隨著工藝節點和裸片尺寸不斷縮小，采用倒裝芯片封裝IC器件的消費電子產品的數量日益增加。但是，倒裝芯片封裝制造規則還沒有跟上工藝技術發展的步伐。本文介紹了用芯片-封裝協同設計方法優化SoC的過程。
隨著工藝節點和裸片尺寸不斷縮小，采用倒裝芯片封裝IC器件的消費電子產品的數量日益增加。但是，倒裝芯片封裝制造規則還沒有跟上工藝技術發展的步伐。
因此需要一種更精確、更高效的I/O接口設計方法，特別是針對倒裝芯片設計的I/O接口設計方法。這種一體化芯片-封裝協同設計方法應允許開展早期的可行性研究，還要能優化封裝和芯片接口設計，同時能滿足芯片和封裝需要的嚴格約束條件。
目前，大多數倒裝芯片設計公司都采用內部方法進行倒裝芯片規劃。這種方法主要利用電子表格捕獲和存儲設計輸入和約束。公司自己開發腳本處理電子表格中的數據，并產生指令去指導設計實現。這種方法通常是從一個簡單的系統開始，然后隨著設計復雜性的提高，逐漸發展成為一套復雜的格式和腳本。
這種方法有許多缺點。首先，這種系統的維護費用昂貴并會降低設計師的產能。第二，電子表格在設計描述方面有很大的局限性。第三，腳本缺乏綜合能力，無法執行假設分析，也無法對設計進行成本、性能和可靠性方面的優化。第四，基于電子表格和腳本的系統不能精確預測設計的最終實現。
協同設計環境
隨著裸片的不斷縮小以及I/O數量和速度的不斷提高，芯片和封裝之間的接口很快成為了設計中約束最嚴格的部分。能夠及時并且同時設計出高質量和低成本的封裝與芯片可以實現完全不同于普通或故障芯片的成功產品。
因此需要一種一體化的芯片-封裝協同設計系統，這種系統要使用工業標準的數據庫OpenAccess，并能與第三方封裝和接口實現工具相接。這種一體化設計環境能讓設計師在單個數據庫中查看和操作芯片與封裝數據。由于設計數據庫包含了完整的封裝和芯片實現數據，這種數據庫可以同時供芯片和封裝設計小組使用。
Tcl接口允許用戶開發Tcl腳本來探測設計數據，產生數據報告，并實現設計流程的自動化。通過使用數據庫或LEF/DEF等標準接口還可以在協同設計環境和第三方芯片與封裝實現工具之間實現數據交換。
高效的封裝和芯片協同設計解決方案必須具有快速建立原型的能力，因為需要在設計周期早期就做出封裝決策，此時設計網表和/或物理庫還沒有準備好。預測最終實現的精度也很重要。如果沒有足夠的精度，在原型設計或規劃階段做出的設計決策可能導致實現困難，從而嚴重影響出帶時間。
保守的規劃可能不必要的增加封裝成本。協同設計系統需要允許用戶開發出多種場景來讓設計師測試不同的封裝方案。有了這種功能后，用戶可以用不同的基底堆疊方法建立原型設計，并通過可行性檢查找到最便宜的封裝解決方案。
任何設計參數變化都是遞增的，設計可以用修改后的設置自動更新。例如，如果用戶想試驗具有較少層數的基底、或較小BGA、或不同比例的I/O焊盤單元，用戶可以在短短幾分鐘內導入/產生一種新的基底堆疊方案，或產生另一個BGA，或建立一套新的I/O單元原型。不同的設計解決方案可以保存為獨立的數據庫供比較和設計審查。還可以從可行性和成本方面對每種設計進行評估。
任何規劃工具需要與最終實現有很好的相關性。一個規劃只有能夠順利地實現才是完美的。在采用傳統方法時，封裝版圖設計師必須用手工方式確認封裝的可布線性。這樣做將延長項目時間，并增加用于評估的封裝數量。
集成化的芯片-封裝協同設計環境應包含自動化的封裝可行性布線器，用于對許多封裝進行快速和精確的評估。這種封裝可行性分析是減少設計小組與封裝供應商之間工程反復的關鍵。
由于大多數封裝修改和確認可以在同一個封裝-芯片協同設計環境中完成，因此詳細的封裝版圖只是在最終的版圖實現和驗證時才需要。
如今大多數倒裝芯片設計依賴于以前人們熟知的良好凸點圖案。這種“一成不變”的解決方案可能導致嚴重的過度設計，并且增加不必要的封裝成本。
集成式的倒裝芯片封裝協同設計解決方案，提供從自動到完全定制的一整套創建功能。它能自動綜合在所選封裝中可布線的凸點覆蓋宏(bump-covermacro)，并滿足SPG(信號到電源和地)約束條件,還能從文件格式導入定制的凸點覆蓋宏。
此外，穩固可靠的版圖編輯器能讓用戶在GUI中直觀地創建和編輯凸點覆蓋宏。在具有凸點覆蓋宏庫的情況下，系統可以為設計選擇最佳的宏，從而實現更小的裸片面積、更少的封裝布線層以及更好的電源與地分布。
這種系統中使用的綜合方法可以確定最優的凸點版圖，形成最高性價比的解決方案，并滿足最嚴格的約束條件。
集成式芯片-封裝協同設計規劃環境的一個最重要優點是，它能同時從封裝和芯片的角度考慮約束條件。當約束中存在沖突時，工具需要作出智能仲裁。
在圖1所示的設計例子中，裸片正在向新技術移植，現有封裝接口需要盡可能多地得到再利用。在本例中，上述封裝球分配可以從電子表格中得到，其中封裝東側和西側的球分配是固定的，它們到PCB的接口將被再利用。
由于時序約束的原因，芯片北側是固定的接口。因此北側的封裝球需要重新分配，以匹配固定的芯片接口。
在芯片的南側，設計師可以自由地優化封裝球分配和芯片I/O焊盤布局。用白色高亮顯示的區域具有固定的芯片或封裝約束。
這里的挑戰在于，自動設計芯片I/O焊盤的版圖、倒裝芯片的凸點和封裝球，并且同時滿足芯片和封裝中的固定約束。在沒有一體化協同設計工具的條件下，這項工作需要花上數周的人工設計時間。芯片或封裝側的任何后續變化可能還需要好幾天的數據同步。
一體化芯片-封裝協同設計系統可以同時處理封裝和芯片約束。芯片和封裝之間的數據同步可以由約束主導的I/O布局、凸點分配和封裝球分配引擎自動完成。
在沒有封裝約束的初始芯片I/O布局后的設計狀態。由于采用了固定封裝球，封裝是不可布線的。
在東側和西側完成封裝主導的I/O布局后的結果，其中I/O單元被替換了，凸點也重新進行了分配，以確保到固定封裝球的可布線性。
在芯片北側完成芯片主導的封裝球分配后的結果，其中封裝球進行了重新分配，以確保到芯片上固定I/O接口的可布線性。
設計完成后的結果，其中工具已經自動完成芯片I/O布局、凸點分配以及南側封裝球分配的優化工作。受約束的自動化操作可在數分鐘或數小時內完成這項任務，而相應的人工操作則需要花費數天、甚至數周的時間。
設計修改
設計修改可能發生在設計規劃階段的早期，也可能晚至出帶之前發生。在傳統環境中完成修改是很痛苦的，因為它需要大量人工工作。另外，在芯片和封裝之間還存在數據不一致的風險。
使用單個數據庫的一體化芯片-封裝協同設計解決方案可以自動處理ECO(工程更改單)。如果修改可以向下貫徹設計層次，不破壞硬件設計約束，那么封裝修改就是可接受的。封裝和芯片版圖是自動更新的。
同樣的，如果可行的話，芯片設計修改可以向上貫徹到封裝層。當芯片和封裝約束之間存在沖突時，工具可以向用戶提供在芯片與封裝之間進行仲裁的方法。最重要的是，由于ECO是在單個數據庫中處理的，因此它能保證芯片和封裝之間的數據一致性，并且內置數據檢查器可確保設計具有純凈的LVS(版圖對原理圖)。
本文小結
現在，一個大型SoC設計的出帶要求先進的底層規劃工具。倒裝芯片規劃正是沿著相似的路線演變。SoC設計需要更精確和更高效的I/O接口設計方法，特別是對于倒裝芯片設計。這種一體化芯片-封裝協同設計方法應允許開展早期的可行性研究，還要能優化封裝和芯片接口設計，同時能滿足芯片和封裝需要的嚴格約束條件。芯片協同設計解決方案正成為降低設計成本和滿足上市時間要求的一個獨特因素。
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