一种基于板级验证测试系统的SIP模块设计方法

摘要

一种基于板级验证测试系统的SIP模块设计方法，首先选择待集成器件并设计原理验证PCB板，编写驱动程序，完成原理验证，然后进行结构设计和布线设计，最后进行功能验证并完成回片测试及功能测试，该方法基于PCB板实现SIP模块的原理验证、功能验证和功能测试，提高了SIP模块设计的完整性、规避了设计工作不全面的问题，并且在设计过程中对PCB板进行了复用，降低了设计工作量和难度，提高了效率，最大程度上满足了SIP模块设计的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种SIP模块设计方法，特别是一种基于板级验证测试系统的 SIP模块设计方法，属于集成电路设计领域。

背景技术

系统级封装(SysteminPackage，SIP)在近年来发展迅速，是电子产品小 型化、轻量化、多功能化的重要实现方式，已经成为重要的先进封装和系统集 成技术。SIP模块将不同类型的电路(多数为裸芯(Bare-die)，也可为芯片及 分立元件)集成在同一个封装内，在高密度互联基板中实现部分无源器件功能、 实现互连和机械安装，最终完成整个或部分系统的功能，所集成的电路可以是 不同功能、不同工艺、不同状态的，大大降低了系统集成的难度和要求，提高 了工程化实现可行性，实现了异质整合。

因为SIP设计技术最初来源于封装设计，所以目前对于SIP模块的研究多 集中于封装过程相关，如互连实现方式、基板材料，而立足于利用SIP技术进 行系统模块化设计还处于单个需求单个实现的阶段，没有工程化研究，也没有 一个完整的设计流程。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出了一种基于板级验 证测试系统的SIP模块设计方法，该方法基于PCB板实现SIP模块的原理验 证、功能验证和功能测试，提高了SIP模块设计的完整性、规避了设计工作不 全面的问题，并且在设计过程中对PCB板进行了复用，降低了设计工作量和难 度，提高了效率，最大程度上满足了SIP模块设计的需求。

本发明的技术解决方案是：一种基于板级验证测试系统的SIP模块设计方 法，包括以下步骤：

(1)根据预先设定的需求，选择待集成器件并确定待集成器件之间的连接 关系，所述待集成器件包括集成电路裸芯、MEMS、光电器件和分立器件，所 述集成电路裸芯包括：处理器、存储器、转换器和现场可编程门阵列；

(2)设计原理验证PCB板；

(3)编写驱动程序，所述驱动程序包括地址译码程序、boot程序和头文 件；

(4)利用步骤(2)中的PCB板和步骤(3)中的驱动程序对步骤(1) 中选择的待集成器件及待集成器件之间的连接关系行原理验证，若原理验证通 过，则进入步骤(6)，若原理验证不通过，则进入步骤(5)；

(5)若原理验证不通过为硬件原因，则返回步骤(1)，对步骤(1)中的 待集成器件或待集成器件之间的连接关系进行调整；若原理验证不通过为软件 原因，则返回步骤(3)，重新编写驱动程序；

(6)进行SIP模块的结构设计和布线设计；

(7)对步骤(6)中设计完成的SIP模块进行功能验证，若功能验证通过， 则进入步骤(8)，否则，返回步骤(1)，重新进行设计；

(8)生产步骤(7)中功能验证通过的SIP模块，并对生产的SIP模块进 行回片测试，若回片测试通过，则完成SIP模块的设计过程，若回片测试未通 过，则返回步骤(1)，重新进行SIP模块的设计，所述回片测试包括SIP模块 功能测试和参数测试。

所述步骤(2)中原理验证PCB板；具体为：所述原理验证PCB板分为 母板和子板，母板和子板之间利用多针接插件相连；其中子板上仅放置选择的 待集成器件，并将待集成器件的连接关系进行实现，另外放置配套接插件以实 现同母板的物理连接；母板包含支撑子板工作的元件，所述支撑子板工作的元 件包括：供电及电平转换电路、电源管理电路、时钟输入电路、接口驱动电路、 选择器和FPGA的配置电路。

所述步骤(3)中的地址译码程序根据步骤(1)中各待集成器件之间的连 接关系对应出各个待集成器件的起始地址、地址长度和数据宽度，然后考虑大 小端进行编写。

所述SIP模块的结构设计方法为2D、2.5D或3D。

所述步骤(7)中对步骤(6)中设计完成的SIP模块进行功能验证，具体 通过功能验证系统实现，所述功能验证系统包括功能验证母板和功能验证子板， 功能验证母板和功能验证子板之间利用多针接插件相连；所述功能验证母板复 用原理验证PCB板的母板，功能验证子板包括用于放置SIP模块的插座和原 理验证PCB板子板的配套接插件。

所述SIP模块功能测试具体通过功能测试系统实现，所述功能测试系统包 括功能测试母板和功能测试子板，功能测试母板和功能测试子板之间利用多针 接插件相连；所述功能测试子板复用功能验证PCB板的子板，功能测试母板包 括支撑功能测试子板工作的元件，所述支撑功能测试子板工作的元件包括：供 电及电平转换电路、电源管理电路、时钟输入电路、接口驱动电路、选择器和 FPGA的配置电路。

所述布线设计中各待集成器件之间的连接关系复用原理验证PCB板子板 中各待集成器件之间的连接关系。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出了一套完整的SIP模块设计流程，填补了目前SIP模块设 计流程的空白，规避了目前SIP模块设计中流程混乱的问题；

(2)本发明在设计流程中，不仅仅考虑了SIP模块实体本身的设计问题， 而是将原理验证、功能验证、功能测试等问题均考虑在内，因此提高了设计的 完整性、规避了设计工作不全面的问题。减少了因步骤和流程缺失导致的设计 失误。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是本发明实施例中待集成器件之间的连接关系示意图。

具体实施方式

本发明所述方法是基于设计方的，生产环节均不在发明范围之内。本发明 采用SIP模块的设计方法包括三个阶段：原理验证阶段、模块实体设计生产阶 段、回片验证测试阶段。三个阶段顺序进行，下一个阶段的输入来源于上个阶 段的输出，三个阶段构成一个相对完整的SIP模块设计流程。三个阶段过程中 的设计和成果可以进行复用，以便简化设计。如图1所示为本发明的流程图， 从图1所示，本发明提出的一种基于板级验证测试系统的SIP模块设计方法， 其特征在于包括以下步骤：

(1)根据预先设定的需求，选择待集成器件并确定待集成器件之间的连接 关系，所述待集成器件包括集成电路裸芯、MEMS、光电器件和分立器件，所 述集成电路裸芯包括：处理器、存储器、转换器和现场可编程门阵列；

(2)设计原理验证PCB板；具体为：所述原理验证PCB板分为母板和 子板，母板和子板之间利用多针接插件相连；其中子板上仅放置选择的待集成 器件，并将待集成器件的连接关系进行实现，另外放置配套接插件以实现同母 板的物理连接；母板包含支撑子板工作的元件，所述支撑子板工作的元件包括： 供电及电平转换电路、电源管理电路、时钟输入电路、接口驱动电路、选择器 和FPGA的配置电路。

(3)编写驱动程序，所述驱动程序包括地址译码程序、boot程序和头文 件；所述地址译码程序根据步骤(1)中各待集成器件之间的连接关系对应出各 个待集成器件的起始地址、地址长度和数据宽度，然后考虑大小端进行编写。

(4)利用步骤(2)中的PCB板和步骤(3)中的驱动程序对步骤(1) 中选择的待集成器件及待集成器件之间的连接关系行原理验证，若原理验证通 过，则进入步骤(6)，若原理验证不通过，则进入步骤(5)；

(5)若原理验证不通过为硬件原因，则返回步骤(1)，对步骤(1)中的 待集成器件或待集成器件之间的连接关系进行调整；若原理验证不通过为软件 原因，则返回步骤(3)，重新编写驱动程序；

(6)进行SIP模块的结构设计和布线设计；所述SIP模块的结构设计方 法为2D、2.5D或3D；

(7)对步骤(6)中设计完成的SIP模块进行功能验证，若功能验证通过， 则进入步骤(8)，否则，返回步骤(1)，重新进行设计；所述功能验证具体通 过功能验证系统实现，所述功能验证系统包括功能验证母板和功能验证子板， 功能验证母板和功能验证子板之间利用多针接插件相连；所述功能验证母板复 用原理验证PCB板的母板，功能验证子板包括用于放置SIP模块的插座和原 理验证PCB板子板的配套接插件。

(8)生产步骤(7)中功能验证通过的SIP模块，并对生产的SIP模块进 行回片测试，若回片测试通过，则完成SIP模块的设计过程，若回片测试未通 过，则返回步骤(1)，重新进行SIP模块的设计，所述回片测试包括SIP模块 功能测试和参数测试。所述SIP模块功能测试具体通过功能测试系统实现，所 述功能测试系统包括功能测试母板和功能测试子板，功能测试母板和功能测试 子板之间利用多针接插件相连；所述功能测试子板复用功能验证PCB板的子板， 功能测试母板包括支撑功能测试子板工作的元件，所述支撑功能测试子板工作 的元件包括：供电及电平转换电路、电源管理电路、时钟输入电路、接口驱动 电路、选择器和FPGA的配置电路。

实施例1

以某型SIP模块(以下简称本模块)的设计过程为例：

(1)原理验证阶段，在收到用户需求或设计目标作为项目启动条件之后， 第一步进行需求分析和系统软硬件划分；

第二步按照软硬件流程分开并行进行，硬件顺序进行元件选择并确定初步 测试方案、板级设计生产，同步软件进行任务书编写、之后并行进行驱动编写、 策划开发环境。

本模块选择一款SoC、一款FPGA、一款SRAM、一款SDRAM和一款 FLASH共5款集成电路芯片作为SIP集成的目标元件。在本模块互联设计中， SoC作为主控芯片，根据SoC中处理器的设计在其可访问的地址空间上布置 SRAM、SDRAM、FLASH以及作为一个扩展外设的FPGA。如图2所示为本 模块各个芯片的互联关系。

硬件设计原理验证系统时，为了缩小验证系统平面面积、缩减互联线长度 同时在之后整个设计过程中可以进行复用，将原理验证系统分两块PCB板进行 设计，即母板(以下简称原理A板)和子板(以下简称原理B板)，两板利用 多针接插件相连，作为一套系统工作。其中原理B板上仅放置待集成的5个芯 片，并将其连接关系进行实现，另外，放置配套接插件以便实现同原理A板的 物理连接，原理B板的设计关系可参照图2所示；原理A板包含支撑原理B板 工作的全部元件及设计，如供电及电平转换、多电源管理，多时钟输入，各种 接口的驱动电路，进行各种配置选择的选择器，FPGA的配置电路等。本模块 设计使FPGA可进行片外配置或片内配置，片外配置即同一般FPGA相同—— 利用配置PROM及板上设计的配置电路完成，片内配置则是利用本模块内部自 带非易失性存储器可存储配置数据的特点，利用主控的SoC对FPGA进行访 问和数据注入以完成配置。

软件设计本阶段主要进行驱动程序编写。根据本模块中硬件设定的SRAM、 SDRAM、FLASH及FPGA的连接方式对应出各个空间的起始地址、地址长度 和数据宽度，再考虑大小端进行地址译码设计。另外，编写boot程序、编写示 例性的头文件，可以提供后续复用。针对FPGA内外双配置方式的设计，根据 FPGA配置数据流文件格式，进行数据包生成、存储、读取、注入和完成判定 的程序编写，同时可以提供后续复用。

第三步软硬件在验证系统上进行联调，若联调有问题，则需要区分软件或 硬件问题，硬件问题则需要根据具体情况返回硬件流程中进行元件选择并确定 初步测试方案步骤或板级设计生产步骤重新调整进行，软件问题则需要返回软 件流程中驱动编写步骤重新调整进行；最终完成初步验证，得到本阶段输出即 确认系统组成及功能、形成驱动初步版本、确定开发环境模块组成等。

(2)完成原理验证相关工作后，即进入模块实体设计生产阶段。

第一步根据原理验证结论，确认待集成元件及封装形式，多数待集成元件 为裸芯形式存在(成整片晶圆状态或已划片分割成散片状态)，但由于SIP模 块集成类型较为自由，部分体积较小、难以获得裸芯的芯片或分立元件可以采 用封装好之后的形式进行集成。本模块经过原理验证，选择的5款集成电路芯 片能满足功能要求，且均为晶圆形式存在，均为键合组装方式，可以选用同一 种键合材料及键合工艺及0.20mm金丝键合、热超声键合工艺进行。设计模块 封装形式为BGA416，利用高密度多层有机基板加塑封方式封装。

第二步进行结构设计和布线设计，再根据生产厂家要求形成交接文件。在 结构设计中，若裸芯有单面或两面键合设计(堆叠后上下两层芯片在不同面键 合，避免搭丝影响)、形状相同、大小差别不大(使得堆叠后上层芯片可利用长 度不超过一个典型值的键合线键合至基板)，则为了进一步小型化，可考虑堆叠 结构设计。若虽不满足上述要求，但是最终模块有严格的信号走线长度要求、 或模块外形尺寸要求较小，则需要考虑较高成本的硅转接基板设计成2.5D或 3D的结构，可进行堆叠芯片上层芯片的键合和转接设计。考虑能满足本模块所 有裸芯均为四面键合，其中面积较大的SoC和FPGA芯片均为多层键合，不 适合进行堆叠方式组装；模块外形尺寸不要求极小，且外引脚数量多，极小外 形尺寸无法实现。因此，结构设计采用较为普通的2D方式即可，根据互联线 长度、互联关系和根据最终外形确定的形状分布，实现大芯片对角、小芯片插 空、高速率芯片靠近主控芯片的结构。

布线设计中，先进行原理设计。此时采用设计复用，将原理验证阶段的原 理B板设计，在用裸芯模型替换掉原有芯片模型后，5个芯片的连接关系照搬 原理B板。另外，不需引出且无连接关系的裸芯管脚，根据输入或输出形式， 进行上/下拉或留空。随后，根据基板加工方工艺规则进行Lay-out设计。

第三步通过功能验证系统进行功能验证，判断设计的SIP模块是否满足预 先设定的功能，

(3)生产回片并完成上阶段所述的测试、验证、软件、文档相关工作后， 即进入回片验证测试阶段。

首先进行功能测试，同步进行向量调试、参数摸底评估，任何一个测试、 验证、评估过程不满足设计要求均需要进行故障分析与定位，定位到前两个阶 段中某个步骤，并分析决定是否要返回重新进行或规避、调整，均满足要求后 形成初步设计报告。功能测试则利用功能测试系统进行；向量调试、参数摸底 评估则利用所述参数测试向量设计进行。

功能测试系统和验证系统的设计均采用PCB板级系统配套相关软件进行。 验证系统的设计复用原理验证系统的设计，同样采用子母板方式。原理A板不 进行改动，可直接重用。而子板将原理B板的设计进行替代(以下称验证B板)， 用本模块适用的插座替代原有的5个芯片，另外放置同原理B板同样的接插件 同A板配套，即可完成验证B板的设计。具体验证进行时将模块放在插座中， 连接好验证B板和原理A板即可。

考虑到未来功能测试的效率，功能测试系统尽量减少人工干预，且尽量利 用模块内部资源进行互测。功能测试系统充分利用可编程处理器中FPGA可编 程的特性，将多数待测管脚连接在可编程逻辑上，以便进行各种测试设计。在 测试系统设计上，同样采用子母板结构设计。子板可直接复用验证B板进行， 而母板则利用原理A板设计，增加自动化测试接口以及互联测试连接，即可形 成(下称功测A板)。具体测试时将模块放在插座中，连接好功测A板和验证 B板即可。本发明原理验证系统、验证系统和功能测试系统共三套子母板级系 统六块板，因复用设计只需进行四块的设计，降低了设计工作量和难度，提高 了效率。

参数测试向量和参数测试系统需同步设计。参数测试系统在ATE测试台上 实现，具体设计测试板即可。测试向量则根据模块待测参数，如本模块利用向 量进行管脚静态参数的测试，先进行外设测试后进行FPGA测试，即先在SoC 芯片调试工作模式下，利用调试接口控制SoC芯片对其外设接口进行访问，给 出特定的测试波形，实测时将实际波形同测试波形对比并采样，进行参数测试。 之后，如步骤(1)中双配置设计利用对FPGA进行配置，然后根据实现设计 的FPGA测试波形，实测实际波形进行对比并采样，进行参数测试。