科茂隆电子PCB工作室

芯片设计所涉及的挑战各种多样，包括功能正确性、电源、信号完整性和可制造性等。芯片不能孤立存在，而必须以电气和机械的方式集成到系统环境中。此外，芯片还必须进行封装，然后安装在电路板上。芯片/封装/印制电路板(PCB)协同设计确实存在不少挑战，不过设计人员在追求设计收敛的过程中可以使用各种工具和方法。
设计挑战无处不在
过去，芯片、封装和电路板的设计是按顺序实现的。电路板设计人员所面临的信号完整性问题一般是通过未优化的设计解决的，不过后来这类问题开始采用系统方法。
由于存在固有的时间限制和较短的设计周期，因此在芯片、封装和电路板之间建立系统协同极具挑战性。设计团队往往必须当机立断地确定系统的哪些方面是需要进行全面详细的考虑，还是只需要根据以前的设计周期进行假设。
IC封装技术的发展非常迅猛，这种技术在较大的方案中经常被忽视。“我们认为封装技术是一个非常大的推动力，它几乎与电源问题一样重要，”Apache Design Solutions公司高级副总裁兼总经理Dian Yang表示。主要原因在于封装成本，采用如今的某些高级技术时，封装成本很快会发展难以控制的局面。
另一方面，这些昂贵的封装具有通过其他方式无法实现的功能。采用由硅导孔(TSV)、系统级封装(SIP)和叠层芯片(chip-on-chip)技术推动的3D IC技术的封装将成为器件在市场上获得成功的差异化因素(图1)。不过需要注意的是：如果选择了不合适的封装，您的器件就会因为太贵而卖不出去了，也就是说，在某些案例中，您的封装选择甚至可能会导致器件的失败。
 
图1：采用由硅导孔(TSV)、系统级封装(SIP)和叠层芯片技术推动的3D IC技术的封装将成为器件在市场上获得成功的差异化因素。
“采用硅导孔的SD封装推动了集成度的提高，但同时也确实让片外网络变得更加复杂，”Mentor Graphics公司系统设计部方法设计师John Park表示。
信号通路以前就是一条搭接至金属引线架的简单金属线，而现在则涉及重新分配微凸焊点的布线，通过一个硅转接板(silicon interposer)连接至另一片IC，然后下接至封装焊球(图2)。
 
图2：采用3D封装和TVS技术后的信号通路。
设计入门
最初的挑战在于基板和电路板拓扑。封装基板和电路板应包含多少个信号层和接地层？由于成本会随着复杂性的增加而显著提高，因此必须在层数与可布线性之间作出折衷。这意味着需要进行可行性分析。
完成以上过程后，接下来就要进行系统级布局规划的考量了。如何规划引线接合和布线？设计系统时一般采用固定DRAM芯片和定制处理器。
“我们采用的是由外向内(而不是由内向外)的设计概念，”Cadence公司SIP、IC封装和高速PCB设计工具市场营销总监Brad Griffin表示，“现在的情况是，封装设计人员已经被推到中间，充当着芯片团队与电路板团队之间协商者的角色。”
由于连接器等元器件布局的原因，电路板元器件一般相对固定，需要保持不变的位置。某些情况下，元器件可以原地旋转，不过这完全取决于设计的灵活性。
Griffin表示，另一方面，可以通过减少封装基板的层数来协商和影响芯片设计。不过电路板布局的灵活性最低。“电路板设计通常有一定量的固定参数，这些固定参数已经成为封装和芯片级的限制，”Griffin表示。
设计时必须考虑目标系统的规格。如何根据这些规格来验证正确的操作？如果参照架构为时域规格，那么信号通路中允许的过冲或振铃是多少？或者封装基板或电路板中允许的电源层噪声是多少？怎样定义信号条件才能测试这些方面？
“大多数情况下，按照这种方法来操作是不可行的，”Sigrity公司产品营销经理Brad Brim表示，“有许多信号你必须无休止地进行仿真，这样才能覆盖所有可能的使用情况。”
另一种方法是根据频域规格进行设计，比如阻抗失谐。这会相应地转向去耦电容优化领域，其目的是在成本与性能之间进行折衷。
“现在去耦电容优化已经成为一大趋势，”Brim表示，“一个基本原则就是每个电源引脚使用一个去耦电容。”许多参考设计都采用这个规则，不过这可能会造成过度设计。
就成本而言，去耦电容并不是免费的，从电路板/基板面积来讲，去耦电容存在约束。此外，如果不受限制地使用去耦电容，往往会导致无法布线。因此通过去耦电容的布局在成本与性能之间折衷至关重要。Sigrity等分析供应商提供的工具可以进行这种分析。
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