中心議題：

• MCM布局布線的軟件實現
• MCM布局布線的仿真分析

解決方案：

• IBIS模型
• 反射分析
• EMI分析

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摘要：隨著封裝密度的增加和工作頻率的提高，MCM電路設計中的信號完整性問題已不容忽視。本文以檢測器電路為例，首先利用APD軟件實現電路的布局布線設計，然後結合信號完整性分析，對電路布局布線結構進行反複調整，最後的Spectra Quest軟件仿真結果表明
，改進後的電路布局布線滿足信號完整性要求
，同時保持較高的仿真精度。

隨著集成電路工藝技術的發展
，多芯片組件工作速度越來越高
，高速信號的處理已成為MCM電路設計能否成功的關鍵。當時鍾信號的上升沿或下降沿很小時
，就會導致傳輸線效應

，即出現信號完整性問題。

本設計按照圖1所示的MCM布局布線設計流程
，以檢測器電路為例
，詳細闡述了利用信號完整性分析工具進行MCM布局布線設計的方法。首先對封裝零件庫加以擴充，以滿足具體電路布局布線設計的需要；然後利用APD(Advanced Package Designer)軟件直接調用零件封裝符號

，完成電路初步的布局布線設計；最後結合反射、延時和電磁兼容等信號完整性仿真分析結果進行反複調整
，改進後的電路布局布線減小了信號的反射

，輸入信號的相對延時不超過0.2ns
，電磁幹擾現象也得到了抑製，滿足信號完整性要求。

MCM布局布線的軟件實現

如上所述，MCM布局布線的實現包括電路原理圖生成、擴充零件庫及最終的布局布線完成和加工數據文件輸出。APD Layout包括Padstack(*.pad)、Package Symbol(*.psm)、Mechanical Symbol(*.bsm)、Format Symbol (*.osm)和Shape Symbol(*.ssm)五種，MCM布局布線設計中


，所有的布局都必須有正確的Library Packing。MCM設(she)計(ji)軟(ruan)件(jian)自(zi)帶(dai)封(feng)裝(zhuang)庫(ku)往(wang)往(wang)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)具(ju)體(ti)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)，隻(zhi)有(you)擴(kuo)充(chong)零(ling)件(jian)庫(ku)後(hou)，才(cai)能(neng)直(zhi)接(jie)調(tiao)用(yong)零(ling)件(jian)進(jin)行(xing)布(bu)局(ju)布(bu)線(xian)設(she)計(ji)及(ji)最(zui)終(zhong)的(de)工(gong)藝(yi)文(wen)件(jian)輸(shu)出(chu)。首(shou)先(xian)利(li)用(yong)Padstack Editor軟件擴充零件庫，然後對電路進行封裝，並通過Concept HDL給APD軟件導出電連接網表文件，最後完成電路布局布線。以檢測器電路為例
，其原理圖主要部分如圖2所示，圖3為CCT(Spectra)布線後的形式。整個設計中
，定義了16個Padstack和81個封裝符號，進行251次調用Padstack和89次調用功能單元
，其中共用到了251個元件封裝符號引腳和229個功能單元引腳。

需要注意的是，具體設計時，若利用Orcad進行電路前期設計
，則必須將Orcad生成的文件轉換為APD軟件的mcm文件。但由於轉換後的mcm文件存在類似brd的問題，因此
，采用Concept HDL軟件來導出網表文件，然後提取網線拓撲結構進行仿真。為減少仿真時間，采用分模塊仿真方法。
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MCM布局布線的仿真分析

IBIS模型

Spectra Quest和其他電路分析軟件一樣
，要得到精確的仿真結果，必須首先給電路元件提供精確的電氣模型。Spectra Quest軟件使用的是IBIS模型。IBIS(輸入/輸出緩衝信息規範)模型采用I/V和V/T表的形式來描述I/O單元和引腳的特性，是一種基於V /I曲線的對I/O BUFFER快速準確建模的方法。它提供一種標準的文件格式來記錄如驅動器或接收器輸出阻抗、上升/下降時間及輸入負載等參數
，這些參數由Spectra Quest來讀取。IBIS模型具有信號完整性分析所需要的信息，非常適合做振蕩和串擾等高頻效應的計算與仿真。

Spectra Quest內部的Sigxplorer接受IBIS模型，然後將其轉換為獨特的設計模型化語言DML
，以完成複雜I/O結構的建模。而且，Sigxplorer中的Constraint Manager能夠對仿真中使用的參數進行管理，並將其嵌入到後續布局布線約束條件中。

反射分析

fanshejichuanshuxianshangdehuibo，shiyouyuzukangdebulianxueryinqide。yuanduanyufuzaiduanzukangbupipeihuiyinqixianshangdefanshe
，fuzaijiangyibufendianyafanshehuiyuanduan。ruguofuzaizukangxiaoyuyuanzukang

，fanshedianyaweifu；反之，反射電壓為正。理想的情況是輸出阻抗、傳輸線阻抗及負載阻抗均相等
，此時，傳輸線的阻抗是連續的
，不會發生任何反射。反射電壓信號的幅值由源端反射係數rS和負載反射係數rL決定，分別如下式所示：

式中
，RS為源阻抗，Z0為傳輸線阻抗
，RL為負載阻抗。若RL=Z0，則負載反射係數rL=0；若RS=Z0，則源端反射係數rS=0。

解決傳輸線反射的關鍵是阻抗控製，阻抗匹配可以抑製傳輸線反射
，主要有：並聯端接、Thevenin等效並聯端接、AC端接和串聯端接法四種匹配端接方法。這裏采用Thevenin等效並聯端接法，對檢測器電路輸入部分阻抗進行控製，然後提取電路拓撲結構，分別仿真匹配端接前

、後電路的傳輸特性。

用頻率為50MHz
，占空比為0.5的Pulse信號作觸發
，圖4和圖5分別為利用Signoise工具仿真得到的匹配端接前、houdefangzhenboxing。congtuzhongkeyikanchu，duanjieqian，boxingzaishangshengyanyoujibianfasheng，rongyiyinqiwucaozuo。pipeiduanjieyouxiaodixiaochulexinhaodejibian，dantiaoxinghenhao，erqiezaishangshengyanlashengleyuanxinhao，tiqianjinrudianpingqiehuan，zengjialexinhaodewentaishijian

，xinhaodeshangshengyanyebijiaopingwen。suiranzaigaodianpingdeweichijieduanyoushangguochong，danduixinhaoquerenmeiyouyingxiang，xinhaozhiliangbijiaolixiang。lingwai，xinhaochuanshuxianchangduduifansheyeyouyidingdeyingxiang。fangzhenfaxian，chuanshuxianjiaochangshi
，chuxianleyushidefanshexianxiang，rutu6所示；而傳輸線較短時，仿真波形和分析結果吻合得很好，如圖7所示。表1為上述兩種情況下的波形仿真參數。所以，布線長度不同
，其處理方法也應不同。一般來說，走線長度小於2英寸，以集總參數的LC電路來處理
；大於8英寸，則以分布參數的傳輸線電路來對待。

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延時分析

隨(sui)著(zhe)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)的(de)升(sheng)高(gao)
，當(dang)信(xin)號(hao)上(shang)升(sheng)沿(yan)或(huo)下(xia)降(jiang)沿(yan)很(hen)陡(dou)時(shi)，布(bu)線(xian)延(yan)時(shi)不(bu)能(neng)再(zai)被(bei)忽(hu)略(lve)。它(ta)對(dui)信(xin)號(hao)的(de)建(jian)立(li)和(he)保(bao)持(chi)起(qi)著(zhe)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)，甚(shen)至(zhi)可(ke)能(neng)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)時(shi)序(xu)
，產(chan)生(sheng)誤(wu)操(cao)作(zuo)，所(suo)以(yi)必(bi)須(xu)予(yu)以(yi)考(kao)慮(lv)。MCM高速電路設計要求存儲芯片的相位偏差不能過大
，因此驅動端到接收端的布線延時應大致相等。延時和信號線長度的關係如下式所示：

式中，e為介電常數，r為電阻率，w為線寬，l0為芯片之間的平均距離。由式(3)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，信(xin)號(hao)線(xian)長(chang)度(du)對(dui)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)量(liang)影(ying)響(xiang)很(hen)大(da)，可(ke)能(neng)使(shi)信(xin)號(hao)在(zai)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)產(chan)生(sheng)畸(ji)變(bian)。信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)量(liang)隨(sui)著(zhe)線(xian)長(chang)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)變(bian)差(cha)，對(dui)於(yu)過(guo)長(chang)的(de)信(xin)號(hao)線(xian)，應(ying)采(cai)用(yong)源(yuan)端(duan)或(huo)終(zhong)端(duan)匹(pi)配(pei)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)改(gai)善(shan)傳(chuan)輸(shu)質(zhi)量(liang)。利(li)用(yong)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)仿(fang)真(zhen)工(gong)具(ju)，可(ke)以(yi)方(fang)便(bian)地(di)模(mo)擬(ni)從(cong)驅(qu)動(dong)端(duan)到(dao)各(ge)芯(xin)片(pian)的(de)延(yan)時(shi)，然(ran)後(hou)結(jie)合(he)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)對(dui)布(bu)局(ju)布(bu)線(xian)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)，以(yi)達(da)到(dao)預(yu)定(ding)的(de)要(yao)求(qiu)。

jianceqidemeigexinhaoyingjinkenengbaochitongyichuanshuyanchi，zhejiuyaoqiubuxianshijinliangbaochichangduyizhi
，duiyuweiruodechabie
，keyigenjufangzhenjieguoyanchanghuosuoduanbuxian。wanchengbuxianyihou，zailiyongSpectra Quest軟件仿真輸入信號的傳輸延遲，具體參數如表2所示。可以看出，其相對延時不超過0.2ns
，仿真結果比較理想。

EMI分析

以上在時域中分析了信號的反射和延時，除此之外
，EMI(電磁幹擾)也是高速電路設計的一個重要方麵。

電磁幹擾包括過量的電磁輻射和對電磁輻射的敏感性兩方麵，工作頻率太高、信號變化太快或布局布線不合理等都會引起電磁幹擾效應。分別對改變布線策略

，增加終端匹配前、後的檢測器電路進行EMI仿真。圖8為(wei)布(bu)局(ju)布(bu)線(xian)調(tiao)整(zheng)前(qian)的(de)仿(fang)真(zhen)波(bo)形(xing)，垂(chui)直(zhi)條(tiao)長(chang)度(du)指(zhi)信(xin)號(hao)在(zai)該(gai)頻(pin)率(lv)的(de)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)
，橫(heng)線(xian)指(zhi)係(xi)統(tong)可(ke)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)大(da)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)。從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)，信(xin)號(hao)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)從(cong)0延續到2GHz，範(fan)圍(wei)很(hen)寬(kuan)
，而(er)且(qie)每(mei)個(ge)頻(pin)率(lv)的(de)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)不(bu)盡(jin)相(xiang)同(tong)


，某(mou)些(xie)頻(pin)率(lv)的(de)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)超(chao)出(chu)了(le)限(xian)製(zhi)
，即(ji)信(xin)號(hao)在(zai)該(gai)頻(pin)率(lv)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)已(yi)經(jing)超(chao)出(chu)係(xi)統(tong)所(suo)能(neng)承(cheng)受(shou)的(de)程(cheng)度(du)，應(ying)該(gai)采(cai)取(qu)措(cuo)施(shi)降(jiang)低(di)其(qi)輻(fu)射(she)水(shui)平(ping)。按(an)照(zhao)前(qian)述(shu)的(de)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)阻(zu)抗(kang)控(kong)製(zhi)
，並(bing)盡(jin)量(liang)減(jian)小(xiao)布(bu)線(xian)長(chang)度(du)
，重(zhong)新(xin)仿(fang)真(zhen)的(de)結(jie)果(guo)如(ru)圖(tu)9所(suo)示(shi)。可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)
，超(chao)過(guo)限(xian)製(zhi)的(de)頻(pin)率(lv)波(bo)已(yi)降(jiang)到(dao)橫(heng)線(xian)以(yi)下(xia)，並(bing)且(qie)各(ge)頻(pin)率(lv)點(dian)的(de)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)均(jun)有(you)所(suo)下(xia)降(jiang)，整(zheng)個(ge)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)都(dou)有(you)所(suo)降(jiang)低(di)。這(zhe)說(shuo)明(ming)，對(dui)於(yu)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)，改(gai)變(bian)布(bu)線(xian)長(chang)度(du)和(he)增(zeng)加(jia)適(shi)當(dang)的(de)匹(pi)配(pei)端(duan)接(jie)網(wang)絡(luo)
，不(bu)僅(jin)改(gai)善(shan)了(le)信(xin)號(hao)的(de)傳(chuan)輸(shu)特(te)性(xing)
，也(ye)降(jiang)低(di)了(le)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)強(qiang)度(du)，提(ti)高(gao)了(le)信(xin)號(hao)的(de)質(zhi)量(liang)。

結語

高速電路設計時
，首先利用精確的器件模型對係統功能進行信號完整性和EMI仿真分析，以此來確定電路的布局布線，然後再進行仿真
，對布線網絡加以改進
，直至得到滿意的布線結果。本設計主要對MCM布局布線設計技術
，結合檢測器封裝實例，分別在時域和頻域對MCM布局布線時的反射、延時和EMI等問題進行了仿真和分析
，取得了較好的效果。