【芯片設(shè)計(jì)】從RTL到GDS（十）：I/O and Pad Ring

倒序?yàn)g覽 · 發(fā)表于 2024-11-4 12:03:00

在前面的文章中，我們已經(jīng)完成了布局布線了。接下來(lái)我們將討論I/O和Pad Ring。以下是本篇文章的Outline。

1、A bit about Packaging首先讓我們從封裝開始講起。

大家有沒有思考過(guò)一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)芯片本身，它能直接拿來(lái)用嗎？實(shí)際上肯定是不可以的，大家都見過(guò)芯片，芯片并不是光禿禿的放在那里。其一般是封裝好以后才能夠進(jìn)行使用。這就引出了一個(gè)話題，我們是如何將信號(hào)傳出芯片的呢？
實(shí)際上這個(gè)過(guò)程很復(fù)雜，芯片上設(shè)有I/O電路，通過(guò)綁定線接入封裝，最終連接到電路板，完成整個(gè)過(guò)程以后我們得以將芯片和外部環(huán)境進(jìn)行連接。
一旦離開芯片本身，我們就會(huì)碰到長(zhǎng)導(dǎo)線，長(zhǎng)導(dǎo)線意味著大量的延遲、電容和電感。這里的量級(jí)和芯片內(nèi)部截然不同，要大得多得多。我們可以使用更粗的導(dǎo)線，從而降低電阻，并且外部空間相比芯片內(nèi)部就沒有那么擁擠了，我們可以靈活應(yīng)用芯片外部的空間。
連接芯片和外部世界的Interface，我們稱之為IC封裝。我們看下面這個(gè)圖的右下角部分，藍(lán)色的那個(gè)代表芯片。所有的連接都通向基板上的一部分，通過(guò)bond wires進(jìn)行連接�；疑牟糠譃槊�，確保所有元件穩(wěn)固定位。

所以，到底什么是封裝呢？聽上去只是一個(gè)包裝一樣，但實(shí)際上非常重要。其有可能是整個(gè)產(chǎn)品中最昂貴的一部分。
我們看一下封裝的一些屬性。通過(guò)封裝可以對(duì)芯片提供物理溫度和電氣保護(hù)。它采用物理連接的方式，將芯片和board連接在了一塊，同時(shí)連接的也有電氣信息。其保護(hù)芯片免受外部高壓影響，同時(shí)還提供了熱隔離。下圖的右上角我們可以看到封裝和芯片的一個(gè)電路連接示意圖。
封裝要求分為五個(gè)類別：
Electrical：我們需要討論芯片所有連接的電容、電阻、電感以及阻抗調(diào)諧問(wèn)題；
Interface：我們需要大量的IO引腳，用于連接芯片外部的各種各樣的接口；
Mechanical：我們還有機(jī)械方面的要求，即對(duì)于芯片本身以及其外部世界連接的焊點(diǎn)所采取的保護(hù)措施，同時(shí)這些保護(hù)措施要和PCB兼容；
Thermal：熱量如何從芯片排放出去；
Cost：滿足要求的情況下越低越好；（封裝占成本的很大一部分）

我們看一下典型的芯片封裝：
DIP（Dual In-line Package）：雙排直插封裝，適合在PCB上穿孔焊接，操作方便。但是其體積較大，引腳數(shù)有限，主要適用于一些中小規(guī)模的集成電路。以前學(xué)數(shù)字電路的時(shí)候教學(xué)芯片一般都用這個(gè)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，高端芯片往往采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)。
QFP（Quad Flat Package)：四側(cè)扁平式封裝，QFP封裝的芯片引腳之間距離很小，引腳很細(xì)。芯片面積與封裝面積之間的比值較小。用這種形式式封裝的芯片必須采用SMD（表面安裝設(shè)備技術(shù)）將芯片與主板焊接起來(lái)。采用SMD安裝的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有設(shè)計(jì)好的相應(yīng)引腳的焊點(diǎn)。將芯片各引腳對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的焊點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)與主板的焊接。用這種方法焊上去的芯片，如果不用專用工具是很難拆卸下來(lái)的。
PGA（Pin Grid Array）：插針網(wǎng)格式封裝，PGA封裝在芯片的內(nèi)外有多個(gè)方陣形的插針，每個(gè)方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，安裝時(shí)，將芯片插入專門的PGA插座（Socket），便于安裝和拆卸；適用于需要高引腳數(shù)的應(yīng)用。
BGA（Ball Grid Array）：球柵陣列封裝，BGA封裝在芯片底部制作出球形凸點(diǎn)，以代替引腳，用于表面貼裝。優(yōu)點(diǎn)：提供了更高的I/O引腳數(shù)和更好的電熱性能；適用于高密度、高性能的集成電路封裝。

當(dāng)然這里只是簡(jiǎn)單介紹一下，芯片封裝是一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)，很大的topic，感興趣的朋友可以搜索相關(guān)的內(nèi)容。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，簡(jiǎn)單了解，大概掌握不同封裝的優(yōu)缺點(diǎn)即可。

我們接著看IC和封裝是怎么連接起來(lái)的。有兩種典型的方式：
Wire Bonding（引線鍵合技術(shù)）：具體看這篇文章，愛在七夕時(shí)：半導(dǎo)體封裝Wire Bonding 打線邦定（引線鍵合技術(shù)）的詳解；
Flip Chip（倒裝芯片）：如下圖所示，將芯片翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)蓋上去，加熱基板，焊料凸點(diǎn)就會(huì)連接起來(lái)。（有點(diǎn)像BGA，但現(xiàn)在焊錫球就位于芯片本身上）。相比于傳統(tǒng)的Wire Bonding只能連接到邊緣而言，采用倒裝芯片的方式可以將焊點(diǎn)置于芯片中央，并且連接進(jìn)去。和金屬層緊緊連接，顯然這種方式獲得的電氣特性會(huì)更好更穩(wěn)定。

我們看下圖，我們的芯片周圍的黃色金屬，那些就是PAD。這是我們后面將要討論的IO。其通過(guò)Bonds連接到封裝內(nèi)部的相關(guān)連接點(diǎn)上。同時(shí)要注意以下要求：
Bond Wires不能交叉；
要保持一定大小的最小間距，不能太�。�
不能讓角度太大，長(zhǎng)度太長(zhǎng)；

2、Input/Output Circuits所以怎么和Bonding Wire連接在一起呢？對(duì)于Wire Bonding和Flip Chip兩種封裝方式而言，是不一樣的。以Wire Bonding為例，我們需要使用金屬Pad。
我們基于這個(gè)Pad，將芯片本身和封裝的引腳通過(guò)Wire Bonding連接在一起。這里的Pad的面積通常比較大，要足夠讓線“著陸”。

這又引出一個(gè)話題，那就是怎么連接到金屬PAD？那就是通過(guò)I/O電路！很多時(shí)候我們將I/O電路和金屬PAD統(tǒng)稱為I/O。對(duì)于I/O電路有以下要求：
能夠驅(qū)動(dòng)大負(fù)載；
確保電壓的一致性；
低開關(guān)噪聲；
靜電放電保護(hù)；
基于這些要求，我們要設(shè)計(jì)相應(yīng)的I/O電路。從邏輯上來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單，實(shí)際上我們?cè)O(shè)計(jì)的就是一種Buffer。

我們來(lái)看一下I/O單元的分類。這里我們只關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)I/O Libraries。分別是數(shù)字部分、模擬部分和電源供應(yīng)部分。

2.1、Digital I/O Buffer我們來(lái)看一看數(shù)字I/O Buffer。我們可以看到，其對(duì)外的接口為PAD�；诖丝梢宰鳛檩斎胍部梢宰鳛檩敵�。如果作為輸入的話，PAD連過(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)DOUT，這是沒有問(wèn)題的。但如果作為輸出的話，我們要考慮多驅(qū)的問(wèn)題，為此我們使用一個(gè)輸出使能信號(hào)，該信號(hào)使能的時(shí)候代表用PAD作為輸出。
由于驅(qū)動(dòng)能力要求很高，我們需要非常非常非常大的反相器鏈來(lái)增加驅(qū)動(dòng)能力。此外，我們看下圖中那個(gè)反相器，我們一定不能讓NMOS和PMOS同時(shí)導(dǎo)通，短路電流會(huì)非常大，這是不能接受的。

當(dāng)我們考慮將緩沖器作為輸入來(lái)使用的時(shí)候，必須要考慮到靜電放電保護(hù)。其在整個(gè)芯片流程中非常重要，是很關(guān)鍵很關(guān)鍵的可靠性問(wèn)題。如果不做相應(yīng)的保護(hù)，靜電的高電壓作為輸入，非常有可能燒毀芯片。
我們采用的方法稱為二極管鉗位。如果沒有這個(gè)二極管，當(dāng)高電壓進(jìn)來(lái)的時(shí)候，會(huì)同時(shí)擊穿NMOS和PMOS，導(dǎo)致芯片燒毀。但如果有這個(gè)二極管，高電壓進(jìn)來(lái)的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)通這個(gè)在正常情況下處于反向偏置的二極管，相當(dāng)于把電流給引走了（KCL定律）。如果是正電壓，導(dǎo)通上面那個(gè)二極管，否則導(dǎo)通下面這個(gè)二極管。無(wú)論哪種情況，都可以避免電流進(jìn)入反相器。
同時(shí)我們一般會(huì)采用分級(jí)策略，有一個(gè)主ESD保護(hù)和一個(gè)次ESD保護(hù)。主ESD的二極管非常大，其偏置電壓相應(yīng)也很大，如果電壓很大，它會(huì)hold住這個(gè)電壓。但如果電壓不大，就可以讓次ESD應(yīng)付就足夠了。次ESD開啟時(shí)間相比主ESD快得多，可以快速導(dǎo)通。

2.2、Analog I/O Cell我們接著看模擬I/O。其用于傳輸模擬信號(hào)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是一根線。但是可以提供一定程度的ESD保護(hù)。具體的可以看下圖，很簡(jiǎn)單。

2.3、Power Supply CellPower Supply Cell實(shí)際上也是模擬Cell。我們都知道電源電路實(shí)際上是模擬電路，這里也是一樣的。對(duì)于這種模擬信號(hào)，我們不希望通過(guò)數(shù)字部分進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。我們需要的僅僅是一根導(dǎo)線。
但這里的導(dǎo)線采用I/O ring的方式，具體可以看下圖。通過(guò)這種環(huán)形的方式，我們只要將IO Pad放在下圖IO Cell那個(gè)灰色框框類似的位置。就可以接入四種電壓。通過(guò)和相應(yīng)的電源軌道短接，便可以為整個(gè)芯片進(jìn)行相應(yīng)的供電。我們會(huì)有很多個(gè)這樣的IO Pad，具體取決于芯片需要多少電流。

同時(shí)切換輸出SSO，是一個(gè)指標(biāo)，其反映了信號(hào)切換從開始到完成的時(shí)鐘周期。我們假設(shè)有64-bit輸出信號(hào)。如果某一個(gè)時(shí)刻這些信號(hào)全部從0變成1，這樣就會(huì)有許多許多的電流要驅(qū)動(dòng)或者吸收。這樣就會(huì)引起電壓降，進(jìn)而影響電路的工作。這是一個(gè)和頻率無(wú)關(guān)的問(wèn)題�；赟SO指標(biāo)，我們可以確定需要的IO電源數(shù)量。即應(yīng)對(duì)這種極限的情況也要有足夠的電流量。
有一點(diǎn)指的一提，如果VDD和VDD_IO的電壓相同，我們?nèi)匀粫?huì)將其劃分為兩個(gè)獨(dú)立的電壓域。為什么？
假設(shè)我們芯片內(nèi)部有一個(gè)工作核心，其以1V的電壓進(jìn)行工作，由于其工作負(fù)載很大，因此其對(duì)噪聲非常敏感。如果其和I/O也在一個(gè)電壓域，那么其也要驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，當(dāng)特定的情況出現(xiàn)，比如64-bit輸出信號(hào)全部從0變成1，其電流會(huì)突然變化，進(jìn)而因此很大的電壓降。電壓下降會(huì)導(dǎo)致其對(duì)噪聲更加無(wú)法承擔(dān)。所以我們希望盡可能劃分獨(dú)立電壓域，這樣即使IO發(fā)生大規(guī)模Switch，仍然可以保證內(nèi)部的工作核心不受噪聲影響。

我們來(lái)看一下Power相關(guān)的I/O design指導(dǎo)思想，具體的看下面的文字即可。

接下來(lái)看一下Pad Configuration。最典型的PAD是如之前見到一樣，按照順序規(guī)整的排列下來(lái)。但很顯然，每一側(cè)的長(zhǎng)度直接決定了我們能夠在芯片邊緣上放置多少I/O Pad。
為了緩解這一問(wèn)題，可以使用交錯(cuò)陣列的方式，錯(cuò)開排列。具體的可以看下圖的右下角。

還有更加優(yōu)化的方法，大家直接看圖即可。

3、System in Package(SiP)接下來(lái)我們看一下什么是SiP。

SiP的思想和SoC很像，有關(guān)SoC可以看下面這個(gè)專欄（點(diǎn)擊閱讀原文）。SiP是一種封裝技術(shù)，將多個(gè)芯片，即多個(gè)獨(dú)立的硅器件，集成到一個(gè)單一的封裝中。比如下圖右上角，可以看到中間有一個(gè)芯片，周圍還有別的芯片環(huán)繞。其還可以使用混合工藝，與非CMOS設(shè)備緊密結(jié)合等等。

最初的SiP解決方案為MCM即多芯片模塊，這一技術(shù)至今仍然非常流行。其實(shí)際上就是將多個(gè)硅設(shè)備組裝在一張有機(jī)基板上的過(guò)程。下圖是兩種不同的方式，一種方式是將兩個(gè)芯片綁定在同一基板上，然后將他們一起封裝。
另一種方式是將兩個(gè)芯片疊放在彼此之上，并進(jìn)行綁定，可以實(shí)現(xiàn)更短的互連。

更加新的方式是采用Silicon Interposer。這種方式我們將多個(gè)硅設(shè)備放置在一個(gè)無(wú)源硅載體上，其本身就是一個(gè)芯片。內(nèi)部擁有多種不同的布線軌道，使我們能夠?qū)崿F(xiàn)芯片間的互連。
其采用了TSV技術(shù)，幫助我們?cè)诓煌酒突逯g建立連接。其相比MCM可以提供更加密集的連接方式。

我們看一個(gè)典型應(yīng)用，HBM�，F(xiàn)在的GPU和高性能系統(tǒng)等，對(duì)帶寬的要求非常大，帶寬的速度跟不上運(yùn)算的速度，這就是所謂的存儲(chǔ)墻限制。
HBM技術(shù)將多個(gè)DRAM進(jìn)行堆疊，采用硅通孔和微凸塊將裸片進(jìn)行連接，如下圖所示。具體可以看看這個(gè)視頻（點(diǎn)擊閱讀原文）。

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