基於 SiP 技術的微系統

李揚（Suny Li），SiP技術專家，畢業於北京航空航天大學，獲航空宇航科學與技術專業學士及碩士學位。
擁有20年工作經驗，曾參與指導各類SiP項目40多項。
2012年出版技術專著《SiP系統級封裝設計與仿真》（電子工業出版社），2017年出版英文技術專著SiP System-in-Package design and simulation（WILEY）。
IEEE高級會員，中國電子學會高級會員，中國圖學學會高級會員，已獲得10餘項國家專利，發表10餘篇論文。
曾在中國科學院國家空間中心、SIEMENS（西門子）中國有限公司工作。
曾經參與中國載人航天工程“神舟飛船”和中歐合作的“雙星計劃”等項目的研究工作。
目前在奧肯思（北京）科技有限公司（AcconSys）工作，擔任技術專家，主要負責SiP及微系統產品的研發工作，以及SiP和IC封裝設計軟件的技術支持和項目指導工作。

第1部分概念和技術
第1章從摩爾定律到功能密度定律3
1．1摩爾定律3
1．2摩爾定律面臨的兩個問題4
1．2．1微觀尺度的縮小4
1．2．2宏觀資源的消耗6
1．3功能密度定律10
1．3．1功能密度定律的描述10
1．3．2電子系統6級分類法11
1．3．3摩爾定律和功能密度定律的比較13
1 ．3．4功能密度定律的應用14
1．3．5功能密度定律的擴展17
1．4廣義功能密度定律17
1．4．1系統空間定義18
1．4．2地球空間和人類宇宙空間18
1．4．3廣義功能密度定律20

第2章從SiP到Si3P 21
2．1概念深入：從SiP到Si3P 21
2．2 Si3P之integration 23
2．2．1 IC層面集成23
2．2．2 PCB層面集成26
2．2．3封裝層面集成28
2．2．4集成（Integration）小結30
2．3 Si3P之interconnection 31
2．3．1電磁互聯31
2．3．2熱互聯36
2．3 ．3力互聯37
2．3．4互聯（interconnection）小結39
2．4 Si3P之intelligence 39
2．4．1系統功能定義40
2．4．2產品應用場景41
2．4．3測試和調試41
2．4．4軟件和算法42
2．4．5智能（intelligence）小結44
2．5 Si3P總結44
2．5．1歷史回顧44
2．5．2聯想比喻45
2．5．3前景預測46

第3章SiP技術與微系統47
3．1 SiP技術47
3．1．1 SiP技術的定義47
3．1．2 SiP及其相關技術48
3．1．3 SiP還是SOP 50
3．1．4 SiP技術的應用領域51
3．1．5 SiP工藝和材料的選擇55
3．2微系統57
3．2．1自然系統和人造系統57
3．2．2系統的定義和特徵58
3．2．3微系統的新定義59

第4章從2D到4D集成技術61
4．1集成技術的發展61
4．1．1集成的尺度61
4．1．2一步集成和兩步集成62
4．1．3封裝內集成的分類命名63
4．2 2D集成技術64
4．2．1 2D集成的定義64
4．2．2 2D集成的應用64
4．3 2D+集成技術65
4．3．1 2D+集成的定義65
4．3．2 2D+集成的應用66
4．4 2．5D集成技術67
4．4．1 2．5D集成的定義67
4．4．2 2．5D集成的應用67
4．5 3D集成技術68
4．5．1 3D集成的定義68
4．5 ．2 3D集成的應用69
4．6 4D集成技術70
4．6．1 4D集成的定義70
4．6．2 4D集成的應用71
4．6．3 4D集成的意義73
4．7腔體集成技術73
4．7．1腔體集成的定義73
4．7．2腔體集成的應用74
4．8平面集成技術76
4．8．1平面集成技術的定義76
4．8．2平面集成技術的應用76
4．9集成技術總結78

第5章SiP與先進封裝技術80
5．1 SiP基板與封裝80
5．1．1有機基板80
5．1．2陶瓷基板82
5．1．3矽基板85
5．2與先進封裝相關的技術85
5．2．1 TSV技術86
5．2．2 RDL技術87
5．2．3 IPD技術88
5．2．4 Chiplet技術89
5．3先進封裝技術92
5．3．1基於XY平面延伸的先進封裝技術93
5．3．2基於Z軸延伸的先進封裝技術96
5．3．3先進封裝技術總結103
5．3．4先進封裝的四要素：RDL、TSV、Bump和Wafer 104
5．4先進封裝的特點和SiP設計需求105
5．4．1先進封裝的特點105
5．4．2先進封裝與SiP的關係106
5．4．3先進封裝和SiP設計需求107

第1部分參考資料及說明108

第2部分設計和仿真
第6章SiP設計仿真驗證平台111
6．1 SiP設計技術的發展111
6．2 SiP設計的兩套流程112
6．3通用SiP設計流程112
6．3．1原理圖設計輸入112
6．3．2多版圖協同設計112
6．3．3 SiP版圖設計9大功能113
6．4基於先進封裝HDAP的SiP設計流程118
6．4．1設計整合及網絡優化工具XSI 119
6．4．2先進封裝版圖設計工具XPD 120
6．5設計師如何選擇設計流程121
6．6 SiP仿真驗證流程122
6．6．1電磁仿真122
6．6．2熱學仿真124
6．6．3力學仿真125
6．6．4設計驗證125
6．7 SiP設計仿真驗證平台的先進性127

第7章中心庫的建立和管理129
7．1中心庫的結構129
7．2 Dashboard介紹130
7．3原理圖符號（Symbol）庫的建立131
7．4版圖單元（Cell）庫的建立136
7．4．1裸芯片Cell庫的建立136
7．4．2 SiP封裝Cell庫的建立141
7．5 Part庫的建立和應用145
7．5．1映射Part庫145
7．5．2通過Part創建Cell庫147
7．6中心庫的維護和管理148
7．6．1中心庫常用設置項149
7．6．2中心庫數據導入導出149

第8章SiP原理圖設計輸入152
8．1網表輸入152
8．2原理圖設計輸入154
8．2．1原理圖工具介紹154
8．2．2創建原理圖項目162
8．2．3原理圖基本操作163
8．2．4原理圖設計檢查167
8．2．5設計打包Package 169
8．2．6輸出元器件列表Partlist 172
8．2．7原理圖中文菜單和中文輸入173
8．3基於DataBook的原理圖輸入175
8．3．1 DataBook介紹175
8．3．2 DataBook使用方法176
8．3．3元器件屬性的校驗和更新178
8．4文件輸入/輸出179
8．4．1通用輸入/輸出179
8．4．2輸出到仿真工具181

第9章版圖的創建與設置183
9．1創建版圖模板183
9．1．1版圖模板定義183
9．1．2創建SiP版圖模板184
9．2創建版圖項目194
9．2．1創建新的SiP項目194
9．2．2進入版圖設計環境195
9．3版圖相關設置與操作196
9．3．1版圖License控制介紹196
9．3．2鼠標操作方法197
9．3．3四種常用操作模式199
9．3．4顯示控制（Display Control） 202
9．3．5編輯控制（Editor Control） 207
9．3．6智能光標提示213
9．4版圖佈局213
9．4．1元器件佈局213
9．4．2查看原理圖217
9．5封裝引腳定義優化218
9．6版圖中文輸入218

第10章約束規則管理221
10．1約束管理器（Constraint Manager ） 221
10．2方案（Scheme） 222
10．2．1創建方案223
10．2．2在版圖設計中應用Scheme 223
10．3網絡類規則（Net Class） 224
10．3．1創建網絡類並指定網絡到網絡類224
10．3．2定義網絡類規則225
10．4間距規則（Clearance） 226
10．4．1間距規則的創建與設置226
10．4．2通用間距規則227
10．4． 3網絡類到網絡類間距規則228
10．5約束類（Constraint Class） 229
10．5．1新建約束類並指定網絡到約束類229
10．5．2電氣約束分類230
10．5．3編輯約束組231
10．6 Constraint Manager和版圖數據交互232
10．6．1更新版圖數據232
10．6．2與版圖數據交互233
10．7規則設置實例233
10．7．1等長約束設置233
10．7．2差分約束設置236
10．7．3 Z軸間距設置237

第11章Wire Bonding設計詳解239
11．1 Wire Bonding概述239
11．2 Bond Wire模型240
11．2．1 Bond Wire模型定義241
11．2．2 Bond Wire模型參數245
11．3 Wire Bonding工具欄及其應用246
11．3．1手動添加Bond Wire 246
11．3．2移動、推擠及旋轉Bond Finger 247
11．3． 3自動生成Bond Wire 248
11．3．4通過導引線添加Bond Wire 249
11．3．5添加Power Ring 251
11．4 Bond Wire規則設置252
11．4．1針對Component的設置253
11．4． 2針對Die Pin的設置256
11．4．3在Die Pin和Bond Finger之間添加多根Bond Wire 258
11．4．4從單個Die Pin扇出多根Bond Wire到多個Bond Finger 258
11．4 ．5多個Die Pin同時鍵合到一個Bond Finger上259
11．4．6 Die to Die Bonding 259
11．5 Wire Model Editor和Wire Instance Editor 261

第12章腔體、芯片堆疊及TSV設計265
12．1腔體設計265
12．1．1腔體的定義265
12．1．2腔體的創建267
12．1．3將芯片放置到腔體中269
12．1．4在腔體中鍵合270
12．1．5通過腔體將分立式元器件埋入基板271
12．1．6在Die Cell中添加腔體實現元器件埋入273
12．2芯片堆疊設計275
12．2．1芯片堆疊的概念275
12．2．2芯片堆疊的創建276
12．2．3並排堆疊芯片277
12．2 ．4芯片堆疊的調整及鍵合278
12．2．5芯片和腔體組合設計279
12．3 2．5D TSV的概念和設計281
12．4 3D TSV的概念和設計281
12．4．1 3D TSV的概念281
12．4．2 3D TSV Cell創建283
12．4．3芯片堆疊間引腳對齊原則284
12．4．4 3D TSV堆疊並互聯284
12．4．5 3D引腳模型的設置286
12．4．6網絡優化並佈線287
12．4．7 DRC檢查並完成3D TSV設計289

第13章RDL及Flip Chip設計291
13．1 RDL的概念和應用291
13．1．1 Fan-In型RDL 292
13．1．2 Fan-Out型RDL 293
13．2 Flip Chip的概念及特點294
13．3 RDL設計295
13．3．1 Bare Die及RDL庫的建立295
13．3．2 RDL原理圖設計297
13．3．3 RDL版圖設計297
13．4 Flip Chip設計301
13．4．1 Flip Chip原理圖設計301
13．4．2 Flip Chip版圖設計302

第14章版圖佈線與敷銅307
14．1版圖佈線307
14．1．1佈線綜述307
14．1．2手工佈線307
14．1 ．3半自動佈線312
14．1．4自動佈線315
14．1．5差分對佈線316
14．1．6長度控制佈線319
14．1．7電路複製323
14．2版圖敷銅325
14．2． 1敷銅定義325
14．2．2敷銅設置325
14．2．3繪製並生成敷銅數據328
14．2．4生成敷銅排氣孔331
14．2．5檢查敷銅數據333

第15章埋入式無源器件設計334
15．1埋入式元器件技術的發展334
15．1．1分立式埋入技術334
15．1．2平面埋入式技術336
15．2埋入式無源器件的工藝和材料336
15．2．1埋入工藝Processes 337
15．2．2埋入材料Materials 342
15．2．3電阻材料的非線性特徵346
15．3無源器件自動綜合347
15．3．1自動綜合前的準備347
15．3．2電阻自動綜合349
15．3．3電容自動綜合353
15．3．4自動綜合後版圖原理圖同步357

第16章RF電路設計359
16．1 RF SiP技術359
16．2 RF設計流程360
16．3 RF元器件庫的配置360
16．3．1導入RF符號到設計中心庫360
16．3 ．2中心庫分區搜索路徑設置361
16．4 RF原理圖設計362
16．4．1 RF原理圖工具欄362
16．4．2 RF原理圖輸入364
16．5原理圖與版圖RF參數的相互傳遞365
16．6 RF版圖設計368
16．6．1 RF版圖工具箱368
16．6．2 RF單元的3種類型369
16．6．3 Meander的繪製及編輯370
16．6．4創建用戶自定義的RF單元372
16．6．5 Via添加功能374
16．6．6 RF Group介紹376
16．6．7 Auto Arrange功能377
16．6．8通過鍵合線連接RF單元377
16．7與RF仿真工具連接並傳遞數據378
16．7．1連接RF仿真工具378
16． 7．2原理圖RF數據傳遞380
16．7．3版圖RF數據傳遞381

第17章剛柔電路和4D SiP設計383
17．1剛柔電路介紹383
17．2剛柔電路設計384
17．2． 1剛柔電路設計流程384
17．2．2剛柔電路特有的層類型384
17．2．3剛柔電路設計步驟385
17．3複雜基板技術394
17．3．1複雜基板的定義394
17． 3．2複雜基板的應用394
17．4基於4D集成的SiP設計395
17．4．1 4D集成SiP基板定義395
17．4．2 4D集成SiP設計流程396
17．5 4D SiP設計的意義400

第18章多版圖項目與多人協同設計401
18．1多版圖項目401
18．1．1多版圖項目設計需求401
18．1．2多版圖項目設計流程402
18．2原理圖多人協同設計405
18．2．1原理圖協同設計的思路405
18．2．2原理圖協同設計的操作方法406
18．3版圖多人實時協同設計409
18．3．1版圖實時協同軟件的配置411
18．3．2啟動並應用版圖實時協同設計412

第19章基於先進封裝（HDAP）的SiP設計流程415
19．1先進封裝設計流程介紹415
19．1．1 HDAP設計環境需要的技術指標415
19．1．2 HDAP設計流程416
19．1．3設計任務HBM（3D+2．5D） 417
19．2 XSI設計環境418
19．2．1設計數據準備418
19．2．2 XSI常用工作窗口介紹419
19．2．3創建項目和設計並添加元器件420
19．2．4通過XSI優化網絡連接428
19．2．5版圖模板選擇429
19．2．6設計傳遞431
19．3 XPD設計環境432
19．3．1 Interposer數據同步檢查432
19．3． 2 Interposer佈局佈線433
19．3．3 Substrate數據同步檢查434
19．3．4 Substrate佈局佈線435
19．4 3D數字化樣機模擬436
19．4．1數字化樣機的概念436
19．4．2 3D View環境介紹437
19．4 ．3構建HDAP數字化樣機模型438

第20章設計檢查和生產數據輸出444
20．1 Online DRC 444
20．2 Batch DRC 445
20．2．1 DRC Settings選項卡445
20．2．2 Connectivity and Special Rules選項卡447
20．2．3 Batch DRC方案448
20．3 Hazard Explorer介紹449
20．4設計庫檢查453
20．5生產數據輸出類型453
20．6 Gerber和鑽孔數據輸出454
20．6．1輸出鑽孔數據454
20．6．2設置Gerber文件格式457
20．6．3輸出Gerber文件458
20．6．4導入並檢查Gerber文件460
20．7 GDS文件和Color Map輸出461
20．7．1 GDS文件輸出461
20．7．2 Color Map輸出462
20．8其他生產數據輸出463
20．8．1元器件及Bond Wire坐標文件輸出463
20．8．2 DXF文件輸出465
20．8．3版圖設計狀態輸出465
20．8．4 BOM輸出466

第21章SiP仿真驗證技術468
21．1 SiP仿真驗證技術概述468
21．2信號完整性（SI）仿真469
21．2．1 HyperLynx SI信號完整性仿真工具介紹469
21．2．2 HyperLynx SI信號完整性仿真實例分析471
21．3電源完整性（PI）仿真476
21．3．1 HyperLynx PI電源完整性仿真工具介紹477
21．3．2 HyperLynx PI電源完整性仿真實例分析478
21．4熱分析（ Thermal）仿真483
21．4．1 HyperLynx Thermal熱分析軟件介紹484
21．4．2 HyperLynx Thermal熱仿真實例分析484
21．4．3 FloTHERM軟件介紹488
21．4．4 T3Ster熱測試設備介紹489
21． 5先進3D解算器491
21．5．1全波解算器（Full-Wave Solver）介紹491
21．5．2快速3D解算器（Fast 3D Solver）介紹491
21．6數/模混合電路仿真492
21．7電氣規則驗證493
21．7．1 HyperLynx DRC工具介紹493
21．7．2電氣規則驗證實例494
21．8 HDAP物理驗證499
21．8．1 Calibre 3DSTACK工具介紹499
21．8．2 HDAP物理驗證實例500
第2部分參考資料及說明506

第3部分項目和案例
第22章基於SiP技術的大容量存儲芯片設計案例509
22．1大容量存儲器在航天產品中的應用現狀509
22．2 SiP技術應用的可行性分析510
22．2．1裸芯片選型510
22．2．2設計仿真工具選型512
22．2．3生產測試廠家選擇512
22． 3基於SiP技術的大容量存儲芯片設計513
22．3．1方案設計513
22．3．2詳細設計514
22．4大容量存儲芯片封裝和測試519
22．4．1芯片封裝519
22．4． 2機台測試522
22．4．3系統測試523
22．4．4後續測試及成本比例523
22．5新舊產品技術參數比較525

第23章SiP項目規劃及設計案例526
23．1 SiP項目規劃526
23．1．1 SiP的特點和適用性526
23．1．2 SiP項目需要明確的因素529
23．2設計規則導入530
23．2．1項目要求及方案分析530
23 ．2．2 SiP實現方案532
23．3 SiP產品設計534
23．3．1符號及單元庫設計534
23．3．2原理設計535
23．3．3版圖設計535
23．3．4產品封裝測試538

第24章2．5D TSV技術及設計案例539
24．1 2．5D集成的需求539
24．2傳統封裝工藝與2．5D集成的對比539
24．2．1倒裝焊（Flip Chip）工藝539
24．2．2引線鍵合（Wire Bonding）工藝540
24．2．3傳統工藝與2．5D集成的優劣勢分析541
24．3 2．5D TSV轉接板設計542
24．3．1 2 ．5D TSV轉接板封裝結構542
24．3．2 2．5D轉接板封裝設計實現543
24．4轉接板、有機基板工藝流程比較544
24．4．1矽基轉接板544
24． 4．2玻璃基轉接板545
24．4．3有機材料基板546
24．4．4兩種轉接板及有機基板工藝能力比較546
24．5掩模版工藝流程簡介546
24．6 2．5D矽轉接板設計、仿真、製造案例547
24．6．1封裝結構設計547
24．6．2封裝佈線、信號及結構仿真549
24．6．3生產數據Tape Out及掩模版準備552
24．6．4轉接板的加工及整體組裝553

第25章數字T/R組件SiP設計案例554
25．1雷達系統簡介554
25．2 SiP技術的採用555
25．3數字T/R組件電路設計556
25．3．1數字T/R組件的功能簡介556
25．3．2數字T/R組件的結構及原理設計557
25．3．3數字T/R組件的SiP版圖設計559
25．4金屬殼體及一體化封裝設計560

第26章MEMS驗證SiP設計案例563
26．1項目介紹563
26．2 SiP方案設計563
26．3 SiP電路設計564
26．3．1建庫及原理圖設計565
26．3．2 SiP版圖設計566
26．4產品組裝及測試571

第27章基於剛柔基板的SiP設計案例572
27．1剛柔基板技術概述572
27．2射頻前端系統架構和RF SiP方案573
27．2．1微基站系統射頻前端架構573
27．2．2 RF SiP封裝選型574
27．2．3 RF SiP基板層疊設計575
27．3基於剛柔基板RF SiP電學設計仿真576
27．3．1信號完整性設計和仿真576
27．3．2電源完整性設計與仿真579
27．4基於剛柔基板RF SiP的熱設計仿真581
27．4 ．1封裝結構的熱阻網絡分析581
27．4．2 RF SiP的熱性能仿真研究583
27．5基於剛柔基板RF SiP的工藝組裝實現587

第28章射頻系統集成SiP設計案例589
28．1射頻系統集成技術589
28．1．1射頻系統簡介589
28．1．2射頻系統集成的小型化趨勢590
28．1．3 RF SiP和RF SoC 592
28．2射頻系統集成SiP的設計與仿真594
28．2．1 RF SiP封裝結構設計594
28．2．2 RF SiP電學互連設計與仿真595
28．2．3 RF SiP的散熱管理與仿真597
28．4射頻系統集成SiP的組裝與測試598
28．4．1 RF SiP的組裝598
28．4．2 RF SiP的測試599

第29章基於PoP的RF SiP設計案例602
29．1 PoP技術簡介602
29．2射頻系統架構與指標603
29．3 RF SiP結構與基板設計606
29．3．1結構設計606
29．3．2基板設計607
29．4 RF SiP信號完整性與電源完整性仿真610
29．4．1信號完整性（SI）仿真610
29．4．2電源完整性（PI）仿真610
29．5 RF SiP熱設計仿真612
29．6 RF SiP組裝與測試613

第30章SiP基板生產數據處理案例616
30．1 LTCC、厚膜及異質異構集成技術介紹616
30．1．1 LTCC技術616
30．1．2厚膜技術617
30．1．3異質異構集成技術617
30．2 Gerber數據和鑽孔數據618
30．2．1 Gerber數據的生成及檢查618
30．2．2鑽孔數據的生成及比較621
30．3版圖拼版622
30．4多種掩模生成624
30．4．1掩模生成器624
30．4．2掩模生成實例626

第3部分參考資料630
後記和致謝632