Maximum stress curve
互连建模与仿真
Up to 110GHz!
7dB
at 10 GHz
at 40 GHz
eye diagram of data line in parallel
eye diagram of data line in series
混合网格划分电源噪声分析
triangle lumped model
LCP – High Frequency Material for RF Passives
系统协同设计理论与可测性原理
多物理域复杂耦合系统， 多物理域复杂耦合系统，性能往往顾此失彼 电特性 电磁兼容 温度特性 热应力 系统协同 设计理论 元件与天线 芯片
系统级封装
互连 混合工艺
系统可测 性原理 小型化三维多层复杂结构( 黑匣子) 小型化三维多层复杂结构 (黑匣子 )，测试困难
中国电子系统封装集成行业产值占微电子业50 中国电子系统封装集成行业产值占微电子业50% 50%， 但缺乏高端核心技术与大型电子系统集成能力! 但缺乏高端核心技术与大型电子系统集成能力!
二、科学问题
复杂封装结构电磁场与热场一体化分析
高频高速与混合工艺 引起信号完整性与电 磁兼容问题 电磁场分析
r r ∂ r ∇ × H ( x, y, z , t , T ) = σ (T ) E ( x, y, z , t , T ) + ε (T ) ∂t E ( x, y , z , t , T ) r ∂ r ∇ × E ( x, y, z , t , T ) = − µ (T ) H ( x, y, z , t , T ) ∂t r ρ ∇ ⋅ D ( x , y , z , t , T ) = ( x , y , z , t, T ) r ∇ ⋅ B ( x, y , z , t , T ) = 0
射频系统级封装技术

内容提要
一、背景介绍 二、科学问题 三、研究进展
一、背景介绍
射频电子系统的应用
电子系统的发展趋势
PC
体积(cm3)
10000
笔记本
单一功能
1000
手持终端 手机
多功能
100
传感器
巨功能
1970 1980 1990 2000
手机 90年代 90年代 现在
传统封装集成技术 系统级封装技术
体积1% 体积1% 重量4% 重量4%
体积45 体积45× 45×32× 32×7mm3,重量150g 重量150g 体积200 体积200× 125×45mm3,重量4Kg 重量4Kg 200×125×
重大战略技术需求
电子系统集成技术
反映国家科技实力 国家中长期科技发展规划 新一代宽带无线移动通信 高分辨率对地观测系统 载人航天与探月工程 大型飞机
小型化三维高 密度集成引起 热问题 热场分析
r ∂T(E, H,J,r,t) r 两个方 D ∇2T(E,H, J, r,t) = ∂t 程耦合 r 热传导方程 麦克斯韦方程 +a(E,H, J, r,t)
电磁场、 电磁场、热与应力相互耦合的一体化建模分析
EMC与EMI问题
V
理想供电电压
实际供电电压
ETFlysis主窗口 ETFlysis主窗口
ETFlysis软件包仿真流程图 ETFlysis软件包仿真流程图
ETFLysis应用案例
华为公司某产品环形器与微带线接触 处发生烧毁（ 烧毁（右图） 右图）,使用ETF 使用ETFLysis 软件分析温度分布， 软件分析温度分布，热点位置反应准 确，为环形器管脚与微带线接触处 通过优化走线， 降低了该点的 温度， 温度，产品未 出现新的烧毁 案例
108
106
Transistors/cm3
10% System
105 104
107
106
90% System
System Integration Law
104
SOP
103
105
102
103 PTH 1971
Source: IBM, Intel
50 SMT 1980 MCM 1990
1993
2000 2004 2020
无源元件
无源元件
占系统总面 积80％， 80％，芯 ％，芯 系统级封装技术 片外元器件 总数90% 总数90%
射频系统级封装小型化关键 是无源元件与天线的小型化
射频损耗、 射频损耗、工艺精度与热问题使无源元件和天线 的小型化与性能提高困难， 的小型化与性能提高困难，需要新的设计理论
高性能小型化无源元件与天线 (续)
rectangle analytic model
3-layer plane with aperture
model connection
transfer impedance Z12
高速电源分配网络分布多端口分析设计方法
随着频率升高，系统级封装电源分 系统级封装电源分配网络表 配网络表现出局 部特性， 部特性，一个集总端口不能准确描述功率传输。 描述功率传输。 提出了分布端口概念，包含多个集总端口， 端口，描述不 同位置功率分布特性。 功率分布特性。
液晶高分子有机薄膜（ 液晶高分子有机薄膜 （ LCP） LCP ） 嵌入式元件使分立 无源元件的尺寸从90 无源元件的尺寸从90年代的厘米量级缩小到目前 90年代的厘米量级缩小到目前 的毫米乃至微米量级， 的毫米乃至微米量级，性能也不断提高。 性能也不断提高。
Laminate type packaging substrate Low loss (< 0.002) stable with freq. (~100 GHz) Moderate dielectric const. (~ 2.95) Large processing area (18″x12″) Low temperature process (~ 200 C) Low moisture absorption (0.04 %) Flexible, 3D integration Can be the final PWB
− + X = T X [ ]
SN b
广义参考曲面 广义端口变量 电磁信息压缩 子块连接： 子块连接 ：广义 面积分方程
突出优点： 突出优点： 任意结构与材料 局部模块变化 激励源变化
ETFlysis混合场仿真软件
研制了系统级封装电、 研制了系统级封装电、热、力耦合分析软件 ETFlysis和功率容量分析软件 ETFlysis和功率容量分析软件APHC 和功率容量分析软件APHC， APHC，可得到系 统电特性、 统电特性、温度与应力分布以及功率容量。 温度与应力分布以及功率容量。
10
பைடு நூலகம் 射频系统级封装的研究现状
在美国航天信号处理器、 在美国航天信号处理器、GPS、 GPS、 雷达、 雷达 、 生物传感 器和日本NEC 器和日本 NEC超级计算机 NEC超级计算机SX 超级计算机SXSX-9等研制中发挥了重 要作用。 要作用。 中电集团13 13所研制了 所研制了X 波段雷达接收前端： 中电集团 13 所研制了 X波段雷达接收前端 ：
12 10 |Z11| (Ohm) 8 6 4 2 0 0 FEM 10 lumped port 20 lumped port
p1(20, 30) p2(120, 30) Full-wave Model Cavity Resonant Model Distributed Spice Model
3模块3 模块3方法建模
各种电子封装集成技术比较
Comparison of System Technolgies
系统集成定律(2ND Law of Electronics for System Integration)
1010 108 109
Moore’s Law For ICs
107
Component Density or Functional Density/cm3
尺寸 砖块 名片盒
功能 单纯通话
价格 1万元
语音、 语音、数据、 数据、上网、 上网、拍照、 拍照、MP4 1千元
航天器载荷重量每减少1 航天器载荷重量每减少1克，可节省推进剂100 可节省推进剂100克 100克
功能或元部件密度 / cm3
100000
目前射频电子系统集成技术的不足
现有的主流电子系统集成技术— 现有的主流电子系统集成技术—片上系统(SoC) 片上系统(SoC) 技术面临挑战。 技术面临挑战。
无源元件
占系统总 面积80 面积80％ 80％
系统级封装技术
三维集 成技术
两 个 核 心 特 征
集成不同材料、 集成不同材料、工 艺和功能芯片， 艺和功能芯片，实 现强大系统功能 将母板无源元件集 成在三维多层结构 中，使系统小型化
电、光、声，传 感器、 感器、执行器
不同工艺芯片与分立元件三维高密度集成的技术 ，是射频电子系统集成技术的主流发展方向
射频/ 宽带， ，自适应性和容 片内使用难， 射频 / 无线 宽带 片内使用难 ， 互连电路复杂, 互连电路复杂 , 互连 错能力强， 错能力强，工艺兼容 天线面积大 纳米互连 电流密度10 电流密度109 A/cm², 工艺问题 导热、 导热、机械性能
互连问题被认为是纳米集成电路十大关键问题之一
高性能小型化无源元件与天线
无源元件
占系统总 面积80 面积80％ 80％
无源元件
占系统总 面积80 面积80％ 80％
SoC无源元件 集成难， 集成难，小型 与轻量化受限 SoC工艺不兼 SoC工艺不兼 容，功能受限
SoC
CMOS芯片组 其它工艺芯片 CMOS芯片组 其它工艺芯片