设计 | 仿真 | 生产的数据一致性

来源:中科院半导体所发布时间:2023-02-172314浏览

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来源：SiP与先进封装技术

作者：Suny Li

设计 | 仿真 | 生产的数据一致性

对于现代电子产品来说，从精妙的构思到成为实际的产品，要经过成千上万个步骤，也需要不同团队之间的合作，根据产品的复杂程度不同，团队的大小也不同，小到几个人，大到成千上万人皆有可能。

电子系统的集成主要分为三个层次，芯片、封装、PCB。

IC\传统封装\PCB

IC\先进封装\PCB

今天，我们以电子产品为例，结合这三个层次，对产品研发过程中的数据一致性做一些分析和探讨。现代电子产品的研发过程一般可以分为三个阶段：设计、仿真、生产，如下图所示。

设计就是将设计者的思想变成可以生产的图形的过程，仿真则是验证这些图形是否能够满足设计要求并对此进行优化，生产则是将图形制造出来并组合到一起形成实物，实现设计的目的。以芯片为例，分为设计、仿真、验证、生产等环节，设计解决的是模型的构建，也就是从0到1（从无到有）的问题，仿真和验证对模型进行确认和优化，也就确认设计中的1到底是等于1、大于1还是小于1的问题，并对相应的问题进行修正，从而以提高芯片一版成功的几率。芯片设计规模越大，工艺节点越小，对流片（Tape Out）成功的要求也越高，因此，对仿真验证环节的要求也会更高。

设计 | 仿真 | 生产的数据一致性

对于封装和PCB来说，其设计、仿真、生产的流程基本上是一致的，尤其当封装进化为SiP和先进封装之后，二者都属于电子集成技术，只是实现的层次不同。封装中的设计单元是裸芯片Chip或者Chiplet，而PCB中的设计单元是封装好的芯片，是前者集成的产出物。

因此，我们下面的讨论中，并不专门区分封装和PCB，而统一进行设计、仿真、生产的论述。

早先的产品研发，仿真环节相对比较淡化，设计完成后往往直接进行生产，然后再进行调试，修改，再生产，整个产品研发周期比较长，需要经过多次重复才能达到预期的目的。

随着设计复杂程度的提高，投产一次的成本也日益高涨，设计-->生产的模式已经无法满足产品的需求。生产之前，没有经过充分且完备的仿真分析，几乎是不可能做出成功的产品。

这就需要在设计和生产环节之间加入仿真环节，并且仿真的重要性日益提高。随着仿真技术的发展和日益成熟，出现了一些新的概念和名词，例如数字化样机，数字化双胞胎、数字孪生等概念，二者从本质上来讲都属于仿真的范畴。由此也可以看出业界对仿真环节的重视。

设计最终成为产品，生产环节至关重要，设计的目的就是为了生产，因此，从设计到生产的数据传递久经考验，是比较成熟稳定的，例如芯片从设计到生产常用的数据格式为GDSII，PCB从设计到生产常用的数据格式为Gerber，封装则较为特殊，从早先传统封装的DXF到SiP常用的Gerber再到先进封装常用的GDSII。

设计 | 仿真 | 生产的数据一致性

对于从设计到仿真，其数据的传输方式则更为灵活和多样化，但其成熟度要稍逊于设计到生产的数据传递。

在仿真中，我们将需要仿真的元素分为两大类：Active 有源类，主要包括各类元器件，Passive 无源类，主要包括互连模型和RLC等无源器件。对于仿真来说，最重要的就是模型的构建。模型可分为器件模型（Devices）和互连模型（Interconnections），器件模型也被称为主动模型（Active Model），互连模型也被称为被动模型（Passive Model)，RLC一般也被定义在互连模型中。

严格来说，从芯片到PCB的多级集成中，真正的器件模型只存在于第一个层次的集成中，即芯片中的晶体管模型，其他层次的集成如Interposer, Package、PCB中均为互连模型，如下图所示。

同时，有一点非常重要，就是：器件模型+互连模型=>新的器件模型，是对本层次的模型化描述，并作为模型应用在下一个层次的仿真中。

例如在芯片内部，用器件模型来描述晶体管，其他的互连线和RLC都被视为互连模型；到了封装层次，芯片整体作为一个器件模型，封装中的互连线，平面层，RLC等被视为互连模型；到了PCB层次，封装好的SiP或先进封装（里面包含多块芯片和它们之间的互连）作为器件模型，PCB上的互连线，平面层，RLC等被视为互连模型。

从下图中，我们可以看出，芯片中的晶体管和互连形成第一级别的模型，再加上Interposer上的互连和Bump形成第二级别的模型，再加上封装基板上的互连和BGA形成第三级别的模型。

不同级别的分类也可以根据实际需求进行灵活调整，例如将Interposer上的互连和封装基板的互连统一处理，形成芯片和封装两级模型。

从上面的描述，针对封装和PCB，我们可以得出如下结论：器件模型来源于上一层次的集成，在本层的集成主要是针对互连模型。

下面就是对典型封装互连模型描述的实例，分为基板上的布线Layout和键合线Bond wire，是通过RLC参数对不同段的Layout或者Bond wire进行描述。

在封装和PCB的原理图和版图设计中，主要的任务就是进行正确的互连，原理图根据器件的功能对其逻辑互连关系进行定义，并传递到版图，版图依此是对物理互连分层绘制，并通过过孔或者TSV将各层连接起来。

生产则是将版图的每一个物理层制造出来并组合到一起，使器件的功能正常运行并实现设计的目标，为了保证这个目标顺利实现，在生产之前需要进行充分的仿真。

设计 | 仿真 | 生产的数据一致性

从设计数据到仿真数据，中间需要经过数据的传递和转换。

对于版图来说，需要传递的数据包括版图层叠结构、每一层的材料、厚度、物理参数等，随着设计复杂程度的提高，需要传递的数据愈发复杂。

例如，对于刚柔结合板 Rigid-Flex，由于要进行多种弯曲，不同的位置厚度和材料会有所不同，因此整个版图会有会有多个层叠结构和多个区域，称为Multi-stackup和Multi-zone再加上Multi-bend，设计数据比较复杂。

对于Interposer，其互连数量可能超过10万+，巨大的数据量对设计和仿真工具都提出了新的要求，有时候读入数据甚至需要数小时甚至更长的时间，其仿真过程更是需要数天甚至数周的时间。作为设计工具的下游，仿真工具通常对设计工具的数据有较好的兼容性，多数仿真工具都可以直接打开设计文件，并将其转换成自有的格式。

然而，随着设计的日益复杂，能够正确识别设计数据就成为仿真工具的重大挑战，例如，设计工具可以准确地描述芯片堆叠、腔体、键合线，导入仿真工具后，不同的元素可能会出现错位，设计工具可以准确地描述多层叠结构、多区域、多个弯曲，导入仿真工具后，层叠、区域、弯曲均可能出现偏差，这些错位和偏差，轻则导致仿真精确度下降，严重则导致无法仿真。

从二维空间升级到三维空间，对设计、仿真和生产都带了挑战。

早先的EDA设计工具基本都是平面化的，从顶视图的角度去浏览每一层信息，现在设计工具逐渐走向3D化。就目前来说EDA工具的设计界面还是2D的，通常会有一个3D的浏览窗口，可以查看详细的3D信息。

仿真工具的挑战主要来源于设计工具数据的复杂化，因为设计数据变成了3D的，仿真工具需要正确识别这些数据并正确解析，包括3D结构、网络、端口、材料信息等都需要准确地从设计工具传递到仿真工具，否则，就需要在仿真工具中做大量的工作补充或者修正这些信息，才能做到仿真数据和设计数据的一致性。

同时，仿真算法也需要更新或者重新开发，以适应新的复杂的3D设计数据。专注于电路仿真的软件通常3D功能比较弱，专注于电磁场仿真的软件3D功能较强，但对数据的规模和复杂度有一定限制，如果设计特别复杂，数据规模大，复杂度高，设计数据中可能包含了2D\2D+\2.5D\3D\4D等多种集成技术，一般仿真工具很难正确导入，或者需要花费很长的时间解析和导入。

目前，很多传统仿真工具还无法正确识别设计中的各种三维元素，如多级芯片堆叠，复杂多层键合线，2.5D和3D硅通孔，复杂基板弯曲等，无法识别正确的设计模型，更无法进行精确的仿真。因此，针对目前复杂的集成技术，仿真工具还有很大的发展空间，这也给新的仿真工具提供了机会。设计构建了模型，仿真对模型进行了验证和优化，使之更加准确，从在生产环节中，将模型具体化，做成产品。如果设计、仿真、生产能够做到数据的一致性，则可以在最大程度上保证产品一版成功。这也需要设计人员、仿真人员，生产人员协同地工作和努力。

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编辑：春雪