芯片、封装和PCB协同设计方法

芯片与封裝之间，封装内各芯片之间，以区封装与印制电路板(PCB)之间存在交互作用，采用芯片-封装-PCB 协同设计可以优化芯片、封装乃至整个系统的性能，减少设计迭代，缩短设计周期，降低设计成本。

芯片-封装-PCB 电气协同设计

首先分析产品特性 (如产品功能、使用环境、技术指标等)，据此进行芯片设计，对其I/O引脚排布进行优化，结合芯片的功能、性能和成本，选用合适的互连方式(如引1线键合、倒装芯片等)，降低基板布线复杂度，提高传输特性;利用芯片的网表、引脚引出方式等信息进行封装设计，结合芯片和产品特性，选用相应的封装形式(如 BGA、LCA、QFN 等)，保障将芯片的信息信号和功率合理地输人与输出，实现芯片之间的互连;对芯片实现良好的物理保护综合考虑 PCB 的布线难度和功能，实现整个系统的设计。然后分别进行芯片、封装和 PCB 的仿真，提取芯片模型和 PCB 模型，并将其导人到封装的仿真模型中，进行信号完整传输路径的仿真，建立系统级仿真链路，实现芯片一封装PCB 的协同设计和仿真，然后基于仿真结果，分析芯片、封装和 PCB 的设计对整个系统的影响，并对其进行优化，最终完成设计。芯片-封装-PCB 的电学协同设计流程如图所示。在协同设计仿真过程中，应结合芯片、封装和PCB 各自的特点，进行电源完整性设计，为芯片提供干净、稳定的电源，为信号提供低阻抗、低噪声的参考回路，并抑制电磁干扰。基于芯片的 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 或 IBIS (Input/ Output BufferIntormation Specification) 等模型、封装的参数模型(如 RLCG、S 参数或 SPICE模型等)，以及PCB 的 RLCG 或S参数等模型，进行整个系统的电性能设计与仿真。通过软件建模工具 与硬件测试仪器，结合高速接口电路的电气特性，完成芯片与封装软硬件协同建模 与参数提取，依据仿真得到的满足系统指标的设计参数和文件，得到安全、优化的完整设计方案。

2.芯片-封装-PCB 散热协同设计

芯片热功耗的大小对封装结构、材料选取、散热设计 等提出了不同的需求，应根据不同的产品特性选取合适的散热方式(如风冷、水冷和自然对流)、封装结构(如内部热沉、加散热过孔、基板结构等)和封装材料(如贴片胶、塑封料和基板材料等)，将芯片产生的热量有效地传导给PCB 或散热器。散热协同设计的主要目的是，针对产品性能及可靠性需求，实现芯片、封装和 PCB 的合理布局，控制局部热点，提高整体散热性能。将模拟仿真结果与可测性实验相结合，对单个芯片或多芯片集成的封装体逐级开展温度分布分析，研究芯片、热界面材料与整个散热结构之间的关系，并对设计方案进行调整和优化，提高系统的整体散热性能。协同设计通过采用不同的材料、结构和散热方式，优化系统的散热方案和连接机制，如利用铜基及散热通孔、新型热界面材料、辅助散热装置等技术来提高系统的散热性。

3.芯片-封装-PCB 热机械可靠性协同设计

芯片-封装-PCB 的热机械可靠性协同设计主要对芯片、封装及系统之间的力学相互作用进行分析，并对芯片、封装及PCB 的结构设计和材料选取进行设计和优化。热机械可靠性分析通过仿真不同封装结构和材料的应力梯度分布得到合适的结构和材料，使其满足芯片的参数性能，将应力分布控制在芯片的线性、增益、电压偏移及其他特性随应 力变化的范围内;也可分析芯片、封装和 PCB 间因材料的不同导致的 CTE 不匹配，以及工艺过程累计的残余应力随温度变化引起的热应力应变和翘曲问题，通过采用热机械模拟方法逐层进行分析，提出有针对性的、实用的、完整的可靠性方案。

审核编辑：汤梓红