前 言
電子繫統的集成主要分為三個層次,即芯片上的集成、封裝內的集成、PCB板級集成。
1958年,Jack Kilby發明了世界第一款集成電路(IC),內器件,從此,芯片上的集成就開始了。60多年後的今天,在1的芯片上可以集成1億個晶體管,單個芯片上的晶體管數量已經達到百億量級。隨著晶體管特征尺寸逐漸向1nm邁進,芯片上的集成難以為繼,摩爾定律也就走到了盡頭。
1936年,Paul Eisler發明了世界上第一塊PCB,其主要目的也是集成。今天,PCB上的布線密度和組裝密度也逐漸趨於極限,多年來已沒有明顯的提升,並且受芯片封裝尺寸的影響,PCB上的器件組裝密度也難以繼續提高。
1947年,第一款電子封裝出現。與IC、PCB不同,電子封裝最初並沒有集成的概念,其主要的目的是保護芯片、尺度放大以及電氣互聯,幾乎所有的封裝都是單芯片封裝。直到40多年後,20世紀80年代,電子封裝纔開始有了集成的概念,其中以MCM多芯片模塊最具代表性。隨著封裝內集成規模的擴大,功能的增強,以及3D集成技術的應用,繫統級封裝(SiP)技術的概念出現了,並逐漸為人們普遍接受並廣泛應用。
現代電子產品先進性的重要指標就是在更小的空間內集成更多的功能,也就是具有更高的功能密度。今天,芯片和PCB上的集成由於技術的原因難以為繼,封裝內的集成卻有著廣闊的空間和靈活的實現方法。這正是SiP及先進封裝技術近些年廣受關注的最主要原因。
SiP是一種封裝,更是一個繫統,需要從繫統的角度去理解SiP。在SiP中實現的繫統尺度相對比較微小,因此我們稱之為微繫統,這也正是本書名稱的由來。
筆者近十多年來一直從事SiP技術的研究和SiP項目的研發與技術支持工作,參與了國內幾十款SiP產品的開發。在參與這些項目的過程中,筆者了解到越來越多的技術人員對SiP設計、仿真和驗證有著迫切需求,設計者都希望自己的SiP項目能取得成功,迫切需要一本全面綜合的SiP技術指導書籍。正是基於這種原因筆者編寫了此書。
本書分為三部分:概念和技術、設計和仿真、項目和案例,共30章。
其中第1部分、第2部分均由李揚編著,第3部分各章分別由不同的作者編著,全書由李揚統一審核定稿。
第1部分:概念和技術
針對SiP及先進封裝技術的發展,以及筆者多年的經驗積累,對SiP及相關技術提出了全新思考和原創概念,內容涵蓋SiP及先進封裝的最新技術介紹,共5章。
??第1章從摩爾定律到功能密度定律,提出了原創概念——功能密度定律,並闡述了電子繫統的層次劃分方法。
??第2章從SiP到Si3P,基於對SiP概念的深入和全面理解,提出了全新的從SiP到Si3P的概念和思考,並對Si3P的概念進行了詳細的闡述。
??第3章SiP技術與微繫統,講述了SiP與微繫統的關繫,以及SiP技術對微繫統概念及發展的影響。
??第4章從2D到4D集成技術,介紹了電子集成技術的概念和演變,涵蓋了多種集成技術,並對電子集成技術進行了定義和分類。
??第5章SiP與先進封裝技術,講述了SiP相關的基板技術和集成技術,並介紹了當今最為流行的多種類型的先進封裝技術。
第2部分:設計和仿真
依據最新EDA軟件平臺,闡述了SiP及HDAP的設計仿真驗證方法,涵蓋了Wire Bonding、Cavity、Chip Stack、2.5D TSV、3D TSV、RDL、Fan-In、Fan-Out、Flip Chip、分立式埋入、平面埋入、RF、Rigid-Flex、4D SiP設計、多版圖項目及多人協同設計等熱點技術,以及SiP 和HDAP的各種仿真、電氣驗證和物理驗證,共16章。
??第6章SiP設計仿真驗證平臺,介紹了通用的SiP設計流程和基於先進封裝的SiP設計流程以及SiP仿真驗證流程。
??第7章中心庫的建立及管理,介紹了中心庫的建立,原理圖符號、、Part庫的創建方法,以及中心庫的維護和管理等功能。
??第8章SiP原理圖設計輸入,介紹了網表輸入、原理圖設計輸入、基於DataBook的原理圖輸入及文件輸入/輸出。
??第9章版圖的創建與設置,介紹了版圖模板和項目的創建,版圖相關設置與操作,版圖布局,以及封裝引腳定義優化和版圖中文輸入。
??第10章約束規則管理,介紹了SiP設計中的約束規則管理以及典型規則設置實例等。
??第11章Wire Bonding設計詳解,介紹了Bond Wire模型定義、參數設置以及詳細的Wire Bonding設計方法和使用技巧。
??第12章腔體、芯片堆疊及TSV設計,介紹了腔體、芯片堆疊的概念、定義和設計方法,以及2.5D TSV、3D TSV的概念、定義和詳細設計方法。
??第13章RDL及Flip Chip設計,介紹了RDL及Flip Chip的概念和應用,以及RDL和Flip Chip的設計方法。
??第14章版圖布線與敷銅,介紹了SiP版圖布線和敷銅處理的各種操作及應用。
??第15章埋入式無源器件設計,介紹了埋入式無源器件的工藝、材料及設計方法等。
??第16章RF電路設計,介紹了RF SiP技術及設計流程,RF原理圖和版圖的設計方法以及與RF仿真工具的連接。
??第17章剛柔電路和4D SiP設計,介紹了剛柔電路的概念、設計方法,以及基於基板技術和基於4D集成的 SiP設計等。
??第18章多版圖項目與多人協同設計,介紹了多版圖項目的概念和設計方法,並介紹了原理圖多人協同設計和版圖多人實時協同設計的實現方法。
??第19章基於先進封裝(HDAP)的SiP設計流程,介紹了先進封裝的詳細設計流程,以及最新的3D數字化樣機技術在HDAP設計中的應用等。
??第20章設計檢查和生產數據輸出,介紹了設計完成後的DRC設計規則檢查方法及各種相關生產數據的輸出。
??第21章SiP仿真驗證技術,介紹了SiP及HDAP中常用的各種仿真和驗證技術。
第3部分:項目和案例
基於實際的SiP項目和產品案例,介紹了多種不同類型的SiP設計、仿真驗證和實現方法,對SiP項目的研發具有很強的參考意義,共9章。
??第22章基於SiP技術的大容量存儲芯片設計案例,介紹了一款基於SiP技術的大容量存儲芯片的研發流程,從方案、設計到生產、測試及應用,由李揚、安軍社編著。
??第23章SiP項目規劃及設計案例,介紹了SiP項目的規劃,設計規則導入,以及SiP產品設計,由諸天瑞、王梟鴻編著。
??第24章2.5D TSV技術及設計案例,介紹了2.5D TSV技術的特點、工藝流程,設計方法以及實際案例等,由徐建編著。
??第25章數字T/R組件SiP設計案例,在簡要介紹雷達繫統後,介紹了SiP技術的采用、數字T/R組件的電路設計、金屬殼體及一體化封裝設計,由包孟兼、李培、陸文斌編著。
??第26章MEMS驗證SiP設計案例,介紹了一款應用於MEMS驗證技術的SiP設計方案、原理圖、版圖設計、產品組裝及測試,由周博遠編著。
??第27章基於剛柔基板的SiP設計案例,介紹了一款基於剛柔基板的RF SiP原理、設計方案、電學仿真、熱設計仿真、工藝組裝實現,由曹立強、吳鵬、劉豐滿、何慧敏編著。
??第28章射頻繫統集成SiP設計案例,介紹了射頻繫統集成技術、射頻繫統集成SiP的設計與仿真、組裝與測試,由曹立強、田更新編著。
??第29章基於PoP的RF SiP設計案例,介紹了一款基於PoP技術的RF SiP設計案例,包括RF SiP結構與基板設計、SI/PI仿真、熱設計仿真,組裝和測試等,由曹立強、何毅編著。
??第30章SiP基板生產數據處理案例,介紹了SiP項目中的LTCC、厚膜及異質異構集成技術、Gerber數據和鑽孔數據生成、版圖拼版和多種掩模生成,由何漢波編著。
本書基本涵蓋了SiP項目和產品研發中可能遇到的各種情況和問題。
本書通過原創概念、熱點技術、實際案例的結合,全面且深入地講述了SiP從開始構思到最終實現的整個流程,並使讀者從中獲益。
筆者致力於將此書編寫成一本綜合而全面的SiP及微繫統設計的技術指導書,雖然盡了最大的努力,力求完美,但是由於筆者水平和知識領域的限制,本書難免會出現紕漏和謬誤。懇請專家和廣大讀者能夠給予指正,以便在後續的版本中得到更正。
希望本書的出版能夠對SiP及微繫統技術的發展起到一定的推動作用。
2020年10月 於北京