從頭到尾構建混合信號高集成度系統(SOC)的步驟(3)：封裝和商業計劃

背景：Dave Ritter收到一份關于與Tamara Schmitz（T博士） 進行一次具體內容未定的討論的罕見正式會面邀請……

Dave Ritter：上次我們討論了定義設計概念的過程。其內容是不是比你想象的要多？

Tamara Schmitz：毫無疑問。但我還有一個關于封裝的遺留問題。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？這對設計有何影響？

Dave：這當然是定義過程的一部分。但是可以簡化針對你所需要的封裝，有多少的管腳和多大的管芯尺寸，但事情可能會變得復雜。

Tamara博士：我曾在文章中看到過說，軍事和太空應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。我想象蜂窩電話等便捷式應用可能想要球柵陣列(BGA)封裝來最大限度減小尺寸。

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

對于小型便捷式應用，BGA可能是芯片級封裝(CSP)的結果。在這些情形中，封裝消失不見而代之以一個附加處理步驟，在芯片上增加一個更堅固的金屬層，隨后給每個焊盤增加一個焊球。CSP實際上已經不再是封裝，這使芯片容易受到來自印刷電路板的應力。CSP的適合性完全取決于應用。

Tamara博士：在選擇封裝方面有什么快速參考或經驗法則嗎？

Dave：封裝越小越好，只要你能保證散熱效果就行。從需要的引腳數量(我喜歡在原始定義的基礎上再增加兩三個引腳，以防萬一)、需要的管芯尺寸以及已有的標準封裝清單開始選擇。但這并不是說我們有了標準的封裝就一定得使用它或因為有相關的生產設備就使用該封裝。也有一些特殊情形，例如針對環境光傳感器的光學封裝。在有些情形中，封裝中充滿一種包圍著芯片和焊線的物質，從而改進焊線的熱處理以及對振動和機械沖擊等條件的抵抗力。在光學封裝中，該物質必須是透明的，而且該透明物質可能沒有與普通物質相同的熱膨脹性質。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，封裝就說到這里，現在讓我們深入到集成電路內部。這方面有許多問題需要回答：使用什么工藝，如何分離數字或模擬電路，哪種電路拓撲結構合適，功率預算是多少，需要優化哪些技術規格??這些問題都很要緊??

Dave：哦，你還真是著急。一些事情是在商業計劃之前討論，另一些是從類似項目估計得到的。這是否是新平臺？或者是現有功能的修改或綜合？新平臺需要更長的時間和更多驗證、概念證明、客戶購買等。

無論哪種情況，營銷經理都需要估計項目的工時數和生產成本。是否有特別難以設計的新器件？我們是否需要測試我們從未測試過的技術規格？最后，我們還需要估算設計成本(從概念到首次芯片生產)和每個器件的生產成本。

Tamara博士：如果營銷經理知道先前的集成電路開發用了多長時間以及與其合作的團隊的優勢，我猜他們就能做出合理的估計。

Dave：同時還要記住，這些團隊可能還正在從事類似項目。他們可能甚至能夠將一種設計的部分內容復用于另一種設計。這被稱為“知識產權(IP)復用”。這也有助于加快新器件的開發過程。

Tamara博士：聽上去有點像是荒野求生。你需要考慮任何和所有可能有用的人員和知識。在決定設計和開發什么集成電路時這些考慮可能非常關鍵。

Dave：你是對的，但你漏了一項重要內容——潛在市場。你將銷售多少集成電路，向誰銷售以及售價是多少？你希望多長時間開始銷售該集成電路？

商業計劃(BP)有許多圖表，其中包括總市場容量(TAM)、可銷售市場容量(SAM)、平均售價(ASP)等內容，附有在產品壽命期間針對所有這些內容的數字。

Tamara博士：毛利潤率方面我倒是聽了不少？你能多談談這個嗎？

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

Tamara博士：我們如何才能獲得90%的毛利潤率？

Dave：這些器件需要大量特別設計和大量嚴格測試甚至認證才能在市場上銷售。常規器件可能需要一份16頁長的產品資料，而專用器件的產品資料可能長達1，600頁。

Tamara博士：哦，等一等——我剛從一位營銷經理那里找到一份商業計劃樣本。如表1所示。

Dave：解釋營銷術語要容易得多。我們一次說一行。總收入是每年的估計公司收入額。下一行是每年的產品銷量。下一行，亦即平均售價，有逐年下降的趨勢。下一行是產品生產成本。

Tamara博士：但生產成本每年都一樣。

Dave：是的，但有時會有采用更便宜的工藝或縮小晶粒的計劃。

Tamara博士：好的。

Dave：下一行是毛利潤率。毛利潤額與利潤有關。第一年有649，000美元的開發成本，所以總利潤是負的(等于405，000美元)。第一年之后就只剩下利潤。

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

Dave：代表在四年內實現了9.4倍于首年投資的回報額。消費性產品的投資回報時間較短。工業產品的投資回報期可能達到10年或20年。該商業計劃顯示了七年之后的潛力。

Tamara博士：我們現在開始生產什么了嗎？你先前給我看了你的MegaQ樣品。它是否是當前商業計劃的一部分？

Dave：非常有意思的問題。我們實際處在正式BP之前的項目可行性階段。但這要求我們集中力量和進行“初步BP”，以便我們能夠決定研究項目可行性。幸運的是，電路板級樣品的開發成本通常低于芯片，所以時間和成本都少很多，且過程也不那么正式。

營銷和應用部門決定這個項目值得做，且應用部門擁有開發它的人力資源(我)，所以我們就繼續并開始將數據模型和PCB弄到一起。最后我們還要進行一些焊接工作。

Tamara博士：但對于商業計劃，我

們必須確定一種制造工藝。我們如何選擇使用雙極性還是CMOS以及尺寸究竟應該多小？

Dave：這可能要進行單獨的討論。有許多考慮因素。我們過去使用什么工藝？我們驗證了各種模型以及復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：我想尺寸應當由物料可獲得性及成本效益來確定。如果公司通常使用0.25微米工藝，那么就應當繼續使用它，直到覺得需要采用更小的工藝為止。

Dave：是的。這就是對選擇雙極性還是CMOS工藝的簡單回答。雙極性的優點是精度高、噪聲低、功率高。CMOS的優點是成本低，適合數字和模擬，且適合需要開關的拓撲結構。

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，對不對？

Dave：有時對于復雜的設計，我們甚至包括對上面幾個掩模層的修改成本，因為可能需要解決出現的問題。

Tamara博士：你擔心失敗嗎？

Dave：不。大系統常常會有不可預見的行為。應當為之準備預案。此外，這也不算是商業計劃中最嚴酷的一條項目。我曾在一個想在商業計劃中包括輸出晶體管尺寸的公司工作過。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計劃。

Tamara博士：這聽上去確實瘋狂，現在最好返回來談一談工程問題。我更愿意談談這個。下一次我們討論系統設計、選擇電路拓撲結構、構建模型和仿真。

表1 商業計劃樣本