怎樣實(shí)現(xiàn)高效的芯片與封裝的聯(lián)合仿真？

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，射頻前端（RFFE）設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，而系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)因其可集成多顆裸芯片與無源器件的特點(diǎn)，開始被廣泛用于射頻前端的設(shè)計(jì)中。 芯片設(shè)計(jì)與封裝設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上是由各自工程團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，這樣做的缺陷是增加了迭代時(shí)間和溝通成本。如果能夠?qū)崿F(xiàn)芯片和封裝協(xié)同設(shè)計(jì)，不僅可大幅減少迭代次數(shù)，提高設(shè)計(jì)成功率，而且使能芯片工程師在設(shè)計(jì)流程中隨時(shí)評(píng)估封裝性能。 目前在市場(chǎng)上，要實(shí)現(xiàn)快速的芯片和封裝協(xié)同仿真的方法并不多。芯和半導(dǎo)體獨(dú)創(chuàng)的這套聯(lián)合仿真流程中，三維建模簡(jiǎn)單易用，并配有專門針對(duì)聯(lián)合仿真的優(yōu)化求解器，能夠提供更高的仿真加速和仿真效率。

三維建模和仿真流程

1.導(dǎo)入芯片和封裝版圖文件

在Metis工具中，可直接導(dǎo)入Cadence的設(shè)計(jì)文件（.mcm/.sip/.brd）、ODB++文件、以及DXF和GDS文件。本案例中芯片和封裝版圖均為GDS格式，同時(shí)還需要layermap文件和仿真工藝信息lyr文件。依次導(dǎo)入芯片和封裝版圖后，在Metis 3D視圖中自動(dòng)生成了它們的三維結(jié)構(gòu)（圖2），此時(shí)它們的相對(duì)位置是任意，需要通過Bump將它們連接在一起。

圖1 導(dǎo)入版圖界面

圖2導(dǎo)入芯片和封裝文件

2.模型堆疊

在左側(cè)的項(xiàng)目管理欄，選擇Assemblies，進(jìn)入堆疊設(shè)置界面。在上側(cè)Model欄，我們將芯片設(shè)置為Upper Model，將封裝設(shè)置為L(zhǎng)ower Model（圖3）。

圖3 切割后的模型 左：Serdes; 右：DDR

接著我們使用拖拽功能，將Upper Model拖拽至正確的封裝焊點(diǎn)位置（圖4）。

圖4 移動(dòng)upper Model至正確位置（右圖）

最后創(chuàng)建合適的Bump模型，通過在芯片pad上點(diǎn)擊增加Bump模型，將芯片和封裝結(jié)構(gòu)連接在一起（圖5）。

圖5 Bump建模及添加

3.端口添加

模型堆疊完畢后，用戶可以直接在3D視圖中添加集總端口，其中信號(hào)類型，金屬層次，端口阻抗可任意配置。在本案例中，我們選擇封裝焊盤的一邊作為信號(hào)端口。

圖6 疊層及端口管理

圖7 生成的最終仿真模型

4.仿真環(huán)境設(shè)置

Metis的網(wǎng)格劃分、金屬和過孔模型可以根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分開設(shè)置，從而達(dá)到仿真精度與效率的雙重提升。本案例中芯片的金屬設(shè)置為Thick，過孔為L(zhǎng)umped，網(wǎng)格大小為50um，而封裝的金屬設(shè)置為3D，過孔為3D，網(wǎng)格大小為200um。最后點(diǎn)擊Run Solver進(jìn)行聯(lián)合仿真。

圖8 芯片的仿真設(shè)置

5.仿真結(jié)果比對(duì)

我們分別仿真了不帶封裝和帶封裝兩種應(yīng)用場(chǎng)景，來分析封裝對(duì)芯片濾波特性的影響。綠色曲線是不帶封裝的芯片仿真數(shù)據(jù)，紅色曲線是帶封裝的芯片仿真數(shù)據(jù)。通過對(duì)比RL和IL兩個(gè)指標(biāo)，我們發(fā)現(xiàn)在通帶內(nèi)濾波器特性并沒有明顯惡化，但是由于封裝的容性寄生，導(dǎo)致帶外的抑制性能急劇下降。這將對(duì)射頻系統(tǒng)接收信號(hào)和本征信號(hào)帶來干擾，從而導(dǎo)致信號(hào)的阻塞。由此我們得出結(jié)論，封裝效應(yīng)是芯片設(shè)計(jì)不得不考慮的重要因素，同時(shí)Metis能很好的解決聯(lián)合仿真建模困難，優(yōu)化設(shè)計(jì)效率低的問題。

圖9 RL與IL比對(duì)結(jié)果

總結(jié)

本文介紹了一種采用芯和半導(dǎo)體的Metis工具實(shí)現(xiàn)芯片和封裝聯(lián)合仿真的方法。通過Metis分別導(dǎo)入芯片和封裝的版圖文件，將芯片倒裝焊在封裝基板上，建立三維堆疊模型。最后使用Metis進(jìn)行快速的電磁仿真分析，我們考察了封裝對(duì)芯片性能指標(biāo)的影響。此案例可以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行芯片和封裝協(xié)同設(shè)計(jì)可大幅減少迭代次數(shù)，提高設(shè)計(jì)成功率，使能芯片工程師在設(shè)計(jì)流程中隨時(shí)評(píng)估封裝性能。

編輯：jq