IC封装设计与仿真

IC封装设计 设计实例：LGA（SMT+WB）
BlueTooth

IC封装设计 设计实例：BGA（SMT+Stacked 3 WB die)
CMMB sip


2.IC封装电磁仿真
封装电磁仿真

封装电磁仿真 PDS模型:

1. 片内电路信息（需要IC设计者提供RTL级信息以及相应的测试向量） 2. 片内去耦电容信息（IC设计者提供信息） 3. 片上电源地网格信息（IC设计者提供GDS格式信息） 4. 封装电源地信息和去耦电容信息 5. PCB上core电源地结构信息以及去耦电容信息 6. VRM

《IC封装设计与仿真》
内容
1.IC封装设计 2.封装电磁仿真 3.封装热仿真
4.封装结构仿真


1.IC封装设计
IC封装设计 IC封装内部结构：
塑封 芯片 金线 基板
1.模型提取（Model extraction）,可提取IC封装 或PCB整板信号和电源的频域 阻抗参数和S参数，观测PDS的 谐振特性; 2.谐振点检测（Hot spot detection）,可分析PDS随频 域变化的空间噪声分布和谐振 点分布; 3.EMC/EMI 辐射仿真 （EMC/EMI simulation）,可 分析整板的远场和近场辐射.
Package Model对信号的影响

3.IC封装热仿真
封装热仿真 封装热仿真的必要性

封装热仿真
基本理论：热传递三种方式
传导
Q kA Tj Ta d
k 为材料导热系数（W/m-℃） A 为热传导面积 Tj 为高温面的温度 Ta 为低温面的温度 ｄ 为材料厚度
直接从APD/Sip 设计文件提取封装的结 构，包括bond wire， trace，bump,solder ball等，用3D电磁场仿 真软件仿真RF端口的传 输参数并从结构上进行 传输特性的优化。
并可将封装与 PCB结合，提取优化整个 射频通道。
PKG
PCB

Tj 为辐射面j的绝对温度

封装热仿真 封装热仿真步骤：
建模
软件： Cadence; Autocad; ProE，UG … 文件格式： Idf,igs,sat ,step，dxf …
Flotherm Icepak
在热分析软件中直接建实体模型， 或通过其他软件导入封装结构； 定义材料热性能参数 …

封装热仿真 封装热管理优化：材料选择

封装热仿真 封装热管理优化：材料选择，结构优化

原设计
优化1
优化2

4.IC封装结构仿真
对流
Q hA(TS Ta )
h 为对流换热系数 A 为换热面面积 Ts 为固体表面的温度 Ta 为流体温度
辐射
Q
Ai
Fij
(Ti 4
T
4 j
)
为辐射率（黑度） 为斯蒂芬－波尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/m2.K4
Ai 为辐射面i的面积
Fij 为由辐射面i到辐射面j的形状系数
Ti 为辐射面i的绝对温度
热传递三种方式封装热仿真为热传导面积tj为高温面的温度ta为低温面的温度为材料厚度传导为换热面面积ts为固体表面的温度ta为流体温度对流为斯蒂芬波尔兹曼常数约为567108wm2k4ai为辐射面i的面积fij为由辐射面i到辐射面j的形状系数ti为辐射面i的绝对温度tj为辐射面j的绝对温度辐射wwwchinafastprintcom封装热仿真步骤
求解
定义求解域，求解类型； 施加热载荷，定义边界条件； 划分网格，定义收敛标准； 求解…

后处理
图形显示温度场； 节点温度hot point； 计算热阻； 列表各面的热流率，换热系数 …
封装热仿真

封装热阻的定义：
PKG PCB

封装电磁仿真

PI：时域仿真
PI时域的仿真，对电源波动更加直观，我们可以提取正封装结构的S参， 或die-Package-PCB整个 PDN 的S参数到仿真器，加载上电流源电压源，仿真时域内电源的波动，并测量是否超限。

趋势：高集成度，高速，低 功耗，小型化。
IC封装设计 IC封装工艺(sip)：SMT，DA，WB，Mold

IC封装设计 Substrate加工工艺：HDI，Buiding up
绿油 金层 镍层 铜层
通孔 埋孔 盲孔
3D Model:
封装3D建模，提取S参数，阻抗特性,TDR，EMI电磁场辐射

封装电磁仿真 Package IBIS Model:

带package 参数的模 型比单纯的IBIS模 型，波形有震荡和延 迟（100ps）。

IC封装设计
Sip封装设计： 规则驱动设计

IC封装设计 能为您提供的设计：BGA，LGA，Sip…

IC封装设计 设计实例：LGA（SMT+FC）
WIFI

封装电磁仿真

IC封装前仿和后仿的PI/SI/EMC分析:
1. 直流压降–仿真直流压降，电流密度分布，功率密度分布，电阻网络 2. 电源完整性–分析电源分配系统的性能，评估不同的叠层，电容容值选择和放置方法，最佳性价比优
化去耦电容 3. 信号完整性–分析信号回流路径的不连续性，分析串扰和SSN/SSO，分析信号延迟，畸变，抖动和眼图 4. 电磁兼容–分析电磁干扰和辐射 5. 宽带模型抽取–提取电源分配网络的精确宽带模型，信号和电源/地模型
Silicon Die
Die Die Attach & Flag Solder Mask
Gold Bond WireCsu
Traces
Solder Balls Signal (37Pb/63Sn) Vias
Thermal Vias
Bottom Power & Ground Spreader Planes
封装电磁仿真 Diff：S Parameter，TDR，Eye
PKG PCB

封装电磁仿真
SI：Cross Talk，SSN/SSO
PKG PCB
SSN，P/G Bounce
Cross talk
封装电磁仿真
• 热阻qjx 无法用于准确预测芯片的温度，只能提供定性的热性能对比； • 如需准确预测特定工况下芯片的温度，我们需要其它的方法

X
θj x
Junction
封装热仿真

封装热阻模型：芯片的详细模型
Epoxy-based Encapsulant BT Dielectric

封装结构仿真 Ansys操作步骤：
Start
Creat Project
1.Aim 2.Model Type 1D，2D，3D 3.Ready MP and BC
PREP7
Element Type
Real Constantபைடு நூலகம்
Material Properties
FEM Model Directly?
模型包含几乎所有的详细特征,如金丝,锡球,芯片(die),底层等. 用于封装层次的建模,描述以及测量确认等. –精度高 –边界条件无关,与网络模型不同 –计算时间比简化的模型多 –仅仅用于非常重要的封装
封装热仿真 封装热阻模型： DELPHI 模型

封装热仿真 热阻模型的提取： DELPHI 模型
IC封装而言，最重要的参数是由芯片接面到固定位置的热阻，其定义如右： 热阻值θ或是R 表示，Tj = Die发热部位的温度值 die (“junction”)，Tx = 某参考 点的温度值，P = 芯片的功耗。
常用的定义： θja，θjb, θjc,ψjb，ψjt
jX
Tj TX Q
封装热仿真
IC封装设计 Substrate加工工艺：Surface Finish

IC封装设计 Assembly Design Rule：SMT，DA，WB，Mold。

IC封装设计 Substrate Design Rule：Trace width，Spacing
Substrate结构

介电层 内层线路
IC封装设计 Substrate加工工艺：

IC封装设计
Substrate：板材
介电系数， 正切损耗角， 导热系数， 热膨胀系数， 绿色材料， 价格因素。

3.布局布线、平面分割优化： 电压压降分布、平面电流密度、平面功率密度

封装电磁仿真 PI：频域仿真
提取正封装结构，仿真真 个频域的电源阻抗，优化电容 数量和组合，提供最优的去耦 最低成本的电源完整性方案， 并可结合die与PCB做diePackage-PCB真个PDN的仿真。
封装结构仿真 封装失效模式：

封装结构仿真
封装失效的来由：
封装体是由不同的材料堆叠而成，当在生产或使用过程中 有热产生时，由于材料的CTE不匹配，会在封装结构中产生热应 力，导致一系列的可靠性问题，如warpage，delamination， crack等等。
封装电磁仿真 PDS:封装级的有效去耦范围:

封装电磁仿真 PDS:封装级的有效去耦范围:

封装电磁仿真
IR drop:
1.确保较低的点对点的电阻： 对于特定的电流负载，较低的电阻意味着较低的直流压降
2.电流的指标： 平面电流密度，保证可靠的热稳定性； 过孔电流，避免连接失败；
封装热阻模型： θjx 使用的局限性
Convection/Radiation Conduction
Convection Conduction Radiation
Conduction
Convection/Radiation
•
qjx 试图采用简单的热阻表示复杂的芯片传热现象
• 芯片内部的热传现象非常复杂，无法使用热阻来完美表示；

封装热仿真 封封装装热热阻阻影影响响因因子子13245789：6：PHDAMeaoiCDavcureetiknBvcatFoSiSegilacpineorzerPngwdeeogSPawPiRTodeMazweratmertaeprDemAireDnsitaidsaetsilrusHpsrieapatatitoiSnolnug
封装电磁仿真 EMC/EMI：

1.提取所有IO/Power的S参数
2.时域仿真器里加入S参数模型和IO buffer，仿真
3.从时域仿真提取激励
4.FFT结果作频变源输入，运行EMI仿真
5.仿真结果辐射远场图以及与EMC规范对比…
封装电磁仿真
Critical Trace： RF

Pin脚 晶体 RLC元件
IC封装设计
IC封装发展趋势：
芯片封装发展四阶段： 第一阶段，20世纪80年代前，以插装型为主； 第二阶段，20世纪80年代后，以表面安装类型的四边引线封装为主； 第三阶段，20世纪90年代后，以面阵列封装形式为主； 第四阶段，21世纪，3D封装为主。