芯片設計所涉及的挑戰(zhàn)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(tǒng)環(huán)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(xié)同設計確實存在不少挑戰(zhàn)，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(zhàn)無處不在
過去，芯片、封裝和電路板的設計是按順序實現(xiàn)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(yōu)化的設計解決的，不過后來這類問題開始采用系統(tǒng)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(tǒng)協(xié)同極具挑戰(zhàn)性。設計團隊往往必須當機立斷地確定系統(tǒng)的哪些方面是需要進行全面詳細的考慮，還是只需要根據(jù)以前的設計周期進行假設。
IC封裝技術的發(fā)展非常迅猛，這種技術在較大的方案中經(jīng)常被忽視?！拔覀冋J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(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技術時，封裝成本很快會發(fā)展難以控制的局面。
另一方面，這些昂貴的封裝具有通過其他方式無法實現(xiàn)的功能。采用由硅導孔(TSV)、系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡變得更加復雜，”Mentor Graphics公司系統(tǒng)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(xiàn)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(zhàn)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(shù)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(tǒng)級布局規(guī)劃的考量了。如何規(guī)劃引線接合和布線？設計系統(tǒng)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(jiān)Brad Griffin表示，“現(xiàn)在的情況是，封裝設計人員已經(jīng)被推到中間，充當著芯片團隊與電路板團隊之間協(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(shù)來協(xié)商和影響芯片設計。不過電路板布局的靈活性最低?！半娐钒逶O計通常有一定量的固定參數(shù)，這些固定參數(shù)已經(jīng)成為封裝和芯片級的限制，”Griffin表示。
設計時必須考慮目標系統(tǒng)的規(guī)格。如何根據(jù)這些規(guī)格來驗證正確的操作？如果參照架構為時域規(guī)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(shù)情況下，按照這種方法來操作是不可行的，”Sigrity公司產(chǎn)品營銷經(jīng)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(jù)頻域規(guī)格進行設計，比如阻抗失諧。這會相應地轉向去耦電容優(yōu)化領域，其目的是在成本與性能之間進行折衷。
“現(xiàn)在去耦電容優(yōu)化已經(jīng)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?！痹S多參考設計都采用這個規(guī)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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