从头到尾构建混合信号高集成度系统(SOC)的步骤(3):封装和商业计划

背景：Dave Ritter收到一份关于与Tamara Schmitz(T博士) 进行一次具体内容未定的讨论的罕见正式会面邀请……

Dave Ritter：上次我们讨论了定义设计概念的过程。其内容是不是比你想象的要多?

Tamara Schmitz：毫无疑问。但我还有一个关于封装的遗留问题。你是否需要知道封装类型才能确定哪些元件可以包括在集成电路内?这对设计有何影响?

Dave：这当然是定义过程的一部分。但是可以简化针对你所需要的封装，有多少的管脚和多大的管芯尺寸，但事情可能会变得复杂。

Tamara博士：我曾在文章中看到过说，军事和太空应用希望使用带引线的器件——这样可能有更出色的可靠性和更牢固的焊点。我想象蜂窝电话等便捷式应用可能想要球栅阵列(BGA)封装来最大限度减小尺寸。

Dave：是的，另外还有其他考虑。我们需要知道一些基本热性质。这对高功耗部件是显而易见的事，但一些信号处理部件的功耗可能达到一瓦，而封装大小只有4平方毫米。在这此情形中，我们需要“增强散热型”封装，其通常在中心包括一个用于给芯片散热的大导热片。

对于小型便捷式应用，BGA可能是芯片级封装(CSP)的结果。在这些情形中，封装消失不见而代之以一个附加处理步骤，在芯片上增加一个更坚固的金属层，随后给每个焊盘增加一个焊球。CSP实际上已经不再是封装，这使芯片容易受到来自印刷电路板的应力。CSP的适合性完全取决于应用。

Tamara博士：在选择封装方面有什么快速参考或经验法则吗?

Dave：封装越小越好，只要你能保证散热效果就行。从需要的引脚数量(我喜欢在原始定义的基础上再增加两三个引脚，以防万一)、需要的管芯尺寸以及已有的标准封装清单开始选择。但这并不是说我们有了标准的封装就一定得使用它或因为有相关的生产设备就使用该封装。也有一些特殊情形，例如针对环境光传感器的光学封装。在有些情形中，封装中充满一种包围着芯片和焊线的物质，从而改进焊线的热处理以及对振动和机械冲击等条件的抵抗力。在光学封装中，该物质必须是透明的，而且该透明物质可能没有与普通物质相同的热膨胀性质。如果使这种封装的温度上升到足够高，其将使焊线从芯片脱离。另外还有许多要考虑的事情。

Tamara博士：好的，封装就说到这里，现在让我们深入到集成电路内部。这方面有许多问题需要回答：使用什么工艺，如何分离数字或模拟电路，哪种电路拓扑结构合适，功率预算是多少，需要优化哪些技术规格……这些问题都很要紧……

Dave：哦，你还真是着急。一些事情是在商业计划之前讨论，另一些是从类似项目估计得到的。这是否是新平台?或者是现有功能的修改或综合?新平台需要更长的时间和更多验证、概念证明、客户购买等。

无论哪种情况，营销经理都需要估计项目的工时数和生产成本。是否有特别难以设计的新器件?我们是否需要测试我们从未测试过的技术规格?最后，我们还需要估算设计成本(从概念到首次芯片生产)和每个器件的生产成本。

Tamara博士：如果营销经理知道先前的集成电路开发用了多长时间以及与其合作的团队的优势，我猜他们就能做出合理的估计。

Dave：同时还要记住，这些团队可能还正在从事类似项目。他们可能甚至能够将一种设计的部分内容复用于另一种设计。这被称为“知识产权(IP)复用”。这也有助于加快新器件的开发过程。

Tamara博士：听上去有点像是荒野求生。你需要考虑任何和所有可能有用的人员和知识。在决定设计和开发什么集成电路时这些考虑可能非常关键。

Dave：你是对的，但你漏了一项重要内容——潜在市场。你将销售多少集成电路，向谁销售以及售价是多少?你希望多长时间开始销售该集成电路?

商业计划(BP)有许多图表，其中包括总市场容量(TAM)、可销售市场容量(SAM)、平均售价(ASP)等内容，附有在产品寿命期间针对所有这些内容的数字。

Tamara博士：毛利润率方面我倒是听了不少?你能多谈谈这个吗?

Dave：毛利润率是指产品的利润率。毛利润率为100%意味着我们能零成本生产东西，而0%意味着我们产品的售价正好等于它的成本。典型的毛利润率是30%(大量生产)，一些新开发的高频产品是大概在60%，而军事或太空应用产品则超过90%。

Tamara博士：我们如何才能获得90%的毛利润率?

Dave：这些器件需要大量特别设计和大量严格测试甚至认证才能在市场上销售。常规器件可能需要一份16页长的产品资料，而专用器件的产品资料可能长达1,600页。

Tamara博士：哦，等一等——我刚从一位营销经理那里找到一份商业计划样本。如表1所示。

Dave：解释营销术语要容易得多。我们一次说一行。总收入是每年的估计公司收入额。下一行是每年的产品销量。下一行，亦即平均售价，有逐年下降的趋势。下一行是产品生产成本。

Tamara博士：但生产成本每年都一样。

Dave：是的，但有时会有采用更便宜的工艺或缩小晶粒的计划。

Tamara博士：好的。

Dave：下一行是毛利润率。毛利润额与利润有关。第一年有649,000美元的开发成本，所以总利润是负的(等于405,000美元)。第一年之后就只剩下利润。

Tamara博士：最后几行看上去比较重要。我知道ROI代表“投资回报率”，但9.4代表什么呢?

Dave：代表在四年内实现了9.4倍于首年投资的回报额。消费性产品的投资回报时间较短。工业产品的投资回报期可能达到10年或20年。该商业计划显示了七年之后的潜力。

Tamara博士：我们现在开始生产什么了吗?你先前给我看了你的MegaQ样品。它是否是当前商业计划的一部分?

Dave：非常有意思的问题。我们实际处在正式BP之前的项目可行性阶段。但这要求我们集中力量和进行“初步BP”，以便我们能够决定研究项目可行性。幸运的是，电路板级样品的开发成本通常低于芯片，所以时间和成本都少很多，且过程也不那么正式。

营销和应用部门决定这个项目值得做，且应用部门拥有开发它的人力资源(我)，所以我们就继续并开始将数据模型和PCB弄到一起。最后我们还要进行一些焊接工作。

Tamara博士：但对于商业计划，我们必须确定一种制造工艺。我们如何选择使用双极性还是CMOS以及尺寸究竟应该多小?

Dave：这可能要进行单独的讨论。有许多考虑因素。我们过去使用什么工艺?我们验证了各种模型以及复用电路模块的可能性。我们需要特别电路板层吗等等?

Tamara博士：我想尺寸应当由物料可获得性及成本效益来确定。如果公司通常使用0.25微米工艺，那么就应当继续使用它，直到觉得需要采用更小的工艺为止。

Dave：是的。这就是对选择双极性还是CMOS工艺的简单回答。双极性的优点是精度高、噪声低、功率高。CMOS的优点是成本低，适合数字和模拟，且适合需要开关的拓扑结构。

Tamara博士：一旦我们确定了要使用工艺，我们就需要知道掩模和晶片的成本，对不对?

Dave：有时对于复杂的设计，我们甚至包括对上面几个掩模层的修改成本，因为可能需要解决出现的问题。

Tamara博士：你担心失败吗?

Dave：不。大系统常常会有不可预见的行为。应当为之准备预案。此外，这也不算是商业计划中最严酷的一条项目。我曾在一个想在商业计划中包括输出晶体管尺寸的公司工作过。如果我们需要增加尺寸，我们就需要向管理层提供新的商业计划。

Tamara博士：这听上去确实疯狂，现在最好返回来谈一谈工程问题。我更愿意谈谈这个。下一次我们讨论系统设计、选择电路拓扑结构、构建模型和仿真。