EDA設(shè)計工具在SiP實(shí)現(xiàn)流程中占有舉足輕重的地位。文章在介紹Cadence 產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，同時梳理和補(bǔ)全了業(yè)界常用的其他幾大EDA公司的主流SiP設(shè)計與仿真工具。供大家參考和學(xué)習(xí)。

 

--------設(shè)計工具--------

Cadence的Allegro Package Designer Plus，是封裝設(shè)計業(yè)內(nèi)的準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具，可實(shí)現(xiàn)WireBond、FlipChip、SiP、Chiplet異構(gòu)集成，2.5D/3D硅基封裝的設(shè)計與驗證。對于SiP系統(tǒng)級封裝產(chǎn)品來說：

01、可實(shí)現(xiàn)裸芯，無源器件在基板上的構(gòu)建，封裝基板的疊構(gòu)，支持Wirebond金（銅）線設(shè)計，HDI微孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，基板布線設(shè)計，及多種類后處理。

02、其基于Constraint Manager的規(guī)則設(shè)計，提供了一個高可靠性的設(shè)計/可制造性/信號完整性一體化平臺。

03、制造方面，提供幾乎所有種類的生產(chǎn)文件如ODB++,Gerber274X等等。

04、與Cadence 自身的Sigrity系列，Celcius系列，Clarity系列仿真軟件無縫集成，軟件內(nèi)部的模型參數(shù)導(dǎo)出工具可將基板參數(shù)直接在仿真工具中進(jìn)行編輯，縮短了仿真驗證前期準(zhǔn)備的耗時。

05、其具有的3D編輯器與主流仿真軟件的仿真模型一體化關(guān)聯(lián)，保證了SiP封裝在2.5D/3D熱仿真，3D力學(xué)仿真驗證領(lǐng)域數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性。

06、支持多用戶在同一界面下完成設(shè)計及檢查。

 

（裸芯疊構(gòu)示意）

 

（Wire Bond 設(shè)置）

 

（3D檢查）

 

在SiP設(shè)計完成后，我們通常需要對SiP封裝的電性能及熱性能進(jìn)行電熱協(xié)同仿真，以保證封裝產(chǎn)品的可靠性。針對封裝SIP的仿真分析工具主要分為四大類：一是封裝模型的提取、建模工具，二是電源完整性及信號完整性分析工具，第三類為電熱協(xié)同仿真工具，最后則為熱力結(jié)合仿真工具。

 

--------模型提取工具--------

◆ XtractIM 是一款專門針對IC封裝的寬帶模型提取及封裝性能評估工具。XtractIM能夠生成標(biāo)準(zhǔn)的IBIS格式和SPICE子電路格式的封裝模型。提取出的模型可以是各引腳或各網(wǎng)絡(luò)的RLC網(wǎng)表，可以是帶耦合參數(shù)的矩陣，也可以是Pi/T型SPICE子電路。XtractIM生成的模型可以用來評估封裝模型電性能的好壞，也可用于系統(tǒng)級的SI和PI的仿真。

 

◆ XcitePI 是以芯片為中心的仿真和模型提取工具，可以用來設(shè)計和驗證電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）和高速I/O。XcitePI可以提取芯片PDN模型和I/O互連模型。用戶可以選擇對部分結(jié)構(gòu)或者整個芯片提取模型。模型提取考慮到整個芯片電源網(wǎng)格所有導(dǎo)體的寄生電阻，電容和電感的耦合。XcitePI提取的模型可以進(jìn)一步用在系統(tǒng)級分析或者芯片-封裝-PCB的協(xié)同設(shè)計。XcitePI還支持時域和頻域的芯片PDN仿真，評估I/O電源地和信號的性能。

 

◆ PowerSI可以為PCB和IC封裝提供快速準(zhǔn)確的通用頻域電磁場分析，如S參數(shù)、Z參數(shù)的模型提取，空間模式下的噪聲耦合分析，EMC/EMI分析，諧振模式分析，走線阻抗和耦合檢查等。從而有助于解決高速電路設(shè)計中日益突出的各種PI和SI問題：如信號和電源網(wǎng)絡(luò)布線質(zhì)量的定量分析和耦合分析，電源平面的噪聲分布和去耦電容的放置，封裝的電磁輻射，封裝結(jié)構(gòu)中可能存在的諧振模式，以及走線的整體阻抗檢查和耦合分析等。PowerSI可以在布局布線前用于創(chuàng)建PI和SI的布線規(guī)范，也可以在布局布線后用于發(fā)現(xiàn)或改善潛在的設(shè)計風(fēng)險。

 

◆ Clarity 3D求解器是一款針對互聯(lián)PCB，IC封裝和系統(tǒng)集成封裝設(shè)計的3D電磁（EM）仿真工具。Clarity 3D Solver可在設(shè)計5G，汽車，高性能計算（HPC）系統(tǒng)和具有高標(biāo)準(zhǔn)精度的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序時解決最復(fù)雜的電磁（EM）挑戰(zhàn)。業(yè)界領(lǐng)先的Cadence分布式多處理技術(shù)使Clarity 3D解算器能夠提供幾乎無限的容量和10倍的速度，從而有效地解決更大、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題。它創(chuàng)建了高度精確的S參數(shù)模型，用于信號完整性（SI），電源完整性（PI）和電磁兼容性（EMC）分析，使仿真結(jié)果與實(shí)驗室測量相匹配。Clarity 3D Solver可以通過有效地將可用計算資源與設(shè)計大小相匹配來解決真正的3D結(jié)構(gòu)。

 

◆ Ansys Q3D Extractor是現(xiàn)代電子設(shè)計中的寄生提取工具。Q3D Extractor用于計算電子產(chǎn)品頻率相關(guān)電阻、電感、電容和電導(dǎo)(RLCG)的寄生參數(shù)。它適用于高速電子設(shè)備中設(shè)計先進(jìn)的電子封裝和連接器。也可用于電力配電、電力電子和電力驅(qū)動系統(tǒng)中使用的大功率母線和功率變換器部件。提取出的寄生參可用于后續(xù)的SI/PI完整性分析，是使用廣泛的參數(shù)提取工具之一。

（圖片來源Mentor網(wǎng)站）

 

◆ Ansys HFSS 與Cadence Clarity為同類型3D全波電磁場仿真工具，HFSS可分析整個電磁場問題，包括反射損耗，衰減，輻射和耦合等。HFSS的強(qiáng)大功能基于有限元算法與積分方程理論，以及穩(wěn)定的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)。該網(wǎng)格剖分技術(shù)可保證其網(wǎng)格能與3D物體共形并適合任意電磁場問題分析。HFSS可自動根據(jù)用戶指定的幾何模型，材料屬性以及求解頻段來生成最適合，最有效和最準(zhǔn)確的網(wǎng)格進(jìn)行求解，以保證求解的精度。求解較為苛刻的高頻仿真問題時，所有的HFSS求解器可配置高性能計算（HPC）技術(shù)，如區(qū)域分解法和分布式求解，高性能計算可減少計算時間，有效利用計算機(jī)資源來加速求解電大尺寸問題。 

（圖片來源Ansys網(wǎng)站）

 

--------電源完整性及信號完整性分析工具--------

◆ OptimizePI 應(yīng)用Sigrity的電磁分析和優(yōu)化算法可以使IC封裝PDS網(wǎng)絡(luò)的性能或成本達(dá)到最優(yōu)。OptimizePI可以幫助設(shè)計人員自動地在合適的位置放置合適容值的去耦電容，來確保產(chǎn)品設(shè)計以最低的成本或最小的面積滿足電源分配系統(tǒng)（PDS）的性能目標(biāo)，優(yōu)化電源平面諧振，或者在不增加電容種類的情況下實(shí)現(xiàn)最佳的PI、EMI性能。

 

◆ PowerDC 能對IC封裝提供快速準(zhǔn)確的直流分析和電熱協(xié)同分析，是一款能對基板和IC封裝設(shè)計進(jìn)行電熱協(xié)同仿真分析的工具，其提供了一個詳細(xì)的工作流程幫助仿真工程師發(fā)現(xiàn)設(shè)計中隱含的直流壓降問題、電流密度問題和熱可靠性問題。PowerDC能支持多Die堆疊的封裝設(shè)計，能進(jìn)行復(fù)雜設(shè)計的DRC檢查，可以得到Die、過孔和封裝等各組件的溫度，還可以得到JEDEC定義的各種封裝熱參數(shù)模型。

 

◆ SystemSI Serial Link Analysis是專用于高速SerDes接口（如PCI-e, HDMI, SFP+, XAUI, Infiniband, SAS, SATA, USB等）進(jìn)行系統(tǒng)級芯片到芯片驗證的仿真工具。SystemSI-SLA時域、頻域和統(tǒng)計分析相結(jié)合的技術(shù)確保高速串行互連分析的效率和仿真精度， SystemSI-SLA采用易用的模塊化拓?fù)渚庉嬒到y(tǒng)網(wǎng)表，支持多種SPICE子電路模型（如IBIS, Device, Touchstone, BNP等），采用時域、頻域和統(tǒng)計相結(jié)合的分析技術(shù)，通過進(jìn)行無源通道頻域響應(yīng)分析、通道特性時域沖激分析、大容量數(shù)據(jù)碼型的統(tǒng)計分析、誤碼率分析等，提取系統(tǒng)鏈路的統(tǒng)計眼圖、浴盆曲線等特征參數(shù)，為串行鏈路系統(tǒng)性能評估提供依據(jù)。SystemSI-SLA支持各種領(lǐng)先的AMI/VMI模型，通過先進(jìn)的串?dāng)_、抖動、噪聲分析和靈活的參數(shù)掃描分析，并充分考慮信號反射、串?dāng)_、碼間干擾、SSN等對信號質(zhì)量的影響。

 

◆ SystemSI Parallel Bus Analysis 是專門針對源同步高速并行總線接口(如DDRx)而開發(fā)的系統(tǒng)級芯片到芯片驗證工具。SystemSI-PBA的前仿真能力（包括3D全波Via-wizard建模能力）確保精確的寬帶模型能夠快速產(chǎn)生并與其他系統(tǒng)模塊連接。而后仿真能力允許用戶加入優(yōu)化的、包含更多細(xì)節(jié)信息的實(shí)際版圖模型并進(jìn)行最終的驗證分析。所有的SI效應(yīng)如導(dǎo)體/介質(zhì)損耗、反射、ISI碼間干擾、串?dāng)_以及同步翻轉(zhuǎn)噪聲（SSN）等都能在一個仿真引擎中同步考慮。其非理想電源仿真能力能精確模擬真實(shí)PDN噪聲對信號的干擾。

 

◆ Ansys Slwave是驗證板級及封裝級的信號完整性，電源完整性及EMI分析為一體的工具。幫助設(shè)計師進(jìn)行建模、模擬和驗證高速信號傳輸?shù)耐暾约案咝阅茈娮赢a(chǎn)品中電源完整性。它可以準(zhǔn)確地提取了千兆SERDES和內(nèi)存總線的IBIS 及IBIS-AMI模型進(jìn)行分析，保證各種產(chǎn)品在進(jìn)入制造前設(shè)計的準(zhǔn)確性。Slwave可實(shí)現(xiàn)對整個配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)進(jìn)行全波提取，使您能夠通過低壓設(shè)計中的自動解耦分析來驗證噪聲裕度，并確保阻抗分布符合要求等。

（圖片來源Ansys網(wǎng)站）

 

◆ Mentor HyperLynx SI基于IBIS或是SPICE模型評估并行（如DDR）及高速串行總線的信號完整性，包括過沖，下沖， 振鈴，非單調(diào)性， 符號間干擾等等。優(yōu)化信號的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并分析信號間的串?dāng)_，結(jié)合仿真結(jié)果對設(shè)計提供最優(yōu)的改善措施。通過時域或頻域的方式評估互連狀態(tài)以確保信號低誤碼率的有效傳輸。HyperLynx SI同時也支持基于IBIS-AMI模型，集成全波三位電磁場求解器針對高速SerDes鏈路進(jìn)行快速且精準(zhǔn)的分析。

（圖片來源Mentor網(wǎng)站）

 

◆ Mentor HyperLynx PI 支持 AC， DC 多種類電源分析功能，分析直流壓降，保證電源的載流能力。同時支持PDN分析找到最優(yōu)的去耦電容策略和電容的數(shù)量和擺放位置，從而使芯片管腳處的電源波動穩(wěn)定在噪聲容限之內(nèi)。

（圖片來源Mentor網(wǎng)站）

 

--------電熱協(xié)同仿真工具--------

◆ Celsius Thermal Solver 是業(yè)內(nèi)針對從集成電路到物理部件全電子系統(tǒng)所設(shè)計的一款完整電熱協(xié)同仿真解決方案。Celsius Thermal Solver能夠與Cadence IC、封裝和基板設(shè)計平臺實(shí)現(xiàn)無縫集成。利用創(chuàng)新的多物理場技術(shù)應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。將實(shí)體結(jié)構(gòu)有限元分析（FEA）與計算流體動力學(xué)（CFD）相結(jié)合，Celsius Thermal Solver可以在同一工具內(nèi)完成系統(tǒng)分析。Celsius Thermal Solver幫助工程團(tuán)隊結(jié)合電氣和熱力分析，進(jìn)行電力和熱力流動仿真，從而獲得比傳統(tǒng)工具更精確的系統(tǒng)級熱力仿真結(jié)果。此外，Celsius Thermal Solver基于先進(jìn)3D 結(jié)構(gòu)中電力的實(shí)際流動，執(zhí)行靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（瞬態(tài)）電熱協(xié)同仿真，提供了對真實(shí)世界系統(tǒng)行為的預(yù)見性。

 

◆ Ansys最新的SIwave版本中，集成了SIwave-Icepak電熱協(xié)同仿真功能，設(shè)計者在單獨(dú)的SIwave軟件環(huán)境中，就可以同時調(diào)用SIwave 直流求解器和Icepak 三維散熱（CFD）求解器，進(jìn)行電熱耦合分析，得到封裝或板級工作時的電流密度分布以及溫度分布結(jié)果，幫助設(shè)計者提前評估溫度變化對封裝及PCB性能的影響，預(yù)判溫度分布熱點(diǎn)，以便進(jìn)行散熱設(shè)計。

（圖片來源Ansys網(wǎng)站）

 

--------熱力結(jié)合仿真工具--------

◆ 作為Ansys的核心產(chǎn)品之一，Ansys Mechanical是使用最廣泛的的通用結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析系統(tǒng)。以結(jié)構(gòu)力學(xué)分析為主，涵蓋線性、非線性、靜力、動力、疲勞、斷裂、復(fù)合材料、優(yōu)化設(shè)計、概率設(shè)計、熱及熱結(jié)構(gòu)耦合、壓電等分析中幾乎所有的功能，全面集成于ANSYS新一代協(xié)同仿真環(huán)境ANSYS Workbench中。對于SiP封裝來說，其功能可覆蓋各類封裝產(chǎn)品，熱應(yīng)力，熱循環(huán)，振動，Underfill流體分析等絕大多數(shù)熱力結(jié)合仿真項目。

 

以上就是常見的EDA設(shè)計及仿真工具，下期分享封裝的質(zhì)量管理，內(nèi)容會持續(xù)更新，更多內(nèi)容請關(guān)注圖元TOPBRAIN官網(wǎng)（點(diǎn)擊打開圖元網(wǎng)站），或者圖元EDA、封裝與高速技術(shù)前沿公眾號。