先进芯片、Interposer和封装设计的电磁与电路RLCK提取和仿真
本文原刊登于semiwiki.com：《Electromagnetic and Circuit RLCK Extraction and Simulation for Advanced Silicon, Interposers and Package Designs 》
作者：Tom Dillinger
编辑整理：成捷 | Ansys半导体事业部主任应用工程师
多年来，对于从物理设计数据中提取互连模型，已经有了截然不同的领域。
芯片设计人员普遍关注电路/路径延迟计算和动态I*R压降分析的RC寄生效应。将提取的寄生参数反标到网表模型要求版图已经成功通过LVS检查。对于具有快速时钟转换速率和高开关活动的特定高频设计类，感应阻抗的影响被纳入电源网格和全局时钟模型提取中。[1]
片上感应螺旋组件利用独特的方法生成电气模型。这些组件的布局通常需要特定的金属填充版图，这些金属填充位于（厚）顶层金属下方一直到衬底，以简化关于感应电流的假设，如下所示。
封装与印刷电路板设计领域需要准确的RCLK模型提取，以提供电源/地分布阻抗模型和收发器之间的信号互联插损/回损/串扰。留给电源/地电压水平波动的设计余量必然十分紧缺，同时增加去藕电容带来的成本/面积权衡需要高度细化的模型。对超高数据速率信号的需求（尤其是长距离串行接口）要求在宽频率范围内准确的提取模型，即基础数据速率的多重谐波。
目前有几种技术趋势正在推进这两个提取领域的新发展：
增加芯片上感应元件的使用，部署在电路上
作为芯片上时钟综合要求的一部分，调谐RLC“回路”电路的利用率日益增长。无线通信正在蓬勃发展，本地振荡器作为芯片间高速有线接口链路时钟源的设计在很大程度上使用了LC谐振回路。
分配给这些电路的芯片面积是日益关注的问题。如上图所示，芯片上电感器越来越多地与底层电路合并，因此需要改进模型的提取方法。
高级多芯片2.5D和3D封装技术引入新的拓扑结构来建模
当前的封装技术包含：
• 穿过堆叠芯片，从Bump到芯片用于供电和信号连接的硅通孔（TSV）
• 芯片之间的短距离（并行、时钟转发）接口
• Interposer中的局部重分布互联层
上图所示的是一种带有两个芯片的简单2.5D interposer结构，时钟线用黄色高亮显示，作为示例，分析整个结构的电磁（EM）效应是必要的。
而且，最后但同样重要的是：
与先进工艺节点芯片和多芯片封装相关的物理设计数据量十分庞大
提取寄生模型的算法需要支持分布式计算，并且跨多个处理器核心提供高度可扩展性能。
最近，我有幸与Ansys的Yorgos Koutsoyannopoulos和Anand Raman进行了交流，了解他们对支持这些模型提取领域的发展所需的趋势和工具特性的看法。他们的见解非常有指导意义，具体而言，最近推出的Ansys RaptorH这款产品如何综合全面地满足这些不断变化的需求。
Yorgos首先表示： “RLCK提取和仿真的应用空间正在迅速扩大。2.5D和3D IC的设计人员对以芯片为中心的流程非常熟悉。他们需要的建模解决方案既要求具备易用性，同时又要满足高信号数据速率所需的精度以及这类封装解决方案的供电问题。”
我问道：“您如何在易用性和准确性之间取得平衡？”
Yorgos答复道： “Ansys HFSS是电磁分析的黄金标准，其应用范围从无线传播一直延伸到PCB级信号与电源完整性仿真。上一代产品RaptorX则重点关注片上结构的寄生计算，例如螺旋电感、电源网格、芯片上MIM去耦电容器。我们已将HFSS和RaptorX整合到RaptorH中，两种引擎集成在一起。这样设计人员能便捷地发挥这两种算法的优势，该工具将最佳方法应用到模型的每个单元。”
Anand补充道： “RaptorH产品研发中有几个不可或缺的考量因素。以芯片为中心的设计环境是这些2.5D和3D封装的基础，GDS-II或OASIS数据可表达设计。技术文件堆叠定义使用了代工厂提供的工艺说明，所有层和维度信息都是加密的，工艺角定义使用了与传统芯片环境相同的定义。”
我问道：“Yorgos重点强调易用性，那么易用性对产品研发有什么影响呢？”
Anand答复说： “RaptorH桌面对当前RaptorX和HFSS用户而言并不陌生，3D设计几何结构和电磁场可视化解决方案使用了现有的Ansys桌面界面。”
Anand继续说道： “S参数和电路网表模型都已提供。特别值得注意的是，该分析是在LVS之前开展的，而设计仍在进行中。”
我问道：“对于一般电磁分析，HFSS通常需要掌握大量的控制专业知识。例如，模型端口的定义和布局。在RaptorH中又该如何管理呢？”
Anand答复道： “RaptorH流程以芯片为中心的特性意味着我们需要为芯片设计人员提供一个熟悉的环境。我们不需要支持自由空间电磁、波导、天线等等，所有金属生而平等。设计人员设置电路端口如同在实验室中放置端口。”
我问道：“这些2.5D和3D封装模型数据库可能非常庞大。RaptorH工具的性能如何？”
Yorgos回答说： “RaptorH旨在为电磁分析呈现完整版图，无需修剪数据通道，希望采样的拓扑能够表示完整接口。该工具能够快速分析设计尺寸、端口和技术文件堆叠数据，以提供所需的计算资源指南。算法分析只占用总计算时间的一小部分，电磁模型生成是高度并行化的。对于极大型问题，RaptorH可利用多处理云资源，在使用多个处理器时实现出色的加速性能。”
如果您正在寻求一款2.5D/3D封装解决方案，精确的信号和电源分配模型提取是绝对必要的，也欢迎您深入研究Ansys RaptorH解决方案的独特功能。
[1] Restle, P., et al., “Measurement and Modeling of On-Chip Transmission Line Effects in a 400MHz Microprocessor”, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 33, No. 4, April 1998, p 662-665.
关于Ansys CPS 解决方案
Ansys CPS（Chip Package System）多物理场仿真方案，包含了Redhawk/HFSS等业界黄金工具，基于CPM/CSM/CTM等独有的芯片模型，通过协同仿真考察芯片与PKG/PCB之间的耦合影响，通过电、热、结构之间的多物理场耦合仿真使得仿真精度更高，帮助设计者优化从芯片至系统的SIPI/热/结构可靠性等设计指标，此流程已经支持多家客户在先进工艺节点和大规模的2.5D/3D IC设计上成功流片。
