微电子器件封装-第2章1

11、什么是封装？所谓“封装”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包。2、为什么需要进行封装？封装的意义？封装为半导体提供环境的保护；封装为半导体提供机械支撑；封装为半导体所产生的热量提供一种耗散途径；封装为半导体提供与下一级封装的互连。【复习提问】23、什么是集成电路？集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)：以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统.优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高31.电的方面要求；2.机械方面的要求；3.环境方面的要求；4.可靠性方面的要求；5.成本核算方面的要求；……微电子封装设计应综合考虑的以下方面：4第二章封装的电设计2.0.封装的电设计概述；2.1.电的基本概念；2.2.封装的信号传输；2.3.互连接的传输线理论；2.4.互连接线间的干扰；2.5.电力分配的电感效应52.0.封装的电设计概述封装的电设计的目的：♣确定封装中的电信号和供电的路径；♣确定电路内连接的几何图形并选择合适的封装材料；♣确定无源器件以及光波导的埋封工艺；……封装的电设计功能：简单的讲：主要是分配电信号和提供电力分配。具体的讲:(1)提供电信号线路；(2)对芯片提供电力电源线；(3)接地装置、无源器件间的电连接线路；(4)芯片与封装之间界面的键合结构；(5)基片上的传输线及垂直通道…...一级封装电设计：从芯片的线路连接到电路板的电路连接的空间转换作用。6电设计技术的主要挑战：信号的频谱！在低频状态下：适宜的信号和电力通道简单易实现，连接线几乎不受其几何分布的影响；在高频状态下：合适的内连线路接难以实现。此状态下，内连线路的表现主要取决于材料的性质和信号的电磁场。信号传输的问题主要为传输延迟、内连接结构阻抗以及寄生电抗。其中，信号的变形、传输时间也与内接线路有关。☻提供合适的通讯信号线路；☻提供合适的电力分配线路；7寄生电路所谓寄生电路，是指由寄生参数（分布参数）构成的，很容易被人忽略而又存在的电路。寄生参数包括：寄生电容、寄生电感、泄漏电阻、导线内阻等等。寄生电容：就是本来没有在那个地方设计电容，但由于布线结构之间总是有互容，互感就好像是寄生在布线之间的一样，所以叫寄生电容。寄生电感由电容器中的导体（特别是引线）产生的。82.1.电的基本概念2.1.1.欧姆定律V=I·RI=V/RR=V/I2.1.2.趋肤效应定义：高频电流趋向于沿着导体表面流动和聚集的效应。影响:(1)电阻，导体的交流电阻比直流电阻高；(2)交流信号，电压和电流的正弦曲线会产生相互的相位差。2.1.3.克西霍夫定律电压定律：在任何闭合电路中的电压降的总和为0；电流定律:流入电路中一结点的所有分支电流的总和必须为0.92.1.4.噪声定义：指非要求的信号。影响:非本来系统要求的信号会妨碍整个系统的操作。a.非理想效应导致的噪声可能改变正常信号的形状和大小.b.非理想效应导致的噪声可能导致某些信号去了不该去的地方.系统中任何两个导体之间存在的电容。非理想效应主要为：寄生电容和寄生电感。系统中携带电流的结构中产生。封装电设计：应力图降低寄生电容和寄生电感，避免其对系统功能的干扰！102.1.5.时间延迟是指信号从电路的一部分传输到另一部分不及时。♣电阻R和电容C的时间延迟:τ=RC♣电阻R和电感L的时间延迟:τ=L/R后果：RC延迟影响系统速度。后果：L/R延迟影响芯片电力供应的瞬时反应速度，进而造成系统中的同步开关噪声。区域内直流电压的瞬时降低而产生的信号波动。电力供应对开关动作的反应延迟。解决办法：在系统中放置去耦电容，对系统的电感作出补偿！112.1.6.传输线传输线的特征阻抗式传输线的材料、几何形状的函数。传输线终端的区域阻抗必须与输送线的特征阻抗相匹配！2.1.7.线间干扰即串线！是指传输信号在临近的传输线中引起的诱导信号。2.1.8.电磁波干扰（EMI）是指对系统和邻近系统有干扰的电子效应！2.1.9.SPICE电路模拟计算机程序计算机程序模拟分析的目的就是在设计的过程中将噪声水平限制在一定的水平之下。122.2.封装的信号传送2.2.1.信号传送性能指标封装电路系统技术参数：时间延迟、信号歪曲、负载、电抗、反射、串线以及电力波动等。电路信号线的表现：线路的特征阻抗Z0、传输速度Vp信号传送：就是是指令数据由一点传输到另一点。激励器接收器互连接13S(源极)S(源极)G（栅极）G（栅极）D（漏极）D（漏极）NMOSPMOSG=1栅极输入二进制的1时，导致开关关闭，通电G=1栅极输入二进制的1时，导致开关打开，不通电MOS晶体管14输入=1，输出=0输入=0，输出=1Vdd接地输出输入PMOSNMOSCMOS转化器Vdd接地输出输入Vdd接地输出输入15RonPMOSCCg+-Vdd+-Vload互连接的电容等效电路得电流等式：I=（C+Cg）dVload/dt根据欧姆定律：V=I·R进一步得负载电压等式：Vdd-Vload=Ron(C+Cg)dVload/dtdVload/dt+Vload/[Ron(C+Cg)]=Vdd/[Ron(C+Cg)]当t=0时，开关闭合，得一般解：Vload(t)=A(1-e-t/τ)u(t)Vload(t)=Vdd(1-e-t/τ)u(t)162.2.2.克西霍夫定律和转变时间延迟电压定律：在任何闭合电路中的电压降的总和为0；电流定律:流入电路中一结点的所有分支电流的总和必须为0.直流低频在一般介质中的电信好的传输速度：=3.0x108/√rμr在一般介质中的电信好的传输速度：由波长=光速/频率，即λ=c/f，则，具有参数和的单一频率信号的波长为：λ=3.0x108/f√rμr172.3.互连接的传输线理论RΔzLΔzCΔzGΔz+-V（z，t）+-V(z+Δz，t)Δz传输线的等效电路应用克西霍夫电压定律得：V(z+Δz，t)+(LΔz)δi/δt+(RΔz)i(z,t)=V（z，t）当Δz趋向于0时，得δV/δz=-Lδi/δt–Ri…………….(1)182.3.互连接的传输线理论RΔzLΔzCΔzGΔz+-V（z，t）+-V(z+Δz，t)Δz传输线的等效电路应用克西霍夫电流定律得：i(z+Δz，t)-i(z,t)=(GΔz)i(z+Δz，t)–(CΔz)δV/δt当Δz趋向于0时，得δi/δz=-CδV/δt–GV………………(2)19考虑无损失条件下，即R=0,G=0：i(z+Δz，t)-i(z,t)=(GΔz)i(z+Δz，t)–(CΔz)δV/δt两式微分合并得：δ2V/δz2=LCδ2V/δt2………………(3);同理可得：δ2i/δz2=LCδ2i/δt2…………………..(4)2.3.1.一维波动方程一维波动方程得一般解：电压公式：V(z,t)=V+f(t–z/vp)+V-g(t+z/vp)……………........（5）电流公式：i(z,t)=V+/z0•f(t–z/vp)+V-/z0•g(t+z/vp)…………...（6）20封装用的传输线结构：微带，封埋的微带，条线微带：是一种连接结构，通常用在封装的最上面一层；封埋的微带：埋在电解质的内部，通常存在于封装表面的几层内；条线：为金属层间的连接，通常存在于两层金属层之间。212.3.2.数字晶体管的传输线波#1#2Z0=50Ω，T(a)通讯线路(b)等效电路Z0=50Ω，T5Ωt=0时，vp=1/√LC，电压与电流的关系，V+/I+=Z022激励器等效电路t=0时，V+=5050+5×5=4.545(v)根据电压与电流的关系，V+/I+=Z0I+=V+/Z0=4.545/50=90.9(mA)50Ω5ΩI+V+t=05vZ0+-23接收器等效电路Rload→∝时，VloadRload=I++I-=0根据（5）、（6）及V/I=Z，得，Z0Vloadt=05vRload或V++V-=VloadV+=V-，即Vload=2V+=2V-V-V+=反射参数：ГL=Rload–Z0Rload+Z0V-V+=叠加波反射参数：ГG=RG–Z0RG+Z0242.3.3.传输线终端的匹配(a)串联终端法(b)并联终端法适用于高级发射极耦合逻辑元件。Z0=50Ω，T45Ω#2#1#2Z0=50Ω，T50Ωi)作为传输线的匹配电阻；ii)作为元件电路的衰减电阻。双重作用252.3.4.传输线效应的应用信号上升时间tr(皮秒，ps)1）信号的升起或降落时间≥100TOF,用直流电理论分析；2）信号的升起或降落时间在4~100TOF，互连接线的电容、通道、焊接位等对信号传输的延迟应考虑；3）信号的升起或降落时间在﹤4TOF；必须用传输线理论来做信号传输分析33.33ps/cm是在自由空间传输的时间，TOF(timeofflight)。tr≤√LC×2l=33.33√εr×2l根据TOF的大小，可将电介质中的电路进行设计：26作业1、简述微电子封装的意义和目的。2、何为本征半导体、非本征半导体？举例说明。3、何为集成电路？4、简述封装的电设计的目的及功能。5、何为寄生电路？寄生参数有哪些？