أخبار

بالنسبة للعديد من التطبيقات ، يعد الجيل التالي من عبوات IC هو أفضل طريق لتحقيق مقياس السيليكون والكثافة الوظيفية والتكامل غير المتجانس مع تقليل الحجم الكلي للحزمة.يوفر التكامل غير المتجانس والمتجانس مسارًا لتحسين وظائف الجهاز ، ووقت أسرع للتسويق ، ومرونة إنتاج السيليكون.

ظهرت العديد من منصات تكنولوجيا التكامل التي تسمح بالتكلفة والحجم والأداء وتحسينات الطاقة التي تلبي احتياجات الأسواق المتعددة ، مثل الحوسبة المتنقلة والسيارات والجيل الخامس والذكاء الاصطناعي (AI) والواقع المعزز (AR) والواقع الافتراضي ( VR) ، والحوسبة عالية الأداء (HPC) ، وإنترنت الأشياء ، والطبية ، والفضاء.

ومع ذلك ، فإن هذه الحزم تمثل تحديات فريدة لأدوات ومنهجيات تصميم الحزمة التقليدية.يجب أن تعمل فرق التصميم معًا للتحقق من النظام بأكمله وتحسينه ، وليس فقط العناصر الفردية.عادة ما يكون تصميم الركيزة التقليدية للتغليف IC مشابهًا جدًا للصفائح الصغيرة و / أو ثنائي الفينيل متعدد الكلور القائم على التراكم.غالبًا ما يتم تصنيعها بواسطة مصنعي ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليديين وعادة ما يتم تصميمها باستخدام أدوات ثنائي الفينيل متعدد الكلور معدلة.

في المقابل ، تستخدم الحزم المتقدمة اليوم تقنيات التصنيع والمواد والعمليات التي تشترك بشكل متزايد مع عمليات مسبك السيليكون وتتطلب نهجًا جديدًا للتصميم والتحقق على جميع المستويات.

أحد التحديات الأولى التي يجب على فريق التصميم التغلب عليها هو التجميع الدقيق للركائز - التي يمكن أن تكون نشطة وسلبية - وأجهزة منفصلة.تأتي هذه الركائز والأجهزة من مصادر وموردين متعددين ، وعلى الأرجح ، تتوفر بتنسيقات متعددة وغالبًا ما تكون مختلفة.

نظرًا لمصادر البيانات وتنسيقاتها المتعددة ، من الواضح أن هناك حاجة إلى تدفق تحقق شامل - وهو ما يفسر التحقق المادي على مستوى التجميع ، بالإضافة إلى التحقق من الكهرباء والضغط وقابلية الاختبار الأكثر تعمقًا على مستوى النظام.هناك حاجة أيضًا إلى أدوات التصميم التي توفر تدفقات سريعة ودقيقة وآلية لضمان إمكانية تلبية جداول السوق وتوقعات الأداء.من الناحية المثالية ، توفر هذه التدفقات عملية متكاملة واحدة مبنية حول نموذج رقمي ثلاثي الأبعاد ، أو توأم رقمي ، لمجموعة الحزم غير المتجانسة بأكملها.

تحتاج حزم IC من الجيل التالي هذه إلى تصميم من الجيل التالي وحل تحقق يتضمن ويدعم:

النماذج الرقمية
تكامل متعدد المجالات
قابلية التوسع والمدى
تسليم التصنيع الدقيق
التوقيع الذهبي

توأم رقمي لنموذج أولي افتراضي

يوفر بناء نموذج افتراضي رقمي مزدوج للتجميع غير المتجانسة 2.5D / 3D تمثيلًا شاملاً للنظام الكامل الذي يشتمل على أجهزة وركائز متعددة.يتيح التوأم الرقمي التحقق الآلي من التجميعات غير المتجانسة بدءًا من فحص قاعدة التصميم على مستوى الركيزة (DRC) والتوسع في التخطيط مقابل التخطيطي (LVS) والتخطيط مقابل التخطيط (LVL) والاستخراج الطفيلي والتحليل الحراري والإجهاد ، وأخيراً الاختبار .

الشكل 1 النموذج الأولي الافتراضي الرقمي المزدوج ثلاثي الأبعاد هو مخطط لجهاز بأكمله.المصدر: مينتور جرافيكس

يتطلب بناء النموذج القدرة على تجميع البيانات من مصادر مختلفة وبتنسيقات مختلفة في تمثيل نظام متماسك مناسب لدفع عملية التحقق والتحليل.من الناحية المثالية ، يتم ذلك باستخدام التنسيقات القياسية الصناعية مثل ملفات LEF / DEF أو AIF أو GDS أو CSV / TXT.يجب أن توجد الوظائف أيضًا بطريقة تتعرف تلقائيًا على واجهات الجهاز والركيزة دون الحاجة إلى إنشاء مثيل للمكونات الزائفة.هذا يسمح للتصميم والتحقق غير المتزامن متعدد المصممين.وهذا بدوره يضمن نجاح النظام بشكل عام عند اكتمال جميع المكونات ودمجها.

تتمثل إحدى الفوائد الأساسية لنهج التوأم الرقمي في أنه بمثابة المرجع الذهبي لقيادة التحقق المادي والكهربائي الكامل في كل مستوى من مستويات التسلسل الهرمي للتصميم.يؤدي ذلك إلى التخلص من استخدام جداول بيانات متعددة وثابتة لتمثيل معلومات رقم التعريف الشخصي والاتصال ، واستبدالها بقائمة شبكة كاملة على مستوى النظام بتنسيق Verilog.

يعد الحفاظ على البيانات الأصلية وإعادة استخدامها ، مثل وصف Verilog للجهاز ، أمرًا أساسيًا.يأتي الخطر الأكبر عندما تحدث الترجمة أو التحويل ، كما هو الحال مع التخطيط أو جدول البيانات.إذا تم ذلك ، فإن "الخيط الرقمي" ينكسر على الفور ، ويصعد خطر حدوث أخطاء في الاتصال.

تكامل متعدد المجالات

تتيح منهجية التوأم الرقمي أيضًا التكامل متعدد المجالات وعبر المجالات.يتطلب تقديم حزم الدوائر المتكاملة الأكثر تعقيدًا إلى السوق بشكل أسرع تصميمًا وتحققًا متكاملين للغاية - بدءًا من تصميم الركيزة الإلكتروني وحتى المبدد الحراري للحزمة الميكانيكية وأجهزة تثبيت ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، بما في ذلك الجوانب المرتبطة ببعضها البعض من الكهرباء والحرارة والاختبار والموثوقية وبالطبع ، قابلية التصنيع.بدون نهج على مستوى النظام للتصميم والتحقق ، يخاطر المهندسون بتجربة عمليات التنفس المكلفة أو ما هو أسوأ.

يعد تزامن المعلومات الكهربائية والميكانيكية أمرًا ضروريًا لضمان عدم حدوث انتهاكات مادية عند وضع حزمة داخل حاوية أو نظام كامل.يعد التبادل المتزايد للبيانات أثناء التصميم أمرًا أساسيًا لضمان توافق ECAD-MCAD وزيادة نجاح التمرير الأول.كما أنه يساعد في إنشاء تصميمات أكثر قوة مع زيادة الإنتاجية وتحقيق وقت أسرع للتسويق.

من المهم للغاية أن يتمكن كل من مصمم حزمة IC ومصمم موزع الحرارة المخصص من تصور التكامل واستكشافه وتحسينه ، بشكل مثالي كعملية غير متزامنة تقلل من الانقطاعات عبر المجال.

الشكل 2 تتيح منهجية التوأم الرقمي التكامل متعدد المجالات وعبر المجالات.المصدر: مينتور جرافيكس

يعد التزامن بين تصميم العبوة والتصميم الميكانيكي / الحراري أيضًا تحديًا كبيرًا للنجاح الصحيح لأول مرة.تعرض الحزم متعددة الركائز غير المتجانسة تفاعلات متعددة لحزم الرقائق ، وأحد أكبرها هو التبديد الحراري للحرارة ، وخاصة الحرارة المتولدة غير الخطية النموذجية في مثل هذه الحزم.

النهج النموذجي للإدارة الحرارية يستخدم مبدد حراري لنقل الحرارة وتبديدها.لكن الموزع الحراري جيد فقط مثل تصميمه.لكي يكون المبدد الحراري فعالاً وفعالاً ، يجب تصميمه ومحاكاته بالاقتران مع العبوة ، وليس كفكرة لاحقة.يضمن تصميم الحزمة بأكملها في صورة ثلاثية الأبعاد تحقيق نقل حراري فعال دون أي تنازلات كبيرة في التصميم.

الشكل 3 هذا هو تصميم مبدد حراري رقمي مزدوج يحركه.المصدر: مينتور جرافيكس

يمكن أن ينتج عن التراص 2.5D و 3D مجموعة متنوعة من الضغوط الجسدية غير المقصودة ، مثل الركيزة الملتوية أثناء التركيب والضغط الناجم عن النتوءات.يجب أن يكون المصممون قادرين على تحليل التخطيط للضغوط التي تسببها تفاعلات حزمة الشرائح وتأثيرها على أداء الجهاز.بمجرد أن توشك الحزمة على الانتهاء من التنفيذ ، يمكن تصدير النموذج الحراري الدقيق للتغليف ثلاثي الأبعاد لإدراجه في التحليل الحراري المفصل لثنائي الفينيل متعدد الكلور والتحليل الحراري للنظام الكامل.يتيح ذلك الضبط النهائي لحاوية النظام ويسمح بتحسين التبريد الطبيعي و / أو القسري.

تجلب حزم IC المتقدمة العديد من التحديات الجديدة لمهندسي سلامة الإشارة وأدوات التصميم الخاصة بهم.يتم تثبيت القوالب مباشرة على الركيزة ، وبالتالي فإن إمكانية توجيه الركيزة إلى اقتران توجيه طبقة إعادة التوزيع على القالب ممكن.لم تعد الحزم عبارة عن هياكل بسيطة للطبقة المستوية ذات أشكال بسيطة سهلة النمذجة بين الطبقات المعدنية.بدلاً من ذلك ، يمكن أن يكون هناك ركائز متعددة من مواد وخصائص مختلفة جدًا.يمكن استخدام التحليل بنجاح لعدد من العناصر المتعلقة بسلامة الإشارة والطاقة.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك عدد من العناصر التي يصعب محاكاتها.تندرج هذه بشكل عام في فئة التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).على الرغم من إمكانية تحليل مشكلات EMI التي تم إنشاؤها بواسطة مسار الإرجاع ومحاكاتها ، إلا أنه من غير المفيد عادةً القيام بذلك.على سبيل المثال ، في حالة عبور التتبع لانقسام في طائرة ، سيكون إعداد المحاكاة وأوقات التشغيل كبيرة ، وسيتعلم جميع المهندسين أن مثل هذه المواقف سيئة ويجب تجنبها.

يتم التعرف على هذه المشكلات بشكل أفضل من خلال الفحص الآلي المستند إلى الهندسة والفحص أثناء التصميم.يمكن إعدادها وتنفيذها عادةً في دقائق ، مع تمييز مناطق المشكلات بوضوح لإجراء التصميم العلاجي.مثل هذا النهج "التحول إلى اليسار" يمنع إنشاء المشكلات في المقام الأول ، مما يجعل تحليل EMI أكثر من خطوة تسجيل الخروج للتحقق.

تستخدم التصميمات غير المتجانسة 2.5D و 3D عادةً من خلال فتحات السيليكون (TSVs) ، وهي عبارة عن فتحات طويلة تمتد عبر القالب أو الركيزة لتوصيل الجانب الأمامي والخلفي.تسمح TSVs بالقالب والركائز أن تكون مكدسة ومترابطة بشكل مباشر.ومع ذلك ، بالإضافة إلى خصائصها الكهربائية الهامة ، فإن TSVs لها أيضًا تأثير غير مباشر على السلوك الكهربائي للأجهزة والوصلات في المناطق المجاورة لها.

لنمذجة نظام غير متجانس 2.5D / 3D بدقة ، يحتاج المصمم إلى أدوات تستخرج معلمات كهربائية دقيقة من الهيكل المادي لهذه العناصر 2.5D / 3D ، والتي يمكن بعد ذلك إدخالها في المحاكيات السلوكية.باستخدام نموذج التوأم الرقمي ثلاثي الأبعاد لتجميع الحزمة الكاملة ، يمكن للمصممين استخراج الطفيليات من نماذج 2.5D و 3D بدقة.بمجرد استخراج العناصر بشكل صحيح ، باستخدام المنهجية والعملية المناسبة ، يمكن تجميعها في نموذج ربط على مستوى النظام ومحاكاتها لتحليل الأداء والامتثال المناسب للبروتوكول.

قابلية التوسع والمدى

تعد تقنيات التغليف غير المتجانسة أكثر تعقيدًا من حيث التصميم والتصنيع والتجميع ، مما قد يحد من توفرها للجميع باستثناء شركات أشباه الموصلات الرائدة وتصميماتها المتطورة.لحسن الحظ ، يمكن أن يلعب النظام البيئي لسلسلة التصميم والتوريد دورًا قويًا في تمكين إضفاء الطابع الديمقراطي على هذه التقنيات ، ووضعها في متناول جميع المصممين والشركات - تمامًا كما فعل عالم مسبك السيليكون مع مجموعات تصميم العمليات (PDKs) ، والتي أصبحت واسع الانتشار.

يتم تشغيل التحقق الآلي من IC بواسطة قواعد التصميم التي أنشأها المسبك وتم توفيرها في PDK لتصميم المنازل.يؤهل موردو أدوات EDA مجموعات أدواتهم وفقًا لهذه القواعد للتأكد من أن أدوات التحقق الخاصة بهم تنتج نتائج جودة توقيع مثبتة وقابلة للتكرار.الغرض من مجموعة تصميم تجميع الحزم (PADK) مشابه للغرض الخاص بـ PDK - تسهيل قابلية التصنيع والأداء باستخدام قواعد موحدة تضمن الاتساق عبر العملية.

من الواضح ، يجب أن يتضمن PADK كلاً من حل تسجيل الخروج والتحقق المادي ، كما يجب أن يعالج حلول تسجيل الخروج الحرارية و / أو الإجهاد.يجب أن تكون كل هذه العمليات مستقلة عن أي أداة أو عملية تصميم محددة مستخدمة لإنشاء التجميع.بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يعمل PADK الكامل عبر مجالات IC والتعبئة ، مما يعني أن التدفق يجب أن يدعم تنسيقات متعددة.أخيرًا ، يجب التحقق من صحة جميع عمليات التحقق هذه من قبل شركة تجميع الحزمة / شركة OSAT.

يضع حجم وتعقيد حزم IC المتقدمة ضغطًا فوريًا على المصمم وجدول التصميم ، والذي يتم تمديده غالبًا.يتمثل أحد الأساليب الشائعة الناشئة لإدارة هذا في تصميم الفريق المتزامن ، حيث يعمل العديد من المصممين في نفس الوقت على نفس التصميم عبر الشبكات المحلية أو العالمية ، مع الاحتفاظ بالقدرة على تصور جميع أنشطة التصميم دون الحاجة إلى تحمل أي إعداد مرهق أو إدارة عملية.

الشكل 4 يمكن أن يؤدي التصميم المتزامن متعدد المستخدمين إلى تقليص دورات التصميم وتحسين الموارد.المصدر: مينتور جرافيكس

من كيث فيلتون.