從頭到尾構(gòu)建混合信號(hào)高集成度系統(tǒng)(SOC)的步驟(3):封裝和商業(yè)計(jì)劃

背景：Dave Ritter收到一份關(guān)于與Tamara Schmitz(T博士) 進(jìn)行一次具體內(nèi)容未定的討論的罕見正式會(huì)面邀請(qǐng)……

Dave Ritter：上次我們討論了定義設(shè)計(jì)概念的過(guò)程。其內(nèi)容是不是比你想象的要多?

Tamara Schmitz：毫無(wú)疑問(wèn)。但我還有一個(gè)關(guān)于封裝的遺留問(wèn)題。你是否需要知道封裝類型才能確定哪些元件可以包括在集成電路內(nèi)?這對(duì)設(shè)計(jì)有何影響?

Dave：這當(dāng)然是定義過(guò)程的一部分。但是可以簡(jiǎn)化針對(duì)你所需要的封裝，有多少的管腳和多大的管芯尺寸，但事情可能會(huì)變得復(fù)雜。

Tamara博士：我曾在文章中看到過(guò)說(shuō)，軍事和太空應(yīng)用希望使用帶引線的器件——這樣可能有更出色的可靠性和更牢固的焊點(diǎn)。我想象蜂窩電話等便捷式應(yīng)用可能想要球柵陣列(BGA)封裝來(lái)最大限度減小尺寸。

Dave：是的，另外還有其他考慮。我們需要知道一些基本熱性質(zhì)。這對(duì)高功耗部件是顯而易見的事，但一些信號(hào)處理部件的功耗可能達(dá)到一瓦，而封裝大小只有4平方毫米。在這此情形中，我們需要“增強(qiáng)散熱型”封裝，其通常在中心包括一個(gè)用于給芯片散熱的大導(dǎo)熱片。

對(duì)于小型便捷式應(yīng)用，BGA可能是芯片級(jí)封裝(CSP)的結(jié)果。在這些情形中，封裝消失不見而代之以一個(gè)附加處理步驟，在芯片上增加一個(gè)更堅(jiān)固的金屬層，隨后給每個(gè)焊盤增加一個(gè)焊球。CSP實(shí)際上已經(jīng)不再是封裝，這使芯片容易受到來(lái)自印刷電路板的應(yīng)力。CSP的適合性完全取決于應(yīng)用。

Tamara博士：在選擇封裝方面有什么快速參考或經(jīng)驗(yàn)法則嗎?

Dave：封裝越小越好，只要你能保證散熱效果就行。從需要的引腳數(shù)量(我喜歡在原始定義的基礎(chǔ)上再增加兩三個(gè)引腳，以防萬(wàn)一)、需要的管芯尺寸以及已有的標(biāo)準(zhǔn)封裝清單開始選擇。但這并不是說(shuō)我們有了標(biāo)準(zhǔn)的封裝就一定得使用它或因?yàn)橛邢嚓P(guān)的生產(chǎn)設(shè)備就使用該封裝。也有一些特殊情形，例如針對(duì)環(huán)境光傳感器的光學(xué)封裝。在有些情形中，封裝中充滿一種包圍著芯片和焊線的物質(zhì)，從而改進(jìn)焊線的熱處理以及對(duì)振動(dòng)和機(jī)械沖擊等條件的抵抗力。在光學(xué)封裝中，該物質(zhì)必須是透明的，而且該透明物質(zhì)可能沒(méi)有與普通物質(zhì)相同的熱膨脹性質(zhì)。如果使這種封裝的溫度上升到足夠高，其將使焊線從芯片脫離。另外還有許多要考慮的事情。

Tamara博士：好的，封裝就說(shuō)到這里，現(xiàn)在讓我們深入到集成電路內(nèi)部。這方面有許多問(wèn)題需要回答：使用什么工藝，如何分離數(shù)字或模擬電路，哪種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合適，功率預(yù)算是多少，需要優(yōu)化哪些技術(shù)規(guī)格……這些問(wèn)題都很要緊……

Dave：哦，你還真是著急。一些事情是在商業(yè)計(jì)劃之前討論，另一些是從類似項(xiàng)目估計(jì)得到的。這是否是新平臺(tái)?或者是現(xiàn)有功能的修改或綜合?新平臺(tái)需要更長(zhǎng)的時(shí)間和更多驗(yàn)證、概念證明、客戶購(gòu)買等。

無(wú)論哪種情況，營(yíng)銷經(jīng)理都需要估計(jì)項(xiàng)目的工時(shí)數(shù)和生產(chǎn)成本。是否有特別難以設(shè)計(jì)的新器件?我們是否需要測(cè)試我們從未測(cè)試過(guò)的技術(shù)規(guī)格?最后，我們還需要估算設(shè)計(jì)成本(從概念到首次芯片生產(chǎn))和每個(gè)器件的生產(chǎn)成本。

Tamara博士：如果營(yíng)銷經(jīng)理知道先前的集成電路開發(fā)用了多長(zhǎng)時(shí)間以及與其合作的團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，我猜他們就能做出合理的估計(jì)。

Dave：同時(shí)還要記住，這些團(tuán)隊(duì)可能還正在從事類似項(xiàng)目。他們可能甚至能夠?qū)⒁环N設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容復(fù)用于另一種設(shè)計(jì)。這被稱為“知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)復(fù)用”。這也有助于加快新器件的開發(fā)過(guò)程。

Tamara博士：聽上去有點(diǎn)像是荒野求生。你需要考慮任何和所有可能有用的人員和知識(shí)。在決定設(shè)計(jì)和開發(fā)什么集成電路時(shí)這些考慮可能非常關(guān)鍵。

Dave：你是對(duì)的，但你漏了一項(xiàng)重要內(nèi)容——潛在市場(chǎng)。你將銷售多少集成電路，向誰(shuí)銷售以及售價(jià)是多少?你希望多長(zhǎng)時(shí)間開始銷售該集成電路?

商業(yè)計(jì)劃(BP)有許多圖表，其中包括總市場(chǎng)容量(TAM)、可銷售市場(chǎng)容量(SAM)、平均售價(jià)(ASP)等內(nèi)容，附有在產(chǎn)品壽命期間針對(duì)所有這些內(nèi)容的數(shù)字。

Tamara博士：毛利潤(rùn)率方面我倒是聽了不少?你能多談?wù)勥@個(gè)嗎?

Dave：毛利潤(rùn)率是指產(chǎn)品的利潤(rùn)率。毛利潤(rùn)率為100%意味著我們能零成本生產(chǎn)東西，而0%意味著我們產(chǎn)品的售價(jià)正好等于它的成本。典型的毛利潤(rùn)率是30%(大量生產(chǎn))，一些新開發(fā)的高頻產(chǎn)品是大概在60%，而軍事或太空應(yīng)用產(chǎn)品則超過(guò)90%。

Tamara博士：我們?nèi)绾尾拍塬@得90%的毛利潤(rùn)率?

Dave：這些器件需要大量特別設(shè)計(jì)和大量嚴(yán)格測(cè)試甚至認(rèn)證才能在市場(chǎng)上銷售。常規(guī)器件可能需要一份16頁(yè)長(zhǎng)的產(chǎn)品資料，而專用器件的產(chǎn)品資料可能長(zhǎng)達(dá)1,600頁(yè)。

Tamara博士：哦，等一等——我剛從一位營(yíng)銷經(jīng)理那里找到一份商業(yè)計(jì)劃樣本。如表1所示。

Dave：解釋營(yíng)銷術(shù)語(yǔ)要容易得多。我們一次說(shuō)一行?？偸杖胧敲磕甑墓烙?jì)公司收入額。下一行是每年的產(chǎn)品銷量。下一行，亦即平均售價(jià)，有逐年下降的趨勢(shì)。下一行是產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

Tamara博士：但生產(chǎn)成本每年都一樣。

Dave：是的，但有時(shí)會(huì)有采用更便宜的工藝或縮小晶粒的計(jì)劃。

Tamara博士：好的。

Dave：下一行是毛利潤(rùn)率。毛利潤(rùn)額與利潤(rùn)有關(guān)。第一年有649,000美元的開發(fā)成本，所以總利潤(rùn)是負(fù)的(等于405,000美元)。第一年之后就只剩下利潤(rùn)。

Tamara博士：最后幾行看上去比較重要。我知道ROI代表“投資回報(bào)率”，但9.4代表什么呢?

Dave：代表在四年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了9.4倍于首年投資的回報(bào)額。消費(fèi)性產(chǎn)品的投資回報(bào)時(shí)間較短。工業(yè)產(chǎn)品的投資回報(bào)期可能達(dá)到10年或20年。該商業(yè)計(jì)劃顯示了七年之后的潛力。

Tamara博士：我們現(xiàn)在開始生產(chǎn)什么了嗎?你先前給我看了你的MegaQ樣品。它是否是當(dāng)前商業(yè)計(jì)劃的一部分?

Dave：非常有意思的問(wèn)題。我們實(shí)際處在正式BP之前的項(xiàng)目可行性階段。但這要求我們集中力量和進(jìn)行“初步BP”，以便我們能夠決定研究項(xiàng)目可行性。幸運(yùn)的是，電路板級(jí)樣品的開發(fā)成本通常低于芯片，所以時(shí)間和成本都少很多，且過(guò)程也不那么正式。

營(yíng)銷和應(yīng)用部門決定這個(gè)項(xiàng)目值得做，且應(yīng)用部門擁有開發(fā)它的人力資源(我)，所以我們就繼續(xù)并開始將數(shù)據(jù)模型和PCB弄到一起。最后我們還要進(jìn)行一些焊接工作。

Tamara博士：但對(duì)于商業(yè)計(jì)劃，我們必須確定一種制造工藝。我們?nèi)绾芜x擇使用雙極性還是CMOS以及尺寸究竟應(yīng)該多小?

Dave：這可能要進(jìn)行單獨(dú)的討論。有許多考慮因素。我們過(guò)去使用什么工藝?我們驗(yàn)證了各種模型以及復(fù)用電路模塊的可能性。我們需要特別電路板層嗎等等?

Tamara博士：我想尺寸應(yīng)當(dāng)由物料可獲得性及成本效益來(lái)確定。如果公司通常使用0.25微米工藝，那么就應(yīng)當(dāng)繼續(xù)使用它，直到覺(jué)得需要采用更小的工藝為止。

Dave：是的。這就是對(duì)選擇雙極性還是CMOS工藝的簡(jiǎn)單回答。雙極性的優(yōu)點(diǎn)是精度高、噪聲低、功率高。CMOS的優(yōu)點(diǎn)是成本低，適合數(shù)字和模擬，且適合需要開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

Tamara博士：一旦我們確定了要使用工藝，我們就需要知道掩模和晶片的成本，對(duì)不對(duì)?

Dave：有時(shí)對(duì)于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，我們甚至包括對(duì)上面幾個(gè)掩模層的修改成本，因?yàn)榭赡苄枰鉀Q出現(xiàn)的問(wèn)題。

Tamara博士：你擔(dān)心失敗嗎?

Dave：不。大系統(tǒng)常常會(huì)有不可預(yù)見的行為。應(yīng)當(dāng)為之準(zhǔn)備預(yù)案。此外，這也不算是商業(yè)計(jì)劃中最嚴(yán)酷的一條項(xiàng)目。我曾在一個(gè)想在商業(yè)計(jì)劃中包括輸出晶體管尺寸的公司工作過(guò)。如果我們需要增加尺寸，我們就需要向管理層提供新的商業(yè)計(jì)劃。

Tamara博士：這聽上去確實(shí)瘋狂，現(xiàn)在最好返回來(lái)談一談工程問(wèn)題。我更愿意談?wù)勥@個(gè)。下一次我們討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選擇電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、構(gòu)建模型和仿真。