礦機(jī)中的芯片封裝設(shè)計(jì)方案

隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)伴著EDA工具的不斷完善以及工作的細(xì)分，從前覺(jué)得很專業(yè)的事情，現(xiàn)在變得門檻越來(lái)越低，閑下來(lái)的時(shí)候想想如果我依然只會(huì)畫(huà)畫(huà)原理圖，畫(huà)畫(huà)PCB，那么遲早會(huì)被更加有精力、更加專業(yè)的人替代就覺(jué)得心慌。比如五年前，我當(dāng)時(shí)能夠完成一拖8的DDR3設(shè)計(jì)，在當(dāng)時(shí)可以靠這個(gè)混口飯吃。然而現(xiàn)在你在去看，滿大街的layout工程師，他們比我有精力、比我更渴望學(xué)習(xí)、比我更加容易接受新的EDA工具和新的設(shè)計(jì)理念。因此我必需給自己找條更好的路，讓自己的技術(shù)更加豐富起來(lái)，更加有能力去解決一些在當(dāng)下很多人無(wú)法解決的問(wèn)題。 我覺(jué)得在未來(lái)，底層的layout也好，數(shù)字電路設(shè)計(jì)也好，基本一個(gè)普通的大專生培訓(xùn)3個(gè)月就可以非常輕松的上手，毫不夸張的說(shuō)，只要你懂歐姆定律，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)平板電腦的設(shè)計(jì)，因?yàn)楝F(xiàn)在的很多功能都已經(jīng)sip到了芯片內(nèi)部去了，哪怕是模擬的RF部分，現(xiàn)在也將LNA、SWITCH等等射頻電路集成了，前端只有做個(gè)天線的阻抗匹配即可，所以你可以看到，其實(shí)技術(shù)依然在，只是越來(lái)越多的活被做芯片人干掉了，所以我以時(shí)俱進(jìn)，去干一干系統(tǒng)集成的一個(gè)部分：如何通過(guò)芯片級(jí)的設(shè)計(jì)去解決一些板級(jí)發(fā)生的問(wèn)題。

在研究挖礦機(jī)的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)比較嚴(yán)峻的問(wèn)題：

由于芯片的電流非常的大，傳統(tǒng)的芯片VCC和VSS的焊盤設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖：

上圖設(shè)計(jì)，工程師一般要把DIE放置在VSS焊盤上，因此我們會(huì)看到，電流的流通路徑必然會(huì)是從VCC焊盤取電，然后通過(guò)基板在通過(guò)DIE的BALL傳遞到內(nèi)核，在經(jīng)過(guò)die的BALL傳導(dǎo)到基板在下到PAD在回到電源負(fù)極，見(jiàn)圖，

如果電流很小，那么我么可以不用考慮這個(gè)路徑上的阻抗導(dǎo)致的drop。然而B(niǎo)TC的芯片過(guò)電流往往會(huì)是30A以上，因此我以30A模擬仿真了下數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)一些端倪：

上圖可以看到，紅色部分為VCC焊盤下方，設(shè)置的輸入源，我們看IR-DROP可以看到，在DIE的下端明顯壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上端。這就會(huì)造成一個(gè)問(wèn)題：DIE下端的單元獲取到電壓會(huì)低于上端電壓，進(jìn)而如果按理論VCC=0.5V供電會(huì)導(dǎo)致下端的計(jì)算單元的正確率低于上端，如何解決該問(wèn)題呢？一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是加壓：把電壓抬高到下端能夠達(dá)到0.5V，但是這樣造成一個(gè)新問(wèn)題：上端的單元供電電壓偏高進(jìn)而造成功耗增大。。 ^. E’ W“ |; Z$ u

以上問(wèn)題，如果是一個(gè)原理工程師或者PCB工程師或者單純的substrate工程師都可能無(wú)法真正的認(rèn)識(shí)到并做出改進(jìn)，因?yàn)閷?shí)際上對(duì)于封裝工程師而言，也許他不會(huì)意識(shí)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的大電流給后端造成的困擾，而原理圖工程師由于不清楚封裝設(shè)計(jì)原理從而無(wú)從下手，很好，我發(fā)現(xiàn)我可以做這件事，因?yàn)槲壹榷冒寮?jí)設(shè)計(jì)又懂芯片設(shè)計(jì)，應(yīng)該有機(jī)會(huì)靠這個(gè)混碗飯吃。1 p& Q” \/ C3 E4 r

如何改進(jìn)改辦法呢？我們還是要分析一下，用的知識(shí)點(diǎn)不懂，就是歐姆定律：壓降大原因是阻抗大，為什么阻抗大？是因?yàn)檫^(guò)電流層只有基板上的銅，而這個(gè)銅一般只有30um，在30A的電流下，催生了如此大的壓降。因此改進(jìn)點(diǎn)就是：如何降低路徑上的阻抗。方法如下：- S4 M. P5 a2 ` {。 x8 d9 v/ j

1、基板加層。我去，太貴了。

2、基板銅厚增加，一樣，太貴了。

3、減短路徑。

我考慮了下，第三個(gè)辦法應(yīng)該是可行的，如何減短路徑？我把焊盤重新調(diào)整了下：

上圖的改進(jìn)點(diǎn)在于，我將電源的焊盤延伸下來(lái)了，由于PCB銅厚可以做的2OZ，因此可以大大減小路徑阻抗，同時(shí)由于四周都進(jìn)電源，也能側(cè)面減小路徑，看一下仿真圖：

結(jié)果果然：very good！

真想做一下這個(gè)測(cè)試，可惜做一個(gè)16nm的芯片從RTL設(shè)計(jì)到板級(jí) 沒(méi)有2000萬(wàn)是下不來(lái)了，遺憾沒(méi)有辦法實(shí)際來(lái)驗(yàn)證一下這個(gè)結(jié)論。然而從這里有可以看到，越往芯片級(jí)的設(shè)計(jì)，越需要設(shè)計(jì)者考慮的更加的充分，做好仿真，通過(guò)理論和仿真進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而做出最優(yōu)的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟阍僖膊桓艺f(shuō)：錯(cuò)了沒(méi)事，咱在打一板不就得了。