求下,节省资源消耗,如图7所示为抽取的DDRIII部分关键网络的3D模型。

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    在此模型基础上,进行3D电磁场仿真,可得到关键网络的S-parameter模型,此模型为关键网络的互联特性模型,如图8所示为关键网络的S参数。

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    然后将此互联路径的S参数模型连同IC芯片的IBIS或者Spice模型一起导入HyperLynx SI中进行仿真,即可获得DDRIII信号实际工作时的信号波形,如图9所示为DDRIII信号眼图,可以看出,眼图张开良好,满足设计要求。

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    另外,为了保证有足够的电源供应,避免由于电压供应不足而造成的系统不稳定,以及电流密度过大造成局部温度过高而产生事故,这都需要进行电源完整性PI分析。通过PI分析,该SiP设计满足要求,未出现压降过大或者电流密度过大的问题。图10给出3.3 V电源的电流密度仿真结果,可以看出最大电流密度为33.9 mA/mil2,满足设计要求。

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    此外,热分析也是SiP仿真后分析的重要的环节,通过热分析,可以避免由于器件过热而造成的系统工作不稳定,可靠性下降等问题。由于文章篇幅关系,这里就不做详述。

3.4 生产文件输出及电子结构一体化设计

    后仿真通过后,就可以输出生产文件,一般需要输出基板的Gerber及Drill文件,描述每一层的图形和钻孔。另外,此SiP设计基板的结构比较复杂,所以还需要一个输出一份DXF文件,详细描述腔体的位置、尺寸、每一台阶的宽度和深度。另外,再编写一份技术说明文档,提醒生产厂家生产中应注意的问题。

    在SiP基板设计完成后,可将结构软件设计的盖板,框架以及后续工艺需要植在基板底部的BGA焊球等数据从结构设计软件导入3D设计检查环境,检查ECAD和MCAD设计的一致性,在3D环境中模拟产品结构和外观,避免数据交互中由于误解而造成的设计往复。

4 结论

    本文介绍了SiP系统级封装设计仿真技术的流程和方法,并结合实际的SiP工程项目,详细论述了SiP设计和仿真的具体环节及实施方法。

    本文中描述的SiP设计仿真流程和方法,已成为SiP设计仿真工程师的重要参考,成功应用在国内多款SiP项目中,并取得了良好的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 李扬,刘杨.SiP系统级封装设计与仿真—Mentor Expedition Enterprise Flow高级应用指南[M].北京:电子工业出版社,2012.

[2] Advanced Packaging Guide,Release X-ENTP VX.2,Mentor Graphics,2016.

[3] Philip E.Garrou, Lwona Turlik著.多芯片组件技术手册[M].王传声,叶天培等,译.北京:电子工业出版社,2006.

[4] HyperLynx SI/PI User Guide,Mentor Graphics,2016.



作者信息:

李  扬

(奥肯思科技有限公司,北京100045)