科茂隆電子PCB工作室

芯片設計所涉及的挑戰各種多樣，包括功能正確性、電源、信號完整性和可制造性等。芯片不能孤立存在，而必須以電氣和機械的方式集成到系統環境中。此外，芯片還必須進行封裝，然后安裝在電路板上。芯片/封裝/印制電路板(PCB)協同設計確實存在不少挑戰，不過設計人員在追求設計收斂的過程中可以使用各種工具和方法。
設計挑戰無處不在
過去，芯片、封裝和電路板的設計是按順序實現的。電路板設計人員所面臨的信號完整性問題一般是通過未優化的設計解決的，不過后來這類問題開始采用系統方法。
由于存在固有的時間限制和較短的設計周期，因此在芯片、封裝和電路板之間建立系統協同極具挑戰性。設計團隊往往必須當機立斷地確定系統的哪些方面是需要進行全面詳細的考慮，還是只需要根據以前的設計周期進行假設。
IC封裝技術的發展非常迅猛，這種技術在較大的方案中經常被忽視。“我們認為封裝技術是一個非常大的推動力，它幾乎與電源問題一樣重要，”Apache Design Solutions公司高級副總裁兼總經理Dian Yang表示。主要原因在于封裝成本，采用如今的某些高級技術時，封裝成本很快會發展難以控制的局面。
另一方面，這些昂貴的封裝具有通過其他方式無法實現的功能。采用由硅導孔(TSV)、系統級封裝(SIP)和疊層芯片(chip-on-chip)技術推動的3D IC技術的封裝將成為器件在市場上獲得成功的差異化因素(圖1)。不過需要注意的是：如果選擇了不合適的封裝，您的器件就會因為太貴而賣不出去了，也就是說，在某些案例中，您的封裝選擇甚至可能會導致器件的失敗。
 
圖1：采用由硅導孔(TSV)、系統級封裝(SIP)和疊層芯片技術推動的3D IC技術的封裝將成為器件在市場上獲得成功的差異化因素。
“采用硅導孔的SD封裝推動了集成度的提高，但同時也確實讓片外網絡變得更加復雜，”Mentor Graphics公司系統設計部方法設計師John Park表示。
信號通路以前就是一條搭接至金屬引線架的簡單金屬線，而現在則涉及重新分配微凸焊點的布線，通過一個硅轉接板(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技術后的信號通路。
設計入門
最初的挑戰在于基板和電路板拓撲。封裝基板和電路板應包含多少個信號層和接地層？由于成本會隨著復雜性的增加而顯著提高，因此必須在層數與可布線性之間作出折衷。這意味著需要進行可行性分析。
完成以上過程后，接下來就要進行系統級布局規劃的考量了。如何規劃引線接合和布線？設計系統時一般采用固定DRAM芯片和定制處理器。
“我們采用的是由外向內(而不是由內向外)的設計概念，”Cadence公司SIP、IC封裝和高速PCB設計工具市場營銷總監Brad Griffin表示，“現在的情況是，封裝設計人員已經被推到中間，充當著芯片團隊與電路板團隊之間協商者的角色。”
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，不過這完全取決于設計的靈活性。
Griffin表示，另一方面，可以通過減少封裝基板的層數來協商和影響芯片設計。不過電路板布局的靈活性最低。“電路板設計通常有一定量的固定參數，這些固定參數已經成為封裝和芯片級的限制，”Griffin表示。
設計時必須考慮目標系統的規格。如何根據這些規格來驗證正確的操作？如果參照架構為時域規格，那么信號通路中允許的過沖或振鈴是多少？或者封裝基板或電路板中允許的電源層噪聲是多少？怎樣定義信號條件才能測試這些方面？
“大多數情況下，按照這種方法來操作是不可行的，”Sigrity公司產品營銷經理Brad Brim表示，“有許多信號你必須無休止地進行仿真，這樣才能覆蓋所有可能的使用情況。”
另一種方法是根據頻域規格進行設計，比如阻抗失諧。這會相應地轉向去耦電容優化領域，其目的是在成本與性能之間進行折衷。
“現在去耦電容優化已經成為一大趨勢，”Brim表示，“一個基本原則就是每個電源引腳使用一個去耦電容。”許多參考設計都采用這個規則，不過這可能會造成過度設計。
就成本而言，去耦電容并不是免費的，從電路板/基板面積來講，去耦電容存在約束。此外，如果不受限制地使用去耦電容，往往會導致無法布線。因此通過去耦電容的布局在成本與性能之間折衷至關重要。Sigrity等分析供應商提供的工具可以進行這種分析。
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