ฮอเร็กซ์ กรุ๊ป
January 19, 2021
สำหรับการใช้งานจำนวนมากบรรจุภัณฑ์ IC รุ่นใหม่เป็นเส้นทางที่ดีที่สุดในการปรับขนาดซิลิกอนความหนาแน่นของฟังก์ชันและการรวมที่ต่างกันในขณะที่ลดขนาดบรรจุภัณฑ์โดยรวมการผสมผสานที่แตกต่างกันและเป็นเนื้อเดียวกันนำเสนอเส้นทางไปสู่การทำงานของอุปกรณ์ที่ได้รับการปรับปรุงเวลาสู่ตลาดที่เร็วขึ้นและความยืดหยุ่นของผลผลิตซิลิคอน
เกิดแพลตฟอร์มเทคโนโลยีการผสานรวมที่หลากหลายซึ่งอนุญาตให้มีการเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุนขนาดประสิทธิภาพและพลังงานที่ตอบสนองความต้องการของตลาดต่างๆเช่นคอมพิวเตอร์เคลื่อนที่ยานยนต์ 5G ปัญญาประดิษฐ์ (AI) ความเป็นจริงยิ่ง (AR) และความเป็นจริงเสมือน ( VR), การประมวลผลประสิทธิภาพสูง (HPC), IoT, การแพทย์และอวกาศ
อย่างไรก็ตามแพ็คเกจเหล่านี้นำเสนอความท้าทายที่ไม่เหมือนใครสำหรับเครื่องมือและวิธีการออกแบบบรรจุภัณฑ์แบบดั้งเดิมทีมออกแบบต้องทำงานร่วมกันเพื่อตรวจสอบและเพิ่มประสิทธิภาพระบบทั้งหมดไม่ใช่เฉพาะองค์ประกอบแต่ละส่วนการออกแบบพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ IC แบบดั้งเดิมโดยทั่วไปจะคล้ายกับลามิเนตขนาดเล็กและ / หรือ PCB ที่สร้างขึ้นมักผลิตโดยผู้ผลิต PCB แบบดั้งเดิมและมักออกแบบด้วยเครื่องมือ PCB ที่ดัดแปลง
ในทางตรงกันข้ามบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงในปัจจุบันใช้เทคนิคการผลิตวัสดุและกระบวนการที่มีมากขึ้นเรื่อย ๆ ในกระบวนการหล่อซิลิกอนและต้องการแนวทางใหม่สำหรับการออกแบบและการตรวจสอบในทุกระดับ
หนึ่งในความท้าทายอันดับแรกที่ทีมออกแบบต้องเอาชนะคือการรวมวัสดุพิมพ์ที่ถูกต้องซึ่งอาจเป็นได้ทั้งอุปกรณ์ที่ใช้งานและแบบพาสซีฟและอุปกรณ์แยกวัสดุพิมพ์และอุปกรณ์เหล่านี้มาจากหลายแหล่งและซัพพลายเออร์และส่วนใหญ่มีให้เลือกหลายรูปแบบและมักจะแตกต่างกัน
ด้วยแหล่งข้อมูลและรูปแบบที่หลากหลายจึงเป็นที่ชัดเจนว่าจำเป็นต้องมีขั้นตอนการตรวจสอบที่ครอบคลุมซึ่งหมายถึงการตรวจสอบทางกายภาพในระดับการประกอบรวมถึงการตรวจสอบทางไฟฟ้าความเค้นและความสามารถในการทดสอบในระดับระบบในเชิงลึกมากขึ้นนอกจากนี้ยังจำเป็นต้องมีเครื่องมือออกแบบที่ส่งมอบโฟลว์ที่รวดเร็วแม่นยำและอัตโนมัติเพื่อให้แน่ใจว่ากำหนดการของตลาดและความคาดหวังด้านประสิทธิภาพจะเป็นไปตามนั้นตามหลักการแล้วโฟลว์เหล่านี้เป็นกระบวนการรวมเดียวที่สร้างขึ้นจากโมเดลดิจิทัล 3 มิติหรือดิจิทัลทวินของการประกอบแพ็คเกจที่แตกต่างกันทั้งหมด
แพ็กเกจ IC รุ่นใหม่เหล่านี้ต้องการโซลูชันการออกแบบและการตรวจสอบรุ่นใหม่ที่รวมและรองรับ:
การสร้างต้นแบบดิจิทัล
การรวมหลายโดเมน
ความสามารถในการปรับขนาดและช่วง
Handoff การผลิตที่แม่นยำ
ป้ายทอง
คู่ดิจิทัลสำหรับต้นแบบเสมือน
การสร้างแฝดดิจิทัลแบบจำลองเสมือนของชุดประกอบที่แตกต่างกัน 2.5D / 3D ให้การแสดงที่ครอบคลุมของระบบเต็มรูปแบบซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์และวัสดุพิมพ์หลายชนิดคู่ดิจิทัลช่วยให้สามารถตรวจสอบส่วนประกอบที่แตกต่างกันได้โดยอัตโนมัติโดยเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบกฎการออกแบบระดับพื้นผิว (DRC) และขยายไปสู่โครงร่างเทียบกับแผนผัง (LVS) โครงร่างเทียบกับเลย์เอาต์ (LVL) การสกัดปรสิตการวิเคราะห์ความเครียดและความร้อนและสุดท้ายคือการทดสอบ .
รูปที่ 1 ต้นแบบเสมือนจริง 3 มิติเสมือนจริงเป็นพิมพ์เขียวของอุปกรณ์ทั้งหมดที่มา: Mentor Graphics
การสร้างแบบจำลองต้องการความสามารถในการรวบรวมข้อมูลจากแหล่งที่มาต่างๆและในรูปแบบที่แตกต่างกันในการแสดงระบบที่สอดคล้องกันซึ่งเหมาะสมในการขับเคลื่อนการตรวจสอบและวิเคราะห์ตามหลักการแล้วสิ่งนี้ทำได้โดยใช้รูปแบบมาตรฐานอุตสาหกรรมเช่นไฟล์ LEF / DEF, AIF, GDS หรือ CSV / TXTฟังก์ชันการทำงานควรมีอยู่ในลักษณะที่จดจำอุปกรณ์และอินเทอร์เฟซของวัสดุพิมพ์โดยอัตโนมัติโดยไม่ต้องสร้างอินสแตนซ์คอมโพเนนต์หลอกสิ่งนี้ช่วยให้สามารถออกแบบและตรวจสอบแบบอะซิงโครนัสแบบหลายผู้ออกแบบได้ในทางกลับกันทำให้ระบบประสบความสำเร็จโดยรวมเมื่อส่วนประกอบทั้งหมดเสร็จสมบูรณ์และรวมเข้าด้วยกัน
ประโยชน์หลักประการหนึ่งของแนวทางดิจิทัลทวินคือทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิงทองคำในการขับเคลื่อนการตรวจสอบทางกายภาพและทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ในทุกระดับของลำดับชั้นการออกแบบซึ่งจะช่วยลดการใช้สเปรดชีตแบบคงที่หลายแผ่นเพื่อแสดงข้อมูลพินและการเชื่อมต่อโดยแทนที่ด้วย netlist ระดับระบบทั้งหมดในรูปแบบ Verilog
การเก็บรักษาและการนำข้อมูลดั้งเดิมกลับมาใช้ใหม่เช่นคำอธิบาย Verilog ของอุปกรณ์ถือเป็นกุญแจสำคัญความเสี่ยงที่ใหญ่ที่สุดเกิดขึ้นเมื่อเกิดการแปลหรือการแปลงเช่นแผนผังหรือสเปรดชีตหากเสร็จสิ้น "เธรดดิจิทัล" จะเสียทันทีและความเสี่ยงที่จะเกิดข้อผิดพลาดในการเชื่อมต่อพุ่งสูงขึ้น
การรวมหลายโดเมน
วิธีการแบบแฝดดิจิทัลยังช่วยให้สามารถรวมหลายโดเมนและข้ามโดเมนได้การนำแพคเกจ IC ขั้นสูงที่ซับซ้อนมากขึ้นออกสู่ตลาดได้เร็วขึ้นนั้นจำเป็นต้องมีการออกแบบและการตรวจสอบแบบบูรณาการอย่างมากตั้งแต่การออกแบบพื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์ไปจนถึงตัวกระจายความร้อนแบบกลไกและฮาร์ดแวร์สำหรับติดตั้ง PCB รวมถึงด้านที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าความร้อนการทดสอบความน่าเชื่อถือและแน่นอน , ความสามารถในการผลิต.หากไม่มีแนวทางระดับระบบในการออกแบบและการตรวจสอบวิศวกรก็เสี่ยงที่จะต้องเผชิญกับปัญหาที่ต้องเสียค่าใช้จ่ายสูงหรือแย่ลง
การซิงโครไนซ์ข้อมูลทางไฟฟ้าและทางกลเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการละเมิดทางกายภาพเกิดขึ้นเมื่อบรรจุภัณฑ์ถูกวางไว้ในกล่องหุ้มหรือทั้งระบบการแลกเปลี่ยนข้อมูลที่เพิ่มขึ้นระหว่างการออกแบบเป็นพื้นฐานในการรับรองความเข้ากันได้ของ ECAD-MCAD และเพิ่มความสำเร็จในการส่งครั้งแรกนอกจากนี้ยังช่วยในการสร้างการออกแบบที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในขณะที่เพิ่มผลผลิตและบรรลุเวลาในการทำตลาดได้เร็วขึ้น
เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ทั้งผู้ออกแบบแพ็กเกจ IC และผู้ออกแบบตัวกระจายความร้อนแบบกำหนดเองจะสามารถแสดงภาพสำรวจและเพิ่มประสิทธิภาพการผสานรวมได้โดยเป็นกระบวนการแบบอะซิงโครนัสที่ช่วยลดการหยุดชะงักข้ามโดเมน
รูปที่ 2 วิธีการแบบแฝดดิจิทัลช่วยให้สามารถรวมหลายโดเมนและข้ามโดเมนได้ที่มา: Mentor Graphics
การซิงโครไนซ์ระหว่างการออกแบบบรรจุภัณฑ์และการออกแบบเชิงกล / ระบายความร้อนยังเป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับความสำเร็จครั้งแรกแพคเกจหลายพื้นผิวที่แตกต่างกันจะแสดงปฏิกิริยาระหว่างชิปกับแพ็กเกจ - แพกเกจหลายแบบโดยที่ใหญ่ที่สุดคือการกระจายความร้อนของความร้อนโดยเฉพาะอย่างยิ่งความร้อนที่เกิดขึ้นแบบไม่เป็นเชิงเส้นโดยทั่วไปในหีบห่อดังกล่าว
แนวทางทั่วไปในการจัดการความร้อนใช้ตัวกระจายความร้อนสำหรับการถ่ายเทและกระจายความร้อนแต่เครื่องกระจายความร้อนนั้นดีพอ ๆ กับการออกแบบเท่านั้นเพื่อให้เครื่องกระจายความร้อนมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลจะต้องได้รับการออกแบบและจำลองร่วมกับบรรจุภัณฑ์ไม่ใช่ในภายหลังการออกแบบบรรจุภัณฑ์ทั้งหมดในรูปแบบ 3 มิติช่วยให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายเทความร้อนที่มีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องประนีประนอมกับการออกแบบที่สำคัญ
รูปที่ 3 เป็นการออกแบบตัวกระจายความร้อนในตัวที่ขับเคลื่อนด้วยระบบดิจิตอลคู่ที่มา: Mentor Graphics
ทั้งการซ้อน 2.5D และ 3D สามารถสร้างความเค้นทางกายภาพที่หลากหลายโดยไม่ได้ตั้งใจเช่นวัสดุพิมพ์บิดเบี้ยวระหว่างการติดตั้งและความเค้นที่เกิดจากการกระแทกนักออกแบบต้องสามารถวิเคราะห์เค้าโครงสำหรับความเค้นที่เกิดจากการโต้ตอบชิปกับแพ็คเกจดังกล่าวและผลกระทบต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์เมื่อแพคเกจใกล้จะเสร็จสิ้นการใช้งานสามารถส่งออกโมเดลระบายความร้อนของบรรจุภัณฑ์ 3 มิติที่ถูกต้องเพื่อรวมไว้ใน PCB โดยละเอียดและการวิเคราะห์เชิงความร้อนแบบเต็มระบบสิ่งนี้ช่วยให้สามารถปรับแต่งกล่องหุ้มระบบในขั้นสุดท้ายและช่วยให้การระบายความร้อนตามธรรมชาติและ / หรือบังคับได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุด
แพ็คเกจ IC ขั้นสูงนำมาซึ่งความท้าทายใหม่ ๆ มากมายสำหรับวิศวกรความสมบูรณ์ของสัญญาณและเครื่องมือออกแบบของพวกเขาดายจะถูกติดตั้งโดยตรงกับวัสดุพิมพ์ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ในการกำหนดเส้นทางของวัสดุพิมพ์ไปยังการเชื่อมต่อการกำหนดเส้นทางชั้นแจกจ่ายซ้ำแบบ on-dieแพคเกจไม่ใช่โครงสร้างชั้นระนาบที่เรียบง่ายอีกต่อไปโดยมีช่องว่างระหว่างชั้นโลหะแบบง่ายๆแต่สามารถมีวัสดุและคุณสมบัติที่แตกต่างกันได้หลายพื้นผิวสามารถใช้การวิเคราะห์ได้สำเร็จสำหรับรายการที่เกี่ยวข้องกับความสมบูรณ์ของสัญญาณและพลังงานจำนวนหนึ่ง
นอกจากนี้ยังมีไอเทมอีกจำนวนหนึ่งที่ท้าทายต่อการจำลองโดยทั่วไปสิ่งเหล่านี้จัดอยู่ในประเภทของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)แม้ว่าปัญหา EMI ที่สร้างเส้นทางส่งคืนเหล่านี้สามารถวิเคราะห์และจำลองได้ แต่โดยปกติแล้วก็ไม่ได้ผลที่จะทำเช่นนั้นตัวอย่างเช่นในกรณีของการติดตามข้ามรอยแยกในเครื่องบินการตั้งค่าการจำลองและเวลาในการทำงานจะมีความสำคัญมากและวิศวกรทุกคนจะได้เรียนรู้ว่าสถานการณ์ดังกล่าวไม่ดีและควรหลีกเลี่ยง
ปัญหาเหล่านี้ได้รับการระบุอย่างดีที่สุดผ่านการตรวจสอบและตรวจสอบตามรูปทรงเรขาคณิตในซอฟต์แวร์อัตโนมัติระหว่างการออกแบบโดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้สามารถตั้งค่าและดำเนินการได้ในไม่กี่นาทีโดยเน้นประเด็นปัญหาอย่างชัดเจนสำหรับการดำเนินการออกแบบเพื่อการแก้ไขวิธีการ "เลื่อนไปทางซ้าย" ดังกล่าวช่วยป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาขึ้นตั้งแต่แรกทำให้การวิเคราะห์ EMI เป็นขั้นตอนการลงชื่อออกการยืนยันมากขึ้น
โดยทั่วไปแล้วการออกแบบที่แตกต่างกัน 2.5D และ 3D จะใช้ผ่านซิลิคอน vias (TSV) ซึ่งเป็นช่องทางยาวที่ยื่นผ่านแม่พิมพ์หรือวัสดุพิมพ์เพื่อเชื่อมต่อด้านหน้าและด้านหลังTSV เหล่านี้อนุญาตให้มีการเรียงซ้อนกันของแม่พิมพ์และวัสดุพิมพ์และเชื่อมต่อกันโดยตรงอย่างไรก็ตามนอกเหนือจากลักษณะทางไฟฟ้าที่สำคัญแล้ว TSV ยังมีผลทางอ้อมต่อพฤติกรรมทางไฟฟ้าของอุปกรณ์และการเชื่อมต่อระหว่างกันในบริเวณใกล้เคียง
ในการสร้างแบบจำลองระบบที่แตกต่างกัน 2.5D / 3D อย่างแม่นยำนักออกแบบต้องการเครื่องมือที่ดึงพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่แม่นยำออกจากโครงสร้างทางกายภาพขององค์ประกอบ 2.5D / 3D เหล่านี้ซึ่งสามารถป้อนเข้าสู่เครื่องจำลองพฤติกรรมได้ด้วยการใช้โมเดลแฝดดิจิทัล 3 มิติของชุดประกอบแพคเกจที่สมบูรณ์นักออกแบบสามารถแยกปรสิตของโมเดล 2.5D และ 3D เหล่านี้ได้อย่างแม่นยำเมื่อองค์ประกอบได้รับการแยกอย่างถูกต้องโดยใช้วิธีการและกระบวนการที่เหมาะสมแล้วจะสามารถประกอบเป็นแบบจำลองการเชื่อมต่อระหว่างระบบระดับระบบและจำลองขึ้นเพื่อวิเคราะห์ประสิทธิภาพและการปฏิบัติตามโปรโตคอลที่เหมาะสม
ความสามารถในการปรับขนาดและช่วง
เทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ที่แตกต่างกันมีความซับซ้อนมากขึ้นในการออกแบบประดิษฐ์และประกอบอาจจำกัดความพร้อมใช้งานสำหรับ บริษัท เซมิคอนดักเตอร์ชั้นนำทั้งหมดและการออกแบบที่ล้ำยุคโชคดีที่ระบบนิเวศด้านการออกแบบและห่วงโซ่อุปทานสามารถมีบทบาทสำคัญในการทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวเป็นประชาธิปไตยทำให้นักออกแบบและ บริษัท ต่างๆเข้าถึงได้เช่นเดียวกับที่โลกของโรงหล่อซิลิกอนทำกับชุดออกแบบกระบวนการ (PDKs) ซึ่งกลายเป็น แพร่หลาย.
การตรวจสอบ IC อัตโนมัติขับเคลื่อนโดยกฎการออกแบบที่สร้างโดยโรงหล่อและจัดเตรียมไว้ใน PDK เพื่อออกแบบบ้านซัพพลายเออร์เครื่องมือ EDA ตรวจสอบคุณสมบัติชุดเครื่องมือของตนตามกฎเหล่านี้เพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องมือตรวจสอบของพวกเขาให้ผลลัพธ์คุณภาพที่พิสูจน์ได้ทำซ้ำได้วัตถุประสงค์ของชุดออกแบบการประกอบบรรจุภัณฑ์ (PADK) นั้นคล้ายคลึงกับ PDK - อำนวยความสะดวกในการผลิตและประสิทธิภาพโดยใช้กฎมาตรฐานที่ทำให้มั่นใจได้ว่าทุกกระบวนการจะมีความสอดคล้องกัน
เห็นได้ชัดว่า PADK ต้องมีทั้งการตรวจสอบทางกายภาพและโซลูชันการลงชื่อออกจากการสกัดและควรจัดการกับโซลูชันการปิดระบบระบายความร้อนและ / หรือความเครียดด้วยกระบวนการทั้งหมดนี้ควรเป็นอิสระจากเครื่องมือหรือกระบวนการออกแบบเฉพาะใด ๆ ที่ใช้ในการสร้างชุดประกอบนอกจากนี้ PADK ที่สมบูรณ์ต้องทำงานได้ทั้งในโดเมน IC และแพ็กเกจซึ่งหมายความว่าโฟลว์ต้องรองรับหลายรูปแบบสุดท้ายกระบวนการตรวจสอบทั้งหมดนี้ต้องได้รับการตรวจสอบความถูกต้องโดย บริษัท ประกอบแพ็คเกจ / OSAT
ขนาดและความซับซ้อนของแพ็คเกจ IC ขั้นสูงสร้างแรงกดดันให้กับผู้ออกแบบและกำหนดการออกแบบซึ่งมักจะขยายออกไปแนวทางยอดนิยมที่เกิดขึ้นใหม่ในการจัดการสิ่งนี้คือการออกแบบทีมพร้อมกันซึ่งนักออกแบบหลายคนทำงานในการออกแบบเดียวกันในเครือข่ายท้องถิ่นหรือทั่วโลกพร้อมกัน แต่ยังคงความสามารถในการแสดงภาพกิจกรรมการออกแบบทั้งหมดโดยไม่ต้องทนต่อการตั้งค่าหรือการจัดการกระบวนการที่ยุ่งยาก
รูปที่ 4 การออกแบบพร้อมกันของผู้ใช้หลายคนสามารถลดรอบการออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพทรัพยากรที่มา: Mentor Graphics
จาก KEITH FELTON.
