IBIS Package Model建模

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本文假定读者有一定的SI基础，了解基本的ibis规范。另外，墙裂推荐先把下面几篇文章看完再继续。

: w' `3 v; m, M/ i1 O* t$ D; e2 n: X1. [url=]《I/O BufferInformation Specification》[/url]
0 i7 P) c! Q" p2 ^, J: W2 |3 h  Q[url=][/url]https://ibis.org/ver6.0/ver6_0.pdf
, p4 }" p( R0 k2. [url=]《一步一步学会创建IBIS模型》[/url]
  d/ s2 Y' J) B2 m[url=]http://wenku.baidu.com/view/fff2f335227916888486d75d.html[/url]
3. [url=]《package model的那些事儿》[/url]
[url=]http://wenku.baidu.com/view/a5cb25a36294dd88d0d26b64.html[/url]
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一、Ibis model与Package的对应关系

" l) n. W5 A1 Y( `4 |IBIS（I/O BufferInformation Specification）即输入输出缓冲器信息规范，是最常见的PCB级信号完整性仿真模型。与Spice等晶体管级缓冲器模型不同，ibis只描述IO的行为级电气特性，不涉及IO缓冲器的底层结构和工艺信息（这是IC厂商的核心机密之一，不是能同穿一条内裤的关系，不给看的），避免了泄露知识产权信息的风险。Ibis模型相比spice模型有几大优势，仿真占用的机时少，没有spice的不收敛问题，大部分商用EDA仿真平台都支持，使得其在SI仿真领域被广泛应用。
( N* G1 T4 m" U, Y9 `: T9 r  q图1是典型的IBISDriver缓冲器模型，红色部分是IO驱动部分的模型，蓝色部分是package的RLC参数模型，这是本文讨论的重点。图中列出了package参数与实际封装结构的对应关系，从中我们可以看出RLC对应了PBGA封装结构中的Bonding wire、Substrate  trace、Via、Solder Ball等结构，对于其他类型的封装，其对应关系会略有不同。
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图1 IBIS模型及RLC参数与封装的对应关系

SI经验法则，当信号的传输延迟小于信号上升沿的1/6时，通常可以用RLC集总参数表示传输线特性，这一法则同样适用与封装结构。早期，信号频率普遍低于100Mhz，上升时间大于1ns，远大于封装上的传输延迟，这时RLC集总参数已能准确表征封装的寄生特性。但随着信号频率的提升和上升沿的缩短，RLC集总参数已经不能准确表征IC等着的寄生特性，业界开始使用更精确的模型来描述封装参数，常用的有RLGC参数、S参数等。RLGC模型包含了信号之间的耦合信息，更精确的反应了实际封装结构的电气特性。下面先介绍package model参数，再介绍提取方法。

) Q) }$ [+ a% R( p图2 包含信号建耦合信息的Package model

8 y( f7 U& w( D0 L7 R( M二、Ibis package model

0 D' X9 M! F) d; h4 V) I我们知道完整的ibis模型里有三组package参数，分别用[Package]、[Pin]、[Packagemodel]三个关键字描述，一般在电路仿真中，默认调用优先级[Package ]< [Pin] <[Package model]，仿真精确程度也遵循同样的规律[Package ]< [Pin] <[Package model]。
" X* @# [: K7 V( y; l$ S0 o/ I下面我们以镁光内存颗粒的ibis模型为例，这里我们只讨论L参数，RC参数也遵循同样规律，不再赘述。
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• [Package]参数L_pkg有typ、min、max三个值，与[Pin]参数L_pin的关系是：L_pkg-typ=MEAN（L_pin）,也即L_pkg的typ值是所有L_pin值的平均值；同理L_pkg-min=MIN（L_pin），L_pkg-max=MAX（L_pin）。
  
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• [Pin]参数L_pin的值来自哪里，我们对比[Packagemodel]参数。我们知道[Package model]是矩阵，[Inductance Matrix]代表所有Pin脚信号的自感和互感。L_pin的值等于[Inductance Matrix]矩阵对角线上值，即自感；
  
• 从以上我们知道所有的RLC参数最终都来自[Package model]，那么[Package model]来自哪里？答案是仿真，就是我们前面提到的全波电磁场仿真。
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IBIS模型中的[Package]、[Pin]、[Package model]参数

[Package model]的电感矩阵

. L' N1 x1 J3 }  J[Package model]中的几个参数，如下：
==================================
) v( W# w( p* d% k6 B4 b. d+ V, ?0 t[Resistance Matrix]     Banded_Matrix
- }5 A7 c- C. H% ]* d# \[Bandwidth]                        0
…
[Inductance Matrix]     Full_Matrix
0 h4 T0 }3 u2 b+ \) g…
! d0 k, K4 F6 `1 b[Capacitance Matrix]   Sparse_Matrix
…
==============================
  T* {1 m. L( {1 F1 V  c1 \; K8 z[Resistance Matrix]、 [Inductance Matrix]、[Capacitance Matrix]统称RLC  Matrix,直译就是阻容感矩阵，其后面的参数Banded_Matrix（带状矩阵）、Sparse_Matrix（稀疏矩阵）、Full_Matrix（全矩阵）是指其不同的矩阵类型，不同的矩阵类型在数据存储和运算的算法上有区别，可以优化存储空间、减少运算量，这里是在提醒仿真器调用相应的算法求解器，关于其详细概念，可去网上搜索或去翻翻《线性代数》课本。另外，[Bandwidth]带宽，此参数只有Banded_Matrix矩阵才有，其值为0代表矩阵带宽为0，就是矩阵除了对角线上的元素外，其他元素值全为0，即只有自感（或自阻、自容），此参数常用于[Resistance Matrix]，主要是由于的互阻一般要小自阻几个数量级，可以忽略为0。如何得到Banded_Matrix、Sparse_Matrix、Full_Matrix，下面的仿真中再讲。
三、怎样得到package model

通过仿真得到封装的寄生参数是最常用的方法，但和一般的SI仿真不同，由于封装结构不是均匀的传输线，它包含了Bonding wire、Substrate trace、via、Solder Ball等结构，且缺乏完整的参考平面，普通的二维仿真已经不再适用，必须使用全波3D仿真才能等到精确的结果。业界已有成熟的工具可用、比如Ansoft、CST等。
首先，建立精确的仿真模型。包含两个方面，一是准确的反映封装结构的3D模型，如图3；其次，是材料准确的电性参数，包括结构中的导体（如金线bongding wire、铜trace和via，锡球等）和介质（如substrate、Solder resistor、molding compound等）；
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图3 DDR4封装结构及仿真模型

8 o0 L" |4 @+ j$ E2 H其次，是软件的设置。主要包含以下几个方面，一是软件本身的设置，可以参考帮助文件。二是与仿真结果相关的参数设置。[Capacitance Matrix]电容矩阵的求解是静态的，即Maxwell矩阵；[Resistance Matrix]、 [Inductance Matrix]有DC和AC之分，需要根据实际的情况选择；另外，端口的设置，需要统一方向，这关系到提取参数的有序性，参考图4。处理完以上设置，就可以运行仿真了。
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图4 电压极性和电流方向

) C$ ?7 D& u$ W3 Q6 S最后，仿真结果的后处理。原始结果RLGC矩阵，这里都是Full_Matrix,如图5。通过设置耦合系数，将低于自感（或自阻、自容）值一定比例的互感（或自阻、自容）消去，即可得到Sparse_Matrix；过滤系数设置成1，则得到[Bandwidth]带宽为0的Banded_Matrix。
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* S3 p  o/ J, h2 n图5 C矩阵Full_Matrix

图6 RLGC矩阵过滤耦合系数设置

另外，还可以通过将电源地网络设置成回流路径，将RLGC矩阵降阶，体现在package model里就是所有的电源地网络对应的RLC值全为0；不降阶的RLGC矩阵还可以用来做封装级的PI、SSN等电源相关的仿真，降阶的则只能用来SI仿真了。
9 y8 J7 P( U" l0 \最后，将处理完的数据导出，整理成符合ibis标准的格式如图7。
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' l0 z* ?& l8 c- |& `2 |+ V图7 [Packagemodel]模型参数

7 B7 ]3 @& K" F, n( Y' p2 Y& ^5 h最后，将[package model]与IO的ibis模型打包，即可在电路仿真器里调用，如图8。
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7 @# N- ^$ P( P4 ^4 ~图8 电路仿真器调用ibis模型及其封装模型的选择

( f% n6 V; h5 p7 e0 g, c四、总结

本文粗略讲解ibis模型中package model各参数的意义，并通过仿真和后处理方法得到各参数。RLGC模型是集总参数模型，适用的频率范围有限，有更高频率的仿真要求，则推荐使用S参数模型。考虑到package与PCB的相互影响，高端的仿真，则推荐chip-pkg-PCB联合仿真。
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