對于現代電子產品來說，從精妙的構思到成為實際的產品，要經過成千上萬個步驟，也需要不同團隊之間的合作，根據產品的復雜程度不同，團隊的大小也不同，小到幾個人，大到成千上萬人皆有可能。

電子系統的集成主要分為三個層次，芯片、封裝、PCB。

IC傳統封裝PCB

IC先進封裝PCB

今天，我們以電子產品為例，結合這三個層次，對產品研發過程中的數據一致性做一些分析和探討。

現代電子產品的研發過程一般可以分為三個階段：設計、仿真、生產，如下圖所示。

設計就是將設計者的思想變成可以生產的圖形的過程，仿真則是驗證這些圖形是否能夠滿足設計要求并對此進行優化，生產則是將圖形制造出來并組合到一起形成實物，實現設計的目的。

以芯片為例，分為設計、仿真、驗證、生產等環節，設計解決的是模型的構建，也就是從0到1（從無到有）的問題，仿真和驗證對模型進行確認和優化，也就確認設計中的1到底是等于1、大于1還是小于1的問題，并對相應的問題進行修正，從而以提高芯片一版成功的幾率。

芯片設計規模越大，工藝節點越小，對流片（Tape Out）成功的要求也越高，因此，對仿真驗證環節的要求也會更高。

由于篇幅關系，對于芯片這里我們就不展開討論。

對于封裝和PCB來說，其設計、仿真、生產的流程基本上是一致的，尤其當封裝進化為SiP和先進封裝之后，二者都屬于電子集成技術，只是實現的層次不同。封裝中的設計單元是裸芯片Chip或者Chiplet，而PCB中的設計單元是封裝好的芯片，是前者集成的產出物。

因此，我們下面的討論中，并不專門區分封裝和PCB，而統一進行設計、仿真、生產的論述。

早先的產品研發，仿真環節相對比較淡化，設計完成后往往直接進行生產，然后再進行調試，修改，再生產，整個產品研發周期比較長，需要經過多次重復才能達到預期的目的。

隨著設計復雜程度的提高，投產一次的成本也日益高漲，設計-->生產的模式已經無法滿足產品的需求。生產之前，沒有經過充分且完備的仿真分析，幾乎是不可能做出成功的產品。

這就需要在設計和生產環節之間加入仿真環節，并且仿真的重要性日益提高。隨著仿真技術的發展和日益成熟，出現了一些新的概念和名詞，例如數字化樣機，數字化雙胞胎、數字孿生等概念，二者從本質上來講都屬于仿真的范疇。由此也可以看出業界對仿真環節的重視。

設計最終成為產品，生產環節至關重要，設計的目的就是為了生產，因此，從設計到生產的數據傳遞久經考驗，是比較成熟穩定的，例如芯片從設計到生產常用的數據格式為GDSII，PCB從設計到生產常用的數據格式為Gerber，封裝則較為特殊，從早先傳統封裝的DXF到SiP常用的Gerber再到先進封裝常用的GDSII。

對于從設計到仿真，其數據的傳輸方式則更為靈活和多樣化，但其成熟度要稍遜于設計到生產的數據傳遞。

在仿真中，我們將需要仿真的元素分為兩大類：Active 有源類，主要包括各類元器件，Passive 無源類，主要包括互連模型和RLC等無源器件。

對于仿真來說，最重要的就是模型的構建。模型可分為器件模型（Devices）和互連模型（Interconnections），器件模型也被稱為主動模型（Active Model），互連模型也被稱為被動模型（Passive Model)，RLC一般也被定義在互連模型中。

嚴格來說，從芯片到PCB的多級集成中，真正的器件模型只存在于第一個層次的集成中，即芯片中的晶體管模型，其他層次的集成如Interposer, Package、PCB中均為互連模型，如下圖所示。

同時，有一點非常重要，就是：器件模型+互連模型=>新的器件模型，是對本層次的模型化描述，并作為模型應用在下一個層次的仿真中。

例如在芯片內部，用器件模型來描述晶體管，其他的互連線和RLC都被視為互連模型；到了封裝層次，芯片整體作為一個器件模型，封裝中的互連線，平面層，RLC等被視為互連模型；到了PCB層次，封裝好的SiP或先進封裝（里面包含多塊芯片和它們之間的互連）作為器件模型，PCB上的互連線，平面層，RLC等被視為互連模型。

從下圖中，我們可以看出，芯片中的晶體管和互連形成第一級別的模型，再加上Interposer上的互連和Bump形成第二級別的模型，再加上封裝基板上的互連和BGA形成第三級別的模型。

不同級別的分類也可以根據實際需求進行靈活調整，例如將Interposer上的互連和封裝基板的互連統一處理，形成芯片和封裝兩級模型。

從上面的描述，針對封裝和PCB，我們可以得出如下結論：器件模型來源于上一層次的集成，在本層的集成主要是針對互連模型。

下面就是對典型封裝互連模型描述的實例，分為基板上的布線Layout和鍵合線Bond wire，是通過RLC參數對不同段的Layout或者Bond wire進行描述。

在封裝和PCB的原理圖和版圖設計中，主要的任務就是進行正確的互連，原理圖根據器件的功能對其邏輯互連關系進行定義，并傳遞到版圖，版圖依此是對物理互連分層繪制，并通過過孔或者TSV將各層連接起來。

生產則是將版圖的每一個物理層制造出來并組合到一起，使器件的功能正常運行并實現設計的目標，為了保證這個目標順利實現，在生產之前需要進行充分的仿真。

從設計數據到仿真數據，中間需要經過數據的傳遞和轉換。

對于版圖來說，需要傳遞的數據包括版圖層疊結構、每一層的材料、厚度、物理參數等，隨著設計復雜程度的提高，需要傳遞的數據愈發復雜。

例如，對于剛柔結合板 Rigid-Flex，由于要進行多種彎曲，不同的位置厚度和材料會有所不同，因此整個版圖會有會有多個層疊結構和多個區域，稱為Multi-stackup和Multi-zone再加上Multi-bend，設計數據比較復雜。

對于Interposer，其互連數量可能超過10萬+，巨大的數據量對設計和仿真工具都提出了新的要求，有時候讀入數據甚至需要數小時甚至更長的時間，其仿真過程更是需要數天甚至數周的時間。

作為設計工具的下游，仿真工具通常對設計工具的數據有較好的兼容性，多數仿真工具都可以直接打開設計文件，并將其轉換成自有的格式。

然而，隨著設計的日益復雜，能夠正確識別設計數據就成為仿真工具的重大挑戰，例如，設計工具可以準確地描述芯片堆疊、腔體、鍵合線，導入仿真工具后，不同的元素可能會出現錯位，設計工具可以準確地描述多層疊結構、多區域、多個彎曲，導入仿真工具后，層疊、區域、彎曲均可能出現偏差，這些錯位和偏差，輕則導致仿真精確度下降，嚴重則導致無法仿真。

從二維空間升級到三維空間，對設計、仿真和生產都帶了挑戰。

早先的EDA設計工具基本都是平面化的，從頂視圖的角度去瀏覽每一層信息，現在設計工具逐漸走向3D化。就目前來說EDA工具的設計界面還是2D的，通常會有一個3D的瀏覽窗口，可以查看詳細的3D信息。

仿真工具的挑戰主要來源于設計工具數據的復雜化，因為設計數據變成了3D的，仿真工具需要正確識別這些數據并正確解析，包括3D結構、網絡、端口、材料信息等都需要準確地從設計工具傳遞到仿真工具，否則，就需要在仿真工具中做大量的工作補充或者修正這些信息，才能做到仿真數據和設計數據的一致性。

同時，仿真算法也需要更新或者重新開發，以適應新的復雜的3D設計數據。

專注于電路仿真的軟件通常3D功能比較弱，專注于電磁場仿真的軟件3D功能較強，但對數據的規模和復雜度有一定限制，如果設計特別復雜，數據規模大，復雜度高，設計數據中可能包含了2D2D+2.5D3D4D等多種集成技術，一般仿真工具很難正確導入，或者需要花費很長的時間解析和導入。

目前，很多傳統仿真工具還無法正確識別設計中的各種三維元素，如多級芯片堆疊，復雜多層鍵合線，2.5D和3D硅通孔，復雜基板彎曲等，無法識別正確的設計模型，更無法進行精確的仿真。因此，針對目前復雜的集成技術，仿真工具還有很大的發展空間，這也給新的仿真工具提供了機會。

設計構建了模型，仿真對模型進行了驗證和優化，使之更加準確，從在生產環節中，將模型具體化，做成產品。

如果設計、仿真、生產能夠做到數據的一致性，則可以在最大程度上保證產品一版成功。這也需要設計人員、仿真人員，生產人員協同地工作和努力。

審核編輯 ：李倩