Лекция № 2. Методология проектирования систем в корпусе

Методология проектирования систем в корпусе. Определение и виды систем в корпусе. Цифровые и ВЧ системы в корпусе. Особенности проектирования и технологии изготовления

Виды систем в корпусе

По принципу построения все системы в корпусе относятся к многокристальным системам, т.е. имеют в своей структуре несколько кристаллов, объединенных межкристальными связями, а также связями с выводами корпуса. По этой причине их часто называют многокристальными модулями (МКМ). Каждый кристалл в структуре МКМ может представлять собой БИС или набор БИС и периферийные устройства (память, кристаллы с устройствами ввода/вывода и др.). Для расположения кристаллов используется подложка, которая может выполняться из различных материалов. Кристаллы могут устанавливаться на многослойную коммутационную плату и соединяться с контактными площадками. Плата может быть изготовлена из слоистого пластика, керамики, кремния, металла и других материалов.

По способу расположения кристаллов в корпусе системы можно выделить следующие группы систем:

каждый кристалл расположен на общей подложке;

кристаллы расположены внутри подложки (в карманах);

используются вертикальные сборки кристаллов, так называемые «этажерки»;

смешанное расположение кристаллов.

Смешанное расположение и этажерные сборки – наиболее часто применяются в системе в корпусе.

По типу используемых схем (кристаллов) системы делятся на:

- цифровые;

- аналоговые;

- смешанные.

По рабочим частотам могут выделятся следующие типы систем:

- обычные;

- высокочастотные (RF);

- смешанные.

По способам организации межсоединений системы можно разделить на:

- трассируемые проволочными соединениями;

- соединенные гибкими ленточными носителями,

- системы с напыленными проводниками;

- системы с соединениями внутри общей подложки;

- смешанные.

Данная классификация далеко не полная, однако отражает общую структуру систем на кристалле. Чаще всего используются системы смешанного типа, формирующиеся на основе нескольких технологических решений из каждого пункта классификации. В результате формируется не похожая на остальные система.

Сегодня существуют сотни конструкторско-технологических вариантов получения МКМ, которые можно условно сгруппировать по функциональному назначению: маломощные (не требующие специального теплоотвода); средней мощности (у которых теплоотводом служит теплопроводящая монтажная плата); большой мощности (с принудительным охлаждением МКМ).

Кроме этого, конструкции МКМ значительно различаются по быстродействию, наличию кристаллов с оптоэлектронными связями, элементами микромеханики и т.д.

Методология проектирования систем в корпусе

Универсальный надежный способ проектирования, дающий высокую степень уверенности в работоспособности разрабатываемой системы, возможен лишь с использованием современных средств САПР.

В процессе проектирования принимают участие, как правило, три независимее группы разработчиков:

специалисты по интегральным схемам;

проектировщики общей подложки (многослойной печатной платы);

разработчики корпуса.

Основная идея методологии заключается в организации эффективного взаимодействия этих групп проектировщиков.

В начале разработки проекта создается виртуальная модель системных соединений, включающая описание логической схемы, физической реализации и электрических характеристик системы, соединений разрабатываемого устройства, включая систему синхронизации и питания. При этом для каждого разрабатываемого устройства (кристаллы, корпус, плата) утверждаются спецификации. Каждое устройство должно разрабатываться в строгом соответствии с заданной спецификацией, т.к. малейшее отклонение может обернуться крупным просчетом и, в конечном итоге, с большой долей вероятности может, в лучшем случае, потребовать переработку других устройств, а в худшем может вылиться в маленьком проценте годных схем или полной неработоспособности устройства.

На начальном этапе проектирования модель используется для предварительного планирования распределения запаса задержек, формирования общей конфигурации соединений. В процесс дальнейшей работы результаты физической реализации сразу отображаются в модели и верифицируются на соответствие исходной спецификации.

Разработчики кристаллов оптимизируют распределение задержек по различным выводам таким образом, чтобы уложиться в общий бюджет задержек между различными сегментами соединений. Здесь проектирование кристалла для системы в корпусе существенно отличается от проектирования независимо корпусированого устройства (микропроцессора, микроконтроллера). Строгое выдерживание заданных условий по задержкам выходных буферов – залог безошибочного временного соотношения компонентов внутри системы.

В свою очередь, разработчик корпуса должен работать с учетом данных о размещении буферных элементов и отведенного на его сегмент соединений бюджета задержек. Этими же правилами должен руководствоваться и разработчик платы, учитывая, в свою очередь, расположение структурных элементов (кристаллов и др. приборов) на общей плате. Требования на окончательный вид печатной платы и конструкции корпуса определяются проектировщиками корпуса и платы совместно. Их усилия должны быть направлены на обеспечение условий трассировки с учетом выработанных электрических ограничений.

Для учета всех описанных выше деталей требуется универсальная платформа, способная обеспечить создание и сопровождение общей модели на всех этапах проектирования, а также поддержку взаимодействия всех групп разработчиков. Такая работа требует организации общей базы данных и наличие средств управления общей системой ограничений. Необходимо также уметь работать как с традиционным логическим и физическим представлением, так и со сложными временными ограничениями, ограничениями на целостность сигналов и системы питания. Организация и управление разработкой может осуществляться с использованием такого программного продукта, как платформа Allegro, входящего в САПР Cadence.

Данная платформа поддерживает моделирование как на транзисторном, так и на системном уровне, работая с продвинутыми поведенческими моделями. Необходимостью работы именно с поведенческими моделями обусловлена невозможность достижения высокой производительности Spice-моделирования из-за общих размеров системы. Кроме того, при использовании IP-разработок как отдельных блоков, так и целых кристаллов разработчики этих устройств предоставляют лишь поведенческие модели, защищая данные своих разработок. Обязательным условием является наличие электрических моделей таких блоков или кристаллов.

Рис. 2.4. Платформа Allegro компании Cadence

Единая платформа представляет всем группам разработчиков один и тот же мощный набор средств анализа. Благодаря этому поддерживается соответствие результатов анализа каждого отдельного сегмента и результатов анализа в целом.

Общая модель системы представляет собой Spice-схему, получаемую на основе объединения всех электрических моделей соединений, начиная от кристаллов, заканчивая выводами системы.

Созданию модели предшествует общая физическая верификации проекта, выполняемая с применением инструментов платформы Allegro. Далее производится анализ общей Spice-модели для определения работоспособности и вычисления параметров общей системы. Spice-модель учитывает особенности конструкции системы, поэтому на ее основе может быть произведен временной анализ как отдельных связей компонентов, так и всей системы в целом, анализ целостности сигналов и рассеиваемой мощности. Также необходимо учитывать возможность потерь, перекрестных помех, отражений, ошибочных срабатываний при переключениях.

Для повышения функциональной плотности SiP модули включают сложные 3D-структуры: многоуровневые кристаллы wirebond, кристалл wirebond, установленный на кристалле flipchip, прямое соединение между кристаллами, применение промежуточных подложек для поддержки развернутого крепления кристаллов flipchip и другие сложные комбинации, включая комбинации “корпус на корпусе”.

Поскольку возможности крепления ограничиваются лишь границами воображения разработчика или производителя, для успешного соединения и моделирования соединений wirebond, шаровых элементов и столбиковых выводов требуется глубокое понимание их трехмерного характера. К сожалению, это не представляется возможным при наличии современных двухмерных средств, правил и упрощенных концепций электрического моделирования. Внедрение SiP требует трехмерного видения модуля, разработки новых трехмерных средств и правил. Для дизайна SiP требуются трехмерные электрическое и физическое представления (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Трехмерное изображение поля по трем дифференциальным парам

Электрическое моделирование трехмерных структур связано с рядом проблем. Инженеры уже не могут довольствоваться ортогональными/диагональными линиями, как это принято при разработке печатных плат, когда типичным является допущение идеального силового поля, позволяющее упростить модель соединения. В случае плоскостей типа “швейцарский сыр”, характерных для случая SiP, необходимо комбинировать точную модель плоскости с соединениями с тем, чтобы понимать картину эффекта шума при одновременном переключении и других параметров.

Крайне важной работой при создании системы в корпусе является разработка сети питания. Принцип обеспечения энергией SiP гораздо сложнее, чем однокристального прибора, потому что многокристальная структура использует сетку питания, расположенную на подложке корпуса, а некоторые кристаллы используют питание непосредственно с другими кристаллами. Таким образом, необходимо минимизировать эффекты падения напряжения питания и резистивности для обеспечения равномерной передачи энергии по всей сетке питания кристаллов. По мере роста количества выводов кристалла эффект шума при одновременном переключении приобретает особое значение в связи с проблемой сохранения качества сигнала и энергоснабжения. При создании сети питания учет потребляемой мощности производится на основании общей Spice-модели.

Улучшение производительности и емкости также требуется для энергоснабжения и выделения полного периода. Необходимо создать модель перепадов напряжения постоянного тока и импеданса переменного тока системы энергоснабжения с целью оптимизации параметров развязывающих емкостей. А в случае устройств, работающих на более высоких частотах (например, свыше 3 ГГц), требуются методы выделения полного периода. В настоящее время такие методы занимают большое количество времени — на выделение уходят дни, что означает возникновение еще одного направления в совершенствовании средств проектирования.

Другая проблема проектирования SiP — это рассеивание большого количества энергии, избыток которой может привести к появлению точек перегрева, а также возникновению напряжений в местах пайки и местах крепления кристаллов. Применение SiP требует проверки электрических и тепловых эффектов перед производством. Таким образом, важную роль в проектировании SiP будет играть маршрут проектирования, позволяющий перенести электрические и тепловые модели в мир интегральных схем и обеспечивающий более точный анализ, приближенный к реальности.

Проектирование высокочастотных RF-модулей

Модули RF необходимо проектировать и проверять в контексте процесса разработки СБИС в целом. Для этого требуется объединить такие разные системы, как RF СБИС и корпус кристалла. Для того, чтобы добиться правильных результатов, конструкторам потребуется достичь компромисса между требованиями к СБИС и к RF-модулю: например, решить, стоит ли помещать индуктивность на чип, где она займет ценное пространство, или на подложку? Без полного представления проекта в целом такие опции нельзя представить, смоделировать и изменить.

Решение, которое позволит создать единую схему для СБИС и отдельного модуля, — это хорошая точка отсчета. Тогда инженеры смогут выделить паразитные параметры кристалла и подложки и включить эти паразитные параметры в схему для моделирования.

Кроме того, возможности, которые кажутся само собой разумеющимися в маршруте проектирования RF СБИС, требуются также для разработки отдельного модуля RF в SiP. Например, параметризованные ячейки (P-cells) для пассивных устройств RF являются стандартным компонентом в средствах заказного проектирования СБИС, но отсутствуют в ведущих современных средствах разработки корпуса. Включение таких возможностей в маршрут проектирования должно являться частью любого решения SiP.

При проектировании RF-модулей всегда требуется учет влияния эффекта появления перекрестных шумов. В связи с этим актуальным является вопрос построения защиты от высокочастотных помех, наводимых этими модулями, и защиты самих высокочастотных модулей от «щелкающих» цифровых схем.

Исходя из представленного выше материала, можно выявить упрощенный типовой маршрут проектирования систем в корпусе:

Разработка системной модели системы.

Создание спецификаций для каждого компонента системы с учетом временных параметров.

Разработка компонентов системы с обязательным соблюдением временных соотношений и требований спецификаций.

Создание моделей поведенческих и электрических моделей каждого модуля системы.

Создание общей Spice-модели системы.

Физическая и функциональная верификация системы.

Оценка работоспособности системы на основе Spice-модели, анализ временных соотношений, оценка энергетических и тепловых характеристик системы, анализ перекрестных шумов и других факторов.