真實(shí)產(chǎn)品驗證 IC 封裝系統聯(lián)合設計的價(jià)值
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作者：Nozad Karim
時(shí)間：2005-09-20
來(lái)源：EDN電子設計技術(shù)
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真實(shí)產(chǎn)品驗證 IC 封裝系統聯(lián)合設計的價(jià)值
如何將工程知識與 IC-OSAT-OEM 公司融為一體
直到最近，電子系統的設計流程還是傳統模式：在整個(gè)設計進(jìn)程中，不同的工程組（硅芯片、IC 封裝和印刷電路板的設計者）相對隔絕的環(huán)境中按部就班地工作。然而，對于當今的高級系統來(lái)說(shuō)，為了確保目標產(chǎn)品在無(wú)需付出不必要的開(kāi)發(fā)成本前提下，以盡可能低的生產(chǎn)成本贏(yíng)得市場(chǎng)的青睞，平行的設計工作勢在必行。
請考量以下例子：近來(lái)某客戶(hù)在其項目中引入系統級封裝 (SiP) 聯(lián)合設計，最終由于將其網(wǎng)絡(luò )母板納入到封裝解決方案中，使得原本復雜的工作簡(jiǎn)單了許多。此舉使該客戶(hù)的母板從 18 層減少到 12 層，因而每片母板節省了 200 美元的制造成本。（由于本文將引述有關(guān)實(shí)際產(chǎn)品的工程設計細節，出于顯而易見(jiàn)的所有權原因，我們不會(huì )明示制造商和產(chǎn)品的名稱(chēng)。）
堆疊管芯還是封裝？
今天在 2.5G 蜂窩式手機、個(gè)人數字助理以及其他應用領(lǐng)域中對堆疊邏輯電路及內存管芯的加速需求，恰恰說(shuō)明了早期三向設計協(xié)作的重要性，而堆疊式芯片級封裝 (S-SCP) 恰恰滿(mǎn)足了這種需求。由于堆疊管芯的應用才剛剛起步，并有可能從 3、4 個(gè)活動(dòng)管芯增加到 5 個(gè)或更多活動(dòng)管芯，因此還有一些對堆疊管芯封裝的限制有待堆疊封裝解決（例如，使用超薄 CSP，如圖 1 所示）。對于某些應用，尤其是堆疊方法使電路及內存的組合愈加多樣化時(shí)，堆疊管芯解決方案可能會(huì )受管芯的采購供應（多種管芯源）、管芯成本更佳控制要求或產(chǎn)出及質(zhì)量要求，包括產(chǎn)出問(wèn)題較少時(shí)使用"知名優(yōu)良管芯"要求的種種限制。
直到最近，電子系統的設計流程還是傳統模式：在整個(gè)設計進(jìn)程中，不同的工程組（硅芯片、IC 封裝和印刷電路板的設計者）相對隔絕的環(huán)境中按部就班地工作。然而，對于當今的高級系統來(lái)說(shuō)，為了確保目標產(chǎn)品在無(wú)需付出不必要的開(kāi)發(fā)成本前提下，以盡可能低的生產(chǎn)成本贏(yíng)得市場(chǎng)的青睞，平行的設計工作勢在必行。
請考量以下例子：近來(lái)某客戶(hù)在其項目中引入系統級封裝 (SiP) 聯(lián)合設計，最終由于將其網(wǎng)絡(luò )母板納入到封裝解決方案中，使得原本復雜的工作簡(jiǎn)單了許多。此舉使該客戶(hù)的母板從 18 層減少到 12 層，因而每片母板節省了 200 美元的制造成本。（由于本文將引述有關(guān)實(shí)際產(chǎn)品的工程設計細節，出于顯而易見(jiàn)的所有權原因，我們不會(huì )明示制造商和產(chǎn)品的名稱(chēng)。）
堆疊管芯還是封裝？
今天在 2.5G 蜂窩式手機、個(gè)人數字助理以及其他應用領(lǐng)域中對堆疊邏輯電路及內存管芯的加速需求，恰恰說(shuō)明了早期三向設計協(xié)作的重要性，而堆疊式芯片級封裝 (S-SCP) 恰恰滿(mǎn)足了這種需求。由于堆疊管芯的應用才剛剛起步，并有可能從 3、4 個(gè)活動(dòng)管芯增加到 5 個(gè)或更多活動(dòng)管芯，因此還有一些對堆疊管芯封裝的限制有待堆疊封裝解決（例如，使用超薄 CSP，如圖 1 所示）。對于某些應用，尤其是堆疊方法使電路及內存的組合愈加多樣化時(shí)，堆疊管芯解決方案可能會(huì )受管芯的采購供應（多種管芯源）、管芯成本更佳控制要求或產(chǎn)出及質(zhì)量要求，包括產(chǎn)出問(wèn)題較少時(shí)使用"知名優(yōu)良管芯"要求的種種限制。
圖 1. 今天，通過(guò)應用產(chǎn)品管芯堆疊技術(shù)，3-D 封裝得以加速，從而：a) 具有三種或更多活動(dòng)管芯的能力，其優(yōu)勢是顯而易見(jiàn)的 b) 對于管芯成本高或管芯產(chǎn)出低的應用情況，提供封裝堆疊技術(shù)的備選方案。
要求更改硅芯片
有時(shí)，封裝解決方案要求更改硅芯片設計或處理技術(shù)，從而改善總體生產(chǎn)成本。讓我們看看這是怎樣實(shí)現的：IC 生產(chǎn)商對封裝選項進(jìn)行大量分析后，認為高速數字應用的最佳封裝解決方案是將 7 毫米乘 7 毫米的硅管芯置入倒裝芯片封裝。計算出的更改涉及將硅芯片的尺寸增加 18%，并將管芯凸點(diǎn)間距由 150 微米增加到 185 微米，以便在基板上為導孔保留足夠的空間。管芯下的附加導孔有助于減少布線(xiàn)限制，并消除在基板上使用兩個(gè)布線(xiàn)層的需要。附加的硅面積允許增加解耦電容，以減少高速數字交換過(guò)程中的同步切換噪音及電壓波動(dòng)。
盡管增加了硅芯片的面積，但憑借其優(yōu)于原設想的最終使用系統性能，這些改變?yōu)?IC 制造商帶來(lái)了更低的整體生產(chǎn)成本。硅芯片面積的增加使得在成本低廉的封裝基板上應用更大凸點(diǎn)間距成為可能，從而在不改變封裝形式要素的同時(shí)為每塊芯片節省 20 美元的生產(chǎn)成本。Road mapping fab 功能
通常，傳統的經(jīng)驗告訴我們，封裝越小成本越低。例如，在一個(gè)示例中，對于其中提及的由四個(gè) 180 納米硅芯片技術(shù) IC、四個(gè)電容和八個(gè)電阻構成的通信芯片組，隨球間距和球尺寸的變化，塑料球柵陣列封裝 (PBGA) 的尺寸由 35 毫米乘 35 毫米（無(wú)管芯堆疊）、27 毫米乘 27 毫米（雙管芯堆疊）縮減到 23 毫米乘 23 毫米（三管芯堆疊），其封裝解決方案因此愈加便宜。IDM 的分析顯示，從系統的角度來(lái)看，23 毫米乘 23 毫米的三管芯堆疊封裝提供了尺寸最小、成本最低的解決方案。堆疊相似管芯減少了基板上的跟蹤布線(xiàn)、降低了信號延遲，并將基板導孔數量減到最少，所有這一切都改善了電源和接地平面。然而，分析表明如果堆疊管芯相對于封裝中心熱學(xué)球矩陣的放置不夠理想，則由最小封裝中的管芯堆疊帶來(lái)的熱學(xué)問(wèn)題會(huì )影響到性能。因為只有發(fā)展到 110 納米硅芯片技術(shù)時(shí)才能解決該熱學(xué)限制，但目前 IDM 還不具備此能力。因此，它選擇了 27 毫米乘 27 毫米的封裝解決方案，而將體積最小的封裝作為獲得 110 納米硅芯片技術(shù)的終極目標。
射頻封裝面臨的挑戰
或許封裝設計會(huì )隨著(zhù)將射頻 (RF) 插件板級電路設計到系統級封裝中而趨于完美，這是一種日漸流行的解決方案，例如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與個(gè)人區域網(wǎng) (WLAN/PAN) 以及 Bluetooth 等應用技術(shù)，都需要這種節省成本的射頻系統級封裝。通常，針對封裝對系統成本的影響，關(guān)鍵的驅動(dòng)因素是如何通過(guò)使用或改進(jìn)現有或標準的封裝解決方案來(lái)實(shí)現大規模的生產(chǎn)。然而，對于射頻電路卻存在著(zhù)微妙的平衡，那就是如何通過(guò)從大量構思縝密的封裝選項中作出明智的選擇，從而既能獲得必需的電氣性能，又能控制大規模的生產(chǎn)。
OEM 和 IC 制造商發(fā)現要滿(mǎn)足任何射頻系統級封裝的生產(chǎn)成本、封裝尺寸及電路性能，需要理解一系列復雜的因素，其中包括對如何權衡基板與組件選擇的理解。和考量相當明確的熱學(xué)控制問(wèn)題而作出的封裝選擇不同，在射頻級有著(zhù)范圍更廣的電氣設計問(wèn)題，其中包括每次運行或移動(dòng)濾波器、傳輸線(xiàn)結構或組件平衡 - 不平衡轉換器時(shí)射頻前端的潛在變化。
IC 制造商最初所作的分析，通常會(huì )顯示射頻系統級封裝的成本可能要高于相關(guān)的單個(gè)封裝器件成本。而對于擔負降低成本巨大壓力的最終系統用戶(hù)市場(chǎng)，轉移到射頻系統級封裝的理由必須是考量該組件能否提升整體價(jià)值，其中包括更小的尺寸、更多的功能、庫存和在裝配中使用的無(wú)源器件排列的減少，以及減少射頻系統開(kāi)發(fā)人力、消除昂貴的母板調節以及提供能降低每項功能整體測試成本的更高級別的測試部件。
最近的一個(gè)示例針對這些挑戰，分析了如何將五個(gè)基帶和射頻管芯以及相關(guān)的無(wú)源器件組合到 802.11b WLAN 解調器中。OEM 的最初目的是獲得 33 毫米乘 27 毫米的模塊。然而，聯(lián)合設計工作顯示該模塊最適合 25 毫米乘 25 毫米的布局，并且可以研究不同設計選項來(lái)幫助控制成本（圖 2）。
要求更改硅芯片
有時(shí)，封裝解決方案要求更改硅芯片設計或處理技術(shù)，從而改善總體生產(chǎn)成本。讓我們看看這是怎樣實(shí)現的：IC 生產(chǎn)商對封裝選項進(jìn)行大量分析后，認為高速數字應用的最佳封裝解決方案是將 7 毫米乘 7 毫米的硅管芯置入倒裝芯片封裝。計算出的更改涉及將硅芯片的尺寸增加 18%，并將管芯凸點(diǎn)間距由 150 微米增加到 185 微米，以便在基板上為導孔保留足夠的空間。管芯下的附加導孔有助于減少布線(xiàn)限制，并消除在基板上使用兩個(gè)布線(xiàn)層的需要。附加的硅面積允許增加解耦電容，以減少高速數字交換過(guò)程中的同步切換噪音及電壓波動(dòng)。
盡管增加了硅芯片的面積，但憑借其優(yōu)于原設想的最終使用系統性能，這些改變?yōu)?IC 制造商帶來(lái)了更低的整體生產(chǎn)成本。硅芯片面積的增加使得在成本低廉的封裝基板上應用更大凸點(diǎn)間距成為可能，從而在不改變封裝形式要素的同時(shí)為每塊芯片節省 20 美元的生產(chǎn)成本。Road mapping fab 功能
通常，傳統的經(jīng)驗告訴我們，封裝越小成本越低。例如，在一個(gè)示例中，對于其中提及的由四個(gè) 180 納米硅芯片技術(shù) IC、四個(gè)電容和八個(gè)電阻構成的通信芯片組，隨球間距和球尺寸的變化，塑料球柵陣列封裝 (PBGA) 的尺寸由 35 毫米乘 35 毫米（無(wú)管芯堆疊）、27 毫米乘 27 毫米（雙管芯堆疊）縮減到 23 毫米乘 23 毫米（三管芯堆疊），其封裝解決方案因此愈加便宜。IDM 的分析顯示，從系統的角度來(lái)看，23 毫米乘 23 毫米的三管芯堆疊封裝提供了尺寸最小、成本最低的解決方案。堆疊相似管芯減少了基板上的跟蹤布線(xiàn)、降低了信號延遲，并將基板導孔數量減到最少，所有這一切都改善了電源和接地平面。然而，分析表明如果堆疊管芯相對于封裝中心熱學(xué)球矩陣的放置不夠理想，則由最小封裝中的管芯堆疊帶來(lái)的熱學(xué)問(wèn)題會(huì )影響到性能。因為只有發(fā)展到 110 納米硅芯片技術(shù)時(shí)才能解決該熱學(xué)限制，但目前 IDM 還不具備此能力。因此，它選擇了 27 毫米乘 27 毫米的封裝解決方案，而將體積最小的封裝作為獲得 110 納米硅芯片技術(shù)的終極目標。
射頻封裝面臨的挑戰
或許封裝設計會(huì )隨著(zhù)將射頻 (RF) 插件板級電路設計到系統級封裝中而趨于完美，這是一種日漸流行的解決方案，例如無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與個(gè)人區域網(wǎng) (WLAN/PAN) 以及 Bluetooth 等應用技術(shù)，都需要這種節省成本的射頻系統級封裝。通常，針對封裝對系統成本的影響，關(guān)鍵的驅動(dòng)因素是如何通過(guò)使用或改進(jìn)現有或標準的封裝解決方案來(lái)實(shí)現大規模的生產(chǎn)。然而，對于射頻電路卻存在著(zhù)微妙的平衡，那就是如何通過(guò)從大量構思縝密的封裝選項中作出明智的選擇，從而既能獲得必需的電氣性能，又能控制大規模的生產(chǎn)。
OEM 和 IC 制造商發(fā)現要滿(mǎn)足任何射頻系統級封裝的生產(chǎn)成本、封裝尺寸及電路性能，需要理解一系列復雜的因素，其中包括對如何權衡基板與組件選擇的理解。和考量相當明確的熱學(xué)控制問(wèn)題而作出的封裝選擇不同，在射頻級有著(zhù)范圍更廣的電氣設計問(wèn)題，其中包括每次運行或移動(dòng)濾波器、傳輸線(xiàn)結構或組件平衡 - 不平衡轉換器時(shí)射頻前端的潛在變化。
IC 制造商最初所作的分析，通常會(huì )顯示射頻系統級封裝的成本可能要高于相關(guān)的單個(gè)封裝器件成本。而對于擔負降低成本巨大壓力的最終系統用戶(hù)市場(chǎng)，轉移到射頻系統級封裝的理由必須是考量該組件能否提升整體價(jià)值，其中包括更小的尺寸、更多的功能、庫存和在裝配中使用的無(wú)源器件排列的減少，以及減少射頻系統開(kāi)發(fā)人力、消除昂貴的母板調節以及提供能降低每項功能整體測試成本的更高級別的測試部件。
最近的一個(gè)示例針對這些挑戰，分析了如何將五個(gè)基帶和射頻管芯以及相關(guān)的無(wú)源器件組合到 802.11b WLAN 解調器中。OEM 的最初目的是獲得 33 毫米乘 27 毫米的模塊。然而，聯(lián)合設計工作顯示該模塊最適合 25 毫米乘 25 毫米的布局，并且可以研究不同設計選項來(lái)幫助控制成本（圖 2）。
圖 2。聯(lián)合設計生成 OEM 可通過(guò)其作出產(chǎn)品選擇的比較圖表，該表顯示用于 802.11b WLAN 的封裝選項。
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