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封装组装设计套件 ADK 及其优势
2022-05-10 9

在今年的 IMAPS(International Microelectronics Assembly and Packaging Society,国际微电子装配与封装学会  )大会上,Cadence 资深半导体封装管理总监 John Park 发表了关于封装组装设计套件(Package Assembly Design Kits,简称 ADK)的演讲:什么是 ADK,以及 ADK 能为封装设计带来哪些好处?

由于异质集成对不同的人来说意义各不相同,John 首先介绍了该市场的发展历史和趋势:几十年来,我们一直在从事多芯片模块 (Multi-Chip Module,简称MCM) 和类似的集成工作;但在过去五年左右的时间里,该领域更加专注于系统级芯片(System on Chip,简称 SoC)集成——不同于将所有元件都放在一个大芯片上,当前的焦点在于制造更小的芯片,通常称为“chiplet”,并把它们集成在某种高级封装中。

这种方法有很多优点,具体取决于设计的细节,其中包括:

  • 降低 NRE(Non-recurring engineering Expense,一次性工程费用) 成本
  • 加快产品上市
  • 实现比标线尺寸更大的设计
  • 更灵活的架构(多进程)
PDKs
在 20 世纪 90 年代初创建 PDK(Process Design Kits,制程设计套件)之前,设计规则文件和用于电路仿真的 SPICE deck 几乎充当了晶圆厂和设计师之间的接口。随着工艺变得越来越复杂,设计规则的复杂性也在不断增加,因此上述做法无法再满足要求。PDK 的理念是,把 IC 设计者需要知道的关于制造过程的一切知识打包起来,以实现成功设计。PDK 可以被现代 EDA 工具流程所读取,因此实际的 DRC deck 取代了过去的印刷版 DRC 手册。

面向封装设计师的类似 PDK 的解决方案
当设计变得越来越难,需要考虑的方面就越来越多。这导致封装设计团队需要考虑的设计方面日益增长:

  • 高级多芯片(多chiplet)、基于硅的封装需要专门的版图特征和形式化的物理/逻辑验证能力
  • 特定于硅(矽)基板设计的版图特征
    • 高级泪滴补强和走线加宽
    • 渐进式铺铜和透氧孔的算法
    • 大容量设计支持
  • 来自封装设计的光罩级精确输出数据 (GDSII)
    • 高级圆弧向量化
  • 与 IC 实体验证工具无缝集成,并提供与封装设计工具间的反馈
    • 光罩级 DRC
    • 多芯片(多chiplet)设计的连通性验证(电路与布局验证)
    • 特定区域的高级金属填充(平衡)

如果想让封装设计师在设计中停止猜测,就需要 ADK 封装组装设计套件,其工作方式类似于 PDK。但是,一个复杂的问题是,封装设计师对所有这些硅(矽)问题都很陌生,而 IC 设计师对封装也很陌生。那么,ADK 中会有哪些内容呢?
上表列出了 John Park认为应该放在 ADK 中的组件。让我们分别深入了解一下:
1技术文件组件
  • 这些应该是文本文件,以便于读取、写入、比较和共享
  • 基板堆叠物理和电气细节
  • 信号的物理/间距约束
  • 信号的电气约束
  • 约束分组
  • 组装/放置规则
  • 测试规则

2 设计库和模型组件
  • Footprints
    • JEDEC 标准 BGA/LGA 和 SMD
    • 焊盘
    • STEP 文件(真正的 3D 渲染)
  • 3D 键合线文件
    • 基于键合设备的模型
    • 3D DRC 所需
  • I/O 模型
    • 行为 (IBIS)
    • 晶体管级
  • 热/功耗模型
    • 芯片(小芯片)级热和功耗模型
    • 静态和瞬态功耗信息

3 装配设计组件
  • GUI 图形式界面,简化设置
  • 设备独有的 DFA 概要
  • 设计同步、直接反馈组件的放置和移动情况
  • 表格驱动、带用户定义的组件类别
  • 基本模式(表格)和高级模式(约束管理器)
  • 规则定义的设置可以在库级的单独工具中完成

4 用于验证chiplet 到chiplet互连的
合规性测试包组件
  • 基于与 PCB 类似的合规经验
  • 抖动容限
  • 插入损耗
  • 回波损耗
  • 眼图模板(用于 SerDes)

5 规则检查(硅(矽)中介层)组件
  • 设计规则检查
    • 包括 3D 堆栈引脚对齐
  • 电路与布局验证
    • 芯片到芯片(chiplet到chiplet)
    • 系统级
  • 金属填充
    • 智能金属平衡

抓住机遇,引领市场
对于应当立刻采用ADK的原因,John Park表示:
  • 数十年来,PDK 在 IC 设计界已经得到成功采用
  • 封装技术的复杂性呈爆炸式增长,不应该在信息不充分的情况下盲目设计
  • IC 设计师和封装设计师都面临新的挑战,需要新的方法
  • 封装设计界应该开始采用 ADK 了
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