淺析ASIC與PCB的聯系和區別

國防科學技術大學電子科學與工程學院　萬子平

裝甲兵工程學院技術保障工程系　汪　琳

國防科學技術大學機電工程與自動化學院　段國棟

淺析ASIC與PCB的聯系和區別

國防科學技術大學電子科學與工程學院萬子平

裝甲兵工程學院技術保障工程系汪琳

國防科學技術大學機電工程與自動化學院段國棟

本文對ASIC和PCB兩種不同電路模塊進行了的系統概念、設計流程和工藝流程進行了全面合理地辨析，總結了目標定義、總設計線、子設計線和功能產品之間的對比關系。最后，從ASIC設計與PCB設計的對比出發，給出總結與展望，旨在尋求搭載模塊和被搭載模塊間聯合設計的新思路。

ASIC；PCB；系統概念；設計流程；工藝流程

0　引言

隨著信息時代的到來，各級電路模塊發展甚快，級內成多極化發展，級間成承接性發展。在進行電子系統設計時，硬件設計和軟件搭載都需突破眾多難點。首先在集成電路級，合理地選擇和完美的拼組集成電路具有隨機性；其次在印刷電路板級，恰當地規劃和最優地互連集成電路又具有模糊性；最后功能性器件級，硬件檢測聯調、軟件燒錄測試到應用體驗維護又具有困難性。只有設計師在橫軸上對集成電路有著廣泛地了解，同時在縱軸上對電子系統設計線有著深入地理解，才能夠做到完美硬件設計和最優軟件搭載以形成服務大眾的應用。

1　ASIC與PCB電路模塊間概念辨析

1.1電子系統中電路模塊間的集成關系

電子系統中的電路模塊按照由集成關系由總及零的順序排布大致可以分為：電子功能件、電子裝配件，電子部件和電子元件。其中需要做到底基布局和蝕刻布線的電路模塊是電子裝配件和電子部件。其中電子裝配件是印刷電路板，即PCB；電子部件是集成電路，即IC。表1是各個電路模塊的集成關系，如表1所示：

表1　電路模塊集成關系

1.2ASIC與PCB電路模塊的概念解析

ASIC（Application-Specific Integrated Circuit），是指應特定用戶要求或特定電子系統的需要而設計、制造的集成電路［3］。ASIC是IC（Integrated Circuit）所屬范圍內的一部分。

PCB（Printed Circuit Board），是指印制電路板，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體［4］。PCB更偏向集成IC完畢后的PWB（Printed Wire Board）。

1.3ASIC與PCB電路模塊間的可對比性分析

從目標定義上來說ASIC與PCB都屬于專門為了實現某種特定功能的定制電路，都具有專用性和特有的適應性，也同時缺少硬件上二次開發的能力。

從實現方式上來說ASIC與PCB都是首先通過對集成對象在基板上進行集成，再通過線路對集成對象進行功能性搭建，最后形成外部引腳或接口的過程。

從優化方法上來說ASIC與PCB都需要考慮布局上合理性（保證不同模塊間的良好隔離性及走線空間的裕度）和布線上的正確性（保證線中信號的完整性及一定的抗干擾能力）。

2　設計流程間的聯系與區別

2.1ASIC設計流程定義

ASIC設計流程是將前端設計產生的門級網表通過EDA設計工具進行布局布線和進行物理驗證并最終產生供制造用的GDSII數據的過程［4］，而PCB設計流程是將設計好的IC或ASIC去搭建功能電路系統并進行布局布線和進行物理驗證并最終產生供制造用的gerber文件的過程［5］。兩者設計流程圖對比如圖1、圖2所示：

圖1　ASIC設計流程圖

　圖2 PCB設計流程圖

2.2ASIC設計流程與PCB設計流程子項對比結論

“設計輸入”和“設計準備”的對比： AISC“設計輸入”是采用硬件描述語言或電路圖輸入把設計輸入給ASIC設計系統的過程［1］，而PCB“設計準備”是對原理圖進行分析和ERC檢查從而建立印制板設計文件的過程［2］。相比較而言，ASIC“設計輸入”較PCB“設計準備”方式較為嚴謹多樣，ASIC設計輸入可依靠描述語言和電路圖進行獨立設計，而PCB設計輸入端只有原理圖而且通常系統搭建需要參考開發板的相關內容，設計具有依賴性。

“邏輯綜合”和“網表輸入”的對比：AISC“邏輯綜合”是采用HDL和邏輯綜合工具產生網表及、描述邏輯單元及其之間的鏈接關系的過程［1］，而PCB“網表輸入”是將印制板設計文件轉換好的網表進行輸入的過程［2］。相比較而言，AISC“邏輯綜合”和PCB“網表”都是作為ASIC和PCB版圖設計的橋梁和紐帶而存在的，但兩者包含的內容信息不同。AISC“邏輯綜合”產生的網表中包含著功能、時序、面積和功耗信息，而PCB得網表中包含著引腳定義、連接關系、網絡名稱、封裝類型和約束規則等信息。

“系統劃分”和“模塊劃分”的對比：AISC“系統劃分”是將大型系統分成幾個ASIC的過程［1］，而PCB“模塊劃分”是將PCB按功能、頻率和信號類型劃分為不同的模塊的過程［2］。相比較而言，AISC“系統劃分”和 PCB“模塊劃分”兩者所考慮的方向不同。ASIC“系統劃分”是由于現有WAFER制造和封裝工藝的限制，對于一個功能模塊達到一片無法用ASIC進行封裝的時候，就會用模塊連線最少原則，將其劃分裝在不同ASIC上的小模塊。而PCB模塊劃分考慮更多的是功能模塊間的可換性和數模混合電路間EMI的干擾問題。

“布圖前仿真”和“前仿真”的對比：AISC“布圖前仿真”是檢查設計功能是否正確的過程［1］，而PCB“前仿真”是優化信號質量、避免信號完整性和電源完整性的過程［2］。相比較而言，AISC“布圖前仿真”更偏向判定設計的正確性，其包括行為仿真、功能仿真和時序約束下的網絡表仿真，而PCB“前仿真”更偏向于獲得一套相匹配的設計約束，其包括對不同拓補結構和走線參數下PCB的信號傳輸仿真，已獲得一套最佳的設計方案。

“規劃布局”和“布局”的對比：AISC“規劃布局”是在芯片上排列網表的模塊的過程［1］，PCB“布局”是按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置的過程［2］。相比較而言，AISC“規劃布局”會更多的考慮到模塊放置時給布線帶來的益處，通過改變模塊相對位置或以分配通道的方法來減少布線擁塞，并在此之上安排可變模塊中邏輯單元的位置來使互連總長和互連擁塞最小，以及滿足網絡的時序要求，而PCB“布局”需要兼顧布線的同時還需要考慮功能順序、安裝位置、客戶要求、加工工藝和散熱設計等等。

“布線”與“布線”的對比：AISC“布線”是確定單元與模塊間的鏈接的過程［1］，而PCB“布線”是參照原理圖進行預布線，并根據DRC幾何設計規則修改布線的過程［2］。相比較而言，AISC“布線”會更加的系統化、規律化，因為AISC“布線”為小面積、高密度布線，所以為了高效合理地進行模塊間和模塊內的布線，正確的算法，有效的準則顯得尤為重要，如全局布線中的最小路徑原則和詳細布線中的左邊算法等，而PCB“布線”屬于大面積，低密度布線，每條線路的傳載信息又十分重要，所以PCB“布線”考慮的更多的是如何避免層間串擾，電磁輻射等問題，相應的方法有正交走線，防止自環，控制走線長度等。

“提取”與“去耦合”的對比：AISC“提取”是確定自身電氣特性，寄生電容和寄生電感的過程［1］，而 PCB“去耦合”是通過布局布線的控制盡可能減少互連電阻、寄生電容和寄生電感的過程［2］。相比較而言，兩者目的相同，但運用的方法卻不一致，由于AISC采用的是小面積、高密度布線，所以寄生電容，寄生電感無法避免，為了消除其帶來的延時，所以采取的是提取寄生電容，寄生電感及自身電氣特性的各項參數帶入網絡表中進行仿真的方法來檢測AISC功能的正確性，而PCB采用的是大面積、低密度布線，所以采用的是將電阻、互感和互容降到最低的方法進行布局布線后再用仿真的方法來檢測PCB功能的正確性。

“布圖后仿真”和“后仿真”的對比：AISC“布圖后仿真”是加上互連線負載后檢查設計是否能正常工作的過程［6］，而 PCB“后仿真”是PCB完成后的板級仿真，對布線效果進行檢驗的過程［2］。相比較而言，兩者的目的相同，就是在交由廠商制作前最后一道設計流程，以保證設計的正確性，AISC“布圖后仿真”較注重關鍵路徑中的自影響，如邏輯單元的延遲， PCB“后仿真”較注重整體布線的的互影響，如布線間的串擾，電磁兼容等。

3　工藝流程的聯系與區別

3.1ASIC工藝流程定義

ASIC工藝流程是將設計產生的版圖通過在光刻機在晶圓刻繪線路及摻雜電子元件并最終進行封裝形成集成電路的過程，而 PCB工藝流程的是將設計產生的版圖通過在絕緣基板上并進行開孔沉銅和圖形轉移電鍍并最終焊接電子部件形成印刷電路板的過程。兩者的工藝流程圖如圖3、圖4所示：

圖3　ASIC工藝流程圖

　　圖4 PCB工藝流程圖

3.2ASIC工藝流程與PCB工藝流程子項對比結論

“晶圓制備”和“開料”的對比：AISC“晶圓制備”是將石英棒拉伸好的單晶硅硅棒棒進行切片形成WAFER ，再將每片WAFER拋光成鏡面的過程。PCB“開料”是將大板料按MI要求切板、鋦板、啤圓、角邊、磨邊和出板。相比較而言，AISC“晶圓制備”工藝相對較多且復雜，包括石英爐中的熱拉和金剛石刀的切片，而PCB“開料”可靠滾剪開料機剪裁成型即可。

“氧化”和“鉆孔沉銅”的對比：AISC“氧化”是將WAFER放在900℃至1100℃的氧化爐中，并通入純凈的氧氣，在WAFER表面形成氧化硅的過程，而 PCB“鉆孔沉銅”是在所開符合要求尺寸的板料上，相應的位置鉆出所求的孔徑并利用化學方法在絕緣孔壁上沉積上一層薄銅的過程。相比較而言，AISC“氧化”工藝相對復雜，AISC“氧化”工藝是高熱環境下單晶硅和純氧發生的氧化反應，而“鉆孔沉銅”工藝是冷環境下基板的通孔中的鈉和銅離子發生的置換反應。

“覆膠曝光”和“圖形轉移電鍍”的對比：AISC“覆膠曝光”是通過旋轉離心力，均勻地在WAFER表面覆上一層光刻膠，再通過光學掩模板和曝光技術在WAFER表面形成圖案的過程，而 PCB“圖形轉移電鍍”是將圖形轉移是生產菲林上的圖像轉移到板上，再在線路圖形裸露的銅皮上或孔壁上電鍍一層達到要求厚度的銅層與要求厚度的金鎳或錫層的過程。相比較而言，兩者工藝十分相似，不同的AISC“覆膠曝光”多了預烘和后烘兩道工序，其目的讓光刻膠由液體變為固體；而PCB“圖形轉移電鍍”多了電鍍這道工藝，其目的是將裸露的走線部位和孔壁銅層鍍厚。

“刻蝕”和“刻蝕”的對比：AISC“蝕刻”是使用酸液或者堿液來移除相應的氧化層的過程，而 PCB“蝕刻”是用強氧化鈉溶液退去抗電鍍覆蓋膜層使非線路銅層裸露出來并利用氨液將非線路部位的銅層腐蝕去的過程。相比較而言，ASIC“蝕刻”相對簡單，ASIC“蝕刻”在保留顯影光刻膠的同時用酸液或堿液對二氧化硅直接進行腐蝕，而PCB需先在裸露的銅線處電鍍上鉛錫抗蝕層后，然后用堿液進行退膜，最后用氨性溶液對銅層進行腐蝕。

“摻雜磨平”和“綠油字符”的對比：AISC“摻雜磨平”是對WAFER注入離子（磷、硼），然后進行高溫擴散，形成各種集成器件，再將WAFER 表面磨平的過程，而PCB“綠油字符”是將綠油菲林的圖形轉移到板上，起到保護線路和阻止焊接零件時線路上錫的作用，再提供的一種便于辯認的標記到綠油上的過程。相比較而言，AISC“摻雜磨平”和PCB“綠油字符”沒有直接的對應關系，但也存在類似之處，AISC“摻雜”是在WAFER表面形成電子元件的過程，而PCB“字符”時在焊盤部位打上預焊電子部件的名稱的過程，AISC“磨平”和PCB“字符”都是起到了平面表面處理的作用。

“切片”和“成型”的對比：AISC“切片”是把芯片從WAFER 上切割下來。形成一顆顆die的過程，而 PCB“成型”是將完成上述工序后將開料板通過模具沖壓或數控鑼機鑼出客戶所需要的形狀的過程。相比較而言，AISC“切片”工藝相對單一，因為晶圓切割機一般只能直線切割，且die尺寸較小，一般做集成用，所以對安裝無尺寸干涉及重量限制。而PCB形狀相對較多，這是因為PCB的尺寸在不斷縮小，且電路板中的功能也越來越多，再加上時鐘速度的提高對布線的要求和作為子板安裝尺寸要求，所以PCB物理邊界通常不規則。

“測試”和“測試”的對比：AISC“測試”是對電氣特性以及可靠性進行檢測以去除不合格的芯片的過程，而PCB“測試”是通過電子測試，檢測目視不易發現到的開路，短路等功能性缺陷，再通過目檢板件外觀缺陷，并對輕微缺陷進行修理的過程。相比較而言，AISC“測試”更注重自身功能性測試，項目較少，分為封裝前的WAFER測試和封裝后的DIE測試，而PCB“測試”在保證自身功能完備的情況下，還注重材料，環境方面的測試，其可分為打件前的功能測試，電氣特性測試，信賴性測試，機械性能測試和打件后的飛針測試。

“封裝”和“打包”的對比：AISC“封裝”是將芯片上的接點用導線連接到封裝外殼的引腳，并用陶瓷或樹脂做為封裝外殼對芯片進行封裝的過程，而 PCB“打包”是用真空袋抽真空打包PCB板的過程。相比較而言，ASIC“封裝”的可靠性更高，因為ASIC的die上都是裸露的電子元件，極易受到來自外界的化學侵蝕和物理傷害，但是出現問題對用戶來說基本是不可修調的，而PCB“打包”形式相對開放，可靠性稍低，但是在修調方面可方便萬用表、維修儀和電烙鐵的操作，使其具有二次利用的效果，而真空打包是可以起到對裸露的焊盤進行防潮防氧化的效果。

4　總結與展望

從電路模塊的設計和工藝流程出發分析ASIC與PCB兩者之間的聯系與區別，可以得出以下結論：從目的定義來說，ASIC設計和PCB設計都屬于實現某種功用的電路集成模塊。但ASIC設計的對象是微觀觀電路，微米級至納米級，集成的是電子元件，如電阻、電容、晶體管等；PCB指的是宏觀電路，毫米級以上，集成的是電子元件和電子部件。從總設計線來說，ASIC設計與PCB設計都是一個電子功用品的階段性設計，但ASIC設計屬于電子元件的集成設計，屬于前段設計；PCB設計屬于電子部件的集成，屬于中段設計；產品的PCB集成裝配，并形成最后的終端產品，則屬于后段設計。從子設計線來說，ASIC設計和PCB設計都含括前段設計流程和后段工藝流程，在前段設計流程中ASIC設計注重在上合理布線布局的基礎上包容延遲和干擾；PCB設計注重在最大限度減少延遲和干擾的基礎上合理布線布局。在后段工藝流程中ASIC工藝先完成電子元件摻雜形成，再完成die的成型；PCB工藝先完成整板的成型，再完成電子部件的焊接。從設計成品來說，AISC和PCB都屬于帶硬質外殼，外部有接線位置的電子產品，但ASIC產品屬于包裹式扁平包裝（即封裝），外部的接線位置稱為引腳，屬于一對一接線方式，安裝固定方式依封裝類型而定，如插孔式、貼片式、混合式等；PCB產品屬于便于擺放的機箱包裝（類似主機），內部有插裝PCB板的機械結構，外部接線位置稱為接口，屬于多對多的接線方式，安裝固定方式依安裝相對位置和接口對接方式而定，如直插式、膠合式、釘固式等。

通過ASIC與PCB之間設計與工藝的總對比結論，對兩者聯合制作提出以下幾點展望：ASIC在向著軟硬件協同設計、IP核復用技術基礎上的超深亞微米為技術支撐的SOC設計技術，而PCB向著高密度互連技術（HDI）的方向發展［7］，兩者發展可有望促進生產出高密度，強功效的PCB單板和厘米級以下的電控機械系統。PCB埋嵌技術的發展［8］，PCB元件埋嵌技術即電子元件無封裝的內埋已經已可以實現，而組件內埋技術也開始逐漸成功，并投入慢慢投入生產，著ASIC和PCB的一體生產成為可能，這必將在PCB集成度和小型化上帶來變革。ASIC與PCB聯合設計制作，必將帶來新的融合式設計流程，新的融合式制作流程，這必將大大加快功能級電子產品的生產過程，并改變傳統的布線布局，測試方法和驗證流程，這也必將加強加強ASIC設計加工和PCB設計加工的連貫性。ASIC與PCB聯合設計制作方式的出現也必將順勢帶動ASIC與PCB新材料開發、新的制造工藝和新的設備開發。新材料方面有望發展帶硅的絕緣基板以及新型高Tg、熱膨脹系數小、介質常數小，介質損耗角正切的材料，工藝方面如聯合開料、聯合光刻及電鍍、集體封裝等新工藝以及加成法和半加成法［9］等低成本工藝。設備方面有望發展ASIC和PCB集成加工數控加工設備以及生產精細導線、新高分辨率光致掩模和曝光裝置以及激光直接曝光裝置。

［1］Michael John Sebastian Smith.專用集成電路［M］.北京：電子工業出版社，2004，01.

［2］黃智偉.印制電路板（PCB）設計技術與實踐［M］.北京：電子工業出版社，2009，08.

［3］張瑜，祖靜，裴東興等.數字專用集成電路成測系統設計［J］.儀器儀表學報，2006，27（z2）：1519-1520.

［4］向軍.談PCB的設計流程［J］.商情：教育經濟研究，2008（6）.

［5］王永清，王禮生.ASIC設計流程和方法［J］.中國集成電路，2005（12）：44-48.

［6］章旌紅，何劍春，陶東婭等.ASIC設計流程中的典型問題研究［J］.浙江工業大學學報，2007，35（2）：127-131.

［7］陳永健.PCB技術的發展趨勢展望［J］.中國科技信息，2010（17）：92-93.

［8］范海霞.印制電路板埋嵌電容技術及應用研究［D］.電子科技大學，2014.

［9］黃勇，吳會蘭，陳正清，等.半加成法工藝研究［J］.印制電路信息，2013（8）：9-13.

萬子平（1990—），男，湖南衡陽人，國防科學技術大學電子科學與工程學院研究生，助理工程師，研究方向：信息獲取、處理與電路實現技術研究。