一种PCB-Package协同设计方法与流程

一种pcb-package协同设计方法
技术领域
1.本发明涉及集成电路封装设计领域，具体是一种pcb-package协同设计方法。


背景技术：

2.传统的芯片-封装-系统设计（chip-package-system）是一种由上而下单向驱动设计的方式。在此设计流程中，先进行芯片设计，再进行封装设计，最后进行系统设计，其中系统设计就是pcb设计。这三个设计过程通常是相互独立的。因此，在进行系统设计时，尤其是在进行ic i/o布局时，很难考虑到封装设计的瓶颈。同样的，封装设计时，很难考虑到pcb系统设计的瓶颈。因此，pcb系统设计优化结果无法直接推送给封装设计，进而推送给芯片设计，以此进行整体优化。
3.这种传统设计方式的问题在于缺乏整体协同优化，可能导致最终设计结果无法很好地追求最大化性能和效率。因为在这种设计流程中，每个设计阶段都是相对独立的，而缺乏对整个系统的全面考虑和优化，从而可能会导致设计的某些部分在整个系统中出现瓶颈，限制了整个系统的性能和效率。
4.特别是在ic i/o布局时，很难考虑到package设计的瓶颈，因为package设计和ic设计通常是由不同的团队完成的，这两个团队之间缺乏有效的协调和沟通。同样地，在package设计时，也很难考虑到pcb系统设计的瓶颈困难，因为这两个设计阶段也往往是由不同的团队分别完成的。这些问题都会导致设计的某些方面没有得到最优化的解决方案，从而限制了整个系统的性能和效率。
5.因此，在pcb-package协同设计的方法中，需要芯片封装工程师考虑以下关键问题：1、如何实现pcb层次化设计，以实现从整体到局部的全局优化。
6.2、如何在pcb设计中考虑package的瓶颈，从而实现整体优化。
7.3、如何在package设计中考虑pcb system设计的瓶颈，从而实现整体优化。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种pcb-package协同设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题，其具有将传统的chip-package-system设计流程中的pcb设计和package设计融合到一个设计中，解决现有设计流程中pcb、package、chip三者设计过程相互独立的问题，打通pcb和package统一设计的工具瓶颈，实现pcb的层次化设计，为多die sip设计和pcb的融合设计提供可行方案的优点。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种pcb-package协同设计方法，包括如下步骤：步骤一：创建pcb-package协同设计工具，该协同设计工具具备以下功能：（1）能够读取和解析pcb和package独立的设计文件，以便进行数据共享；（2）能够读取和解析pcb-package设计文件；
（3）能够实现pcb和package设计的协同，使得设计者可以同时进行pcb和package设计，而无需考虑两者之间的冲突和瓶颈；（4）能够对整个设计流程进行管理和优化，以便获得最佳的设计方案；(5) 能够对pcb和package设计文件进行版本管理，以便实现工具版本对工程设计文件的前后向兼容；步骤二：创建pcb-package协同设计文件，用于融合pcb和package设计的流程，该文件可以由pcb-package协同设计工具实现，在创建该文件时，需要将pcb和package的设计流程结合在一起，以便实现后续的协同设计；步骤三：实现pcb-package协同设计，包括如下子步骤；（1）在协同设计工具中打开pcb-package设计文件；（2）对pcb和package设计进行匹配调整和优化，以便实现整体的设计优化；（3）将pcb和package设计结果所见即所得地反馈到协同设计工具中，以便进行下一步的协同设计；（4）重复以上步骤，直到获得效果更佳的设计方案，更佳方案的措施目的为减少绕线，缩短总走线距离，减少打的过孔数，减少层叠数；步骤四：生成pcb-package协同设计文件，该文件包含了pcb和package的整体设计方案，并且可以直接用于后续的制造和测试，该步骤包括以下子步骤：（1）将协同设计工具中的pcb-package设计结果导出为pcb-package协同设计文件、工厂生产加工文件，包括芯片、package、pcb三者之间的连接等信息；（2）对导出的文件进行检查和验证，以确保该文件可以被后续的制造、测试和验证所使用；（3）将pcb-package协同设计文件、工厂生产加工文件交付给制造和测试部门，以便进行后续的制造和测试工作。
10.通过采用上述技术方案，在设计流程中添加一个pcb-package协同设计模块，该模块将pcb设计和package设计融合到一个设计中，实现统一设计，以达到整体优化的目的，在pcb-package协同设计模块中，包含pcb层次化设计模块、package设计模块、pcb和package联合设计模块三个子模块，其中，pcb层次化设计模块主要负责实现pcb的分层设计即层叠，pcb设计中需要有层叠设计，用以提高pcb的布线密度，例如减少连线长度，改善信号完整性，简化pcb设计，使得pcb的各层次之间具有良好的信号和电源管理；package设计模块主要负责实现package的封装和引脚布局，以满足芯片和pcb设计的需求；pcb和package联合设计模块则是将pcb和package的设计结果进行联合设计，并在整个设计流程中实现数据交换和信息共享，在一个工具中进行，通过工具在内存中进行数据交换和信息共享，针对共享的数据进行调整，以达到整体优化的目的。
11.优选的，步骤三中的匹配调整和整体优化主要是在两个方面实现，其一是在package模块中，主要方法为移动/调整package内的i/o单元来考虑对封装ball的影响，重新分配ball来优先考虑芯片接口，优化die位置，调整ball位置，调整finger位置和方向，调整bump pad位置和方向，调整bump位置和方向，调整走线和bonding wire，
其二是在pcb模块中，主要方法为调整ic封装模块的位置和方向，调整pcb层叠结构，调整外围电路的布局、走线、覆铜和打孔等内容。
12.优选的，还包括有pcb设计：用于pcb布局、覆铜和布线,包含对层数、尺寸、形状的定义,以及对信号线、供电线的布线，还包括对高速信号的约束和优化，package设计：用于设计ic封装,包含对引脚形状、排列、封装尺寸的定义以及ic封装内部的die，bump，finger，bondingwire等的位置、尺寸的定义，包括bga、qfn等高密度封装的设计功能，pcb-package联调：用于pcb与package的匹配和优化设计，可以包含对信号完整性、电性能的仿真与验证,找出不匹配的地方并进行调整修正。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、提高了整个系统的性能和效率：本发明提出的pcb-package协同设计方法，将pcb和package设计融合为一个整体设计，打通了原来独立设计过程中的工具和数据瓶颈，使得整个系统的设计得到了更加充分的考虑和优化，从而提高了整个系统的性能和效率；2、实现了pcb的层次化设计：本发明提出的pcb-package协同设计方法，采用了层次化设计的思想，将pcb的不同层次设计融合在一起，从而可以更好地解决pcb与package设计之间的协同问题，为多die sip设计和pcb的融合设计提供了可行的方案；3、简化了设计流程，提高了设计效率：本发明提出的pcb-package协同设计方法，将pcb和package设计融合在一起，消除了原来独立设计过程中的数据转换和沟通障碍，简化了设计流程，从而提高了设计效率和精度；4、提高了设计质量和可靠性：本发明提出的pcb-package协同设计方法，通过将pcb和package设计融合在一起，提高了整个系统的设计质量和可靠性。同时，由于本发明采用了层次化设计的思想，可以更好地解决不同设计层次之间的协同问题，从而进一步提高了设计质量和可靠性；5、减少设计周期和成本。将一定程度上缩短ic产品面世的时间；6、方便ic公司制作更优的芯片样板电路；7、实现从整体到局部的全局优化，提高系统的性能和可靠性；8、实现pcb-package协同设计，解决现有技术中存在的瓶颈问题；这种方法可以降低设计的复杂性，提高设计效率，同时可以优化整体性能和可靠性。此外，这种方法还可以为多die sip设计和pcb的融合设计提供可行的方案，具有广泛的应用前景。
附图说明
14.图1为实施例的pcb-package协同设计流程图；图2为实施例的pcb层次化设计示意图；图3-1 为实施例的package设计示意图；图3-2为实施例的package另一个视角的设计示意图；图4-1 为实施例的chip设计；图4-2 为实施例的package设计；图4-3 为实施例的系统设计；
图4-4 为pcb-package设计示意图；图5为网络关系文件导入流程图；图6为package芯片布局文件导入流程图；图7为pcb-package文件融合过程示意图；图8为package芯片布局文件第一样例示意图；图9为package芯片布局文件第二样例示意图；图10为pcb网表文件样例示意图。
实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.本发明实施例中，一种pcb-package协同设计方法，如图1、图2、图3-1、图3-2、图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，包括如下步骤：步骤一：创建pcb-package协同设计工具，该协同设计工具具备以下功能：（1）能够读取和解析pcb和package独立的设计文件，以便进行数据共享；（2）能够读取和解析pcb-package设计文件；（3）能够实现pcb和package设计的协同，使得设计者可以同时进行pcb和package设计，而无需考虑两者之间的冲突和瓶颈；（4）能够对整个设计流程进行管理和优化，以便获得更佳的设计方案；(5) 能够对pcb和package设计文件进行版本管理，以便实现工具版本对工程设计文件的前后向兼容；步骤二：创建pcb-package协同设计文件，用于融合pcb和package设计的流程，该文件可以由pcb-package协同设计工具实现，在创建该文件时，需要将pcb和package的设计流程结合在一起，以便实现后续的协同设计；步骤三：实现pcb-package协同设计，包括如下子步骤；（1）在协同设计工具中打开pcb-package设计文件；（2）对pcb和package设计进行匹配调整和优化，以便实现整体的设计优化；（3）将pcb和package设计结果所见即所得地反馈到协同设计工具中，以便进行下一步的协同设计；（4）重复以上步骤，直到获得效果更佳的设计方案，更佳方案的措施目的为减少绕线，缩短总走线距离，减少打的过孔数，减少层叠数。
17.值得注意的是最佳的方案标准没有具体的量化数值。效果结果数值也是没有标准的定值，技术人员直观判断相对之前方案的较佳的数值；步骤四：生成pcb-package协同设计文件，该文件包含了pcb和package的整体设计方案，并且可以直接用于后续的制造和测试，该步骤包括以下子步骤：
（1）将协同设计工具中的pcb-package设计结果导出为pcb-package协同设计文件、工厂生产加工文件，包括芯片、package、pcb三者之间的连接等信息；（2）对导出的文件进行检查和验证，以确保该文件可以被后续的制造、测试和验证所使用；（3）将pcb-package协同设计文件、工厂生产加工文件交付给制造和测试部门，以便进行后续的制造和测试工作。
18.如图1所示，pcb设计模块、package设计模块、pcb和package联合设计模块三个子模块相互协作，完成整个pcb-package协同设计的过程。
19.图1中导入网络关系文件具体包括如下流程：如图5所示，读入网络关系文件，通过程序读取磁盘中网络关系文件，样例如图10。
20.检查网表文件正确性，网表文件有一定格式要求。检查其正确性。
21.提示文件异常，如果网表文件不正确，则报出错误提示并退出当前处理程序。
22.解析封装对象，逐行解析网表文件中的封装对象，包括封装对象名和属性，位号，并将其存储到程序规定的内存容器中。
23.解析网络，逐行解析网表文件中的网络，并将其存储到程序规定的内存容器中。
24.解析网络关联性，解析网表文件中的网络和对象的关联关系，并关联关系存储到对应的内存容器中。
25.加载封装库，根据前述的封装对象，从程序指定的封装库中检索封装库，并将封装库中对应内容（包括图形元素内容和属性内容）加载到工程对象。
26.生成pcb工程对象，将前述所有内容转化为程序中的数据对象。并按一定逻辑保存到内存。
27.生成pcb工程数据，将上述转化出的数据对象，封装为pcb工程数据供后续步骤使用。也可以后续单独导出pcb工程数据文件。
28.图1中package芯片布局文件具体包括如下流程：如图6所示，读取芯片布局文件，读取磁盘文件中的芯片布局文件。样例文件见图8。
29.检查芯片布局文件正确性，检查上个步骤读入的文件内容是否符合格式要求。
30.提示文件异常，不满足格式要求的文件输入，则报出错误提示并退出当前处理程序。
31.解析芯片封装对象，从输入内容中识别出芯片封装对象，包括尺寸、单位、名称，叠层，位置，焊盘等信息。
32.解析ball/pin对象，从输入内容中识别芯片封装的ball/pin脚对象，包括pad名称，坐标位置，以及用途和电压属性等。
33.解析die对象，解析die实体内容，包括名称，位号，层叠，尺寸，位置，焊盘等信息。
34.解析die bump对象，从输入内容中识别bump实体内容，包括pad名称，坐标位置，以及用途和电压属性等。
35.加载pad库，根据前述的封装对象，从程序指定的pad库中检索pad内容，并将pad库中对应内容（包括图形元素内容和属性内容）加载到工程对象。
36.解析pad对象，从输入内容中识别pad实体对象，并和pad库中加载的pad内容对应上，同时和ball/pin，bump对象关联上。
37.解析网络对象，识别输入文件中的所有网络名数据，同时识别网络关联的所有对象关系。将这些数据存储到程序指定的内存区域。
38.生成pkg工程对象，将前述所有内容生成为对应的pkg工程数据对象。
39.生成pkg工程数据，将上述转化出的数据对象，封装为pkg工程数据供后续步骤使用。也可以后续单独导出pkg工程数据文件。
40.图1中pcb-package文件融合过程包括如下流程：如图8和图9所示，pcb工程数据，网络关系文件导入流程中生成的最终数据内容。
41.pkg工程数据，package芯片布局文件导入流程中生成的最终数据内容。
42.网络提取，从pcb工程数据和pkg工程数据中各自体网络对象内容。
43.网络映射，将上个步骤提取到的两组网络对象内容进行映射，使对应的网络产生连接关系。并将这种连接关系存储到特定的内存容器中，供后续设计使用。
44.pcb设计模块，对应图一中的pcb设计模块。
45.package设计模块，对应图一中的package设计模块。
46.图1中die设计，主要是指die的选型、位置布局、引线框架设计。
47.设计规则，是指规则管理的设计，需要考虑设计过程中间各种对象的间距规则，物理规则，电气规则等要求。
48.堆叠设计，指在封装中的多个die的情况下，如何堆叠的设计。
49.bump设计，指在芯片封装中，要考虑bump的类型选择、布局设计、形状设计、材料选择等方面内容。
50.布局，指在芯片封装中，如何考虑将所需的各种对象在足够小的空间内容在满足要求的前提下确定各对象的摆放位置和摆放方式。
51.finger设计，指在封装设计中，如何考虑finger的摆放位置，形状，尺寸，材料等内容。
52.金线设计，指在封装设计中，如何考虑金线的类型选择，形状，尺寸等信息。
53.ball/pad设计，指在封装设计中，如何考虑ball/pad在基板上的数量、间距、位置、形状等内容。
54.在设计流程中添加一个pcb-package协同设计模块，该模块将pcb设计和package设计融合到一个设计中，实现统一设计，以达到整体优化的目的，在pcb-package协同设计模块中，包含pcb层次化设计模块、package设计模块、pcb和package联合设计模块三个子模块，其中，pcb层次化设计模块主要负责实现pcb的分层设计即层叠，pcb设计中需要有层叠设计，用以提高pcb的布线密度，例如减少连线长度，改善信号完整性，简化pcb设计，使得pcb的各层次之间具有良好的信号和电源管理；package设计模块主要负责实现package的封装和引脚布局，以满足芯片和pcb设计的需求；pcb和package联合设计模块则是将pcb和package的设计结果进行联合设计，并在整个设计流程中实现数据交换和信息共享，在一个工具中进行，通过工具在内存中进行数据交换和信息共享，以达到整体优化的目的。
55.1）将pcb和封装设计融合到一个统一的设计平台工具中，实现pcb和封装设计的协同优化。通过该平台工具，可以在pcb系统设计的同时考虑到封装设计的需求，优化ic i/o布局，使其符合封装的要求。
56.融合是指将原本需要在两个工具中进行的设计操作，放到一个工具中进行设计操
做。
57.2）实现pcb的层次化设计，pcb设计层和package设计层，这样可以更好地考虑到pcb和封装之间的互动。
58.3）提供了一种多die sip设计的方案，该方案将多个芯片组合成一个sip模块，并将其与一个封装相匹配。通过该方案，可以大大简化sip模块的设计和制造过程。
59.4）为pcb的融合设计提供可行的方案，通过将pcb和封装设计融合到一个平台中，可以更好地考虑到pcb和封装之间的协同设计问题，提高整体设计的效率和性能。
60.步骤三中的匹配调整和整体优化主要是在两个方面实现，其一是在package模块中，主要方法为移动/调整package内的i/o单元来考虑对封装ball的影响，重新分配ball来优先考虑芯片接口，优化die位置，调整ball位置，调整finger位置和方向，调整bump pad位置和方向，调整bump位置和方向，调整走线和bonding wire，其二是在pcb模块中，主要方法为调整ic封装模块的位置和方向，调整pcb层叠结构，调整外围电路的布局、走线、覆铜和打孔等内容。
61.还包括有pcb设计：用于pcb布局、覆铜和布线,包含对层数、尺寸、形状的定义,以及对信号线、供电线的布线，还包括对高速信号的约束和优化，如图2所示，pcb被分为了多个层次，每个层次具有不同的功能，例如，信号层、电源层、地层、介质层等。
62.package设计：用于设计ic封装,包含对引脚形状、排列、封装尺寸的定义以及ic封装内部的die，bump，finger，bondingwire等的位置、尺寸的定义，包括bga、qfn等高密度封装的设计功能，如图3-1所示，芯片package内的堆叠结构，来源：https://en.wikichip.org/wiki/tsmc/cowos。
63.pcb-package联调：用于pcb与package的匹配和优化设计，可以包含对信号完整性、电性能的仿真与验证,找出不匹配的地方并进行调整修正。
64.一种新的pcb-package协同设计方法，即将pcb和封装设计融合到一个设计中，打通pcb和封装统一设计的工具瓶颈，实现pcb的层次化设计，为多die sip设计和pcb的融合设计提供可行的方案。本发明的主要目的是解决传统设计流程中pcb、封装设计之间无法有效交互的问题，提高整体设计的效率和性能。
65.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种pcb-package协同设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：创建pcb-package协同设计工具，该协同设计工具具备以下功能：（1）能够读取和解析pcb和package独立的设计文件，以便进行数据共享；（2）能够读取和解析pcb-package设计文件；（3）能够实现pcb和package设计的协同，使得设计者可以同时进行pcb和package设计，而无需考虑两者之间的冲突和瓶颈；（4）能够对整个设计流程进行管理和优化，以便获得更佳的设计方案；(5) 能够对pcb和package设计文件进行版本管理，以便实现工具版本对工程设计文件的前后向兼容；步骤二：创建pcb-package协同设计文件，用于融合pcb和package设计的流程，该文件可以由pcb-package协同设计工具实现，在创建该文件时，需要将pcb和package的设计流程结合在一起，以便实现后续的协同设计；步骤三：实现pcb-package协同设计，包括如下子步骤；（1）在协同设计工具中打开pcb-package设计文件；（2）对pcb和package设计进行匹配调整和优化，以便实现整体的设计优化；（3）将pcb和package设计结果所见即所得地反馈到协同设计工具中，以便进行下一步的协同设计；（4）重复以上步骤，直到获得效果更佳的设计方案，更佳方案的措施目的为减少绕线，缩短总走线距离，减少打的过孔数，减少层叠数；步骤四：生成pcb-package协同设计文件，该文件包含了pcb和package的整体设计方案，并且可以直接用于后续的制造和测试，该步骤包括以下子步骤：（1）将协同设计工具中的pcb-package设计结果导出为pcb-package协同设计文件、工厂生产加工文件，包括芯片、package、pcb三者之间的连接等信息；（2）对导出的文件进行检查和验证，以确保该文件可以被后续的制造、测试和验证所使用；（3）将pcb-package协同设计文件、工厂生产加工文件交付给制造和测试部门，以便进行后续的制造和测试工作。2.根据权利要求1所述的一种pcb-package协同设计方法，其特征在于：步骤三中的匹配调整和整体优化主要是在两个方面实现，其一是在package模块中，主要方法为移动/调整package内的i/o单元来考虑对封装ball的影响，重新分配ball来优先考虑芯片接口，优化die位置，调整ball位置，调整finger位置和方向，调整bump pad位置和方向，调整bump位置和方向，调整走线和bonding wire，其二是在pcb模块中，主要方法为调整ic封装模块的位置和方向，调整pcb层叠结构，调整外围电路的布局、走线、覆铜和打孔等内容。3.根据权利要求1所述的一种pcb-package协同设计方法，其特征在于：还包括有pcb设计：用于pcb布局、覆铜和布线,包含对层数、尺寸、形状的定义,以及对信号线、供电线的布线，还包括对高速信号的约束和优化，package设计：用于设计ic封装,包含对引脚形状、排列、封装尺寸的定义以及ic封装内
部的die，bump，finger，bondingwire等的位置、尺寸的定义，包括bga、qfn等高密度封装的设计功能，pcb-package联调：用于pcb与package的匹配和优化设计，可以包含对信号完整性、电性能的仿真与验证,找出不匹配的地方并进行调整修正。

技术总结
本发明公开了一种新的PCB-Package协同设计方法，即将PCB和封装设计融合到一个设计中，打通PCB和封装统一设计的工具瓶颈，实现PCB的层次化设计，为多DIE SIP设计和PCB的融合设计提供可行的方案。本发明的主要目的是解决传统设计流程中PCB、封装设计之间无法有效交互的问题，提高整体设计的效率和性能。提高整体设计的效率和性能。提高整体设计的效率和性能。


技术研发人员：刘辛酉 吴声誉 任建辉 王战义 赵晓健
受保护的技术使用者：上海弘快科技有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/31