【芯片设计】从RTL到GDS（十）：I/O and Pad Ring

1、A bit about Packaging

首先让我们从封装开始讲起。

大家有没有思考过一个问题，一个芯片本身，它能直接拿来用吗？实际上肯定是不可以的，大家都见过芯片，芯片并不是光秃秃的放在那里。其一般是封装好以后才能够进行使用。这就引出了一个话题，我们是如何将信号传出芯片的呢？

实际上这个过程很复杂，芯片上设有I/O电路，通过绑定线接入封装，最终连接到电路板，完成整个过程以后我们得以将芯片和外部环境进行连接。

一旦离开芯片本身，我们就会碰到长导线，长导线意味着大量的延迟、电容和电感。这里的量级和芯片内部截然不同，要大得多得多。我们可以使用更粗的导线，从而降低电阻，并且外部空间相比芯片内部就没有那么拥挤了，我们可以灵活应用芯片外部的空间。

连接芯片和外部世界的Interface，我们称之为IC封装。我们看下面这个图的右下角部分，蓝色的那个代表芯片。所有的连接都通向基板上的一部分，通过bond wires进行连接。灰色的部分为摸具，确保所有元件稳固定位。

所以，到底什么是封装呢？听上去只是一个包装一样，但实际上非常重要。其有可能是整个产品中最昂贵的一部分。

我们看一下封装的一些属性。通过封装可以对芯片提供物理温度和电气保护。它采用物理连接的方式，将芯片和board连接在了一块，同时连接的也有电气信息。其保护芯片免受外部高压影响，同时还提供了热隔离。下图的右上角我们可以看到封装和芯片的一个电路连接示意图。

封装要求分为五个类别：

• Electrical：我们需要讨论芯片所有连接的电容、电阻、电感以及阻抗调谐问题；

• Interface：我们需要大量的IO引脚，用于连接芯片外部的各种各样的接口；

• Mechanical：我们还有机械方面的要求，即对于芯片本身以及其外部世界连接的焊点所采取的保护措施，同时这些保护措施要和PCB兼容；

• Thermal：热量如何从芯片排放出去；

• Cost：满足要求的情况下越低越好；（封装占成本的很大一部分）

我们看一下典型的芯片封装：

• DIP（Dual In-line Package）：双排直插封装，适合在PCB上穿孔焊接，操作方便。但是其体积较大，引脚数有限，主要适用于一些中小规模的集成电路。以前学数字电路的时候教学芯片一般都用这个。随着电子技术的发展，高端芯片往往采用更先进的封装技术。

• QFP（Quad Flat Package)：四侧扁平式封装，QFP封装的芯片引脚之间距离很小，引脚很细。芯片面积与封装面积之间的比值较小。用这种形式式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用SMD安装的芯片不必在主板上打孔，一般在主板表面上有设计好的相应引脚的焊点。将芯片各引脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

• PGA（Pin Grid Array）：插针网格式封装，PGA封装在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，安装时，将芯片插入专门的PGA插座（Socket），便于安装和拆卸；适用于需要高引脚数的应用。

• BGA（Ball Grid Array）：球栅阵列封装，BGA封装在芯片底部制作出球形凸点，以代替引脚，用于表面贴装。优点：提供了更高的I/O引脚数和更好的电热性能；适用于高密度、高性能的集成电路封装。

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当然这里只是简单介绍一下，芯片封装是一个完整的产业，很大的topic，感兴趣的朋友可以搜索相关的内容。对于设计人员而言，简单了解，大概掌握不同封装的优缺点即可。

我们接着看IC和封装是怎么连接起来的。有两种典型的方式：

• Wire Bonding（引线键合技术）：具体看这篇文章，爱在七夕时：半导体封装Wire Bonding 打线邦定（引线键合技术）的详解；

• Flip Chip（倒装芯片）：如下图所示，将芯片翻转过来盖上去，加热基板，焊料凸点就会连接起来。（有点像BGA，但现在焊锡球就位于芯片本身上）。相比于传统的Wire Bonding只能连接到边缘而言，采用倒装芯片的方式可以将焊点置于芯片中央，并且连接进去。和金属层紧紧连接，显然这种方式获得的电气特性会更好更稳定。

我们看下图，我们的芯片周围的黄色金属，那些就是PAD。这是我们后面将要讨论的IO。其通过Bonds连接到封装内部的相关连接点上。同时要注意以下要求：

• Bond Wires不能交叉；

• 要保持一定大小的最小间距，不能太小；

• 不能让角度太大，长度太长；

2、Input/Output Circuits

所以怎么和Bonding Wire连接在一起呢？对于Wire Bonding和Flip Chip两种封装方式而言，是不一样的。以Wire Bonding为例，我们需要使用金属Pad。

我们基于这个Pad，将芯片本身和封装的引脚通过Wire Bonding连接在一起。这里的Pad的面积通常比较大，要足够让线“着陆”。

这又引出一个话题，那就是怎么连接到金属PAD？那就是通过I/O电路！很多时候我们将I/O电路和金属PAD统称为I/O。对于I/O电路有以下要求：

• 能够驱动大负载；

• 确保电压的一致性；

• 低开关噪声；

• 静电放电保护；

基于这些要求，我们要设计相应的I/O电路。从逻辑上来说很简单，实际上我们设计的就是一种Buffer。

我们来看一下I/O单元的分类。这里我们只关注标准I/O Libraries。分别是数字部分、模拟部分和电源供应部分。

2.1、Digital I/O Buffer

我们来看一看数字I/O Buffer。我们可以看到，其对外的接口为PAD。基于此可以作为输入也可以作为输出。如果作为输入的话，PAD连过来驱动DOUT，这是没有问题的。但如果作为输出的话，我们要考虑多驱的问题，为此我们使用一个输出使能信号，该信号使能的时候代表用PAD作为输出。

由于驱动能力要求很高，我们需要非常非常非常大的反相器链来增加驱动能力。此外，我们看下图中那个反相器，我们一定不能让NMOS和PMOS同时导通，短路电流会非常大，这是不能接受的。

当我们考虑将缓冲器作为输入来使用的时候，必须要考虑到静电放电保护。其在整个芯片流程中非常重要，是很关键很关键的可靠性问题。如果不做相应的保护，静电的高电压作为输入，非常有可能烧毁芯片。

我们采用的方法称为二极管钳位。如果没有这个二极管，当高电压进来的时候，会同时击穿NMOS和PMOS，导致芯片烧毁。但如果有这个二极管，高电压进来的时候，会导通这个在正常情况下处于反向偏置的二极管，相当于把电流给引走了（KCL定律）。如果是正电压，导通上面那个二极管，否则导通下面这个二极管。无论哪种情况，都可以避免电流进入反相器。

同时我们一般会采用分级策略，有一个主ESD保护和一个次ESD保护。主ESD的二极管非常大，其偏置电压相应也很大，如果电压很大，它会hold住这个电压。但如果电压不大，就可以让次ESD应付就足够了。次ESD开启时间相比主ESD快得多，可以快速导通。

2.2、Analog I/O Cell

我们接着看模拟I/O。其用于传输模拟信号，简单来说，是一根线。但是可以提供一定程度的ESD保护。具体的可以看下图，很简单。

2.3、Power Supply Cell

Power Supply Cell实际上也是模拟Cell。我们都知道电源电路实际上是模拟电路，这里也是一样的。对于这种模拟信号，我们不希望通过数字部分进行AD转换。我们需要的仅仅是一根导线。

但这里的导线采用I/O ring的方式，具体可以看下图。通过这种环形的方式，我们只要将IO Pad放在下图IO Cell那个灰色框框类似的位置。就可以接入四种电压。通过和相应的电源轨道短接，便可以为整个芯片进行相应的供电。我们会有很多个这样的IO Pad，具体取决于芯片需要多少电流。

同时切换输出SSO，是一个指标，其反映了信号切换从开始到完成的时钟周期。我们假设有64-bit输出信号。如果某一个时刻这些信号全部从0变成1，这样就会有许多许多的电流要驱动或者吸收。这样就会引起电压降，进而影响电路的工作。这是一个和频率无关的问题。基于SSO指标，我们可以确定需要的IO电源数量。即应对这种极限的情况也要有足够的电流量。

有一点指的一提，如果VDD和VDD_IO的电压相同，我们仍然会将其划分为两个独立的电压域。为什么？

假设我们芯片内部有一个工作核心，其以1V的电压进行工作，由于其工作负载很大，因此其对噪声非常敏感。如果其和I/O也在一个电压域，那么其也要驱动外部负载，当特定的情况出现，比如64-bit输出信号全部从0变成1，其电流会突然变化，进而因此很大的电压降。电压下降会导致其对噪声更加无法承担。所以我们希望尽可能划分独立电压域，这样即使IO发生大规模Switch，仍然可以保证内部的工作核心不受噪声影响。

接下来看一下Pad Configuration。最典型的PAD是如之前见到一样，按照顺序规整的排列下来。但很显然，每一侧的长度直接决定了我们能够在芯片边缘上放置多少I/O Pad。

为了缓解这一问题，可以使用交错阵列的方式，错开排列。具体的可以看下图的右下角。

还有更加优化的方法，大家直接看图即可。

3、System in Package(SiP)

接下来我们看一下什么是SiP。

SiP的思想和SoC很像，有关SoC可以看下面这个专栏（点击阅读原文）。SiP是一种封装技术，将多个芯片，即多个独立的硅器件，集成到一个单一的封装中。比如下图右上角，可以看到中间有一个芯片，周围还有别的芯片环绕。其还可以使用混合工艺，与非CMOS设备紧密结合等等。

最初的SiP解决方案为MCM即多芯片模块，这一技术至今仍然非常流行。其实际上就是将多个硅设备组装在一张有机基板上的过程。下图是两种不同的方式，一种方式是将两个芯片绑定在同一基板上，然后将他们一起封装。

另一种方式是将两个芯片叠放在彼此之上，并进行绑定，可以实现更短的互连。

更加新的方式是采用Silicon Interposer。这种方式我们将多个硅设备放置在一个无源硅载体上，其本身就是一个芯片。内部拥有多种不同的布线轨道，使我们能够实现芯片间的互连。

其采用了TSV技术，帮助我们在不同芯片和基板之间建立连接。其相比MCM可以提供更加密集的连接方式。

我们看一个典型应用，HBM。现在的GPU和高性能系统等，对带宽的要求非常大，带宽的速度跟不上运算的速度，这就是所谓的存储墙限制。

HBM技术将多个DRAM进行堆叠，采用硅通孔和微凸块将裸片进行连接，如下图所示。具体可以看看这个视频（点击阅读原文）。

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