前华为互连部技术老屌丝回忆之（一）----我的IC封装设计历程

admin · 发表于 2019-9-27 15:08

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我的IC封装设计职业历程

                                             阿毛
2006年进入IC封装设计这个领域很偶然，在这之前的8年主要工作经历是pcb(印制电路板)设计及SI/PI（信号完整性/电源完整性）仿真等。
   封装是IC(集成电路)设计及PCB LAYOUT的桥梁，在IC---PACAKGE---PCB---BACKPLANE这个链路中起到举足轻重的作用，通过封装设计可以把不同的IC制造工艺融合在一起，好的PINMAP设计可以使PCB的层数减到最少。因此一个有经验的封装设计师必须要具备各种知识,如：热，机械，材料，PCB，EMC,信号/电源完整性，基板加工，半导体基础知识，单板装配……
   随着信号速率的提高，IC封装的形式对信号电、热等性能的影响起到决定性的作用，可以这样说：如果你对封装结构及特性不了解的话，最好就不要谈你是信号完整性或电源完整性的“专家”了，IC封装设计涉及的内容如下图1的蓝色圈圈部分。

图1       封装在系统架构中的位置

   我接到的第一个IC封装项目是一个手机套片，由4个芯片（ADB+ABB+PSRAM+FLASH）堆叠放在一起，出于成本的因素，要求必须要使用WIREBOND且只能是四层基板，这个项目这对于初次IC封装设计的人来说起点真是太高了。那时年轻对新东西感兴趣且互连部当时的学习及研究的风气很盛，个人比较喜欢有挑战的活，反正就是接下来开干了！封装内各部分的结构及解释如下图2。

图2       WireBond线与PAD示意图

   任务开始后的第一件事就是先熟悉使用封装设计软件APD，杨瑞锋教了我APD入门的一些基础知识，当时部门数据库中没有找到其它比较有价值的参考资料了，凭着前面8年cadence allegro的积累及APD与ALLEGRO有许多相同的地方，经过研究摸索，在软件不顺利的地方，自已写了几个辅助工具，共花了大约两周的时间，硬是把软件的使用拿了下来，接下来主要精力集中在熟悉WIREBOND工艺，基板制造及封装加工过程。
   四个DIE（芯片）都是独立设计并且是根据需要临时硬组合在一起的，因此DIE PAD（芯片与外部连接）的相对位置连线很乱。主管“威胁”：必须把它做出来，这个项目对部门以后这方面的业务发展很有帮助。基板的设计就差不多花了2-3周的时间，设计完成后交给ASE帮助从工艺上REVIEWED, ASE也进行了2周的REVIEWED修改，最终完成了设计。毫不夸张的说，设计完成后的基板想增加一个过孔或新增一个网络你必须要花一天以上的时间进行修改，真的是太密了！
   杨瑞锋本事大（当然还要感谢陈大雷），硬从上海把这个项目抢了过来，那时海思封装团队还在组建中，初期的人主要是从互连过去的，实际上是产品线考察我们实力的一个实验品。设计完这个项目之后，当时信心大大膨胀：这么密的封装都能做得出来，以后没有封装我做不了的啦！现在再回头看这个封装则很幼稚。如果我们在前期DIE设计时介入，根本就不可能会出现这种封装设计，但也从侧面说明有PCB互连的基础再转封装设计绝对是捷径。
   正当信心满满地打算大干一场的时候，有坏消息传来：由于不同部门及子公司业务重叠等等各种原因，我们这边最后不让做这类封装了。由于看好这个行业，我后来有机会调到海思继续从事封装的设计工作。
   之前的四个DIE堆叠封装加工回来后是一版成功的。可惜人已调到海思我的绩效被潜规则了，级别与绩效在华为对收入的影响非常大，后来与继续留在原部门同期进入华为的其它老土人比较起来我这6年学到的知识虽觉得很值，但任职资格及奖金收入方面已被严重拉开了……
   到了海思， IC封装组也是刚建立，除了原部门过去的1-2个，其它封装人员基本是从各大封装厂招过来的，他们对生产方面的经验比较丰富，电、热仿真方面相对弱些，那时候项目很多基本是一个人负责几个封装项目（现在人多了基本是几个人负责同一个封装项目，真的很羡慕啊！）。
   毕竟在DIE的设计初期就有参与，在海思这6年从DIE---PACKAGE----PCB方面都有了一个较全面的认识，需要考虑的问题较多，如下图3所示。并摸索出了一套开发流程及写了多个提高工作效率的封装设计辅助工具。

图3       封装设计需要考虑的要素关系

自写的几个程序都是商业软件不具备的功能，如：

1.在EXCEL中选拓扑生成自动生成HSPICE网表;
2.可以把BGA的封装输出成EXCEL文件，在EXCEL中调整后直接导入到APD中
3. BALL之间的信号检查且会自动生成报告

这些程序对我的工作效率提高产生了很大的影响，以前搞一天的活使用这些程序一般10-20分钟就完成了。
   ASIC项目的初期还是从与IBM及TI的项目合作过程中学了不少的知识的，不过这些公司的牛人基本都是在美国那边，中国接口人主要是帮助传达客户的问题或回复一些简单的问题。不过通过自已的刻苦钻研也进步很大，如：IBM有一个关于不同差分对间的摆放算出隔离度数据表，期间我使用SIGRITY与HFSS分别验证了一下，发现与表是相符的。当能用仿真软件验证出各种DESIGN  RULE时，成就感更强。SIGRYTY是我遇到的软件中效能比最高的一个软件。)
   IBM中的“阿三团队”就比较差了，有一次发现BGA球上的一个差分信号连BALL都没相邻放一起，被我的程序查出来了，由于临近投板了，她还死活不认。后期合作的项目，很多基板转到了国内设计，被查出的问题就比较多了。
在海思封装工作模式总结为三句话：SOLUTION----REVIEW---GO WITH RISK
   2012年有机会又回到华为原部门。回华为原来部门这一年，封装方面的知识、技能又上了一个层次。过来后与上海Hisiliocn及Milan团队做18-23G及38-42G两个某某微波项目，由于自身这块的知识不强，那一年基本天天加班，终于顺利完成了这两个XX项目的选型及仿真，通过这两个封装的设计才认识到做微波封装才真正有挑战性，也明白了封装与DIE设计时已把PCB的很多匹配考虑在内了，封装做出来后，PCB主要保证重要信号的输入输出线控制好50ohm阻抗就行了，使板级的射频设计大大简化。
   仿真的方法是没有问题的，实际板的仿真与测试的曲线还是比较吻合（如图4所示），当初由于部门内组别的隔阂，没明白插入损耗虽然趋势近似但没有完全对上，现在终于明白是什么原因了，完全可以做到仿真与测试的曲线很吻合，对DIE---PACKAGE----PCB---BACKPLANE有了全新的认识。

图4       实验板的仿真与测试结果比较
   回华为互连部门后最大的收获除了微波封装设计，相应的材料选型及与上下游沟通外，更重要的一点是把封装热仿真知识补上了，由于PA的功耗比较大，没有热方面的知识，是不可能给出封装方案的，热方面的学习要感谢老同事陶源，姚凯的无私帮助。关于热方面自己觉得最牛逼的事是：我自己计算PA封装中GaAs的结温与使用FLOWTHERM仿真出来的结果只差了2度，这个结果连Milan的专家也没有什么好说的了。在封装即将要加工时,由于各种原因，我离开了华为（2013年6月）,封装方面，唯一遗憾的就是应力仿真没有做了。
   在家玩了三个月，发现不是想象中这么爽，朋友们都在上班，平时找个人玩都难，原本打算先玩半年再找个公司的计划要作改变了，只玩了三个月。现在每每提起在华为时的假期还直呼可惜，由于假期可以积累，在华为一直兢兢业业工作，第一次n+1时有接近50天被转成了工资，这次又快6年了，离开时还是有30多天的假被转成了工资，当初太敬业，真没想过请长假出去玩玩，还好革命本钱还在。
      2013年9月初加入了兴森快捷CAD事业部，这个团队的模式及氛围与我刚入华为时有似曾情相识感，一下又找回了感觉。
      由于工作性质转变，自己在封装设计探索的知识怕过几年会忘记，现在公司(兴森快捷）两位封装专家潘计划，袁正红商量后，大家一拍即合,我们将各自的知识，不同的封装设计方法以及经验等写成一本书共享给将要从事这个行业的人初学者，使他们能尽快入门，当作是为行业作贡献。)
目前市面关于IC封装的书主要分为二大类：
1.偏于材料，加工工艺
2.偏于对软件使用的介绍!
   这类书看完后，读者会对封装有一定的了解，但是你还是不会设计封装，因他的目的不是为了教你怎样设计封装。因此我们的书（下图5所示《IC封装基础与工程设计实例》）需要做到更注重于工程实践，类似于台湾及香港的书，需要拥有下面几方面的特点：
1. 基于封装及基板加工材料等基础知识与工程实践
2. 列出封装的主要类型并教读者一步步的详细设计
3. 提供免费小程序来帮助封装设计师辅助设计，提高效率& u( S+ \. i1 F5 c
4. 在WWW.EDA365.COM网站上专门开了一个版块，提供读者和作者就书上的问题展开实时讨论的平台,开创了一种全新的互动模式+ O) f8 T2 R* ~" A
5. 帮助PCB设计师及SI仿真工程师把设计及仿真做得更细致，提供了必要的封装基础知识

图5       IC封装基础与工程设计实例

   一个PCB设计,SI/PI仿真工程师如果对封装内部的知识及结构没有充分了解的话，说你在做高速设计，你就不是一个合格的高速信号设计工程师。作为一个专家，你必须要对链路(如下图6所示)上的每个细节的设计及加工都要了解。

图6       背板链路示图

   现在的公司已在在广州投资了5个多亿开了个基板厂（基板是IC行业重要的配套产业，实物如下图7），并且入股了晶圆抛光厂及封装设计公司……一系列举措. 相信IC封装设计职业与IC相关的行业在国内刚刚开始且大有前途……

图7       封装基板示意图

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