芯片設(shè)計(jì)所涉及的挑戰(zhàn)各種多樣，包括功能正確性、電源、信號(hào)完整性和可制造性等。芯片不能孤立存在，而必須以電氣和機(jī)械的方式集成到系統(tǒng)環(huán)境中。此外，芯片還必須進(jìn)行封裝，然后安裝在電路板上。芯片/封裝/印制電路板(PCB)協(xié)同設(shè)計(jì)確實(shí)存在不少挑戰(zhàn)，不過(guò)設(shè)計(jì)人員在追求設(shè)計(jì)收斂的過(guò)程中可以使用各種工具和方法。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)無(wú)處不在
過(guò)去，芯片、封裝和電路板的設(shè)計(jì)是按順序?qū)崿F(xiàn)的。電路板設(shè)計(jì)人員所面臨的信號(hào)完整性問(wèn)題一般是通過(guò)未優(yōu)化的設(shè)計(jì)解決的，不過(guò)后來(lái)這類問(wèn)題開(kāi)始采用系統(tǒng)方法。
由于存在固有的時(shí)間限制和較短的設(shè)計(jì)周期，因此在芯片、封裝和電路板之間建立系統(tǒng)協(xié)同極具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)往往必須當(dāng)機(jī)立斷地確定系統(tǒng)的哪些方面是需要進(jìn)行全面詳細(xì)的考慮，還是只需要根據(jù)以前的設(shè)計(jì)周期進(jìn)行假設(shè)。
IC封裝技術(shù)的發(fā)展非常迅猛，這種技術(shù)在較大的方案中經(jīng)常被忽視。“我們認(rèn)為封裝技術(shù)是一個(gè)非常大的推動(dòng)力，它幾乎與電源問(wèn)題一樣重要，”Apache Design Solutions公司高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Dian Yang表示。主要原因在于封裝成本，采用如今的某些高級(jí)技術(shù)時(shí)，封裝成本很快會(huì)發(fā)展難以控制的局面。
另一方面，這些昂貴的封裝具有通過(guò)其他方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。采用由硅導(dǎo)孔(TSV)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)和疊層芯片(chip-on-chip)技術(shù)推動(dòng)的3D IC技術(shù)的封裝將成為器件在市場(chǎng)上獲得成功的差異化因素(圖1)。不過(guò)需要注意的是：如果選擇了不合適的封裝，您的器件就會(huì)因?yàn)樘F而賣不出去了，也就是說(shuō)，在某些案例中，您的封裝選擇甚至可能會(huì)導(dǎo)致器件的失敗。
 
圖1：采用由硅導(dǎo)孔(TSV)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)和疊層芯片技術(shù)推動(dòng)的3D IC技術(shù)的封裝將成為器件在市場(chǎng)上獲得成功的差異化因素。
“采用硅導(dǎo)孔的SD封裝推動(dòng)了集成度的提高，但同時(shí)也確實(shí)讓片外網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜，”Mentor Graphics公司系統(tǒng)設(shè)計(jì)部方法設(shè)計(jì)師John Park表示。
信號(hào)通路以前就是一條搭接至金屬引線架的簡(jiǎn)單金屬線，而現(xiàn)在則涉及重新分配微凸焊點(diǎn)的布線，通過(guò)一個(gè)硅轉(zhuǎn)接板(silicon interposer)連接至另一片IC，然后下接至封裝焊球(圖2)。
 
圖2：采用3D封裝和TVS技術(shù)后的信號(hào)通路。
設(shè)計(jì)入門
最初的挑戰(zhàn)在于基板和電路板拓?fù)洹７庋b基板和電路板應(yīng)包含多少個(gè)信號(hào)層和接地層？由于成本會(huì)隨著復(fù)雜性的增加而顯著提高，因此必須在層數(shù)與可布線性之間作出折衷。這意味著需要進(jìn)行可行性分析。
完成以上過(guò)程后，接下來(lái)就要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)布局規(guī)劃的考量了。如何規(guī)劃引線接合和布線？設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)一般采用固定DRAM芯片和定制處理器。
“我們采用的是由外向內(nèi)(而不是由內(nèi)向外)的設(shè)計(jì)概念，”Cadence公司SIP、IC封裝和高速PCB設(shè)計(jì)工具市場(chǎng)營(yíng)銷總監(jiān)Brad Griffin表示，“現(xiàn)在的情況是，封裝設(shè)計(jì)人員已經(jīng)被推到中間，充當(dāng)著芯片團(tuán)隊(duì)與電路板團(tuán)隊(duì)之間協(xié)商者的角色。”
由于連接器等元器件布局的原因，電路板元器件一般相對(duì)固定，需要保持不變的位置。某些情況下，元器件可以原地旋轉(zhuǎn)，不過(guò)這完全取決于設(shè)計(jì)的靈活性。
Griffin表示，另一方面，可以通過(guò)減少封裝基板的層數(shù)來(lái)協(xié)商和影響芯片設(shè)計(jì)。不過(guò)電路板布局的靈活性最低。“電路板設(shè)計(jì)通常有一定量的固定參數(shù)，這些固定參數(shù)已經(jīng)成為封裝和芯片級(jí)的限制，”Griffin表示。
設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮目標(biāo)系統(tǒng)的規(guī)格。如何根據(jù)這些規(guī)格來(lái)驗(yàn)證正確的操作？如果參照架構(gòu)為時(shí)域規(guī)格，那么信號(hào)通路中允許的過(guò)沖或振鈴是多少？或者封裝基板或電路板中允許的電源層噪聲是多少？怎樣定義信號(hào)條件才能測(cè)試這些方面？
“大多數(shù)情況下，按照這種方法來(lái)操作是不可行的，”Sigrity公司產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Brad Brim表示，“有許多信號(hào)你必須無(wú)休止地進(jìn)行仿真，這樣才能覆蓋所有可能的使用情況。”
另一種方法是根據(jù)頻域規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如阻抗失諧。這會(huì)相應(yīng)地轉(zhuǎn)向去耦電容優(yōu)化領(lǐng)域，其目的是在成本與性能之間進(jìn)行折衷。
“現(xiàn)在去耦電容優(yōu)化已經(jīng)成為一大趨勢(shì)，”Brim表示，“一個(gè)基本原則就是每個(gè)電源引腳使用一個(gè)去耦電容。”許多參考設(shè)計(jì)都采用這個(gè)規(guī)則，不過(guò)這可能會(huì)造成過(guò)度設(shè)計(jì)。
就成本而言，去耦電容并不是免費(fèi)的，從電路板/基板面積來(lái)講，去耦電容存在約束。此外，如果不受限制地使用去耦電容，往往會(huì)導(dǎo)致無(wú)法布線。因此通過(guò)去耦電容的布局在成本與性能之間折衷至關(guān)重要。Sigrity等分析供應(yīng)商提供的工具可以進(jìn)行這種分析。
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