DesignCon2019 Paper分享--Automotive 芯片封装的SIPI优化

本期分享一篇intel在DesignCon2019上发表的介绍汽车芯片封装SIPI优化的paper--《Signal/Power Integrity Optimizations In An IoT Automotive Package》,文章主要介绍汽车芯片在SIPI上面临的挑战并提出了一些优化措施。

汽车芯片的发展趋势

如今，消费者对于车内用户体验的要求愈发复杂多样，这促使功能强大的处理器在汽车领域得到广泛应用。

到 2025 年，互联汽车市场规模预计将达到 2250 亿美元，自 2018 年起的复合年增长率为 17.1%。原始设备制造商（OEM）通过整合电子控制单元（如仪表盘集群、车载信息娱乐系统、抬头显示等）来降低成本，进而得以在中等价位的车辆上更多地部署互联功能。

与移动产品相比，汽车物联网（IoT Automotive）产品在产品可靠性、生命周期等各个维度，均有着更为严苛的要求。汽车（Automotive）产品和移动产品（Mobile，如笔记本电脑、超极本、平板电脑）在多个方面的存在差异：

温度额定值
汽车产品的工作温度范围是 - 40°C 至 +115°C，而移动产品为 0°C 至 +85°C，汽车产品需适应更宽的温度区间。
制造工艺
汽车产品采用集成散热器（Integrated heat spreader），移动产品则使用加强板（Stiffener）增强部件结构强度和刚性，提升抗变形能力。
温度循环（TC）
汽车产品的温度循环要求是移动产品的 7 倍，意味着汽车产品需经受更多次的温度变化考验。
百万缺陷数（DPM）
汽车产品的百万缺陷数仅为移动产品的 0.02 倍，表明汽车产品对质量控制要求更高，缺陷率更低。
产品生命周期
汽车产品的生命周期是移动产品的 5 倍，使用寿命更长。
产品可靠性
汽车产品的可靠性是移动产品的 2 倍，且通常不允许有微带线布线（μ - strip trace routing），而移动产品允许微带线布线。
无源元件
汽车产品需达到 AEC - Q200（汽车级）标准，移动产品仅需达到商业级标准。
认证测试
汽车产品需通过 AEC - Q100 认证测试，移动产品只需通过商业级认证测试。

总体来看，表格清晰地展示了汽车产品在可靠性、耐久性等方面相比移动产品有着更严格的标准和要求。

车规电子产品的PI方面的挑战

为适应汽车更为严苛的使用条件，需要采用先进的技术与工艺，具体如下：

符合 AEC - Q200 标准的无源器件带来的PI方面的挑战，相较于消费级无源器件的特点：器件外壳尺寸比消费级大 1 - 2 倍，高度是消费级的 2 倍以上。主要体现在相同容值的电容，车规的尺寸更大。

此外还有如下问题：

  供应受限：汽车级元器件的可获得性有限。

  电气性能下降：与消费级相比，能安装在封装上的汽车级电容器更少，这可能导致电气性能下降。

  封装尺寸增大：为了将汽车级元器件安装到封装的焊盘侧（即低应力芯片，LSC），需要更大的球栅阵列（BGA）间距和直径，这会导致封装外形尺寸增大。
板级底部填充（BLUF）带来的PI方面的挑战；

板级底部填充（BLUF）材料被插入到封装和主板之间，目的是增强机械焊点的可靠性。通过填充封装和主板间的空隙，BLUF 可以更好地分散应力，提升连接的稳固性。

同时也产生了其它问题

热循环中的收缩与膨胀：BLUF 材料在热循环过程中会发生收缩和膨胀。汽车在不同环境温度下使用，或者电子元件工作发热等情况都会导致热循环，这会使 BLUF 材料的体积不断变化。

对低应力芯片（LSC）的影响：这种体积变化会使低应力芯片（LSC）面临破裂的风险。因为 BLUF 材料与芯片的热膨胀系数可能不同，反复的热胀冷缩会在芯片上产生应力，进而导致芯片破裂。此外，在设计阶段，没有足够的实验室数据来证明其他情况（即没有足够数据表明这种风险可以被有效避免或降低）。
较厚的封装芯板带来PI方面的挑战；

为避免翘曲、应对IoT汽车应力要求，需要一个厚封装芯板。厚CORE比mobile产品的薄Core或无Core设计的3-7倍。这就导致更大的封装电感和电阻，增加了PI设计的难度。
数量较多的非关键功能（NCTF）球栅阵列（BGA）

在封装角落以及芯片阴影区域附近的 BGA 球，由于老化和温度循环产生的累积应力，容易出现焊点开裂的情况。因此，这些 BGA 球被特意指定为非关键功能（NCTF）球。也就是说，这些位置的 BGA 球在设计上不承担对功能至关重要的任务，以降低因焊点开裂导致关键功能失效的风险。

图片右侧是一个示例 NCTF 图，其中 NCTF 以红色标出，直观展示了 NCTF 在 BGA 布局中的分布情况。

问题是在汽车设计中，这种情况更为严重，相比移动设备设计，需要两倍数量的非关键功能（NCTF）BGA 球。这就导致原本可以用于关键功能（CTF），如电源、信号和接地的 BGA 球被占用，减少了关键功能（CTF）可分配位置的灵活性。因为更多的 BGA 球被划定为 NCTF，使得为关键功能合理安排 BGA 球的布局选择变得更少，从而对汽车电子产品的设计和性能优化带来了挑战。

车规芯片PI优化策略：

优化 DSC 连接

通过层分配、电容放置和电容分配来优化 DSC（Die Side Cap）连接。合理的Power层分配能优化电源传输路径，电容的合理布局有助于减小环路电感，降低电源噪声。
利用电源通道

在功耗最高的电源轨上利用电源通道（power corridor）。电源通道是一种专门设计的电源传输路径，能够更高效地传输大电流，减少电源传输过程中的损耗和电压降，保证高功耗组件稳定供电。

如上图所示，在大电流的电源轨道上使用电源走廊，电源和GND ball从BGA内部延伸到BGA边沿，可以将PCB电源平面延伸到芯片CORE区域以提供从PCB电压调节器到芯片的可靠PDN连接。
使用封装边缘的电源和接地 BGA

在印刷电路板（PCB）上使用封装边缘的电源和接地球栅阵列（BGA），以实现第二阶段（边缘电容）去耦。这样可以在靠近电源需求端的位置进行去耦，更好地滤除高频噪声，改善PI性能。
使用封装上的槽式电感器

设计中经常会有一些电源合并的场景，如大噪声的CORE电源与一些高速IO接口电源、锁相环PLL电源等合并在一起。此时处理不好会出现CORE电源对其它敏感电源的干扰问题。使用封装上的槽式电感器将 “嘈杂” 的电源轨与 “安静” 的电源轨隔离。不同的电源轨可能存在不同程度的噪声干扰，通过槽式电感器的隔离作用，可防止噪声从高噪声电源轨传导到对噪声敏感的电源轨，保证敏感电路的正常运行。