芯片、封装和系统的协同SI-PI-EMI仿真

ANSYS芯片‐封装‐系统(CPS)的协同ANSYS 芯片‐封装‐系统(CPS)的协同SI/PI/EMI解决方案1©2015ANSYS,Inc.August13,2018内容提要ANSYS端到端的CPS介绍SIPI和EMI原理解析SI、PI和EMI原理解析信号完整性分析信号完整性分析电源完整性分析SI/PI/EMI耦合分析ANSYS信号完整性和电源完整性分析与仿真实例（第二版）———芯片‐封装‐系统的协同设计2©2015ANSYS,Inc.August13,2018芯片封装系统的协同设计ANSYS专门致力于工程仿真40年，是全球领先的多个物理域单供应商软件供应商。FLUID•多个物理域，单一供应商–稳定可靠的CAE伙伴•统一仿真平台降低使用难度DYNAMICS•统仿真平台降低使用难度–自动化和流畅的数据交换•灵活和开放的解决方案STRUCTURALMECHANICS–单向耦合–双向耦合与闭环耦合仿真–领先的单一求解域技术ELECTRO‐MAGNETICS–与第三方工具相结合•性能和先进的建模技术流的耦合仿真技术SYSTEMS &MULTIPHYSICS–一流的耦合仿真技术–高扩展性并行计算和处理技术3©2015ANSYS,Inc.August13,2018MULTIPHYSICSANSYS 多物理场耦合FSI: 压力/受力电磁场-热FSI: 热应力热流体散热耦合结构分析流体分析高频和低频电磁场分析电磁场-流体散热-热应力耦合电磁场流体散热热应力耦合电磁场-热应力耦合外部数据电磁场热应力耦合0D 系统级多物理建模场/路/系统协同4©2015ANSYS,Inc.August13,2018场/路/系统协同ANSYS愿景•仿真完整产品−真实环境中的真实性能模拟−广泛的多物理域耦合分析完整的全系统建模−完整的全系统建模物理原型(DV)概念设计产品(PV)仿真驱动产品研发仿真驱动产品研发产品(PV)5©2015ANSYS,Inc.August13,2018CPS：考虑系统的芯片设计和考虑芯片的系统设计z芯片到芯片的系统异常复杂:芯片到芯片的系统异常复杂•硅发射器/接收器•3D互连器件•芯片到封装的连接+-+-ViaViaViaMSSLSLPackagePackageConnectorBackplaneDaughterCard•芯片到封装的连接•封装到子卡的连接•子卡到背板的连接•供电网络的影响•供电网络的影响z设计问题复杂•高风险•高风险¾系统中会有未知现象？•设计错误将付出更高的代价•需要新的方法和仿真工具来解决上述困难。6©2015ANSYS,Inc.August13,2018端到端的CPS仿真平台：新工具端到端仿真新具7©2015ANSYS,Inc.August13,2018CPS协同仿真不可缺少CPS系统的频率不断提高、集成度不断加强、尺寸不断减小，因此不论是考虑系统的芯片设计还是考虑芯片的系统设计，CPS协同仿真都是不可缺少的少的。首先，芯片供电阻抗、封装供电阻抗和PCB供电阻抗三者合力才是真正的系统供电阻抗。这不仅影响PI的阻抗设计和电源噪声的评估，而且影响SI系统供电阻抗。这不仅影响PI的阻抗设计和电源噪声的评估，而且影响SI的质量。8©2015ANSYS,Inc.August13,2018板子、封装和芯片单独的PDN阻抗图系统的PDN阻抗图其次，芯片不同的工作状态，导致不同的信号传输质量，因此需要引入芯片模型来进行系统的协同仿真。完整的芯片模型包含了非常多的晶体管电路模型，为了提高效率，可使用芯片电源模型（CPM）与高速通道模型一起进行仿真不仅保证了精度还提高可使用芯片电源模型（CPM）与高速通道模型起进行仿真，不仅保证了精度还提高了速度。第三，随着信号传输速率的不断提高，辐射强度也会越来越大，必须在设计的过程中第三，随着信号传输速率的不断提高，辐射强度也会越来越大，必须在设计的过程中就保证电磁辐射满足要求。为了更真实的反映实际的工作情况，要将时域的一些波动信号通过FFT转化为频域信号，用作近、远场EMI的仿真源。除了信号的辐射以外，电源地平面上的噪声幅度和分布也对电磁辐射有贡献。源地平面上的噪声幅度和分布也对电磁辐射有贡献。第四，散热设计无论是移动通信对低功耗设计的要求，还是考虑到温度会带来电性能的影响，都需要无移动信对低功耗设计要求考虑到度会带来性能都需要进行功耗和散热的分析。对于芯片的温升和热分析，不仅需要考虑管芯发热，还需要考虑由于基板导线通过大电流后带来的热影响。第五，热应力可靠性分析使电子元件和系统过早产生故障的环境因素包括热循环和热冲击。当温度变化引起的膨胀或收缩受到约束时，就会在物体内产生热应力。9©2015ANSYS,Inc.August13,2018端到端的CPS仿真平台：新方法ThermalRH‐CTAAnalog/IPTotemPowerArtistSoCRedHawkRTL级电源模型(RPM)RTL紧凑宏模型(CMM)芯片热模型(CTM)()芯片电源模型(CPM)SIwavePSIHFSSQ3DCPANexximHSPICEPSPICESpectre10©2015ANSYS,Inc.August13,2018Siwave电磁辐射计算CPS的场路协同仿真流程1）在Redhawk中导入芯片版图和RTL级模型，仿真提取芯片版图中电源地网络的无源参数，以及在设定的工作模式下芯片电源端的时域电流波形，得到芯片电源模型（CPM）该模型符合SPICE语法结构可被电路仿真工具读取（CPM）。该模型符合SPICE语法结构，可被电路仿真工具读取。2）在SIwave中分别导入PCB和封装的设计文件，按照实际的位置关系组合成一个完整的仿真工程，并提取S参数模型。该模型不仅考虑了封装和PCB之间的互耦，同时在EMI的仿真工程，并提取S参数模型。该模型不仅考虑了封装和PCB之间的互耦，同时在EMI分析时将封装和PCB作为一个辐射整体。3）在DesignerSI中导入芯片的CPM模型、SIwave提取的封装和印刷电路模型，按照实际3）在DesignerSI中导入芯片的CPM模型、SIwave提取的封装和印刷电路模型，按照实际电气连接关系连接成完整的系统仿真链路结构，并进行时域瞬态仿真。这个仿真可以得到基于CPM中的芯片电源波形下，封装和PCB上各端口处的电压和电流分布，并转换为频域数据Push Excitation到SIwave软件。为频域数据到软件4）SIwave便可基于该频域的电压电流信息进行EMI计算，从而得到在该CPM模型激励下的封装和PCB的辐射特性。11©2015ANSYS,Inc.August13,2018什么是CPM?9芯片上电源栅格寄生RLC9芯片上电源栅格寄生RLC9晶体管电流/电容/等效串联电阻9晶体管电流/电容/等效串联电阻RedhawkRedhawk9晶体管电流/电容/等效串联电阻9晶体管电流/电容/等效串联电阻9SPICE网表格式9SPICE网表格式RedhawkRedhawkPackage/BoardModelASICVendorsSystemHousesChip PowerModelVendorsANSYSEcosystemHouses12©2015ANSYS,Inc.August13,2018ANSYS Ecosystem什么是CPM?13©2015ANSYS,Inc.August13,2018电源完整性需要CPM（尤其是Core电源）•为什么需要CPM?•芯片在单独测试时是正常的但安装到PCB板上有时会不正常•芯片在单独测试时是正常的，但安装到PCB板上有时会不正常。•芯片在参考板上工作正常，但在客户设计板上有时会不正常。•芯片封装或系统单靠任级都无法考虑整个频段•芯片、封装或系统，单靠任一级都无法考虑整个频段14©2015ANSYS,Inc.August13,2018包含PCB,封装和芯片的PDN示意图完整PDN路径ChipΔIWireBondingPackageP/G NetworkBallBondingPCBP/G NetworkVery Low Frequency CurrentLow Frequency CurrentMedium Frequency CurrentHigh Frequency CurrentVery High Frequency CurrentPackageVRMBoard LevelP/G Impedance?15©2015ANSYS,Inc.August13,2018PCBBulk CapacitorNear VRMDecoupling CapacitorOn PCBDecoupling CapacitorOn PackageDecoupling CapacitorOn ChipCPM对电源阻抗的影响1000.00analysis_v2PDNImpedanceatDieCurveInfomag(Z(FCHIP_VDD_15,FCHIP_VDD_15))SYZSweep1mag(Z(FCHIP_VDD_15,FCHIP_VDD_15))SYZSweep2PKGPKG+CPM100.00_15))10.00P_VDD_15,FCHIP_VDD_1.00mag(Z(FCHIP16©2015ANSYS,Inc.August13,20180.101.0010.00Freq[GHz]0.10内容提要ANSYS端到端的CPS介绍SIPI和EMI原理解析SI、PI和EMI原理解析信号完整性分析信号完整性分析电源完整性分析SI/PI/EMI耦合分析ANSYS信号完整性和电源完整性分析与仿真实例（第二版）———芯片‐封装‐系统的协同设计17©2015ANSYS,Inc.August13,2018芯片封装系统的协同设计ANSYS SI/PI/EMI耦合分析SI、PI和EMI耦合分析是让工程师在设计早期洞察其产品是否会有EMI问题的设计方法。这种方法是其产品是否会有EMI问题的设计方法。这种方法是基于使用同一款工具对信号完整性和电源完整性进行耦合分析，并确保在SI和PI分析的同时得到SI、PI和EMI耦合分析方法的基础是基于SI、PI和EMI三者的密切相关性EMI相关信息。者的密切相关性。ANSYS用来分析SI和PI的工具同时也可以用来对设计中可能会存在的任一潜在EMI问题得到更好的理解可能会存在的任潜在EMI问题得到更好的理解18©2015ANSYS,Inc.August13,2018SI、PI和EMI原理EMI / EMCEMI / EMCz共模信号SI/PI/EMI问题是相互关联的z共模信号z电源/地噪声z保持低阻OutputInputSI/PI/EMI问题是相互关联的SISIz反射z延迟,偏差串扰EMI/EMCEMI/EMCMemory ICSignalsppz串扰z抖动z阻抗匹配EMI / EMCEMI / EMCController ICySignalsPIPI信号完整性信号完整性GNDVCCPIPIz同步开关噪声z平面谐振z保持PDS低阻信号完整性信号完整性VCC电源完整性电源完整性19©2015ANSYS,Inc.August13,2018ANSYS SI/PI/EMI耦合分析流程StartStart关键网络信号完整性分析关键器件电源完整性分析满足要求!FinishYes完整性分析完整性分析关键网络所在器件信号和供电网络耦合S参动态链接时域瞬态仿真检查信号质量激励推送检查电磁干扰设计足够优化优化电容、改变电源外形或接地方式，改善干扰络耦合参数提取检查信号质量和电源纹波设计足够优化方式，改善干扰程度或设计最优No根据分析结果改变原理图/版20©2015ANSYS,Inc.August13,2018改变原理图/版图设计EMI –电磁干扰源•明确干扰源来至明确的信号和辐射结构，例如天线•未知干扰源(90%以上的问题)来至未明确信号的辐射包括来至未明确信号的辐射，包括:共模噪声串扰耦合到I/O路径（如跨板系统走线、电缆等）信号线跨分割信号线跨分割电源地层谐振