谈谈芯片封装如何优化逆向设计

逆向设计一直被大家误认为“抄袭”,其实这种观点不正确,一款经优化及改良的逆向设计完全可以做到超越原产品。优秀的逆向设计对基础技术的掌握、所用的设计流程与平台的要求很高。就拿芯片封装领域来说,高速芯片封装设计实物看似布线简单,但逆向完成后再从正向设计的角度看,它的技术含量就不简单了,设计者需要从层数、信号布线优化、封装管脚优化、热、应力、可靠性、可量产化、成本、现在还需要加入一条“是否可以排除美国技术”等方面进行综合的考虑。

下面通过介绍一颗内存颗粒由一张打线图而逆向出原设计并优化的过程。

芯片封装逆向设计流程

下图是芯片封装逆向设计流程的简略步骤,与正向过程大部分相似,主要的不同点是Die Pad Location、Package每层布线图、网络名、封装管脚坐标等原始数据的获取上。逆向设计通常只能拿到实物,都拿不到原始设计文件,这种情况下会使用不同的工具及方法(如:剖片、复印、转光绘、测量、X光等)。当封装很复杂且包含的信息较多时使用全手工输入的方法非常易出错,由于获取到的输入材料格式千变万化,想通过软件全自动基本是不可能,因而手工与小软件给合的方式再根据流程进行逆向的方法较为可行。下图为封装逆向设计流程的主要步骤,其中步骤【2】“根据材料提取有效输入数据”是逆向设计中最麻烦的一步:

图1.逆向设计流程

下的主要介绍 “根据材料提取有效输入数据”实施过程。

原始设计数据获取过程

本例的原始数据是一张打线图且包含有封装基板的2层布线图,数据为图片格式且为不等比的PDF文件。如何能从此图中快速、准确地提取出网络名、Die Pad Location的坐标、封装的布线等信息并把它整理成一定的格式供芯片封装设计软件导入呢?

下面将详细说明这些详细的过程:

原始材料分析处理

原如数据为PDF中的图形文件,图中的网络名文字被图形化了,不能按text属性选取,布线及所铺的铜也是用划线填充构成,总体效果如下图所示。这种原始数据的格式决定没法使用软件简单转换成布线或的方式提取,而是部分需要手工输入处理操作的方式。局部放大的原始数据图效果如下:

图2.原图局部放大效果

此输入材料的特别之处是:过孔、基板的铜箔与布线、(Die Pad、WireBond、Die Pad序号,网络名)用了三种颜色分别表示,针对这种情况把它们分别放到不同的层上,这样对后面信息提取及封装设计会带来极大的便利(根据不同的颜色分层可以通过AI(Adobe Illustrator)软件处理即可,分层后把每层分别输出为dxf文件。)。

分层导入dxf文件

在封装设计软件中把上步输出的dxf文件导入,这些dxf文件分别代表布线、Die Pad、WireBond、Die Pad、过孔等,如dxf图形为实心的Shape,则可以把布线层的dxf文件通过封装设计软件的Z copy功能拷贝到相应的布线层中自动变成布线,本例由于dxf文件输出的图形是由line构成,边沿放大后边沿为不规整锯齿状,不能使用此功能因而手工按信号布线路径重新画一遍,由于网络不多,使用手工布线也较快。

导入dxf的文件时需要调整比例到与实际尺寸一样,这个步骤当然也可以在上步输出dxf文件时设置。

Die Pad Location坐标提取

从上面步骤分层输出的dxf文件中通过不同的方法可以分别提取出需要的数据。如熟悉AutoCAD使用,可以直接处理dxf文件。本案例在封装设计软件APD中提取,由于APD封装软件没有直接输出所选定Shape中心点坐标的功能,本例自行开发了小工具处理。即小软件把每个Die Pad的中心点坐标提出如下图所示。

图3.自开发小软件与提取的Die Pad坐标

提取网络名

上面所导入包含了网络名的dxf文件,由于原PDF文件的网络名由画线构成,而非Text属性,不能通过选择Text的方式获取,则使用文字识别软件处理,文字识别的准确率与所用的识别软件关系较大(网上很多,这里不作细述),好的识别软件即使字体图形怪异及摆放不正,识别的准确率也可以很高。但一些数字“0”及字母“O”等难识别地方需要特别关注,这些识别及修改的错误都可能会使芯片Die Pad及BGA Ball上标注的名字不一样,导入软件后Die与BGA就会没有连接关系,此时需要提前对网表比较。

Die元件数据构建

上面各步骤所取得的各种数据,最终的目的是构建一个完整数据文件供给封装设计软件导入并自动生成一个芯片元件,构成芯片元件最少需要Pin Number/Net name/ X Coord /Y Coord四列,如下图所示。

图4.Die text in格式

BGA网络提取及元件生成

上步DIE元件生成后,还需要生成一个BGA封装元件, BGA是Jedec标准封装,如下图(左),每个Ball位置已固定,只需要把BGA每个Ball对应的网络名识别出来,再按下图(中)的格式组成一个Excel文件即可,在封装设计软件中导入此文件,即可生成BGA元件。前面步骤导入所生成的Die及BGA元件,如果Die Pad上的网络与BGA Ball上的网络名一样,它们会自动连接,通过鼠线显示,效果如下图(右)所示。

图5.BGA原图 vs BGA标准管脚摆放 vs 导入后效果

DIE与BGA网表比较

前面通过文本识别软件的方法分别识别了Die Pad及BGA ball上标注的网络名称,识别出的Die及BGA上的网络,网络名应是一一对应的,如有网络名不一样时需要人工确认。可以利用各类开发的小工具,也可以把网络名拷入Excel中通过函数比较。

逆向设计完成效果

把正确的芯片及BGA元件及对应的网络导入到封装设计平台,再按原走线完成布线及WireBond打线设计等工作,这些步骤与正向设计完全相同,最终完成设计的封装顶层布线效果如下图左,而以三维方式显示如下图右,效果更逼真,可以显示出Ball,WireBond、开槽等三维效果。有了封装逆向设计原图文件后可以作为各类仿真与优化的输入。

图6.内存颗粒顶层布线与内部三维效果

设计检查与优化建议

对逆向出的封装设计文件进行检查及分析后,发现原设计Die Pad排布及封装设计存在可以进一步优化的地方,如:

  • Die Pad差分信号DQSN/P在中间插入了Power Pad

  • 一些经Finger出线的回流地/电源太长

  • 阻抗控制不合理

  • 封装内进行等长绕线处理

  • 同组DQS与DATA组内不等长

  • DQL4/DQL5由于Die Pad位置不合理导致较长绕线布线

  • ……

以上的问题有些是早期Die Pad规划时遗留下的,这种情况在现阶段已不能作调整,一个好的项目应在最设计初期就应把这些因素考虑在内,Die Pad Location初步定位的阶段,需要进行Die-Pkg-Pcb三者的Co-Design,在那个阶段把不合理情况先排除。

而原封装设计的问题则可以在后期进行优化。如:对于网络数量较多的复杂封装,由于封装内的布线密度大且空间小,层增加会导致成本的增加,通常情况下不主张在封装内进行总线的等长绕线,而是把绕线移到PCB上实现。如下本例对总线的优化是把等长绕线改为尽量短,封装优化修改前后的布线效果如下图。下面针对封装设计时内部数据线作了等长绕线情况进行优化及仿真分析。

图7.总线优化前后布线效果比较

芯片封装电模型提取

封装设计完成后,为方便后续的电性能仿真验证,通常需要获取信号的电模型:如S参数、RLC、Spice、Pkg等。一般的封装使用Pkg模型时信号仿真精度基本能得到满足,对于更高速的信号会提取S参数模型。

这类Pkg及S参数模型中包含了线间的相互影响的因素,因而比只提供R/L/C值的情况要准确。

封装优化后仿真验证

对于等长的链路,把封装部分的总线在封装内绕线的情况移到封装外的PCB上进行补偿绕线,哪种方式更有利于信号质量?下面通过SI仿真进行验证。封装内不绕等长线而是输出每根被仿真信号线的Pin Delay数据,PCB Layout软件把封装输出的Pin Delay数据导入,Pin Delay数据调入后,PCB布线规则会出现冲突标志,如下图的右侧红色的数字,后面再在PCB中调整这些总线的长度,最终使【封装布线+PCB布线】的总长度相等,

图8.导入PIN Delay后规则的变化

由于在PCB的布线空间较大且Pin Delay引入的长度调整量不大,PCB总线的长度调整前后对比改动不大,如下图所示。

图9.PCB上导入Pin Delay后长度调整前后比较

上面2种情况完成设计后,再分别提取PCB布线的模型及封装封装绕线前后的Pkg模型,最后在仿真平台上搭建如下的总线仿真链路并进行仿真。

图10.数据总线仿真链路

仿真结果分别使用波形及眼图的方式显示,如下图所示,粉红的曲线代表把封装内的绕线移到封装外的PCB中进行的结果,绿色曲线则表示等长绕线在封装内部完成的结果。从仿真结果比较看,原封装内的等长绕线移到PCB端进行,眼图及波形整体效果会更好些,可见布线优化后对链路整体性能有较大的改善。

图11.仿真结果比较

总结与建议

逆向设计的目的不是为了抄袭产品,而是通过对现有的产品分析,找出原产品的优点与缺点,为新产品设计提供有价值的参考以便开发出更优秀的产品。

对于芯片封装的逆向设计,根据不同的需求投入的时间也不一样,如只是按1:1进行逆向抄袭,这种方式在速率不太高的情况下,成功率较大。对于高速产品则门槛高得多了,此时按正向设计的思路进行逆向设计及优化,从多领域及专业角度加以考虑及仿真,如:可加工性、可量产性、热、应力、高速的PCB设计知识,链路的性能仿真等,就可以设计出性能更好的封装。

*本文提到的正向设计的具体操作步骤则可以在京东上找作者写的书《芯片SiP封装与工程设计》,文中用到的自开发小程序则可以在作者公众号【amao_eda365】免费下载使用!

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本文源自头条号:半导体行业观察

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