SiP設(shè)計：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)并行
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SiP獨特的優(yōu)勢
SiP的優(yōu)勢不僅在于尺寸方面，SiP能夠在更小的占用空間里提供更多的功能，并降低了開發(fā)成本和縮短了設(shè)計周期。
從設(shè)計和制造角度講，SiP為設(shè)計和制造系統(tǒng)組件提供了最好的技術(shù)。從測試的角度來看，SiP可以減少測試儀成本。另外，像存儲器這樣在發(fā)現(xiàn)缺陷的時候可以被修復(fù)或重新裝配的元件，也不會受到其它的如邏輯元件這樣的在發(fā)現(xiàn)缺陷時無法修復(fù)的元件的影響。
SiP允許性能的高密集性，綜合了鍵合工藝、倒裝芯片工藝、堆疊芯片工藝、嵌入元件工藝、MEMS和堆疊封裝工藝的組合。這使得設(shè)計師可以使用SiP實現(xiàn)子系統(tǒng)，以及采用SoC技術(shù)無法實現(xiàn)的或以前在PCB上執(zhí)行的系統(tǒng)。
此外，SiP技術(shù)可以在互連級別上降低功耗和噪音，在混合和配對IC技術(shù)上更有彈性，并且可以通過采用無源元件減小電路板尺寸。相對于目前基于SoC的解決方案，SiP模塊的開發(fā)更省時。例如，使用SiP技術(shù)，一部有著多種不同工藝技術(shù)的IC、分立器件和RF架構(gòu)的2.5G手機可以在短短幾個月內(nèi)開發(fā)出來。而要在SoC中實現(xiàn)這種功能整合，要么成本不容許，要么技術(shù)上不可能，或者超出了可行的上市時間安排。
面臨的挑戰(zhàn)
盡管與傳統(tǒng)的封裝技術(shù)相比，SiP在手機、藍牙、WLAN以及分組交換網(wǎng)絡(luò)等無線、網(wǎng)絡(luò)和消費電子領(lǐng)域都有明顯的優(yōu)勢。但是SiP仍然面臨很多挑戰(zhàn)，如缺少整合的工具和方法以實現(xiàn)IC、封裝和電路板設(shè)計的整合，無法模擬、驗證和分析完整的SiP設(shè)計。
今天，SiP設(shè)計被使用特殊工具和技術(shù)的專家所采用。雖然這些“專家設(shè)計”手段被用于初期前沿產(chǎn)品，例如將內(nèi)存嵌入手機芯片，然而它們的綜合性和先進性還不夠，無法提供最新無線掌上消費電子設(shè)備所需的高性能SiP模塊。主要問題在于缺乏參考設(shè)計流程，可行性研究太耗時并且經(jīng)常不夠精確，整個設(shè)計鏈的協(xié)作也不夠好。要通過精簡設(shè)計周期加快上市時間，SiP設(shè)計必須從“專家專用”轉(zhuǎn)化為主流設(shè)計方法，具備自動化、綜合性、可靠性與可重復(fù)性。三個顯然需要新工具功能的領(lǐng)域是：系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計、高級封裝和RF模塊設(shè)計。
系統(tǒng)級協(xié)同設(shè)計
雖然現(xiàn)在有很多種協(xié)同設(shè)計方案可以選擇，SiP技術(shù)需要比市面上任何一種技術(shù)更高的性能和綜合性。其中一個原因是SiP在精度上是更為復(fù)雜的電子技術(shù)。更多的裸片需要更多的電流，更快的裸片對時序和電磁干擾的影響更為敏感。SiP的電力傳輸也比單個裸片封裝設(shè)計更為復(fù)雜，因為多個裸片共用封裝基板內(nèi)的電力系統(tǒng)，并且一些裸片直接與另外一個裸片共用電源。
為了克服這些挑戰(zhàn)，SiP設(shè)計師必須管理所有關(guān)聯(lián)設(shè)計結(jié)構(gòu)——也即整個系統(tǒng)互聯(lián)的設(shè)計部件間的物理設(shè)計、電氣設(shè)計和制造接口。簡而言之，設(shè)計師需要有抓住整個系統(tǒng)互連性的能力，然后將需求傳遞到數(shù)字IC、定制IC、SiP和PCB等不同的設(shè)計領(lǐng)域。
這對于當今的設(shè)計工具和方法是相當苛刻的要求。創(chuàng)新必須從設(shè)計之初就開始。有一種解決方案是創(chuàng)造一種抽象或虛擬系統(tǒng)互連(VSIC)模型，這樣設(shè)計師就可以搭建從I/O緩沖器到I/O緩沖器的SiP級或系統(tǒng)級互連模型。使用VSIC模型，設(shè)計師可以成功地進行多結(jié)構(gòu)級別的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和折中。他們可以平衡時序、信號和電源完整性的需求，還可以試驗信號配置和信號拓撲結(jié)構(gòu)，然后進行仿真以驗證時序和噪音裕度，最后滿足誤碼率的要求。還可以設(shè)計出電力分配系統(tǒng)原型驗證向內(nèi)核輸送的電力，確保不存在同步切換噪聲(SSN)問題。
通過跨領(lǐng)域SiP協(xié)同設(shè)計流程，設(shè)計師可以借由I/O焊盤的優(yōu)化，以及由此形成的更小的封裝面積，造出更小的芯片。他們可以降低能耗和噪音，實現(xiàn)更快的設(shè)備性能，并減少PCB層數(shù)，實現(xiàn)更低的成本和更簡單地完成PCB。這樣一種協(xié)同設(shè)計方法還引申出一個讓人費解的問題，即誰會向不同設(shè)計領(lǐng)域的人保證該方法的靈活性可讓他們引領(lǐng)市場，借此設(shè)計出這樣的SiP。在一個真正的協(xié)同設(shè)計流程里，不管是誰促進SiP成為執(zhí)行結(jié)構(gòu)，無論是IC團隊架構(gòu)師、技術(shù)行銷人員、封裝架構(gòu)師還是PCB架構(gòu)師，都有能力執(zhí)行該設(shè)計。
高級封裝3D化
為了提高功能密度，SiP設(shè)計在封裝內(nèi)采用了復(fù)雜的三維(3D)架構(gòu)。封裝包括有堆疊鍵合芯片、堆疊在倒裝芯片上的鍵合芯片、裸片間直接安裝、使用媒介基板支持倒裝芯片的緊接堆疊，以及包括堆疊封裝在內(nèi)的其它復(fù)雜組合。堆疊方法唯一的限制因素只有設(shè)計師或制造商的想象力，凸塊、焊球和金屬線壓焊的3D天性必須得到充分了解，弄清楚他們是否能夠成功連接和建模。不幸的是，采用當前的二維(2D)工具、2D規(guī)則和對電力模型的簡化假設(shè)是不可能的。SiP實現(xiàn)需要有封裝的3D視圖以及3D規(guī)則和新3D工具的發(fā)展。
電氣建模本身會產(chǎn)生很多問題。設(shè)計師無法再像PCB設(shè)計那樣假定直交和正交線，因為PCB設(shè)計通常的假設(shè)前提是有一個完美的電源層，讓用戶可以簡化PCB板上線的模型。由于在SiP設(shè)計中“紐扣狀器件”層很普遍，因此有必要將精確的電源層模型與PCB板上的線結(jié)合，以了解SSN與電流回路。
在電力輸送和全波提取方面的性能改進也是必要的。電力輸送系統(tǒng)的直流壓降與交流阻抗也必須被建模，以優(yōu)化退耦電容。至于在更高頻下運作的設(shè)備，比如說3GHz，就需要全波技術(shù)。如今這樣的技術(shù)顯得太慢了，它可能要花好幾天才能完成一次提取，這就突出了工具改良的另外一個領(lǐng)域。
SiP設(shè)計的一個主要挑戰(zhàn)是如何分配過多的電量，那可能會導(dǎo)致芯片上出現(xiàn)過熱點，以及焊接點和裸片固定的壓力。SiP實現(xiàn)需要這些電力和熱量的考慮在投入制造之前就得到檢驗，因此就要有一個設(shè)計流程將電氣分析和熱分析考慮到IC設(shè)計中，這樣IC設(shè)計工具可以執(zhí)行更精確的分析，更接近實際情況的限制條件，這是大有裨益的。
RF模塊設(shè)計
在RF IC設(shè)計過程中必須對RF模塊進行設(shè)計和驗證。為此，RF IC和封裝設(shè)計這兩個完全不同的領(lǐng)域必須要統(tǒng)一起來。為使其正常運作，設(shè)計師需要有在IC和RF模塊間妥協(xié)的能力——例如，應(yīng)該將傳感器放在芯片里使其占據(jù)寶貴的空間，還是放在基板上？沒有對整個設(shè)計的一個清楚表達，像這樣的選擇就無法描述、仿真和解決。
允許為芯片和模塊單獨設(shè)計一個原理圖的設(shè)計解決方案是一個很好的開始。設(shè)計師接著可以從芯片和基板提取寄生參數(shù)，并且將這些寄生參數(shù)反標回原理圖，用于仿真。
在RF模塊設(shè)計工具中將會需要用到RF IC設(shè)計中認可的一些功能。例如，基板級RF無源器件的參數(shù)化設(shè)計單元(P-Cell)在定制IC工具中是標配，而在如今領(lǐng)先的封裝設(shè)計工具中卻是不存在的。將他們引入將會是所有SiP解決方案的一部分。
本文小結(jié)
總而言之，SiP設(shè)計允許制造商將很多IC和封裝流水線合在一起，然后對技術(shù)進行測試，創(chuàng)造出高度整合的產(chǎn)品，同時使得芯片成本、尺寸和性能最優(yōu)化。EDA軟件供應(yīng)商正努力改進技術(shù)，幫助他們攻克設(shè)計挑戰(zhàn)，尤其是在協(xié)同設(shè)計、高級封裝和RF模塊設(shè)計領(lǐng)域。最近，由于SiP技術(shù)各方面都得到了可喜的進展——降低成本、加快上市時間、減少類型，降低能耗，它帶來的極大推動作用是不可忽視的。
但是為了實現(xiàn)SiP設(shè)計的好處，傳統(tǒng)的EDA解決方案無法滿足開發(fā)高效的SiP所需的自動化設(shè)計流程，EDA軟件供應(yīng)商必須設(shè)計有新功能的工具，并提供可靈活調(diào)節(jié)的設(shè)計方法和流程。一套完美的解決方案會讓SiP設(shè)計團隊成員能夠在IC環(huán)境中創(chuàng)造“裸片抽象”，能夠在IC和封裝設(shè)計環(huán)境中進行RF設(shè)計，在完整的封裝和PCB設(shè)計環(huán)境中進行封裝與電路板的協(xié)同設(shè)計，使得原本是專家工程的SiP設(shè)計被更多的企業(yè)采用，推動其主流化。
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