系统级封装的基础研究项目申报书Word下载.docx
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根据系统级封装技术的发展趋势,结合国内外研究现状,本项目围绕系统级封装的基础理论与基本方法,凝练出并将解决下述关键科学问题。
(1)复杂封装结构电磁场与热场一体化分析问题
由于电子系统的信号处理速度越来越高,高速信号波长与系统或其中的电路元器件的几何尺寸相当,系统级封装电特性的分析设计必须以微波电磁场理论为基础,要在三维多层复杂边界条件下求解麦克斯韦方程。
另一方面,由于芯片与元件的高密度集成,系统级封装的热问题越来越严重,必须求解热扩散方程得到系统中温度分布并分析、解决各种热问题。
在过去,芯片级特别是封装级电磁场、热场是分开求解的,系统的电、热特性独立进行分析处理。
但事实上,热场分布与电磁场分布是相关联的,热源分布由电磁场分布决定,而热场分布又反作用于电磁场分布,形成一个相互耦合的过程直至达到平衡状态。
从数学方程来看,表现在麦克斯韦方程中的介质本构参数ε、μ特别是导体的导电率σ为温度T的函数,而热扩散方程中的温度T又是电磁场的函数。
因此针对系统级封装的特征,考虑电磁场、热场的耦合关系,进行电磁场、热场的一体化分析建模是一个必须解决的关键科学问题。
按照热力学统计物理的观点,系统级封装是包含几何参量、力学参量和电磁参量的复杂系统,是含空气和固态芯片的多元复相系,并且是一种多尺度的三维多层复杂结构,既要研究系统的热平衡状态,又要探讨系统的热非平衡状态,还且要考虑电磁场、热场的耦合关系,因此系统级封装的精确电磁场、热场一体化分析建模十分复杂,必须解决全波电磁场、热场一体化分析效率低与系统级封装结构复杂的矛盾。
在电磁场、热场一体化分析建模的基础上,要建立系统级封装三维结构的电、热和应力性能分析的参数化模型,对系统级封装的电信号、温度与热应力分布进行快速仿真。
在仿真时必须综合考虑系统的分析效率、复杂结构以及等效模型的频率与温度色散效应等重要因素。
在上述建模仿真的基础上进一步解决系统级封装的信号完整性与热效应问题。
系统级封装工作频率一般较高,芯片和元件种类多、集成密度大,系统三维多层结构复杂,因此由互连与封装结构高频电磁场效应引起的信号完整性问题,电源/接地开关噪声引起的电源完整性问题,元件与芯片之间的电磁兼容(EMC)、电磁干扰(EMI)问题将变得非常严重,这些问题的存在将降低系统的性能指标甚至使系统不能正常工作。
同时由于系统级封装集成密度高,特别是随着三维芯片堆叠,功耗密度大大增加,系统温度也将升高,产生热效应问题。
热效应问题包括两个层面,一是温度效应,随着温度升高,芯片与元件的性能下降甚至被热击穿;
二是热应力问题,系统中各种材料间的热扩张产生热应力失配,严重情况下可损坏封装结构,影响系统的可靠性。
特别是在系统级封装中采用三维芯片堆叠或者芯片嵌入集成技术,要求芯片越来越薄,无源元件也更多地采用薄膜工艺,使得热应力失配导致的封装结构可靠性问题越来越严重。
因此,必须认识与解决系统级封装的信号完整性、电磁兼容问题与热效应问题。
这些问题的解决必须具备对系统级封装的电、热特性进行一体化建模、分析和设计的能力,在系统级封装电、热特性仿真的基础上,认识这些问题产生的根源、机理和表现规律,提出确保系统电、热与机械性能稳定性和可靠性的优化设计的理论与方法措施。
(2)无源元件、天线小型化机理与设计理论问题
无源元件(含互连结构)与天线集成在多层封装结构中实现系统的小型化是系统级封装的一个重要特征。
有统计表明,无源元件与天线在射频系统中约占到元件数目的90%,基板面积的80%,整个系统级封装小型化的关键在于射频无源元件与天线的小型化,许多性能要求(如通信系统信道要具备极宽频带特性,相互之间要有很强的抗干扰能力)也要由它们来保证。
因此无源元件与天线的小型化与高性能对于提高系统级封装的综合性能指标非常重要。
无源元件与天线向高性能、小型化方向的发展历程已产生了许多传统的设计理论方法与工艺技术,但经过几十年的研究挖掘,传统理论方法与技术很难使无源元件与天线的综合性能指标再有大的突破,跟不上系统级封装技术的发展步伐。
例如由于结构的限制,系统级封装中传统无源射频元件的性能尚难以和波导或同轴相比,谐振器的Q值不够高,设计和构成系统级封装窄带带通滤波器较为困难。
因此提出新型无源元件与天线设计的新思想、新方法,从原理上根本性地提高其性能并缩小尺寸,实现高性能与小型化的和谐统一,是系统级封装技术必须解决的一个关键科学问题。
目前系统级封装无源元件与天线设计基本上采取数值仿真和实验调试相结合的方法,缺乏简单的解析模型,这也是有待解决的重要问题。
(3)系统协同设计理论与可测性原理问题
由于系统级封装结构与功能的复杂性,元件、芯片与工艺的多样性,电、热与机械性能相互耦合,三维高密度集成导致电路节点物理可访问性逐步减低,因此系统的协同设计与可测性是系统级封装技术必须解决的又一个关键科学问题,需要发展新的系统协同设计理论,提出新的系统可测性原理与方法。
要使系统级封装设计成为主流的电子设计技术,得到高度自动化的EDA设计工具,系统协同设计和可测性问题的解决是先决条件。
系统协同设计需要考虑多种工艺和性能的芯片、元件、互连与封装体系结构,并且需要综合优化电、热与机械(力学)性能,全局平衡信号/电源完整性、EMC/EMI以及热效应问题的影响;
要注意对系统进行早期规划和功能划分,决定分别由什么样的芯片来实现这些功能,综合运用电路设计、物理设计、系统集成、物理验证等EDA软件工具,将系统级封装结构设计、芯片设计、无源元件与互连设计有机结合。
虽然目前有各种不同级别的协同设计解决方案可用于单芯片器件设计,但都不能满足系统级封装技术更多功能和更高集成度的要求。
系统级封装的可测性问题要解决芯片间互连连通可测性和芯片性能重测方案问题,以及制造加工测试问题,验证是否所有的元件都被正确连接,尤其需要解决系统级封装中高密度互连正确性的高效检测问题,以及多层传输线结构信号完整性和集成三维复杂结构中射频元件的可测性和有效评估问题。
不仅每个元件都要进行可测性设计,在设计整个系统时也要考虑测试的因素,以使将来的测试方案尽可能有效和精确地完成。
本项目在解决以上三个科学问题的基础上,结合系统级封装样品的研制,还将解决硅基与LTCC三维封装工艺的一些基础性问题。
2.主要研究内容
围绕以上关键科学问题,本项目以系统级封装三维复杂结构(包括三维芯片堆叠结构)电磁场与热场一体化分析为基础,以可用于智能交通等领域的微传感器和X波段接收前端系统级封装样品研制为验证手段,主要研究如下内容。
(1)系统级封装电磁场、热场一体化分析建模与系统仿真
从麦克斯韦方程组出发,求解系统级封装三维复杂结构的电磁场问题,解决全波电磁场数值分析方法效率低和系统级封装结构复杂的矛盾。
基于积分方程的矩量法适合于系统级封装的电磁场分析建模,关键是获得多层媒质空域Green函数。
本项目将提出高精度的多层媒质中水平和垂直电偶极子空域离散复镜像Green函数计算方法,研究适用于多层快速多极子(MLFMM)的加法定理展开形式的有效空域Green函数。
在电磁场分析建模的基础上,研究可用于系统级封装的各种类型、各种形状互连结构的建模,提取其等效电路参数,获得各种功能模块的等效电路模型,然后以微波网络原理为基础发展电磁场、电路区域分解与规模缩减方法,进行系统级封装的系统电性能快速仿真。
在电磁场分析建模的基础上,研究系统级封装的电磁场、热场一体化分析建模的理论和实现方法,将电磁场数值分析模型与热场分析模型有机地联系起来,以热力学统计物理为理论基础,真实反映电、热耦合过程,以更系统、更全面的视角来认识系统级封装电、热特性相互关联的物理机制。
研究热源的分布、变化及热交换的各种途径,发展系统级封装结构的热场分析建模和分区/全局热特性快速仿真的理论方法,通过精确仿真分析得到在工作状态下系统级封装结构中温度的空间分布状况和随时间变化的规律。
具体将研究基于矢量有限元的电磁场、热场一体化分析方法,包括多重网格有限元和模型降阶技术,该方法特别适用于复杂结构和复杂边界的场分析和计算,对于多尺度结构和电、热混合问题有较高的适应能力。
由于系统多尺度离散的网格数特别多,还将研究区域分解方法(DDM)与有限元的结合,以及分层有限元方法对系统封装的快速分析。
(2)系统级封装信号完整性与热效应问题的认识与处理
通过系统电磁场、热场一体化分析建模和系统仿真,认识系统级封装中信号延时、畸变、失配、串扰、同步开关噪声、寄生电感电容效应、基底材料导电损耗、电磁泄漏与辐射、芯片混合集成的干扰和匹配等信号/电源完整性与电磁兼容/电磁干扰问题的产生机理、表现规律以及对系统设计参数的灵敏度,分析这些问题对系统工作性能产生的影响,在此基础上研究多层封装结构布局布线优化算法,设计系统信号流分布网络(SDN)和电源供电网络(PDN),并提出一些特殊措施,如去耦、屏蔽、隔离、滤波、鲁棒性接口等,提出适合系统级封装的高速信号传输方案,消除或减轻信号/电源完整性问题、电磁兼容/电磁干扰问题的不良影响,确保系统的工作性能。
在系统电磁场、热场一体化分析建模和系统仿真的基础上,研究系统级封装中各种材料和元件、组件的物理参数、电学性能随温升的变化规律,以此为理论依据在热形变的基础上进行敏感性分析,对不同种类热源进行布局分配和管理,找出热耦合环境下系统电磁性能的优化设计方案。
在实验的基础上研究系统级封装中材料的力学特性行为,建立系统级封装中耦合多元素(温度效应、湿度效应、尺度效应)的材料失效模型;
分析系统级封装中不同结构材料和不同系统级封装结构的热应力产生机制,建立封装中结构的热管理效率模型和热应力失效模型,综合评价系统级封装工艺的可靠性;
利用数值分析工具和综合实验测试手段验证模型的有效性、准确性并对模型进行优化,探索热敏元件、有源模块和封装系统的隔热、散热保护途径,提出系统级封装中热管理机制和防止产生热应力失效的封装结构匹配准则。
(3)高性能、小型化新型无源元件与天线的机理与设计理论
研究适合于系统级封装的高性能、小型化新型元件结构,如电磁带隙(EBG)、接地缺陷(DGS)、基片集成波导(SIW)、耦合缝线(Slotline)和差分堆积等新型结构的工作机理与设计方法,探索系统级封装无源元件按指标要求用综合方法进行设计的理论,解决无源元件高性能与小型化之间的矛盾,设计实现系统级封装可集成的多种新型平面多层嵌入式高性能小型化无源元件,如多层螺旋电感、滤波器、耦合器等。
运用三维电磁场分析建模的全波方法和保角模变换的准静态方法,结合硅基和LTCC材料特性和工艺,建立常用结构如芯元管脚、互连结构、电感、电容、互感、互容、滤波器、耦合器的分析模型,并结合物理分析和数值拟合方法,给出元件性能的简单解析公式,指导无源元件的综合设计。
由于小型化高密度集成,系统级封装中可以用来设计天线的空间有限,必须研究新型天线技术才能满足现在通信中宽带、多频带和高效率的要求。
可重构天线技术能改变天线的频率、极化和方向图,是天线领域目前最前沿的研究方向之一,特别适合于在系统级封装中实现和应用。
本项目将研究利用电调加载或可重构匹配电路来扩展电小天线带宽,探索在小尺寸环境中工作的可重构多频带新型天线的工作机理与设计理论,尝试采用诸如陶瓷塑料、铁电体等新材料来增加电磁辐射效率,通过新型天线、收发机一体化设计充分利用系统级封装狭窄空间。
在系统级封装的三维多层结构中,传统金属互连不仅会产生信号完整性问题,而且在工艺实现上也增加了难度,因此有必要研究新的互连方案。
无线互连被认为最有可能在系统级封装中率先得到应用,尽管其中的天线可能会引起电磁环境恶化。
本项目将研究具有对周边及封装电磁环境鲁棒性的小型化新型宽带片上天线设计,收、发天线的耦合分析和互耦抑制,无线互连信道的时频分析,基于无线互连信道知识的通信系统设计理论,最终设计实现可集
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