封装设计中的电气性能考量

封装的主要功能之一是为芯片提供电源．以及为芯片提供通向外部和封装内其他芯片的电信号通路，其电气性能关系到I 能否在更高一级组装中正常工作。在设计中，应考量如下 3个方面。

1.信号完整性

信号完整性（Signal Integrity， SI）是指电信号在封装级互连上传输的品质包含电压波形的精度和信号上升/下降沿到达接收电路输人端的时间精度两个方面，具体的衡量指标包括延迟、反射、串扰、时序、振荡等方面的电气指标。在封装实践中．因电信号互连存在串扰辐射 阻抗失配与延迟等非理想物理因素会出现电信号传输品质劣化(如接收端眼图闭合）甚至电路无法稳定工作的现象。因此，为了保障信号完整性，必须掌握相应的机理、特性的预测，以及在设计中的纠正方法。目前，信号完整性主要考量数字电路的模拟特性，其基本原理和分析问题的角度实际上与模拟和射频/微波集成电路封裝是相通的。信号完整性问题通常出现在工作时钟频率为 50MHz 以上的封装与 PCB 系统中，目前数字电路的工作频率已远远超出 50MHz，因此信号完整性问题越来越突出。

从电磁学原理来看，信号完整性问题可以归结为邻近信号之间电磁场的寄生耦合与电磁场结构的畸变、传输线结构的非对称性和不连续性导致的电磁波传播奇生模态、奇生通路与多重反射等。正因如此，在封装电学设计方法研究中往往通过物理建模、电路建模和实际测量相结合的办法，揭示物理结构参数对电磁场分布与传播的影响，从而确定集成电路与其他附属元件和封装基板PCB 的性能参数，制定集成电路与元器件布局、高速信号的布线、滤波接地等结构设计规范，以及与之对应的信令规范（如数据的编码、端接方式等）和信道均衡化措施，使传输到接收芯片引脚的信号在时序、持续时间和幅值方面符合要求，即确保良好的信号完整性，从而保障接收芯片能正确读取发送来的数据。在采用恰当的信令和掌握信号完整性影响机制的基础上，就可以建立高速信号的高可靠传输物理通路与机制。图所示的是，采用信号恢复措施后，使得接收到的眼图闭合的信号恢复到接近驱动器输出端处的水平。

2，电源完整性

电源完整性（Power Integrity，PI)是指封装芯片电源引脚处的供电电压的量值精度和稳定性，其衡量指标是芯片供电电压的波动范围及噪声等。在工程实践中，需掌握非理想因素对封装供电网络的影响机制及其预测 与评估方法，相应地提出;在设计中进行纠正的方法。电源波动必然会影响信号的输出和接收，从而加剧影响信号的完整性，因此电源完整性和信号完整性通常要协同考虑。

造成电源完整性问题的直接原因主要包括两个方面，即电源互连的电阻压降和电源回路中电流波动 （如同步开关）造成的电压波动。前者主要为低频波动，可以通过对奇生电阻的识别和在设计中减小其电阻值来解决；后者可以造成较高的频率波动，影响芯片、封装和 PCB 三个层级，通常需要对供电网络中的电流通路及IC 典型工作模式 下的电流波形频谱进行分析，识别出存在显著奇生电感、电容或电磁辐射的互连结构，以及对信号影响显著的电源波动的频率分量，然后提出相应的削弱其影响的互连物理设计。

3.功耗及功率容量功耗及功率容量

指标涉及封装长期工作的热稳定性和电源系统设计，与器件工作频率、模式密切相关。在封装层面上，除IC本身发热之外，功耗的主要来源是封装互连的热耗散，其中包括欧姆发热和介质损耗。当前，封装的微小电互连截面面积仅为数平方微米，随着新型介质的使用日益广泛，其欧姆发热和介质损耗不可忽视；此外，三维集成封装中纳米IC 与穿透1IC 的垂直互连间的纳水级互连存在界面声子作用显著增强等问题，这也会导致热耗散，加剧功耗增长。功率电子器件通常要考虑功率容量，该参数与功耗和器件的工作稳定性密切相关，主要衡量指标是保证长期稳定、可靠工作状态下的最大电压和电流。

为了保证功耗与功率容量分析的准确性，可以通过理论、仿真与实测结合的手段，建立封装互连单元热物理模型，结合信号处理与计算型 IC 的电信令规范和功率芯片的电流-电压输出特性要求，计算出功耗与对外输出功率特性随频率、工作模式的变化，从而确定这两个参数。

审核编辑：汤梓红