協(xié)同設(shè)計技術(shù)
出處:jjg 發(fā)布于:2007-06-18 15:27:09
要 點
10年前,設(shè)計師主要用機械 CAD 工具完成封裝的開發(fā)。
早期的 EDA 封裝設(shè)計工具是把印制電路板設(shè)計工具拿出來“重新激活”。
TSMC 的參考流程 5.0 要求供應(yīng)商為 90 nm 設(shè)計提供 IC封裝協(xié)同設(shè)計工具。
SIP(系統(tǒng)封裝)正在代替 SOC(單片系統(tǒng)),成為各家公司應(yīng)對快速變化市場的。
EDA 供應(yīng)商正在研究 SIP 的發(fā)展,以確定是否存在開發(fā)專用 SIP 設(shè)計工具的機會。
一般來說,IC設(shè)計與封裝設(shè)計任務(wù)由不同的小組承擔(dān)。但是,由于現(xiàn)在越來越多的各類因素影響,如成本、產(chǎn)品上市時間、日益增加的封裝復(fù)雜性——尤其是SIP(系統(tǒng)封裝)、多芯片模塊以及堆疊芯片等日益普及,IC設(shè)計師與封裝設(shè)計師不得不進行更密切的合作。所幸的是,有些EDA廠商正在協(xié)同開發(fā)各種工具,幫助IC設(shè)計師和封裝設(shè)計師更高效地協(xié)同工作,這些廠商包括 Cadence Design Systems公司、Synopsys公司、Magma Design Automation公司、Ansoft公司、Eesof公司、O
打破傳統(tǒng)設(shè)計流程
10年前,IC 設(shè)計小組負責(zé)建立 IC 設(shè)計,而在布局和布線階段,用一個 Excel 電子數(shù)據(jù)表文件概述 I/O數(shù)或管腳的要求與分配。然后將這個文件轉(zhuǎn)到隔壁的封裝設(shè)計小組。封裝設(shè)計師使用機械CAD工具(如 AutoCAD 或?qū)S泄ぞ撸?,根?jù)這個規(guī)格建立封裝模型,并在硅片測試后作系統(tǒng)調(diào)整。小組間一般都會互相提出需要對電子數(shù)據(jù)表中的數(shù)字作修改。
這個過程雖并不順利,但還不算很糟。然而,隨著晶體管數(shù)目和 I/O 數(shù)的增加,依靠電子數(shù)據(jù)表的工作變得不太實際。另外,今天的很多設(shè)計都包含了高速射頻(RF)內(nèi)容,并且用串行互連代替了并行總線,這意味著設(shè)計師要應(yīng)付極高的信號速度以及信號完整性、功耗和散熱問題,這些需要對 IC、封裝和印制電路板作更多的電路和 EM(電磁)仿真與分析。
為了更好地應(yīng)對這些新出現(xiàn)的問題,很多公司開始雇用信號完整性,負責(zé)對芯片、封裝和電路板的信號分析。傳統(tǒng)上,企業(yè)雇用一個或多個這種信號完整性,參與多個設(shè)計小組的工作。這些一般使用 3D 電磁場解算器、EM 仿真以及印制 電路板信號完整性工具,跟蹤跨越 IC、封裝和電路板之間的信號。為進一步避免這些麻煩,封裝設(shè)計師采用了更先進的封裝材料,包括從絲焊轉(zhuǎn)向倒裝片封裝,甚至采用風(fēng)扇或液冷封裝。當(dāng)然,封裝復(fù)雜性的增加也會增加其成本。有些分析家認為,封裝的單位成本要高于芯片本身。即使是一般的封裝,其復(fù)雜性也在增加,而采用 SIP 設(shè)計的復(fù)雜性則呈指數(shù)上升。
雖然有一種常見的說法,稱 SIP 是窮人的 SOC,但由于供應(yīng)商要應(yīng)付快速變化的市場,設(shè)計師也不愿意處理在一塊芯片上的混合技術(shù)(如模擬和數(shù)字混合),所以SIP 仍在一定場合非常有用并很普遍。閃存供應(yīng)商 M-Systems 是從 SOC 架構(gòu)轉(zhuǎn)向 SIP 的供應(yīng)商實例(見附文1“‘M’在‘M-Systems’的意思不是‘單片’”)。但是,要實現(xiàn)一個 SIP 或者一個先進的單芯片封裝及其額外設(shè)計挑戰(zhàn)(尤其是抽象與分析),就要求 IC設(shè)計師及封裝設(shè)計師更加緊密地協(xié)同工作(見附文2“解釋兩種方法”)。
Jaime Metcalfe 是 Cadence 公司 Allegro 系統(tǒng)部門的 SIP 營銷副總裁。他說,過去那種相互推諉的辦法不管用了,即使是在與封裝設(shè)計公司有約定時。他表示,事實上,越來越多的客戶要求 IC 設(shè)計師和 ASIC 設(shè)計按照特定的引腳規(guī)格來設(shè)計,這樣的設(shè)計才能裝進印制電路板。這種情況在手機市場上尤其常見?!坝≈齐娐钒迨鞘謾C中主要的成本部件。通過管腳的優(yōu)化,手機制造商可以滿足性能目標的要求,減少印制電路板的層數(shù)。從而降低成本?!?BR>
工具的進化
EDA 供應(yīng)商從兩個方向?qū)?IC 與封裝的協(xié)同設(shè)計進行攻關(guān):上游采用 IC 優(yōu)化工具,而下游則用印制電路板系統(tǒng)工具。業(yè)界嘗試做 IC 設(shè)計與封裝設(shè)計組合的步是采用一個以 IC 為中心的方案,供應(yīng)商開始將 I/O 管腳分配軟件整合到 IC 物理實現(xiàn)工具內(nèi)。Cadence 公司 Allegro 集團 SIP 產(chǎn)品營銷總監(jiān) Keith Felton 認為,這樣一來就可以省略在電子數(shù)據(jù)表中建立配置的手工作業(yè)。
Felton稱 :“這點對于具有高速信號(如 SERDES,即串行器/解串器)的設(shè)計更加重要。你肯定不希望在芯片里留下太多封裝難以解決的毛病?!?br> 多年來,Cadence、Synopsys 和 Magma公司的IC平面規(guī)劃工具就已經(jīng)帶有I/O管腳分配功能,但Felto
EDA供應(yīng)商們亦從印制電路板結(jié)構(gòu)方面解決問題。在20世紀90年代中期,Cadence 為封裝設(shè)計師們創(chuàng)建了一系列印制電路板工具。Advance Package Designer 以及不久以后來自 Avanti(后被 Synopsys 收購)的工具都為封裝設(shè)計師帶來了商用的電子設(shè)計與分析。這些工具有邏輯圖輸入以及封裝的布局和自動布線功能,但缺乏與 IC 設(shè)計的鏈接,以及與仿真和分析的鏈接。過去3年多來,Cadence 和越來越多的業(yè)界公司在 IC 與封裝協(xié)同設(shè)計技術(shù)方面取得了更大的進展。
新的一代
An-Yu Kuo 是 Optimal 公司的技術(shù)官,他說,EDA 業(yè)開發(fā) IC 與封裝協(xié)同設(shè)計工具的努力自 2004 年開始提速,當(dāng)時 TSMC(臺積電)發(fā)布了它的參考流程 5.0,其中特別強調(diào)了需要 IC 與封裝協(xié)同的設(shè)計流程(參考文獻 1)。Kuo 稱:“今天,我們?nèi)匀蝗鄙儆心哿Φ膮f(xié)同設(shè)計工具,以前的 IC 設(shè)計與封裝設(shè)計是互不關(guān)聯(lián)的孤島。3年前,TSMC 認識到納米流程中 IC 與封裝協(xié)同設(shè)計的重要

Felton 稱:“我們希望幫助用戶分析從芯片一直到印制電路板的電氣路徑,并對封裝基板以及印制電路板基材的終掩膜的質(zhì)量水平做出優(yōu)化。”
Synopsys 也在推動自己的成果。該公司在 2001 年對 Avanti 的收購中獲得了 Xynetix 封裝設(shè)計工具,但在 2005 年 9 月,Synopsys 用 JupiterI/O 實現(xiàn)了進一步的流程自動化。該工具是一個并行的芯片與封裝 I/O規(guī)劃工具,包括 I/O 與凸點布局、RDL(重新分配層)走線,以及一些封裝走線規(guī)劃。它通過 Milkyway 數(shù)據(jù)庫訪問 IC 數(shù)據(jù),并通過標準接口訪問封裝數(shù)據(jù)。
實際上,IC 與封裝協(xié)同設(shè)計的市場還處于起動階段。截止發(fā)稿時止,Rio Design Automation(有 Cadence 和 Magma 的背景)將推出 RioMagic。與 JupiterI/O 類似,用戶可以用該工具并行設(shè)計IC和封裝,而不是順序設(shè)計(圖2)。Rio執(zhí)行官 Kaushik Sheth 稱這個流程可以使 IC設(shè)計師對其IC設(shè)計做出“與封裝有關(guān)”的調(diào)整,如果需要對電路板或封裝做修改,IC設(shè)計可以立即反映出這些變化。在 RioMagic 流程中,用戶在IC規(guī)劃階段用一個的I/O數(shù)據(jù)模型進行工作,流程的剩余階段通過Si2的OpenAccess 進行訪問。

Rio 的營銷副總裁 Joel McGrath 稱,RioMagic 能對 I/O 信號的完整性和芯片封裝的功率完整性進行分析。為此,RioMagic 建立了可捕捉片上和封裝寄生參數(shù)的電氣模型。為了建立模型的片上部分,RioMagic 預(yù)先對芯片上的互連進行特性描述,并保存在查尋表內(nèi)。
至于電氣模型的封裝部分,RioMagic 提取RLC和K,建立一個封裝的 PEEC(部分等效電路)詳細模型。這個 PEEC 模型可以記錄整個封裝,而沒有因運行電磁場解算器所需的成本。該工具亦生成一個包含主驅(qū)動器、耦合網(wǎng)驅(qū)動器、耦合網(wǎng)寄生網(wǎng)絡(luò),以及每個網(wǎng)承載印制電路板端結(jié)的仿真層面。RioMagic對這個網(wǎng)絡(luò)進行分析,然后計算主網(wǎng)絡(luò)切換的響應(yīng),以及來自鄰近網(wǎng)絡(luò)的所有耦合效應(yīng)。
RioMagic 包括一個綜合引擎,它用此模型幫助用戶分配 I/O,并可以立即看到它對 IC 平面規(guī)劃的影響。當(dāng)用戶移動硬核時(它在自己的平面規(guī)劃中有固定的 I/O),RioMagic 會自動對符合模型的其余 I/O 進行重新綜合。
RioMagic 工作時基于標準的格式。該工具對芯片網(wǎng)表數(shù)據(jù)采用 DEF(設(shè)計交換格式),I/O 采用 IP(知識產(chǎn)權(quán)),LEF(布局交換格式)的標準單元和硬宏,以及 IBIS(I/
越來越多的先進設(shè)計要求更詳細的提取、EM 分析以及熱分析與仿真,特別是那些采用 SIP 以及混合模擬、數(shù)字或高速 RF 的 IC。某些研究甚至在考慮將天線集成到 SIP 中。所幸,很多久經(jīng)考驗的供應(yīng)商都能為前沿應(yīng)用提供工具,它們是 Ansoft、EEsof、Cadence、Synopsys、Flomerics 和 Optimal等公司。
例如,一片 SIP 經(jīng)常混合有模擬與數(shù)字 IC,并且通常是互相挨著,而不是堆疊式,以保證屏蔽。在一個雙 IC SIP 中,設(shè)計師需要分別對器件芯片和封裝進行寄生提取和信號完整性與功率完整性分析。然后設(shè)計師還要將 SIP 作為一個整體單元,放在整個系統(tǒng)中進行分析。
如果設(shè)計中帶有高速信號的 RF 塊(易受數(shù)字部分的影響),或者芯片采用絲焊堆疊起來,則分析會更加復(fù)雜。提取的數(shù)據(jù)量可能極其龐大,迫使用戶采用基于模型的技術(shù)。
EEsof 和 Ansoft 都提供 2 D規(guī)劃器和 3 D EM 仿真器。雖然 RF 工具一般發(fā)展很慢,Ansoft 近仍推出了 Nexxim 電路仿真器,并注明這是由馬薩諸塞
Williams 說:“我們?yōu)殡姶艌鼋⒛P蜁r總會面臨挑戰(zhàn),因為要使設(shè)計工程師易于使用它的提取。但是,一旦你得到了模型,該如何在電路仿真器中使用它?比如說,如果你使用一個傳統(tǒng)的片上寄生參數(shù)提取器,你的電路仿真器很快就會垮掉。大多數(shù)人會說去用快速的 Spice 仿真器,但它經(jīng)常會對有源器件作過度簡化。我們需要的是一個更好的電路仿真器。這就是開發(fā) Nexxim 的原因?!盇nsoft 亦提供 Turbo Package Analyzer,這是一個采用邊界元件方法、用于多管腳數(shù) BGA 封裝的封裝建模工具。
Agilent 的 EEsof 小組也提供一個先進的 3 D規(guī)劃 EM 工具,即 Momentum。公司近推出了該工具的 64 b版本,以應(yīng)對電磁場解算器面臨的容量問題。
EDA 業(yè)正在開始加快在 IC 與封裝協(xié)同設(shè)計方面的工作,這主要歸功于 TSMC 將 IC 與封裝協(xié)同設(shè)計加入自己的 90 nm 設(shè)計參考流程中。雖然 EDA 公司正在加快腳步,但他們離成功登頂還很遙遠。大多數(shù)供應(yīng)商承認,如果 SIP 繼續(xù) 保持自己的增長速度,則對 IC 完整性的需求會愈加強烈,也許這是 EDA 供應(yīng)商為 SIP 設(shè)計開發(fā)一個子流程的機會。但是,人們還不確定應(yīng)由哪個設(shè)計小組負責(zé) SIP:是 IC 設(shè)計小組?封裝設(shè)計小組?亦或系統(tǒng)設(shè)計小組。也許 SIP 設(shè)計會變得非常復(fù)雜,甚至需要一個全新的設(shè)計師或設(shè)計小組。讓我們拭目以待。
參考文獻
1. www.tsmc.com/tsmcdotcom/PRListingNewsAction.doaction=detail&LANG=E& newsid="1521"&newsdate=2004/07/15.
2. www.fractus.com.
附文1:‘M’在‘M-Systems’的意思不是‘單片’
當(dāng) M-Systems 多年前推出自己的 MDOC(片上單片磁盤)混合型 NAND 引導(dǎo)器件時,集成 NAND內(nèi)核和 NAND 控制器與軟件功能的單個芯片成為了一個 SOC(單片系統(tǒng))。M-Systems 移動部門副總裁 Ariel Mashkovitz 稱 M-Systems 很快發(fā)現(xiàn),為每種 NAND 和 NAND 密度都開發(fā)一個新 SOC 是不切實際的,尤其是在一個日趨熱門的市場上NAND 供應(yīng)商們都在快速地增加密度等級的情況下。
因此,M-Systems 準備轉(zhuǎn)向 SIP(系統(tǒng)封裝)模型,它在一個 IC 上保持有控制器和相關(guān)軟件,而 NAND 在另一個 IC 上。該公司可以調(diào)整控制器上的軟件,用一個封裝就能適應(yīng)不同供應(yīng)商、不同密度的各類 NAND 器件。這意味著當(dāng)客戶產(chǎn)品開發(fā)中出現(xiàn)更高密度的 NAND 時,M-Systems 可以快速地實現(xiàn) NAND 更替。今天,SIP 模型已經(jīng)具備對 M-System 具有相當(dāng)?shù)挠绊懥?,該公司甚至將產(chǎn)品改名為片上“Mobile”(移動)磁盤,而不再是片上“單片”磁盤。
附文2:解釋兩種方法
今天的 ASIC 供應(yīng)商都要面對 IC 與封裝設(shè)計的挑 戰(zhàn)。LSI LogIC與 NEC 在協(xié)同設(shè)計上也遇到類似問題,但他們各自解決問題的方法和工具卻有所不同。
LSI Logic 用一個整合的小組,保證在過程開始時設(shè)計師就考慮到封裝的因素。LSI Logic 營銷經(jīng)理 Yogi Ranade 說,LSI 的一個設(shè)計小組通常包括 ASIC 設(shè)計師、一個芯片與封裝信號完整性、一個封裝設(shè)計師/布局,以及一個系統(tǒng)/方法工程師。Ranade 說:“他們會坦率交流,快速地判斷假設(shè)情景。因為他們采用不同語言,使用不同的工具?!?br> Ranade 指出,在 LSI,信號完整性工程師通常使用 Ansoft 的 Turbo Package Analyzer 或 Optimal 技術(shù)公司的 3 D電磁場解算器。封裝設(shè)計師用 Cadence 的 APD(應(yīng)用參數(shù)描述器)工具,而 IC 設(shè)計工程師則使用一般的 ASIC 工具。
Ranade 稱,雖然這一代商用工具支持標準格式,各個小組可以互相傳送文件,但跨學(xué)科的設(shè)計與分析流程仍需要進一步改善。
Ranade 說:“假設(shè)信號完整性分析告訴你這根走線會造成信號中斷,要是在封裝環(huán)境下就可以快速修改,那
Park 說:“幾年前,我們發(fā)現(xiàn)不能再單獨設(shè)計封裝了。你必須統(tǒng)一考慮硅片與封裝?!?br> Park 解釋說,在封裝問題出現(xiàn)早期,IC 設(shè)計師可以在布局時安排各種功能,這樣在封裝時就不會出現(xiàn)問題。如果封裝設(shè)計師盡早知道了硅片的問題,他們可以在封裝的問題區(qū)域增加功能或屏蔽,例如設(shè)置去耦電容器。
NEC 的工具包括 RLC 提取,以及信號完整性和功率完整性分析。它目前支持倒裝片封裝,但工具架構(gòu)師正在為今年初部署的絲焊設(shè)計開發(fā)另一個版本。
Park 并不認為 NEC 會提供商業(yè)化工具,但他說公司正在評估商業(yè)化可能性,如果 EDA 業(yè)先于 NEC 提供,則可能轉(zhuǎn)向商業(yè)化工具。
參考文獻:
[1]. BGA datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/BGA+_1071529.html.
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