隨著5G技術的發(fā)展，射頻前端（RFFE）設計變得越來越復雜，而系統(tǒng)級封裝（SiP）技術因其可集成多顆裸芯片與無源器件的特點，開始被廣泛用于射頻前端的設計中。 芯片設計與封裝設計傳統(tǒng)上是由各自工程團隊獨立完成，這樣做的缺陷是增加了迭代時間和溝通成本。如果能夠實現(xiàn)芯片和封裝協(xié)同設計，不僅可大幅減少迭代次數(shù)，提高設計成功率，而且使能芯片工程師在設計流程中隨時評估封裝性能。 目前在市場上，要實現(xiàn)快速的芯片和封裝協(xié)同仿真的方法并不多。芯和半導體獨創(chuàng)的這套聯(lián)合仿真流程中，三維建模簡單易用，并配有專門針對聯(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.導入芯片和封裝版圖文件

在Metis工具中，可直接導入Cadence的設計文件（.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，同時還需要layermap文件和仿真工藝信息lyr文件。依次導入芯片和封裝版圖后，在Metis 3D視圖中自動生成了它們的三維結構（圖2），此時它們的相對位置是任意，需要通過Bump將它們連接在一起。

圖1 導入版圖界面

圖2導入芯片和封裝文件

2.模型堆疊

在左側的項目管理欄，選擇Assemblies，進入堆疊設置界面。在上側Model欄，我們將芯片設置為Upper Model，將封裝設置為Lower 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位置（圖4）。

圖4 移動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上點擊增加Bump模型，將芯片和封裝結構連接在一起（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)境設置

Metis的網格劃分、金屬和過孔模型可以根據(jù)不同的結構進行分開設置，從而達到仿真精度與效率的雙重提升。本案例中芯片的金屬設置為Thick，過孔為Lumped，網格大小為50um，而封裝的金屬設置為3D，過孔為3D，網格大小為200um。最后點擊Run Solver進行聯(lián)合仿真。

圖8 芯片的仿真設置

5.仿真結果比對

我們分別仿真了不帶封裝和帶封裝兩種應用場景，來分析封裝對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)。通過對比RL和IL兩個指標，我們發(fā)現(xiàn)在通帶內濾波器特性并沒有明顯惡化，但是由于封裝的容性寄生，導致帶外的抑制性能急劇下降。這將對射頻系統(tǒng)接收信號和本征信號帶來干擾，從而導致信號的阻塞。由此我們得出結論，封裝效應是芯片設計不得不考慮的重要因素，同時Metis能很好的解決聯(lián)合仿真建模困難，優(yōu)化設計效率低的問題。

圖9 RL與IL比對結果

總結

本文介紹了一種采用芯和半導體的Metis工具實現(xiàn)芯片和封裝聯(lián)合仿真的方法。通過Metis分別導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進行快速的電磁仿真分析，我們考察了封裝對芯片性能指標的影響。此案例可以幫助設計人員進行芯片和封裝協(xié)同設計可大幅減少迭代次數(shù)，提高設計成功率，使能芯片工程師在設計流程中隨時評估封裝性能。

編輯：jq