"火山论剑"封装仿真（II）之封装电设计

paojianghu

: b. f1 w0 H9 ^/ e7 I7 t# ~2015-03-11Tao Wang
# _: M! K! r$ e  f# ]

1电子封装在电设计上的工程问题

封装的电性能是芯片与PCB设计者非常关心的问题，当前电路不断提高的速度及不断降低的噪声容限都要求工程师对封装的电性能设计给予极大的关注与考虑。比如若接地电阻过大，将会导致不可接受的电源压降；过长的信号引脚会带来额外的寄生电感，从而增大信号翻转式产生的同步开关噪声；过长的并行走线会导致不同电信号之间的串扰；不匹配的走线 阻抗会导致预期之外的信号反射等。

总的来说，电子封装在电设计上所面临的工程挑战主要包括以下几个方面：

/ o0 ~9 g% O- v  R+ f( Y% t3 ]

A.电源设计：封装首先要保证电源能够接通，使得芯片能够获得能量供给。在这个基础，由于封装的不同位置所需的电源不同，必须设计合适的电源网络结构，使得电源获得最恰当的分配，以 减少电源不必要的损耗。还要考虑地线的分配除了提供电源的参考之外，还应该给关键信号提供良好的返回路径。

! S: N3 ^2 W8 o7 \

B.信号传输：随着高速与射频芯片越来越多，信号的频率范围进入到了微波，毫米波频段。此时封装的几何尺寸已经可以和电磁波的波长相提并论了，因此在这种情况下封装对信号的影响无法忽略。传统的芯片封装一般通过bondwire与封装基板或者其他芯片相连。而Bondwire的几何特性，使得起引脚寄生电感，相邻网络之间的串扰，走线与地之间电容以及封装上走线的阻抗难以做到最优，如果设计过程中未给予足够考虑，那么都会对高速/高频信号造成畸变。TSV与FlipChip技术都使得信号互连的长度大大缩短，减小了延迟与寄生电感，有效提高了电性能，从而支持更高的信号频率。同时由于都采用阵列管脚形式，支持更多的管脚数量，保证了管脚之间的间距不至于太小，能够降低信号之间的串扰。

C.改善电磁兼容 芯片工作频率越来越高，除了带来信号互连的问题，还会导致显著的电磁辐射。封装本身的尺度极其附属物体（比如高速器件所有使用的散热器）的尺度都慢慢接近工作波长的四分之一，从而导致封装本身开始具有越来越明显的天线效应，其辐射电磁波的能力大大增强。由于在很多应用中，出于成本和重量方面的考虑，为电磁辐射设计额外的屏蔽结构是困难的，甚至是不允许的，因此降低电磁辐射的设计中心逐渐向PCB板级和封装级转移，从电磁辐射的源头就遏制住对外辐射的电磁场的大小。

D.芯片与PCB对封装的影响

当代技术的发展趋势要求工程师重新评估对整个电子系统的设计方法与流程，封装工程师，芯片工程师与PCB工程师不再是独立工作的三个团队了。封装工程师需要在设计初期，中期和后期，都能够将封装，芯片和PCB进行联合设计考虑，实现从前端到后端、从模拟到数 字、从芯片到系统的完整流程，从此优化性能，降低成本，缩短设计周期和减少设计工作量， 确保具有最新技术和创意的产品及时上市并占领市场。

2封装的电设计 CAE 需求分析

为了克服前面所提到电子封装所面临的挑战，工程师必须借助计算机仿真的方法进行在封装实物生产之前将其解决，具体的仿真需求包括：

仿真需求	对应的设计挑战
Bondwire，TSV,焊接凸点等三维互连结构电磁参数抽取	电源设计 信号传输
封装基板Layout信号完整性，电源完整性仿真	信号传输 电源设计 改善电磁兼容
芯片堆叠形式与管脚排列布局仿真	信号传输 电源设计 减小几何尺寸
电磁辐射分析	改善电磁兼容

. U8 G6 K: i" [8 g2 D) W/ ^/ j

A.Bondwire，TSV, Bump等三维互连结构电磁参数抽取

比如在设计 TSV 时，需要利用仿真确定 TSV 的孔径半径，长度，侧壁倾斜角度，轮廓角度等关键几何信息，保证 TSV 管在可制造的前提下能够满足高速电路互连的要求。又比如在 Flip Chip 封装中，芯片与基板的Bump对信号传输的影响也只能利用仿真进行解决。

2 t4 B- ~$ a. ~! d! ^

TSV与FlipChip等先进封装技术迫切需要利用仿真进行设计指导

B.封装基板Layout信号完整性，电源完整性仿真

封装基板的走线与电源地设计对信号完整性与电源完整性的影响很大，尤其是在多芯片的 SIP 和 MCM 封装设计中，电源供给比单芯片要复杂得多，一个芯片可能与另外一个芯片直接共享电源。为了保证电流的纯净，必须通过仿真来减少直流电压压降和电源网络阻抗，从而减少当信号翻转式所带来的SSN噪声。

C.芯片堆叠形式与管脚排列布局仿真

芯片的堆叠可以在封装内部实现复杂的三维结构，其堆叠方法与管脚排列将会对封装的电性能造成难以预估的影响，传统的二维设计与仿真工具所做出的简化规则与假设条件在这种堆叠情况下是难以实现的。因此新的仿真需求，要求将堆叠的三维结构信息，管脚排列的 几何信息和 RDL（Redistribution Layer）层的管脚重新分配综合考虑，以获取最佳布局方案。

8 [. o  |1 ?  g: ?/ {

; a. ^% G) [6 {0 X

芯片堆叠技术结构

D.封装，PCB和芯片的信号与电源协同仿真

要实现封装，PCB 与芯片的协同仿真，首先需要全面的芯片模型，包括芯片信号部分与电源部分，其次还需要准确的 PCB 模型，一般使用 S 参数模型；除此之外，由于芯片，封装 与 PCB 模型往往是基于不同的格式，因此要求进行封装，PCB 与芯片的仿真技术必须具有广泛的模型处理能力，需要支持并且精确求解各种模型。必须支持多种分析方法，如频域分析， 直流分析，瞬态分析和眼图分析等，以满足封装，PCB 与芯片的协同仿真各个方面的需要。

3  封装 电设计CAE解决方案

要解决上述问题，建议配置如下仿真系统：

模块		主要功能
电磁分析	ANSYSHFSS	全波有限元电磁场仿真模块，能够考虑任意材料任意几何结构的电磁特性，特别适用于bondwire,TSV等关键结构的精确仿真，仿真结果能够以S参数 或者SPICE电路的形式输出
9 H3 ^% }+ `" v. s; ]" ?	ANSYSTPA	封装电路/寄生参数快速提取模块。其核心算法与仿真 操作流程针对封装的结构有特别优化，能够实现  对整个封装所有网络的电阻，电感，电容和电导  参数的提取；拥有强大的自动化能力，能够自动  添加SOURCE与SINK，并智能地对电源地网络 进行分区以提高仿真速度。
	ANSYSQ3D	任意三维结构电路/寄生参数提取，能够提取任意材料任意几何结构的电阻，电感，电容和电导参数；  拥有强大的后处理能力，改变信号网络的连接状  况，如接地，悬空等无需重新求解，可以直接输  出新的结果；能够与Icepak 一起实现电热耦合分 析
, c% r' {, W! w1 n  i: X- Y/ E	ANSYSDesigner	封装，芯片与PCB的电路与系统协同仿真，能够将封装，芯片与PCB的模型组成完整的电路系统。对 于高速应用，能够计算整个链路的误码率，眼图，  时序，SSN噪声波形等。

A.ANSYS HFSS

HFSS是功能强大的任意三维结构电磁场全波仿真设计工具和EMI集成仿真验证环境。 HFSS可以对设计中的任意三维结构进行从直流到几十GHz范围的全波分析，以S参数显示， 用于分析信号的传输，反射，匹配特性，计算辐射和色散、模式转换和材料频变效应等对信号传输的影响，如整个电子设计系统高速关键路径，包括：子电路板/背板的高速信号线、 过孔，电缆、封装、连接器等，并进一步设计和优化。HFSS为用户提供一个方便的三维绘图建模环境，既可以在其中画出分析对象的三维结构，输入材料参数， 进行仿真分析，也可以导入AutoCAD，Pro/E，STEP，IGES，ACIS等机械结构设计文件，直 接做仿真。

7 d% Y7 g$ R3 _& ^7 ~( W

B.ANSYSDesigner

Designer作为新一代电路来仿真工具，提供了多种仿真技术，包括频域和时域系统仿真器，线性电路仿真器，谐波平衡仿真器，包络仿真器，瞬态仿真器，矩量法多层平面结构 电磁场仿真器等。与其他商用工具相比，在仿真速度，精度和能力上有巨大的飞跃。Designer 与SPICE网表完全兼容，支持所有的Foundry器件模型，能够完全集成到当前广泛采用的EDA 设计流程中；Designer 可以接受包括 IBIS（IBIS-AMI），SPICE 模型以及S 参数在内的多种器件模型，可以无缝嵌入到已有的设计流程中。Designer在S参数时域仿真领域同时 提供了卷积算法和状态空间法，能在保证收敛性的同时，也保证无源性和因果性。此外， Designer具有统计眼图，快速眼图，误码率分布曲线仿真功能，内嵌预加重和DFE，FFE均 衡算法，和各种抖动噪声模型，还可以实现快速 GHz高速通道的性能仿真，为成功设计提供了技术保障。

C.ANSYSSIWAVE

SIWAVE基于快速有限元法的PCB电磁场全波仿真算法，能够提取实际三维结构，包括 非理想的电源/地平面在内的全波通道参数，精确仿真信号线的真实工作特性，仿真分析整 个封装和PCB的全波通道参数，包括多层，任意形状的电源线和信号线，可以快速地仿真整 个电源和地结构的谐振平频率和幅度，用来考察封装与PCB板上关键器件的位置和关键网络 的布线路径，并模拟放置去耦电容后的作用和影响；可以做近场和远场的辐射分析，考察 PCB的辐射特性；可以通过设置端口，考察电源供电阻抗，以了解封装电源网络的性能；考 察信号线的传输特性和反射特性，了解信号传输延时和反射等信号完整性问题；考察多根信号线之间的耦合，分析串扰的影响；考察信号线和电源或者地之间的耦合，了解同步开关噪声与电源完整性；考察数模信号间隔离度，评估数模噪声影响。仿真结果可以以先进的二维 或者三维方式进行图形显示，并可以输出Spice等效电路模型进行时域仿真。

9 o( i+ u% Q. d

D.ANSYSQ3D

Q3D可以是进行任意三维结构封装，连接器，电缆和线束建模，电气参数提取的重要工具，在解决电路模型方面它提供给用户无比精确和方便的结果，是目前电路模型提取方面的 主流工具。Q3D提供了从几何模型到电气性能的整个仿真环境，无缝地集成建模、网格剖分、 抽取RLCG参数、生成SPICE模型和电路仿真的流程。对于不同的结构，可应用二维或三维仿真器，自动抽取出互联结构的寄生参数和电路模型，把这些模型用于SPICE电路仿真，可 得到各种信号/电源完整性参数

/ O+ S& F  m4 G- Z" \$ E# P

E.ANSYSTPA

ANSYSTPA是专门针对封装的寄生参数抽取工具，提供适合封装的自动化的设置与流程， 能够满足当代各种复杂封装结构的需求，如SIP,CSP，FlipChip等。通过TPA，用户可以选 择仿真整个封装，也可以选择关键网络进行仿真。其采用的算法能够准确对复杂的电源地平 面结构与不规则的走线进行模拟，能够根据耦合的阈值自动选择被包含在内的走线数量。采用自适应网格加密算法保证求解的可靠性与准确性。仿真结果能够输出成RLCG电路，供 Designer仿真时域串扰，过冲与TDR等。

4电子封装的 CAE 应用案例

A.电磁辐射分析

" D  {) c- S  X5 |

7 e1 k  z" S) L* T$ I

分析封装散热器对电磁辐射的影响

6 y. I; P4 q: p- e6 b9 S/ K3 j  {

本案例以HFSS为主要仿真工具，在HFSS对散热器以及封装外壳进行建模，仿真在散热器接地/不接地两种情况下，封装整体对外电磁辐射的差异，从而实现对散热器与封装连接 方式的优化与探索。

0 q9 L. Z. _: x0 v6 ~  h

B.电热协同分析

本案例使用HFSS和Q3D仿真获取SolderBall上的电路分布，以此电流分布作为边界条件，通过Icepak计算得到热应力，从而进一步获得热应力导致的结构形变。然后再返回 到HFSS与Q3D中考虑该形变对电流分布的影响。

2 o) a7 ]- j3 B

2 M7 z. a6 @2 v

利用HFSS与Icepak的实现电热协同分析，确定温度对电磁特性的影响

C.TSV仿真分析

  k7 g% V4 a' h6 P+ c

使用HFSS验证TSV设计与等效电路理论

9 m) Y9 @( [& K/ ?* }" }

利用HFSS验证了TSV等效电路理论的准确性，通过对TSV结构与材料的精确建模，在HFSS中仿真得到TSV结构的S参数，利用该S参数与TSV等效电路理论得到的S参数进行比较，可以帮助工程师完善TSV等效电路模型。

3 H. w$ T! t/ s+ W' r3 y+ o

D.RF芯片与封装的协同分析

通过HFSS对封装上RF芯片的输入输出匹配结构和直流偏置部分进行全波分析，然后在

Designer中导入RF芯片的SPICE电路，结合HFSS的仿真进行场路协同仿真，能够将整个 封装的内部的耦合效应与封装外壳的腔体效应准确的考虑进来，从而得到准确的放大器工作 频带与交调情况。

E.封装基板与Bondwire寄生电感提取

9 h, G4 \4 I' M$ N7 n* L. ?& T4 g

使用TPA整个封装进行电路/寄生参数提取，在TPA中能够自动在bondwire与ball处 设置Source和sink，然后在Designer基于TPA提取出来的模型进行时域仿真，查看封装对数字信号的影响和临近网络之间的串扰。

啤酒花

好文章，我怎么觉得在哪看过！

willyeing

这个会做就是大牛级人物了

qiuzhang

牛文

hanzhaohui

不错 ，学习了，但觉得有点意犹未尽的感觉

啤酒花

这是主要讲ansoft的，还有没有其他的软件可以与相比的？

paojianghu

文章不错，顶！

inter211

有实例就完美了

paojianghu

啤酒花 发表于 2015-3-19 15:01
这是主要讲ansoft的，还有没有其他的软件可以与相比的？

sigrity也差多
4 u$ B1 l$ n; H/ R! t

blackcrows

mark下

paojianghu

知道有就行了，有些东西必须动手才知道深浅。
, C' w4 o5 Q/ d6 N6 Q光吹不行！