先進(jìn)的芯片封裝設(shè)計(jì)

作者：博維科技 時(shí)間：2018-12-04 15:36

芯片（die）堆疊正在引起更多關(guān)注，但設(shè)計(jì)流程還沒(méi)有完全準(zhǔn)備好支持它。先進(jìn)的封裝技術(shù)被視為摩爾定律縮放的替代品，或者是一種增強(qiáng)它的方法。但是，為證明這些設(shè)備能夠以足夠的直通率來(lái)產(chǎn)量制造而給予的大量關(guān)注與對(duì)先進(jìn)封裝對(duì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證流程的要求之間存在巨大的差距。

并非所有先進(jìn)的封裝都對(duì)工具和方法提出了相同的要求。 2.5D封裝的要求與單片3D IC的要求大不相同。還有小芯片，各種類(lèi)型的扇出和扇入，系統(tǒng)級(jí)封裝方法，以及封裝和直接鍵合方法。根據(jù)封裝類(lèi)型，可能需要混合使用PCB和IC設(shè)計(jì)技術(shù)和工具。無(wú)論使用哪種類(lèi)型的封裝，都可能需要添加各種形式的驗(yàn)證方法。

那么，行業(yè)在適應(yīng)或增加必要的工具和流程以使更廣泛的行業(yè)可以使用這項(xiàng)技術(shù)的地方在哪里？

市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者始終是第一個(gè)轉(zhuǎn)向最新節(jié)點(diǎn)的人，因?yàn)樗鼮樗麄兲峁┝司S持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)所需的擴(kuò)展，功能和性能優(yōu)勢(shì)。 “對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，整體芯片單片擴(kuò)展的形式即將結(jié)束，”西門(mén)子事業(yè)部Mentor董事會(huì)系統(tǒng)部產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Keith Felton說(shuō)。 “7nm是非常昂貴的，每個(gè)晶圓的產(chǎn)量不是那么好，你必須制造數(shù)百萬(wàn)片芯片才能覆蓋住NRE。當(dāng)你的芯片規(guī)模很大時(shí)，你通常最好將設(shè)計(jì)分解成更小的塊，你可以在芯片的那一部分使用適當(dāng)?shù)墓に嚬?jié)點(diǎn)或技術(shù)，然后將它們集成在一個(gè)硅插入器上。你會(huì)得到更便宜的東西。您可以更快地推向市場(chǎng)。如果你想進(jìn)行更新，你可以只更換一個(gè)或兩個(gè)小芯片并擁有一個(gè)新產(chǎn)品，而不必重新安裝一個(gè)全新的SoC。“

雖然其中一些可能是對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)，但它正是推動(dòng)當(dāng)今行業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。

“我們現(xiàn)在有一些目前成本相當(dāng)高的選擇，但它們有很多優(yōu)勢(shì)，”Cadence公司IC封裝產(chǎn)品管理總監(jiān)John Park說(shuō)。 “在過(guò)去的幾年里，我們一直在從小型PCB轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)始看起來(lái)像一個(gè)大型集成電路。”

Park展示了該行業(yè)從引線框架到球柵陣列（BGA）以及現(xiàn)在的2.5D和3D技術(shù)（圖1）所采用的工藝路徑。

使用2.5D集成技術(shù)，您可以從電路板移動(dòng)存儲(chǔ)器并使用硅插入器將其集成到處理器旁邊，這可以通過(guò)縮短距離和擴(kuò)大數(shù)據(jù)管道來(lái)減少延遲。 “你用什么工具來(lái)實(shí)現(xiàn)插入器？”Park問(wèn)道。 “你用什么走線（routing）和布局？怎么把它流片出去（tape out）？它需要以IC格式流片。從歷史上看，封裝采用PCB格式流程，例如Gerber或IPC2581格式的文件。“

這將對(duì)工具產(chǎn)生巨大影響。 “你需要一種類(lèi)似PCB的技術(shù)來(lái)進(jìn)行一些路由，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮换ナ胶褪謩?dòng)路由方面比傳統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)工具更加先進(jìn)，而傳統(tǒng)的IC工具往往是更多的批量應(yīng)用，”他指出。 “但我還需要一些IC技術(shù)。我需要?jiǎng)?chuàng)建掩模層（ mask layers）和GDS，因?yàn)樗鼈儗⑹褂肐C設(shè)計(jì)過(guò)程制造。一旦我們進(jìn)入3D IC，這純粹是一個(gè)IC過(guò)程。它從計(jì)劃到簽收，包括時(shí)序分析。另外，您需要多芯片（multiple-die）的LVS檢查。封裝設(shè)計(jì)師從電路板設(shè)計(jì)師變?yōu)樾酒O(shè)計(jì)師。它還延伸到生態(tài)系統(tǒng)中，每個(gè)新的封裝版本都需要參考工藝流程和相關(guān)的PDK。“

這不僅僅是一個(gè)工具變化。設(shè)計(jì)文化也隨著工具而變化。 Mentor的技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)工程師John Ferguson表示，“我很想知道在驗(yàn)證封裝級(jí)別的裝配設(shè)計(jì)方面存在多少剛性或者多少種格式。” “有一個(gè)粗略的設(shè)計(jì)規(guī)則手冊(cè)，如果你遵循，你應(yīng)該能夠制造它。用戶(hù)可以通過(guò)觀察它來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但是沒(méi)有人真正關(guān)心過(guò)。現(xiàn)在我們談?wù)摰氖菙?shù)十萬(wàn)或數(shù)百萬(wàn)個(gè)引腳。能夠通過(guò)觀察它們進(jìn)行檢查的想法是不可能的。“

幫助這個(gè)行業(yè)的是一個(gè)名為CHIPS的DARPA項(xiàng)目計(jì)劃，它推動(dòng)了芯片概念的發(fā)展。 “在過(guò)去，所有的IP都在同一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)上，”Park解釋道。 “現(xiàn)在你把它分開(kāi)并以與節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)的方式重建它。 SerDes可以是28nm，內(nèi)存可以是32nm，7nm的視頻芯片等等。我有那種靈活性。但它比這更復(fù)雜，因?yàn)樾⌒酒俏锢砩蠈?shí)現(xiàn)的第三方IP版本”。“這些方面的流程需要在物理和協(xié)議級(jí)別上進(jìn)行一些額外的工作。

模型和抽象

整個(gè)封裝是否需要作為單個(gè)芯片處理？ “我們今天已經(jīng)面臨著對(duì)1億門(mén)級(jí)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和驗(yàn)證的挑戰(zhàn)，”Synopsys的3DIC布局和驗(yàn)證應(yīng)用工程師Frank Malloy說(shuō)。 “現(xiàn)在你在頂部堆疊另外1億個(gè)門(mén)，如果你試圖將它視為一個(gè)巨大的設(shè)計(jì)，你的內(nèi)存使用和運(yùn)行時(shí)將失去控制。我們需要抽象能夠建模和封裝設(shè)計(jì)的某些部分，并減少對(duì)內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)的影響。“

但也有一些關(guān)鍵的信息，必須在各個(gè)部分之間共享。 “在當(dāng)今復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，IR跌落分析至關(guān)重要，”Malloy說(shuō)。 “現(xiàn)在，當(dāng)你在一個(gè)芯片die上面有另一個(gè)芯片die時(shí)，你必須計(jì)算一個(gè)大芯片die的IR壓降，它必須從封裝通過(guò)底部芯片die向頂部芯片die進(jìn)行供電和接地。上芯片die的IR下降將受到下芯片die的IR下降的影響，因此我們必須進(jìn)行多芯片die的IR下降分析。

在一個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)境下將這些部件拉到一起是一種有吸引力的方式或降低復(fù)雜性。

“基于模型的界面是任何試圖將多個(gè)芯片die集成到系統(tǒng)中并嘗試處理這些交互的人的優(yōu)雅解決方案，”ANSYS模擬和混合信號(hào)解決方案高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Karthik Srinivasan說(shuō)。 “IR下降可以以提取的方式完成，但是對(duì)于正在組裝的系統(tǒng)并擁有真正的3D IC的人來(lái)說(shuō) - 一個(gè)芯片與凸點(diǎn)連接而另一個(gè)芯片通過(guò)微凸塊饋送 - 在為了進(jìn)行真正的IR分析時(shí)他們需要知道芯片die的負(fù)載。你需要一個(gè)并發(fā)模擬環(huán)境。“

今天，那些抽象不是標(biāo)準(zhǔn)的。 “今天確實(shí)存在一些必要的抽象，但每個(gè)供應(yīng)商都有自己的專(zhuān)業(yè)和自己的做事方式，”弗格森指出。 “在代工廠和用戶(hù)之間，隨著時(shí)間的推移，這將會(huì)合并，我們將全部采用相同的設(shè)計(jì)實(shí)踐。”

最終，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將參與進(jìn)來(lái)。 “有些標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，例如Si2，正試圖提出一些這些抽象的無(wú)IP定義，”費(fèi)爾頓解釋道。 “但是，今天存在很多格式。 它們可能不太理想，但它包括LEF / DEF文件，GDS文件，逗號(hào)分隔值電子表格，AIF文件到BGA.txt文件。 在早期，你必須要小心，你不要太嚴(yán)格。 這可能會(huì)迫使用戶(hù)進(jìn)入特定的使用模型。 我們已經(jīng)看到客戶(hù)在使用不同形式的數(shù)據(jù)攻擊具有同一問(wèn)題的非常多樣化的數(shù)據(jù)格式。 他們想要的是一種盡可能開(kāi)放的解決方案，因此他們不會(huì)被迫進(jìn)入限制性數(shù)據(jù)流。“

接口

在小芯片的概念成為現(xiàn)實(shí)之前，可能需要標(biāo)準(zhǔn)接口。 “高帶寬內(nèi)存（HBM）是一個(gè)早期的例子，”Park說(shuō)。 “這有點(diǎn)容易，因?yàn)樗皇且粋€(gè)針對(duì)特定應(yīng)用程序的內(nèi)存接口。小芯片接口必須更通用。“

DARPA CHIPS計(jì)劃正在解決這個(gè)問(wèn)題。他們選擇了先進(jìn)接口總線（AIB，Advanced Interface Bus）作為物理層接口，由英特爾開(kāi)發(fā)，用于嵌入式多芯片互連橋（EMIB，Embedded Multi-Die Interconnect Bridge）中的芯片到芯片連接。英特爾通過(guò)DARPA計(jì)劃提供AIB免版稅。其他公司正在開(kāi)發(fā)在此接口之上運(yùn)行的輕量級(jí)協(xié)議。

但是可能需要多個(gè)專(zhuān)用接口。 “HBM是一個(gè)高度并行化的接口，您可以在不使用高速I(mǎi)O的情況下移動(dòng)大量數(shù)據(jù)，”Felton解釋道。 “它可以為您提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出功耗的吞吐量，從而減少散熱問(wèn)題。有PAM4，那里有很多協(xié)議接口。根據(jù)芯片的類(lèi)型及其功能，芯片組將根據(jù)所需的性能支持一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。“

工具和工藝流程

今天，必須設(shè)計(jì)封裝，并且可能需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分區(qū)。走線（Routing）可能涉及多個(gè)芯片。分析必須考慮到封裝中的所有內(nèi)容以及更多內(nèi)容。

“幾年前，一位包工程師花了90％的時(shí)間來(lái)實(shí)施，”Park說(shuō)。 “這包括諸如布線設(shè)計(jì)，創(chuàng)建電源平面和進(jìn)行電氣特性描述等任務(wù)。如果你今天和同一個(gè)人談話，那部分工作不到50％。他們花了很多時(shí)間在走線設(shè)計(jì)階段與芯片團(tuán)隊(duì)合作。他們正試圖根據(jù)成本，性能，物理特性和功耗來(lái)找出最適合該芯片的封裝技術(shù)。“

這在多個(gè)層面上變得復(fù)雜。 “你可能有六個(gè)小芯片，你可能有不同類(lèi)型的內(nèi)存，無(wú)論是堆疊還是并排，你可能正在考慮使用插入器或嵌入式插入器橋，”Felton補(bǔ)充道。 “您基本上處理多層次的基板集成，并排，堆疊，嵌入，您需要一個(gè)可以快速評(píng)估這些不同場(chǎng)景的環(huán)境，以便了解它們?cè)诳傮w目標(biāo)方面為您提供的服務(wù)。”

但設(shè)計(jì)流程是可以看到主要影響的地方。 “我們已經(jīng)修改了芯片設(shè)計(jì)鏈中的每一個(gè)工具，從實(shí)施到驗(yàn)證，包括物理設(shè)計(jì)，靜態(tài)時(shí)序分析，寄生參數(shù)提取，設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）和LVS，”Malloy說(shuō)。 “這些工具中的每一個(gè)都得到了增強(qiáng)，以支持3D設(shè)計(jì)。大多數(shù)設(shè)計(jì)今天都是單獨(dú)完成的，但是在流程中的某些時(shí)候你將它們組合在一起。然后我們需要讀取兩個(gè)裸片并查看它們之間的優(yōu)化。我們應(yīng)該在哪里移動(dòng)凸塊，以便通過(guò)兩個(gè)芯片die獲得最短的導(dǎo)線長(zhǎng)度？我們應(yīng)該在哪里移動(dòng)bumps（電源）或門(mén)電路（邏輯gates），以便我們通過(guò)它們兩者獲得最快的時(shí)間？我們最近對(duì)提取和分析進(jìn)行了改進(jìn)，以便能夠查看兩個(gè)裸片并查看兩個(gè)裸片之間的導(dǎo)線上可能發(fā)生的電容耦合?，F(xiàn)在這些具有混合鍵合的裸片非常接近，因此兩者的最頂層金屬層可以相互作用，并且在兩種完全不同的設(shè)計(jì)之間具有電容耦合。

還有更多的事情要來(lái)。 “你不再只有兩個(gè)維度，現(xiàn)在你有第三個(gè)維度，”帕克說(shuō)。 “從理論上講，你有20多個(gè)金屬層可以玩，因?yàn)槟阌袃蓚€(gè)面對(duì)面的芯片die。如果我在同一芯片上將兩個(gè)功能塊彼此相鄰放置，但由于其他限制，它們距離太遠(yuǎn)，我可以移動(dòng)一個(gè)功能塊到它上面的芯片中。這有什么用？它是如何工作的？它有何種影響？路由（Routing）成為一個(gè)三維問(wèn)題。如果底部芯片上的路由資源耗盡，即使您嘗試連接底部芯片上的兩個(gè)旗艦，您也有可能通過(guò)過(guò)孔（via）的方式到頂部芯片并在該芯片上找到路由資源然后過(guò)孔回到底部。你必須在兩個(gè)三維堆疊的芯片上進(jìn)行時(shí)序收斂。“

結(jié)論

高級(jí)封裝的重新工具化才剛剛開(kāi)始。雖然EDA公司不能停止投資遵循最新實(shí)施的工藝節(jié)點(diǎn)，但他們還必須大力投資新的封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)流程。與僅影響后端工具的最新工藝節(jié)點(diǎn)的更新不同，封裝設(shè)計(jì)將影響設(shè)計(jì)流程中的所有內(nèi)容，并為全新工具添加一些要求。

他們需要多長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)？ “在過(guò)去，公司正在收集數(shù)據(jù)，但在短期內(nèi)并沒(méi)有真正計(jì)劃任何事情，”弗格森說(shuō)。 “今天，雖然它仍在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但它不再只是踢輪胎了。 他們決定買(mǎi)一輛車(chē)，他們正試圖確定將哪輛車(chē)帶回家。“